DE3012168A1 - Verfahren zur galvanischen abscheidung von kupferniederschlaegen - Google Patents
Verfahren zur galvanischen abscheidung von kupferniederschlaegenInfo
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Description
*"■■ ' ■ ' ' Berlin,den 2k. März I98O
VERFAHREN ZUR GALVANISCHEN ABSCHEIDUNG VON KUPFERNIEDERSCHLÄGEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von glänzenden und duktilen Kupferniederschlägen
aus sauren Kupferbädern, deren Metallgehalt während der Abscheidung
unverändert bleibt.
Saure Kupferbäder werden üblicherweise mit löslichen Anoden aus Kupfer betrieben. Diese werden in Form von Knüppeln, Stangen
oder auch von Granulat oder Stücken in Körben in das Bad gehängt und geben bei anodischer Schaltung entsprechend der
Strommenge nach dem Faradayschen Gesetz mit annähernd 100%iger Ausbeute Kupferionen an den Elektrolyten ab. Hierbei hat es
sich gezeigt, daß es sinnvoll ist, dem Kupfer Phosphor in geringen Mengen zuzulegieren, damit die Anoden sich durch
Ausbildung eines gleichmäßigen Anodenfilms besser auflösen und keine passiven Stellen zeigen.
Derartige Kupferbäder insbesondere mit einem Gehalt an organischen
Thioverbindungen finden vorwiegend zur galvanischen Abscheidung von glänzenden und duktilen Kupferniederschlägen
Verwendung. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Verstärkung der Leiterbahnen von gedruckten Schaltungen.
— 2 —
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s: Dr. Eduard v. Schwartzkoppen Berliner Commerzbank AQ. Berlin, Konto-Nr. 108 7006 00. Bankleitzahl 100 400
5C3 GC IV «SSO
SCHERING AG
(ι
Gewerblicher Rechtsschutz
Saure Kupferbäder haben, jedoch ganz allgemein den Nachteil,
daß insbesondere bei hohen Säurekonzentrationen außer der anodischen Auflösung der Anoden auch eine chemische Auflösung
erfolgt, wodurch sich der Kupfergehalt im Bad stark erhöht. Diese Bäder müssen daher aufwendig überwacht und von
Zeit zu Zeit verdünnt werden, da diese hohe Kupferkonzentration eine mangelhafte Streuung des Kupferniederschlags und
sogar ein Reißen der Leiterbahnen gedruckter Schaltungen bei thermischer Beanspruchung verursachen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Entwicklung eines Verfahrens, welches die galvanische Abscheidung von glänzenden
und duktilen Kupferniederschlägen aus sauren Kupferbädern
ohne Änderung des Metallgehaltes erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der
bezeichneten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß inerte Anoden aus Edelmetall, Edelmetall-Legierungen oder
deren Verbindungen gemeinsam mit löslichen Anoden verwendet werden.
Besondere Ausführungsformen dieses Verfahrens bestehen darin,
daß inerte Anoden aus Platin,Iridium» Rhodium, Palladium, Gold, Ruthenium, Rhenium, deren Legierungen, Oxide oder Carbide ver-
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Vorstand: Or. Herbert Asmls · Dr. Christian Brunn ■ Hans-Jürgen Hamann Postanschrift: SCHERINQ AG · D-1000 Berlin G5 · Postfach 65 0311
Dr. Heinz Hannse · Karl Otto Mittelstenscheid · Dr. Horst WiUeI Postscheck-Konto: Berlin-West 1175-101. Bankleltzahl 10010010
Sd GC IV 425S0
. ^ SCHERING AG
£Τ- _ Gewerblicher Rechtsschutt
wendet werden,
daß Anoden verwendet werden, bei denen das Verhältnis der geometrischen Flächen von inerter zu löslicher Anode von
1 : 1 bis 1 : 200, vorzugsweise von 1 : 5 his 1 : 20, beträgt,
daß die inerte Anode zusätzlich mit einem Potential versehen wird,
daß saure Kupferbäder enthaltend organische Thioverbindungen verwendet werden.
Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bleibt der Metallgehalt des Kupferbades überraschenderweise praktisch konstant, was besonders vorteilhaft ist. So eignet
sich dieses Verfahren mit besonderem Vorteil zur Verstärkung der Leiterbahnen von gedruckten Schaltungen, die thermisch
hoch belastbar sind.
