DE2039831C3

DE2039831C3 - Saures Bad zur galvanischen Abscheidung glänzender Kupferüberzüge

Info

Publication number: DE2039831C3
Application number: DE2039831A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Clauss; Wolfgang Dahms; Hans-Guenther Dr. Todt
Original assignee: Schering AG
Current assignee: Bayer Pharma AG
Priority date: 1970-06-06
Filing date: 1970-06-06
Publication date: 1979-09-06
Also published as: AT302764B; DE2028803A1; US3743584A; CH556347A; NL7107804A; CA961494A; DE2039831B2; GB1357442A; FR2095876A5; NL173277C; DE2028803C3; DE2039831A1; DE2028803B2; NL173277B

Description

	\	K	N	R, Λ	R.,	\
Rv_n		Ιο)	*'■?)*	*[ο\*		A
	\ / N	ν/	N I	V/
Λ	/	Rs	R₁	R₄

in H.^r RR. PPRPRP nnH R .ιΙ..ύ-h

oder verschieden sind und Wasserstoff, niederes Alkyl oder gegebenenfalls durch Methyl, Äthyl, Methoxy oder Äthoxy substituiertes Phenyl und R₅ und R₈ außerdem mono- oder polymere Phenazoniumradikalc, A einen Säurerest und η eine ganze Zahl von 2 bis 100 darstellen.

2. Bad nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß es die polymeren Phenazoniumverbindungen in Mengen von 0.0005 bis 0.1 g, I. vorzugsweise von 0.0005 bis 0,03 g I. enthält.

3. Bad nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich sauerstofmaltige, hochmulekularc Verbindungen und organische Thioverbindungen mit wasserlöslich machenden Gruppen enthält.

4. Bad nach den Ansprüchen I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß es die sauerstoffhaltigen. hochmolekularen Verbindungen in Mengen von 0,01 bis 20,OgI. vorzugsweise 0.02 bis 8,0 g I, und die organischen Thioverbindungen mit wasserlöslich machenden Gruppen in Mengen von 0,0005 bis 0.2 g/l. vorzugsweise 0.01 bis 0.1 g/l. enthält.

5. Bad nach den Ansprüchen I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich Glanzbildner und oder Netzmittel enthält.

Die Erfindung betrifft ein saures Bad. enthaltend substituierte Phenazoniumverbindungen zur galvanischen Abscheidung glänzender Kupferüberzüge.

Es ist seit langem bekannt, daß sauren, insbesondere den am meisten verbreiteten, schwefelsauren Kupferelektrolyten bestimmte organische Substanzen in geringen Mengen zugesetzt werden können, um statt einer kristallin-matten Abscheidung glänzende Kupferiiberzüge /u erhalten. Für diesen Zweck sind z. B. bekanntgeworden Polyäthylenglycol. Thioharnstoff und Thiophosphonsäureester. die jedoch keinerlei praktische Bedeutung mehr besitzen, da die Qualität tier mil ihnen erhaltenen Kupferüberzüge nicht den heutigen Anforderungen entspricht. So sind die tiber-/iige entweder zu spröde oder sie hesi:/en einen zu geringen Glan/ bzw. fallen in bestimmten Slromilichtehereichen reliefartig aus.

Auch der Zusatz von bestimmten Safraninen — entweder für sich nach dem Vorschlag der deutschen Patentschrift 9 47 656 oder im Gemisch mit Thioharnstoff oder dessen Substitutionsprodukten nach der deutschen Patentschrift 10 04 880 — führt zu Kupferüberzügen mit solch unbefriedigenden Eigenschaften.

Weiterhin wurde der Zusatz von Thioharnstoff-Formaldehydkondensaten (deutsche Patentschriften 11 52 863 und 11 65 962) und von bestimmten Verbindungen mit C = S-Gruppen im Molekül (deutsche Patentschrift 12 18 247) vorgeschlagen.

Mit diesen Zusätzen erhält man zwar glänzende Kupferniederschläge, doch werden auch diese den erhöhten Anforderungen der Praxis nicht immer gerecht, da deren einebnende Wirkung unbefriedigend ist.

