DE3601698A1 - Ein bad und ein verfahren fuer die galvanische abscheidung von palladium und palladiumlegierungen - Google Patents
Ein bad und ein verfahren fuer die galvanische abscheidung von palladium und palladiumlegierungenInfo
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Description
3601598 - Y-
Die Erfindung betrifft ein Bad und ein Verfahren für
die galvanische Abscheidung von reinem Palladium und von Palladium, mit anderen Metallen legiert.
Das Edelmetall Palladium wird seit mehreren Jahren auf verschiedensten Substraten abgeschieden und zwar für
funktione I le Zwecke, wie zur Erhöhung der Leitfähigkeit
elektrischer Scha ItkontakteLemente und für dekorative
Zwecke, wie die Vorsehung eines glänzenden weißen Überzugs, der qualitativ einem Rhodiumüberzug etwa gleich
kommt. Es ist auch festgestellt worden, daß Palladiumüberzüge nach der galvanischen Abscheidung vorgenommenen
Formungsbehandlungen widerstehen und niedrigen Kontaktwiderstand beibehalten. Außerdem sind sie sehr haltbar
und haben gute Löteigenschaften.
Bisher wurde Palladium gewöhnlich aus Bädern galvanisch abgeschieden, die Pa I ladium-diammin-dichlorid enthalten,
wie z.B. in der US-PS 4 098 656 offenbart. Solche Bäder haben aber den Nachteil unerwünschter Anodenreaktionen,
die die Entwicklung von Chlorgas, Hypochlorit und anderer oxidierender Spezies einschließen, was zu Abbau
eventuell anwesender organischer Additive (gewöhnlich Glanzbildner und Spannungsverminderer) und zur Passivierung von Substraten, wie Nickel, auf welchen das
...Ib
Pal LadiummetaLL oder die Pa ILadiumLegierung abgeschieden
werden soll, führen kann. Die Reaktionen, die in einem solchen System ablaufen, sind die folgenden:
[pd(NH3)2Cl2] + 2 NH3 -^Pd(NH3)J2+ + 2 Cl"
Kathode JPd(NH3)/! + 2 e~ -»Pd + 4 NH
Anode 2 Cl" ->Cl2 + 2 e'
aber: 3 Cl2 + 2 NH3 + 6 OH -*N2 + 6 Cl +6
und: NH, + H-,0 -^NH7 + + 0H~
5 c. 4
insgesamt:3 Pd(NH3)2Cl2 + 2 NH3-^S Pd + N2 + 6Cl + 6 NH4
Es ist zu bemerken, daß dieses Schema die Zwischenreaktionen,
die die Entstehung von OCl , NHpCl und Pd(IV)-Spezies einschließen, nicht zeigt.
Ein weiteres bekanntes galvanisches Palladiumbad schließt die Verwendung von Pa Iladium-diammino-dinitrit
ein, was z.B. die US-PS 4 401 527 lehrt. Mit solchen Zusammensetzungen sind weitere Nachteile verbunden. Diese
schließen die Reaktion der Nitritionen mit Ammoniumionen
unter Entstehung von Stickstoffgas und Wasser ein. Daher
ist die Kontrolle der Nitritionenkonzentration ein Problem.