Weitere Vorteile bestehen darin, daß die Bäder geringere Anteile an Glanzzusatz benötigen, da der Verbrauch sich bis zu
60% verringert, und daß die in der Praxis häufig erforderliche
Oxidation zum Aktivieren der Inhibitoren oder zum Zerstören der Zersetzungsprodukte entfallen kann. Es wurde außerdem gefunden,
daß die Makrometallstreuung sogar verbessert werden kann.
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- y- SCHERING AG
r
Gewerblicher Rechtsschutz
Als inerte Anoden, die gemeinsam mit löslichen Kupferanoden erfindungsgemäß verwendet werden, sind solche aus Edelmetall,
Edelmetall-Legierungen oder deren Verbindungen zu verstehen.
Insbesondere sind beispielsweise zu nennen, Anoden aus Platin,
Iridium, Rhodium, Palladium, Gold (Feingold), Ruthenium, Rhenium, deren Legierungen, Oxide und Carbide. Diese Metalle, ihre Legierungen
und Verbindungen können auch auf inerten Trägerwerkstoffen zweckmäßigerweise in dünnen Schichten aufgetragen werden,
wie zum Beipsiel auf Magnetit, Titan, Graphit, Blei oder Tantal.
Es wurde weiterhin gefunden, daß das Bad bei der Durchführung des erfindungen amäßen Verfahrens optimale Eigenschaften entfaltet,
wenn das Verhältnis der geometrischen Flächen von inerter zu löslicher Anode von 1 : 1 bis 1 : 200, vorzugsweise von
1 : 5 bis 1 : 20, beträgt.
Unter geometrischer Fläche wird hierbei diejenige Fläche verstanden,
die man aus dem Produkt von Länge mal Breite der Seiten der Anoden erhält, die der Kathode zugewandt sind, wobei Mikrounebenheiten
bei der Berechnung nicht berücksichtigt werden.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß man den Flächenanteil
von inerter Anode sogar bis auf 1% der geometrischen Gesamtanodenflache verringern kann, wenn die Anoden separat
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Berliner Dlsconto-Bank AG, Berlin, Konto-Nr. 241/5008, Bankleitzahl 100 700
ι,, AA \£*mmr\ uoDnruH Berliner Handels-Geseliscriaft — Frankfurter Bank —, Berlin.
_ „_ SCHERING AG
angesteuert werden. Dies gelingt mittels einer zusätzlichen Gleichstromquelle, welche die Oxidationskraft selektiv
regelt und die erforderliche Fläche der inerten Anode überschenderweise
reduziert. Hierdurch wird die inerte Anode zusätzlich mit einem anodischen Potential versehen, so daß sie
noch positiver als die lösliche Kupferanode geladen ist.
Als saure Kupferbäder können solche üblicher Zusammensetzung verwendet werden.
Im allgemeinen wird ein wäßriges Bad folgender Zusammensetzung benutzt:
Kupfersulfat (CuSO^.5H3O) 50 - 250 g / Liter,
vorzugsweise 60 - 80 g / Liter
Schwefelsäure 50 - 25O g / Liter,
vorzugsweise I80 - 220 g / Liter,
Natriumchlorid 0,05 - Oi25 g / Liter,
vorzugsweise 0,06 - 0,1 g / Liter.
Anstelle von Kupfersulfat können zumindest teilweise auch andere Kupfersalze benutzt werden. Auch die Schwefelsäure
kann teilweise oder ganz durch Fluoroborsäure, Phosphorsäure oder andere Säuren ersetzt werden. Das Bad kann auch
chloridfrei hergestellt werden.
Außerdem können im Bad auch zusätzlich übliche Glanzbildner und/oder Netzmittel enthalten sein.
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Vorstand: Dr. Herbert Asmls ■ Dr. Christian Brunn ■ Hans-JGrgen Hamann Postanschrift: SCHERINQ AQ · D-1O0O Berlin 65 · Postfach 9S0311
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5C3 GC IV 42SiO
SCHERING AG
_§ — Gewerblicher Rechtsschutz
Die Arbeitsbedingungen des Bades sind wie folgt:
pH-Wert: <1
Temperatur: 15 - 35° C, vorzugsweise 25 C
Kathodische „ 2
Stromdichte: 0,5-8 A/dm , vorzugsweise 2-4 A/dm . Elektrolytbewegung erfolgt durch Einblasen von sauberer
Luft, so stark, daß die Elektrolytoberfläche in starker
Wallung sich befindet.