Vorgeschlagen wurde außerdem der Zusatz von Polyalkyliminen in Verbindung mit organischen Thioverbindungen (deutsche Patentschrift 12 46 347) und Polyvinylverbindungen in Mischung mit sauerstoffhakigen hochmolekularen Verbindungen und organischen Thioverbindungen (deutsche Offenlegungsschrift 15 21062). Derartige Kupfcrelektrolyte erlauben aber nicht den Einsatz höherer kathodischer Stromdichten, und die abgeschiedenen Kupfcrüberzügc können außerdem nur nach einer vorausgegangenen Zwischenbehandlung vernickelt werden

In der genannten deutschen Offcnlegungsschrifl 15 21 062 wird außerdem ein saures Kupferbad beschrieben, das neben einer polymeren sauerstoffhaltigen Verbindung und einer organischen Thioverbindung mit wasserlöslich machender Gruppe noch mindestens eine substituierte Phenazoniumverbindung gelöst enthält.

Bei diesen Phenazoniumverbindungen handelt es sich um monomere Verbindungen, deren Verwendung in sauren Kupferbädern der geschilderten Art nicht zu befriedigenden Ergebnissen führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten sauren Kupferbäder zu vermeiden und darüber hinaus diese Bäder so zu verbessern, daß diese auch bei höheren Stromdichten betrieben werden können und in Verbindung mit an sich bekannten anderen Glanzbildnern die Abscheidung besonders gleichmäßiger Kupfcrnicderschlägc ermöglichen, welche sich ohne Zwischenbehandlung vernickeln lassen.

Dies wird crfindungsgcmäß gelöst durch ein saures Bad, enthaltend substituierte Phenazoniumverbindungen, das gekennzeichnet ist durch einen Gehalt an mindestens einer polymeren Phenazoniumverbindung der allgemeinen Formel

R4 Λ

in der R₁, R₂, R„ R₄, R₅. R„. R₇, R„ und R„ gleich oder verschieden sind und Wasserstoff, niederes Alkyl oder gegebenenfalls durch Methyl. Äthyl, Methoxy oder Äthoxy substituiertes Phenyl und R₅ und R_H außerdem mono- oder polymere Phcnazoniumradikalc darstellen, A ein Säurerest und /1 eine ganze Zahl von 2 bis 100 darstellen.

Als niedere Alkylreste seien ζ. Β. genannt Methyl und Äthyl.

Als Säurereate kommen z. B. in Betracht die der Salzsäure (Cl"), Schwefelsäure (HSO₄'), Salpetersäure (NO₃") und Essigsäure (CH₃COO").

Die Reste R₅ und R₈ können außerdem z. B. Phenazoniumradikalc des Grundkörpers bedeuten.

Die Mengen, in denen die gekennzeichneten Verbindungen den Kupferbädern zugegeben werden müssen, um eine deutliche Verbesserung der Kupferab- m

Tabelle I

Scheidung zu erzielen sind überraschenderweise nur sehr gering und betragen etwa 0,0005 bis 0,1 g/Liter, vorzugsweise 0,0005 bis 0,03 g/Liter.

Tabelle I enthält Beispiele für erfindungsgemäß zu verwendende Substanzen und Angaben über die bevorzugten Konzentrationen im Elektrolyten.

Die Verknüpfungsstellen der Radikale sind nicht völlig geklärt. Die Verknüpfung kann außer über die 3-Stellung des Phenazoniumradikals auch über die 5- und die 7-Stel lung erfolgen.

Siihslan/

/i Hc\or/iii!le Kon/L-nlnilinn

(cmal lu/Liier)

(CH₁), N

/ V _Ν· vy ν

(CH.,),N

(C H₁), N

I.,C λ HSO₄

ClI₁

(Cl I₁)

12

().(Χ)4 0.0S

Ol O J O

lo| \/

)ο J ο[o

cn.,

⁷ N j

io'l

ο ! ο

N Il

IO

(UX)3 0.03

Cl

CH,

(ISO₄ 0.(X? I 0.1..«

(I.I) I (M)S

C)OCCH,

cn,

HSO₄ 0.01 0.06

M)

HSO₄

l-'ortset/ung

Nr. Siihsiiin/

C H, H N

o j ol ο

- N ^v

OOCCH,

CMH, H N

N
O ^;