Außerdem, was zwar kein signifikanter Nachteil ist,
findet ein Aufbau von sowohl Nitrationen wie auch Ammonium-
-r-
ionen statt, da die Nitritionen Leicht an der Kathode
oxidiert werden. Die Reaktionen, die in dem Palladiumdiammino-dinitrit-System
ablaufen, sind folgende:
3222 + 2 NH3-» {pd (NH3)
Kathode: [Pd(NH3)J2+ + 2 e" ->
Pd + 4 NH3
Anode: NO2 + 2 OH -* H3O + NO3 + 2 e
in Lösung: NH3 + H3O ■* NH4 + + 0H~
und: NH.+ + NO-," -^N, + 2 H-,0
4 ά
cc
ergibt ins-
ergibt ins ^ +
gesamt: [Pd (NH3)2(NO2)2J -* Pd + H20 + N2 + NH4 +NO
Es sind auch Pa LLadium-suLfit-Bäder vorgeschlagen worden
(siehe z.B. US-PS 3 933 602), doch sind sie in der einschlägigen Technik nicht so gebräuchlich. Die Reaktionen,
die in dem Sulfit-System ablaufen, sind folgende:
+ NH, -^JPd(NH,) ,"I2+ + SO,2"
3 *· 3 4·* 3
Kathode: D>d(NH3)J2+ + 2 e~ ->Pd + 4 NH3
Anode: S032" + 2 0H~ ~* S042~ + H2° + 2 e"
Lösung: NH3 + H2O -^NH4 + + 0H~
ergibt ins- - + 2-
gesamt: [,Pd (NH3) 3SO3J + H3O ->
Pd + NH3+ 2NH4 + SO4
/8
Nachteile, die mit SuLfitbädern verbunden sind, schliessen
die Schwierigkeit der Verwendung einer Sulfitkonzentration
ein, die weder niedrig noch hoch ist, da bei diesen dazwischenliegenden Konzentrationen der
Pal ladium-triamminosulfit-Komplex dazu tendiert, aus
der Lösung mit einem geeigneten Kation auszufallen. Diese Schwierigkeit kann theoretisch durch Arbeiten bei niedrigen
Sulfitionenkonzentrationen, bei welchen die Löslichkeit
kein Problem ist, oder bei hohen Su Ifitkonzentrationen,
bei welchen sich der lösliche Pa Iladium-diamminodi
su If i t-Komplex bi Idet, vermieden werden. Aber niedrige
Su If itkonzentrationen sind schwer zu kontrollieren, da
Sulfitionen an der Anode abgebaut werden, und hohe Sulfitkonzentrationen
können zu einer nicht akzeptierbaren Menge Schwefel im überzug führen: dies resultiert in
einem schlechten Korrosionswiderstand. Auch findet ein
Aufbau von Sulfationen statt.
Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten mit Palladiumdiammino-dinitrit-
und Pa Lladium-triammino-suIfit-Badern
sind Pa Iladium-diammino-dichlorid-Bäder am meisten verwendet
worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bad zur galvanischen Abscheidung von Palladium und Palladium-
...19
-«- 36Ü1698 - S-
Legierungen zu schaffen, dessen Anodenreaktionen weniger Schwierigkeiten bringen als die von Pa I Ladium-diammino-dichLorid-Bädern. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Abscheidung von PaLLadiuno und Pa L Ladi umLegierungen unter Verwendung dieses Bades angegeben werden .
Es ist gefunden worden, daß, wenn Oxalsäure oder Oxalationen (die beiden Ausdrücke werden in dieser Beschreibung untereinander austauschbar verwendet, wenn es der
Zusammenhang nicht anders erfordert) anwesend sind und sie die am schnellsten oxidierbaren Spezies sind, sie
an einer unLöslichen Anode unter Bildung von Kohlendioxid,
Carbonationen oder Bicarbonationen oxidiert werden. Es
kann gefunden werden, daß diese Oxidation mit einer elektrochemischen Leistung von im wesentlichen 100 % vor sich
geht, was das Stattfinden anderer unerwünschter Anodenreaktionen wirksam verhindert.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Bad zur galvanischen Abscheidung von Pa LladiummetaI L oder Palladiumlegierung bereitgestellt, das eine Quelle für Palladiummetall und eine Quelle für Oxalationen, und wahlfrei
eine Quelle für LegierungsmetalLionen enthält. Die Palladiumkonzentration in dem Bad kann in einem weiten Bereich
von 1 g/l bis 60 g/l oder bis zur Lös Lichkeitsgrenze
.../10
liegen. Bevorzugt wird eine Konzentration im Bereich
von 5 g/L bis 30 g/L, optimal ist eine Konzentration
von etwa 10 g/l.