Besonders vorteilhaft lassen sich indessen saure Kupferbäder verwenden, welche organische Thioverbindungen als Zusätze
enthalten, in denen der Schwefel formal zwei-, vier- und/oder sechswertig oder polymer sein kann. Es hat sich
nämlich gezeigt, daß diese schwefelhaltigen Inhibitoren
durch die gemeinsame Verwendung von inerten und löslichen Anoden in einem optimalen Redoxgleichgewicht gehalten werden.
Diese Einstellung des Redoxgleichgewichts ist von herausragender
Bedeutung, wenn die Anodenfläche im Vergleich zur Kathodenfläche sehr groß ist.
Als organische Thioverbindungen lassen sich vorzugsweise die folgenden verwenden:
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Vorstand: Dr. Herbart Asmis - Dr. Christian Brunn - Hans-Jürgen Hamann Postanschrift: SCHERING AQ ■ D-1000 Berlin 65 ■ Postfach 85 0311
Dr. Heinz Hannse · Karl Otto Mlttelstenscheid · Dr. Horst Witzel Postscheck-Konto: Berlin-West 1175-101, Bankleitzahl 10010010
SC3 GC IV 45S0
-Q-
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Organische Thioverbindungen
bevorzugte Konzentration g / Liter
N,N-Diäthyl-dithiocarbaminsäure-^-
sulfopropyl)-ester Natriumsalz
Mercaptobenzthiazol-S-propansulfonsaures Natrium
3-Mercaptopropan-l-sulfonsaures
Natrium
Thiophosphorsäure-O-äthyl-bis-(a/-sulfopropyl)
-ester,Dinatriumsalz
Thiophosphorsäure-tris- C^-sulf opropyl)-ester,
Trinatriumsalz
Isothiocyanopropylsulfonsaures Natrium
Thioglycolsäure
Athylendithiodipropylsulfonsaures Natrium
Thioacetamid-S-propylsulfonsaures
Natrium™
Di-n-propylthioäther-di-frf-sulfonsäure,
Dinatriumsalz
0,01 - 0,1
0,02 - 0,1 0,005 - 0,1 0,01 - 0,15
0,02 - 0,15 0,05 - 0,2
0,001 - 0,003 0,01 - 0,1
0,005 - 0,03 0,01 - 0,1
!30040/0847
... . „ „ ^Dr. Eduard ν. Schwartzkoppmi Berliner Commerzbank AQ, Berlin, Kont'o-Nr. 106 7006 00. Bankleitzahl 10040000
SCHERINGAG
Die Verwendung von Inhibitoren auf Basis selenhaltiger Verbindungen jeweils allein oder in Mischung mit den
Thioverbindungen ist ebenfalls möglich.
Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung
.
Zum Betreiben eines 10 Liter Kupferbädes wurden zwei
Kupferplatten mittels einer Anodenschiene verbunden und als Anode geschaltet. Die geometrische Fläche beider
ο
zur Kathode betrug ca. k,0 dm . Als Kathode wurde eine
zur Kathode betrug ca. k,0 dm . Als Kathode wurde eine
2 Leiterplatte mit einer geometrischen Fläche von 0,5 dm verwendet, lie Zusammensetzung des Kupferelektrolyten betrug
80 s / 1 Kupfersulfat (CuSO^ . 5 H0O)
l80 g / 1 Schwefelsäure konz. und 0,08 g / 1 Natriumchlorid.
Als Glanzbildner wurden
0,6 g / 1 Polypropylenglykol (A) und 0,02 g / 1 3-Mercaptopropan-l-sulfonsäure, Natriumsalz (B) zugegeben.
Als Glanzbildner wurden
0,6 g / 1 Polypropylenglykol (A) und 0,02 g / 1 3-Mercaptopropan-l-sulfonsäure, Natriumsalz (B) zugegeben.