CH,

cw, πι,

o\o\o\

ι Ν

o ' o i ο ;

CH,

HSO₄

Cl

CH,

	H,l_.	H	Q,	N ! Q	!oj	1	■ ο
		Q	N	1	HSO₄
If		,C

! CI

N Λ¹¹-' I

II.N

; ο ι ο j ο ι

ι N

HSO₄

η Hevor/iiplc Koii/enlralinn

lclwiil (p/l.ilcrl

(UX)I 0,03

0.05

(UX)I 0.06

(UXM 0.04

0.01 O.I

O.(X)2 (MM

Diese Substanzen lassen sich .vie folgt herstellen: 2 Mol eines schwefelsauren Amins, /.. H. 2-Methyl-.Vamino-o-dimethylamino-'i-phenyl-phenii/'oniiirnsulfal werden mit 4,5 Liter 20%iger Schwefelsäure aufgeschlämmt und bei -5 C mit 650 ml Nilrosylsehwefelsäure. die 2,2 IMoI salpetrige Säure enthüll, innerhalb 3 Stunden dia/otiert. Die überschüssige salpetrige Säure wird mit Amidosulfonsäure /erstört und die Reaktionslösiing nuf20 C erwärmt wobei sich krallig Stickstoff entwickelt. Nach beendeter Stick- >ii'ffentsviLklung wird mit einer Hase. /. H. Kalilauge, neutralisiert.

Heim Stehen kristallisieren SOOg eines blauen Reaktionsproduktes der Substanz Nr. 3 (Tabelle I). Nach dem Trocknen kann dieses Produkt nach entsprechender Verdünnung sofort in sauren Kupfer-

CiCK ιΓΟιVtCiI CintiCSCi/i WCruCi't. i^ti.S iviOiüCWiCm OC-

trägt etwa 8000."

Als Had zur galvanischen Abscheidung von Kupferüber/ügen unter Zusatz der gekennzeichneten Substanzen wird im allgemeinen eine .schwefelsaure Kupfersulfatlösung folgender Zusammensetzung benutzt:

Kupl'ersulfal CuSO₄ 5H
Schwefelsäure IhSO₄ ...

20 S5 g Liter

Statt Kupfersulfat können zumindest teilweise auch andere Kupfersalze benutzt werden. Die Schwefelsäure kann teilweise oder ganz durch 1 luoroborsäure. Phosphorsäure und oder andere Säuren ersetzt werden. Der Hleklrolyt kann chloridfrei sein oder was /ur Verbesserung des Glanzes und der I inebnung meist vorteilhaft ist Chloride, z. B. Alkalichloride oder Chlorwasserstoffs;! ure in Mengen von 0.001 bis 0.2 g Liter enthalten.

Werden zu solchen Kupferbädern eine oder mehrere der erfindungsgemäß zu verwendenden Substanzen zugegeben, so fällt der normalerweise kristallin-matte Niederschlag in einem weiten Stromdichtebereich glänzend aus. Außerdem kann die kathodische Stromdichte um etwa 50% erhöht werden, ohne daß es zu Fehlern, insbesondere zu Knospenbildungcn im Bereich hoher Stromdichten kommt. Um eine bestimmte Schichtdicke zu erreichen, kann man demzufolge die Kxpositionszeit entsprechend verringern und in einer Anlage gegebenen Größe mehr Ware durchsetzen.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Substanzen sind aber auch besonders geeignet, in Verbindung mit Glanzbildnern und oder Nctzmitteln schleierfreie und hochglänzendc Kupferüberzüge abzuscheiden. Elektrolytc, die Substanzen der Tabelle I enthalten, /eigen auch ein hervorragendes Alterungsverhalten.

Selbst nach einem Stromdurchgang von 200-400 Ah I und mehr fallen die Kupferüberzüge genauso hochglänzend, einebnend und duktil wie in einem neu angesetzten Elektrolyten aus. Es entstehen keine schädlichen Zersetzungsproduktc dieser Substanzen, die Reinigungen, z. B. mit Aktivkohle, erforderlich machen.