Die Legierungsmeta11ionen können die Ionen von Nickel,
Kobalt, Silber oder irgendwelcher anderer geeigneter
Legierungsmetalle sein. Wenn bestimmte Legierungsmetallionen
anwesend sind, z.B. Nickel und Kobalt, liegt im allgemeinen ein Komplexbildner im Bad vor, um die Ionen
in Lösung zu halten und zu verhindern, daß sie durch Oxalat ausgefällt werden. Ein Beispiel für einen Komplexbildner
für Nickel oder Kobalt ist Pyrophosphat.
Die Konzentration der Legierungsmeta11ionen, zugegeben
z.B. in Form eines badlöslichen Salzes, kann im Bereich von 1 bis 60 g/l oder bis zur Lös Iichkeitsgrenze liegen;
bevorzugt wird ein Bereich von 5 bis 30 g/l und eine Konzentration von etwa 10 g/l ist optimal.
Die Konzentration, in der der Komplexbildner verwendet
wird, hängt von der Konzentration der Legierungsmetallionen
und der Stöchiometrie des Komplexes des Legierungs
metalls und des KomplexbiLdners ab.
Die Konzentration des Oxalats oder verfügbaren Oxalats
in dem Bad kann in dem weiten Bereich von 0,01 H bis 2H
../11
oder bis zur Lös Lichkeitsgrenze Liegen, wobei ein
Bereich von O,1M bis 0,5M bevorzugt wird und eine
Konzentration von etwa 0,25M optimal ist. Die Quelle für Oxalationen kann ein Ammonium- oder Alkalimetallsalz, wie Natriumoxalat oder KaIiumoxalat, oder Oxalsäure selbst sein, und die Quelle für Palladium kann
Pal ladium-tetrammino-dinitrat oder Pa Iladium-diamminodinitrit oder Pa I ladium-diammino-dichlorid oder irgendein anderes Palladiumsalz sein, das in dem Bad einen
Tetrammino-pa Iladium-Komplex bildet. Vorzugsweise sind
nicht mehr als 5, 10 oder 15 % des Palladiums mit Sulfitresten komplex gebunden.
Es wird aber besonders bevorzugt, die Quelle für Palladium und die Quelle für Oxalationen in einer einzigen
Verbindung zu vereinigen. Es ist gefunden worden, daß, wenn Palladium als ein Oxalatkomplex oder als ein Komplex, der Oxalationen bildet (z.B. durch Lösen oder
Hydrolyse), dem Bad zugegeben wird, ein weiterer Vorteil erhalten wird. Er besteht darin, daß kein merkbarer Aufbau von Salz in der Lösung stattfindet, abgesehen
von der Einstellung der Gleichgewichtskonzentrationen
von Ammoniumcarbonat und Ammoniumbicarbonat, die langsam aber stetig als Ammoniak und Kohlendioxid in die
Atmosphäre entweichen. Die Reaktionen, die in einer Ausführungsform stattfinden, sind die folgenden:
/12
JiSL-
Kathode: jTpd (NH3) ^J2+ + 2 e" ->Pd + 4 NH
Anode: C2°4 ~"*2 C02 + 2 e~
insgesamt: J>d (NH3) 2Cz°iJi ->Pd + 2 NH3 + 2 COp
Die Natur dieser Reaktionen ist derart, daß die Lösung im wesentLichen sich seLbst puffernd ist, so daß weniger pH-PuffersaLze erforderLich sind aLs sonst.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kann das PaLLadium aLs Pa LLadium-diammino-oxaLat
(Pd(NHj)2C2O4), PaLLadium-tetrammino-oxaLat (Pd(NHj)4C2O4)
oder aLs Ammonium- oder ein ALkaLimetaLLsaLz von PaLLadium-dioxaLat der FormeL (M-Pd(CpO,)-,), in der M Ammoniumoder ein ALkaLimeta LLkation ist, dem Bad zugefügt werden.
Von diesen Verbindungen wird das Tetrammino-oxaLatsaLζ
wegen seiner verbesserten Lichtbeständigkeit bevorzugt,
die aus der Tatsache resuLtiert, daß keine OxaLatreste mit dem Pa LLadiumatom kompLex verbunden sind.
Das Bad kann auch einen ELektroLyten enthaLten, wie Dinatrium-hydrogenphosphat, der in einer wirksamen Menge
bis zu seiner Lös Lichkeitsgrenze im Bad vorLiegen kann.