Der Verbrauch an Verbindung (B) wurde durch Hull-Zellen-Prüfungen
ermittelt, der Metallanstieg mittels Analyse be-
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Vorstand: Or. Herbert Asmis · Dr. Christian Bruhn ■ Hans-Jürgen Hamann Postanschrift: SCHERINQ AQ ■ D-1000 Berlin 65 · Postfach 850311
Dr. Heinz Hanns· · Karl Otto Mlttelstenscheld · Dr. Horst Witzel Postscheck-Konto: Berlin-West 1175-101. Bankleitzahl 10010010
SC3 cc ιν «mo
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stimmt.
Die Abscheidung war leicht verschleiert, im niedrig3*BÄr.
Bereich der Stromdichte matt.
Nun wurde dieser Versuch wiederholt unter zusätzlicher Verwendung zweier Platten aus platiniertem Titanstreckmetall
als inerte Anode. Diese Platten vrurden an der gleichen Anodenschiene so befestigt, daß sich auf jeder Seite
der Wanne je ein Streifen platiniertes Titan und eine Kupferplatte befanden.
Der prozentuale Anteil der inerten Anöde zur geometrischen Gesamtanodenoberfläche betrug 10%. Man erzielte folgende
Ergebnisse:
% Anteil inerte Anode Verbrauch an Metallanstieg (+) zur Gesamtanoden- Verbindung Metallabfall (-)
fläche B pro 10 000 Ah in g/Liter
in g 10.000 Ah
0 3,0 + 11
10 1,2 ίο
Bei zusätzlicher Verwendung der inerten Anode war eine deutliche Abschwächung der matten Zone erkennbar, die
sonst nur durch Natriumpersulfat entfernt werden kann.
Diese Ergebisse zeigen, daß die erfindungsgemäße gleich-
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s: Dr. Eduard v. Sehwartzkoppen Berliner Commerzbank AQ, Berlin, Konto-Nr. 108 7008 OD. Bankleitzahl 100 «0
SCHERING AG
_- ή ^ „ Gewerblicher Rechtsschutz
zeitige Verwendung von inertem Edelmetall und löslichen Kupferanoden
eine starke Reduzierung des Verbrauchs an organischer ThiοVerbindung hervorruft und ein Anstieg der Metallionenkonzentration
nicht mehr zu beobachten war. Außerdem wurde ein Einsatz von Oxidationsmitteln vermieden.
Analog wie im Beispiel 1 wurden zwei -Kupferanodenverwendet,
diesmal gemeinsam mit einer Feingoldanode als inerter Anode. Diese war jedoch nicht mittels einer Anodenschiene mit den
Titankörben verbunden, sondern vielmehr mit einem zusätzlichen anodischen Potential belastet, so daß sie noch positiver geladen
war als die Kupferanoden. Das zusätzliche Potential!",
wurde durch einen zweiten Gleichrichter erzielt. Hierbei betrug das Flächenverhältnis 2% zur geometrischen Gesamtanodenflache.
Das Potential der Feingoldanode wurde zunächst so geregelt, daß die Sauerstoffabscheidung gerade sichtbar wurde.
Dann mußte das Potential um etwa 10 - 20% verringert werden,
um die besten Ergebnisse zu erzielen.
Das Potential zwischen Kathode und Kupferanode betrug 1,4 Volt, das zwischen beiden Anoden 0,6 Volt.
Der Verbrauch lag, obwohl der Anteil der inerten Anode an
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Vorstand: Dr. Herbert Asmis -Dr. Christian E;uhn -Hans-Jürgen Hamann Postanschrift: SCHEHING AG · D-1009 Bariin 65 · Pastfach 650311
Dr. HeIn2 Hanns« · Karl Otto M.tielstenschmd ■ Dr. Horst W.tzel Postscheck-Konto: Berlin-West 1175-181. Banklefeahl 10010010
/ersitzender des AufEichtsrets: Or. Eduard v. Schwartzkoppan Berliner Commerzbank AG. Berlin, Ksnio-Nr. 106 TSX 00, Bankleitzahl 100 400
Sitz der Gesellschaft: Berlin und Bcrgkamaii Berliner Disconto-BankAG. Berlin, Kcnto-Nr. 241/5S03. Bankieiteahl 100 700
Handelsregister: AG Chariottenburg 'J3 HRS 233 u. AG Kamen HRB 0061 Berliner Handels-Gesellschaft - Frankfurter Bank -, Berlin,
Konto-Nr. 14-362, Bankleitzeh! 1GG 232 OD
5C3 GC IV
SCHERINGAG
_. /1 O Gewerblicher Rechtsschutz
der geometrischen Gesamtanodenflache nur 2% betrug, bei
1, k g Verbindung (B) pro 10 ooo Ah. Es wurde kein Metallanstieg
festgestellt. Das Ergebnis zeigt, daß mittels eines zusätzlichen Potentials die" ^rj?örd($rliche inerte Anodenfläehe
verringert werden kann, was bei Edelmetallanoden äußerst kostensparend ist. Die anderen Vorteile des erfindungsgemäßen
Verfahrens bleiben dessenungeachtet voll erhalten.