Eine besonders deutliche und sprunghafte Verbesserung des Glanzes und der einebnenden Wirkung erhält man. wenn man die erfindungsgemäß zu verwendenden Substanzen solchen Kupferbädern zugibt, die als Glanzbiidnei sauerstoffhaiiige. hochmolekulare Verbindungen sowie organische Thioverbindungen, welche vorzugsweise eine oder mehrere wasserlöslich machende Gruppen enthalten.

Die Mengen, die man von diesen Verbindungen dem Kupferbad zugibt, liegen etwa innerhalb folgender Grenzen:

Sauerstoffhaltig, hochmolekulare Verbindungen 0.01 20.0 g Liter

vorzugsweise 0.02 X.O g Liter

Organi-i;he Ihloverbindungen mit wasserlöslich machenden

Gruppen O.lXXb 0.2 u ! ..·_■!

vorzugsweise 0.01 o.l g Liter

Tabelle Il enthält Heispiele für sauerstoffhaltig!.·, hochmolekulare Verbindungen und deren K-·. <■■-, /ugie Konzentrationen.

Tabelle 11

I- I

1 Polyvinylalkohol

2 Carboxymethylcellulose

3 Polyäthylenglycol

4 Polvpropylenglycol

5 Stearinsäure- Pol yg I > colest er

6 Olsäiire-Polyglycolester

7 Stearylalkohol-Polyglyeoläther K Nonvlphenol-Polyglycol:! tb.;r

Tabelle 111 enthüll Heispiele für organische I hioverbindungen mit wasserlöslich machenden Gruppen und deren bevorzugte Konzentrationen.

Tabelle III

0.05	0.4
0.05	0.1
0.1	5.0
0.0^s"	!.!I
0.5	S.O
0.5	5.0
0.5	X.O
0.5	6.0

\i Siihsl.in/

N.N-Diäthyl-dilhiocarbaminsäure-(sulfopropyl)-ester.

Natriumsalz

Κ.ΜΙ.-.Ί1-

ir.m· : ι L-11 Iu I non

0.01 0.1

	Mercaptobenzthiazol-S-pro-	0.02	0.1
	pansulfonsaurcs Natrium
3	.VMercaptopropan-1 -sulfon- saures Natrium	0.005	0.1
4	Bis-(3-Natriumsulfopropyl)- disnlfid	0.005	0.2
S	VJ I ti U 111 VJ Thiophosphorsäure-O-äthyl- bis-(sulfopropy I (-ester. Dinatriumsa'z	0.01	0.15
6	Thiophosphorsäure-tris- (sulfopropyl)-ester. Trinatriumsalz	0.02 -	-■0.15
7	Isothiocyanopropylsulfon- saures Natrium	0.05 —0.2
8	Thioglycolsäurc	0.001—0.003

Die Zugabe von Substanzen der Tabelle I zu Kupferbädern, die Glanzbildner der Tabellen und III enthalten, bewirkt also zwei entscheidende technische Vorteile:

1. die anwendbare kathodische Stromdichte wird bis /u 50% gesteigert.

2. die einebr.jndc Wirkung, d. h. die Verringerung von Rauhigkeit des Grundmaterials, erhöht sich (geriK.si-n bei einer Schichtdicke von 24 um) von 40 50% aur etwa 70 bis 80%.

Die Konzentrationsverhältnisse der einzehvn Verbindungen im Kupfcrelektrolvten können in weilen Cirenzen schwanken. Als günstig hat r.ich erwiesen, wenn ein Gewichtsverliältnis der in den Tabellen I. Il und III beispielsweise aufgeführten Substanzen von etwa 1:10-2 bis zu etwa f: 2(K): 20 vorliegt.

I-Olgende Beispiele erläutern die Krfindung.

Beispiel I
In einem Kupferbad der Zusammensetzung

zzu g ι iiei ivupieisuiiai ii ii.">v<j · ι 11 ■< "
50 g Liter Schwefelsäure, konz.

werden i'.ssingbleche oder vernickelte Stahlbleche bei einer Elektrolyttemperatur von 20 bis 25 C mil Kathodenbewegung verkupfert Die Niederschläge sinu krislallin-matt. Wenn die Stromdichte 4 Λ, dm² übersteigt, treten an den ticken der Kathodenbleche pulverförmige. nur lose haftende Kupferabscheidungen auf. Gibt man nun dem Elektrolyten 0.06 g Liter der Substanz I (Tabelle I) zu. so kann man unter gleichen Arbeitsbedingungen die Stromdichte bis auf 6 A dm² erhöhen, ohne daß es zu den genannten fehlern kommt. Außerdem fällt der Niederschlag glänzend aus.