So kann der ELektroLyt in einer Menge von 10 bis 200 g/L,
z.B. 50 bis 150 g/L, typischerweise 100 g/L anwesend sein.
/13
-vj- 3601598
■Μ-
Das Bad kann auch Spannungsvermi nderer -und/oder .Glanzbildner in wirksamen Mengen enthalten. Spannungsverminderer und Glanzbildner, die als wirksam befunden worden
sind, schließen diejenigen ein, die im allgemeinen in galvanischen Nickelbädern verwendet werden. Viele akzeptable Spannungsverminderer enthalten Schwefel, z.B.
Sulfonate, wie Natrium-aI Iyl-sulfonat und Natrium-obenza Idehyd-sulfonat. Saccharin ist auch ein geeigneter
Spannungsverminderer. Als Glanzbildner kann irgendeiner
der Nickelglanzbildner der Klasse I und II verwendet werden, die im allgemeinen ungesättigt sind. Glanzbildner,
die Aldehyde, ethylenisch oder acetylenisch ungesättigte Verbindungen sind, sind geeignet.
Der pH-Wert des Bades liegt gewöhnlich im Bereich von 6 bis 9, vorzugsweise im Bereich von 6,5 bis 8; so
ist er z.B. 7 oder 7,5.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Pa IladiummetaL I oder
Palladiumlegierung auf einem Substrat bereitgestellt.
Dabei wird das Substrat mit einem Bad, das eine Quelle für Palladium, eine Quelle für Oxalationen und wahlfrei
eine Quelle für Legierungsmetallionen enthält, in Kontakt
gebracht und kathodisch geschaltet.
.../14
- A-
Das Verfahren kann zum Abscheiden von Palladium in einer Dicke von 0,1 bis 10 Mikron, vorzugsweise 0,2
bis 5 Mikron, abhängig von dem jeweiligen Verwendungszweck, benutzt werden. Für Anwendungszwecke, wie trennbare Verbinder in der Elektronikindustrie, sind Dicken
zwischen 0,5 bis 2,5 Mikron üblich.
Die galvanische Abscheidung wird bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 70 C, vorzugsweise von 30 bis
7O0C, optimal bei etwa 5O0C durchgeführt.
Die Stromdichte, mit der das Bad betrieben werden kann, kann in einem weiten Bereich schwanken, z.B. von 0,1
bis 200 A/dm , vorzugsweise von 1 bis 100 A/dm . Bei langsamem Betrieb sind Stromdichten im Bereich von 2
bis 20 A/dm üblich. Die Abscheidungsrate hängt natürlich von der Stromdichte ab, doch ist gefunden worden,
daß Raten in der Größenordnung von 1 Mikron/min bei Stromdichten von 4 oder 5 A/dm erhaltbar sind.
Es wird angenommen, daß die Art der Anode, die verwendet wird, nicht kritisch ist. Als geeignet haben sich Anoden
erwiesen aus: a) einem Edelmetall, abgeschieden auf einem leicht passivierten Substrat (z.B. platiniertes Titan),
b) reinem Edelmetall, z.B. reines Platin (diese Anoden
.../15
sind besonders als Düsen zum SpraygaLvanisieren geeignet), c) Kohlenstoff oder d) rostfreiem Stahl.
Weitere bevorzugte Merkmale des Verfahrens nach der
Erfindung sind die gleichen wie bei dem Bad nach der
Erfindung mit den nötigen Abänderungen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung umfaßt die Wiederauffrischung von Palladium- und Pa Iladiumlegierungs-Bädern
mit einem Palladiumoxalatkomplex oder einem Palladiumkomplex, der beim Betreiben des Bades Oxalationen liefert. Nach einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein
Substrat bereitgestellt, auf dem Palladium oder eine
Palladiumlegierung mit dem Bad nach der Erfindung und
nach dem Verfahren der Erfindung galvanisch abgeschieden ist.
Die Erfindung wird nun an Beispielen beschrieben.