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BhD GRrGbV^L
130040/0847
KontO-Nr. 14-362, BanKleitZSnl 100 202 w
Claims (1)
- SCHERING AGGewerblicher RechtsschutzPatentansprüche1. Verfahren zur galvanischen Abscheidung von glänzenden und duktilen Kupferniederschlägen aus sauren Kupferbädern, deren Metallgehalt während der Abscheidung unverändert bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß inerte Anoden aus Edelmetall, Edelmetall-Legierungen oder deren Verbindungen gemeinsam mit löslichen Anoden verwendet werden.2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß inerte Anoden aus Platin, Iridium, Rhodium, Palladium, Gold, Ruthenium, Rhenium, deren Legierungen, Oxide oder Carbide verwendet werden.3» Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Anoden verwendet werden, bei denen das Verhältnis der geometrischen Flächen von inerter zu löslicher Anode von 1 : 1 bis 1 : 200, vorzugsweise von 1 : 5 bis 1 : 20, beträgt.k. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inerte Anode zusätzlich mit einem Potential versehen wird.- 13 -130040/0847Vorstand: Dr. Herbert Asmls · Dr. Christian Bruhn · Hans-Jürgen Hamann Postanschrift: SCHERING AQ · D-1000 Berlin 65 · Postfach 65 0311 Dr. Heinz Hannse ■ Karl Otto Mittelstenscheid . Dr. Horst Witzel Postscheck-Konto: Berlin-West 1175-101. Bankleitzahl 10010010Vorsitzender des Aufsichtsrats: Dr. Eduard v. Schwartzkoppen Berliner Commerzbank AG, Berlin. Konto-Nr. 108 7006 00, Bankleitzahl 100 400Sitz der Gesellschaft: Berlin und Bergkamen Berliner Disconto-Bank AG, Berlin, Konto-Nr. 241/5008. Bankleitzahl 100700Handelsregister: AQ Charlottenburg 93 HRB 283 u. AQ Kamen HRB 0081 Berliner Handels-Gesellschaft - Frankfurter Bank -, Berlin,Konto-Nr. 14-362, Bankleitzahl 100 202 00SCHERING AG__ . « Gewerblicher Recfatsschute5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß saure Kupferbäder enthaltend organische Thioverbindungen verwendet werden.6. Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Verstärkung der Leiterbahnen von gedruckten Schaltungen.7· Verwendung von inerten Anoden gemeinsam mit löslichen Anoden in sauren Kupferbädern gemäß Ansprüchen 1 bis 6130040/0847Vorstand: Dr. Herbert Asmls - Dr. Christian Brunn · Hans-Jürgen Hamann Postanschrift: SCHERING AG · D-1000 Berlin 65 · Postfach 65 0311Dr. Heinz Hannse · Karl Otto Mittelstenscheid · Dr. Horst Witzel Postscheck-Konto: Berlin-West 1175-101, Bankleitzahl 10010010Vorsitzender des Aufsichtsrats: Dr. Eduard v. Schwartzkoppen Berliner Commerzbank AG, Berlin, Konto-Nr. 108 7006 00, Bankleitzahl 100 400Sitz der Gesellschaft- Berlin und Bergkamen Berliner Disconto-Bank AG, Berlin. Konto-Nr. 241/5003, Bankleitzahl 100 700Handelsregister: AG Charlottenburg 93 HRB283 u. AG Kamen HRB0061 5βΓ'Ιηβ.Γ, H?n'2!is~;?<5s,e,"?chi?f' ~ Frankfurter Bank -. Berlin,. Konto-Nr. 14-362, Bankleitzahl 100 20200
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