Beispiel 2

l'.inem Kupferbad der Zusammensetzung

200 g Liter Kupfersulfat ICuSO₄ 5 H,O)

60 g/Liter Schwefelsäure, konz.
0.05 g Liter Natriumchlorid

werden als Glanzbildner

0.6 g Liter Polypropylenglycol und

0.02 g Liter .VMercaptopropan-l-sulfonsaures

Natrium
zugegeben.

Bei einer Elektrolyttemperatur von 20 bis 25 C erhält man mit einer Stromdichte von 6.0 A/dm² und Lufteinblasung zwar glänzende schleierfreie Kupferüberzüge, die Finebnung von Rauhigkeiten des Grundmaterials betragt bei einer Schichtdicke von 24 μπι aber nur 35%. Gibt man dem Bad zusätzlich 0,008 g/ Liter der Substanz 3 (Tabelle I) zu, so steigt die Einebnung unter gleichen Arbeitsbedingungen auf 76% an. sie erhöht sich also um 70%.

Beispiel 3
Dem Elektrolyten gemäß Beispiel 2 werden

4.0 g Liter Nonylphenol-Polyglycoläther und
0,02 g Liter N.N-Diäthyl-dithiocarbaminsäure-(sulfopropyl(-ester. Natriumsalz

zugegeben.

Die einebnende Wirkung beträgt bei einer Elektrolyttemperatur von 20 bis 25 C. einer Stromdichte von 5.0A(Im² und Kathodenstangenbewegung bei einer Schichtdicke von 24 am Kupfer etwa 50%. Durch eine Zugabe von 0.01 g Liter der Substanz 6 (Tabelle I). erhöht sich die Einebnung auf 78%, die Steigerung betraut also 56%.

Beispiel 4
In einem Kupferbad der Zusammensetzung

50 g Liter Kupfersulfat
120 g/Liter Schwefelsäure

werden Messingbleche oder in einem cyanidischeri Elektrolyten vorverkupferte Stahlbleche bei einer Eleklrolytlemperatur von 25 C mit Kathodenbewegung verkupfert. Die Niederschläge sind kristallinmatt. Wenn die Stromdichte 2,()Λ,>!πι² übersteigt, treten an den Ecken der Kathodenbleche pulverförmige nur lose haftende Kupferabscheidungen auf. (übt man dem Elektrolyten 0.03 g/Liter der Substanz "· (Tabelle I) zu, so kann man unter glc'cheri Arbeitsbedingungen die Stromdichte bis auf 3,0 A dm' erhöhen, ohne daß es zu den genannten f-'chlerr, kommt. Es ist somit eine Steigerung der Grenzstromdichte um 50'Vo zu verzeichnen.

Beispiel 5
Einem Kupferbad der Zusammensetzung

200.0 g Liter Kupfersulfat
65.0 g Liter Schwefelsäure
0.2 g Liter Natriumchlorid

werden als Glanzbildner 2,0 g Liter Polyäthylenglycol und 0,02 g Liter Bis-(3-Natriumsulfopropyl)-disultid zugegeben. Bei einer Elektrolyttemperatur von 27 C erhält man bei einer Stromdichte von 6 A/dm² und Lufteinblasung zwar glänzende Kupferüberzüge, die Einebnung ist aber bei einer Schichtdicke von 25 um nur 37%. Gibt man dem Bad zusätzlich 0,005 g Liter der Substanz 7 (Tabelle I) zu, so steigt die Einebnung unter gleichen Arbeitsbedingungen auf 62% an. Sie erhöht sich also um 68%.

Beispiel 6

220,(K) g Liter Kupfersulfat
55,(K) g Liter Schwefelsäure
1.08 g Liter Natriumchlorid
1.00 g Liter Stearylalkohol-Polyglycoläther
0.08 g Liter Thiophosphorsäure-tris-(sulfopropyl)-ester. Trinatriumsalz

Elektrolyttemperatur: 25 C.

Kathodenstangenbewegung.

Stromdichte: 5 A dm'.

Einebnung: 43%.

Durch Zugabe von 0,008 g Liter der Substanz 8 (Tabelle I) erhöht sich die Einebnung auf 71%. die Steigerung beträgt also 65%.

Beispiel 7

!95.0Og Liter Kupfersulfat
60,(X) g Liter Schwefelsäure
0,10 g Liter Natriumchlorid
5.00 g Liter Stearinsäure-Polyglycole.ster
0.05 g'Liter Thiophosphorsäure-O-äthyl-bis-(sulfopropyl)-ester. Dinatriumsalz

Elektrolyttemperatur: 22 C.

Kathodenstangenbewegung.

Stromdichte: 5 A dm².

Einebnung: 38%.

Durch Zugabe von 0.03 g Liter der Substanz Nr. 4 (Tabelle I) erhöht sich die Einebnung auf 68%. die Steigerung beträgt also 80%.

Beispiel S

Siihsl.in/ Nr	MfIlL-I
Ihihclk· Il	(μ Il
	0.025
4	0.06
S	0.05
6	0.04
7	0.02
*-x.*	0.05
9	0.06
IO	0.04
Il	0.1

K iipff rsulfiil	Sein
Ιμ Il	Ιμ Il
70	100
70	60
150	60
130	S S
ISO	65
40	120
190	45
ISO	60
195	ss

Tcmpcr.iliii	SU-I
I Cl	\ι>\|1
27	2.3
20	3.0
22	3.7
29	3.5
30	4.0
is	2.S
31	4.0
26	3.9
24	4.1
"U	_ι η

Slci)!ci'iiiii! tier (ίΐί-11/siioimlii.lilc r iiuf N ilnr

3.1 35 3.S 27 4.7 27 4.4 26 5.3 33 5.0 79 5.0 25

5.2 33 5.9 44 λ π sn

Beispiel 9 (Vergleiehsversueh)

Einem Kupferbad der Zusammensetzung

210g Liter Kupfersulfat (CuSO₄ · 5 H,O)

55 g Liter Schwefelsäure, konz. 0.06 g Liter Natriumchlorid
0.09 g Liter Mercaptobutansulfonsäure 0,10 g Liter Polyäthylenglycol

wurden in einem Versuch

A) 0.006g Liter der Substanz Nr. IO nach Tabelle 1 der vorliegenden Anmeldung

und in einem Versuch

B) 0.010 g Liter des bekannten Zusatzes Janusuriin B (gemäß der DT-OS 15 21 062) zugesetzt.

Die Klektrolyttemperatur betrug in beiden Versuchen 20 bis 25¹C.

Die Abscheidung erfolgte bei einer Stromdichte von 5 A dm² unter Lufteinblasung.

Beide Versuche wurden als Dauerversuche in einem Zeitraum von KX) Stunden durchgeführt.

Auswertung

Der Elektrolyt nach Versuch A war nicht verfärbt. zeigte also keine Alterungserscheinungen.

Die hieraus abgeschiedenen Cberzüge waren fast schleierfrei, zeigten keine Anbrennungen und besaßen eine ehr gute Glanztiefenstrcuung. Die t'ber/iige wa en weiterhin gut eingeebnet und ohne Rauhigkei.en.

Der Elektrolyt nach B war stark violett verfärbt, zeigte also starke Alterungserscheinungen.

Die überzüge waren stark verschleiert, zeigten starke Anbrennungen und außerdem baumartige Auswaehsungen. die für die Praxis völlig unbefriedigend sind.

Die überraschende technische fberlegenheii des erlindiingsgemäß zu verwendenden Zusatzes gegenüber dem bekannten Zusatz is; damit unter Beweis eestelll.

Claims

Patentansprüche:

1. Saures Bad zur galvanischen Abscheidung glänzender Kupferüberzüge, enthaltend substituierte Phenazoniumverbindungen, gckennzeichnetdurch einen Gehalt an mindestens einer polymeren Phenazoniumverbindung der allgemeinen Formel