Beispiel 1
Es wurden 500 ml eines wäßrigen galvanischen Bades
aus folgenden Bestandteilen hergestellt:
/16
Pd als [pd(NH3)2C2O4] 10 g/l
(NH4^HPO4 100 g/L
Ammoniak-Lösung zur EinsteLLung des pH-Werts auf 7,5
In das Bad wurde eine pLatinierte Titananode und eine
0,5 dm große TestpLatte aus vernieke L tem Messing aLs
Kathode getaucht. Es wurde bei einer Temperatur vom C vier Minuten gaLvanisiert. Die Stromdichte war
A/dm . Während des Ga Lvanisierens wurde das Bad mitteLs eines Magnet rührers mäßig bewegt. Ein 4 Mikron
dicker voLLglänzender überzug wurde erhalten. Während
des Ga Lvanisierens fanden keine merkbaren unerwünschten
Anodenreaktionen statt.
Es wurden 500 ml eines wäßrigen galvanischen Bades
aus folgenden Bestandteilen hergestellt:
Natrium-o-benzaldehyd-sulfonat 1 g/l
Butin-1-4-diol 100 mg/l
Ammoniak-Lösung zur Einstellung des pH-Wertes auf 7,0
.../17
In das Badiwurden eine pLatinierte Titananode und eine
0,5 dm große vernickeLte MessingpLatte aLs Kathode getaucht. Es wurde bei einer Temperatur von 50 C vier
Minuten gaLvanisiert. Die Stromdichte war 4 A/dm .
Während des GaLvanisierens wurde das Bad mit einem
magnetischen Rührer mäßig bewegt. Es wurde ein 3 Mikron dicker voLLgLänzender Überzug erhaLten. Während des
GaLvanisierens fanden offensichtLich keine unerwünschten
Anodenreaktionen statt.
Es wurden 500 mL eines wäßrigen gaLvanischen Bades aus foLgenden BestandteiLen hergesteLLt:
Pd aLs Pd(NH,), (NO,)-,
Ni aLs NiSO4 7H2O
des pH-Wertes auf 8,0
In das Bad wurden eine pLatinierte Titananode und eine 0,5 dm große MessingtestpLatte, deren Rückseite mit
einem geeigneten KLebstreifen maskiert war, getaucht.
/18
10 | g | /L |
5 | g | /L |
100 | g | /L |
30 | g | /L |
5 | g/L |
Es wurde bei einer Temperatur von 60 C 20 Hinuten
galvanisiert. Die Stromdichte war 4 A/dm . Während
des GaLvanisierens wurde das Bad mit einem magnetischen Rührer mäßig bewegt. Nach Entfernen des Klebstreifens und Lösen des Hessings in einer Lösung von
100 ml/l HpSO, und 100 ml einer 35 %igen wäßrigen Wasserstoffperoxidlösung wurde eine 15 Mikron dicke
glatte halbglänzende Folie erhalten, deren Analyse ergab, daß sie aus 98 % Pd und 2 % Ni bestand. Während
des Ga Ivanisierens fanden keine unerwünschten Anodenreaktionen statt.
.../19
Claims (20)
1. Ein Bad für die galvanische Abscheidung von Palladium oder einer Palladiumlegierung, dadurch gekennzeichnet,
daß es eine Quelle für das Palladiummetall und eine
Quelle für Oxalationen und wahlfrei eine Quelle für ein Legierungselement enthält.
2. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
Palladium in einer Menge von 5 g/l bis 30 g/l enthält.
European Patent Attorneys Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt
Deutsche Bank AG Hamburg, Nr. 05/28 407 (BLZ 200 7OO 0O) · Postscheck Hamburg 2842-206
Dromliior Hiuik ACS Hamburg, Nr. Ο33ΟΟ3Π (BLZ 200HOO(K))
3. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
ein LegierungseLement aus der Gruppe Nickel, Kobalt
und Silber enthält.
4. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es das
Legierungselement in einer Menge von 5 g/l bis 30 g/l
enthä 11.
5. Bad nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß es einen Komplexbildner für die Legierungselementionen enthält.
6. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
verfügbares Oxalat in einer Menge von 0,1 M bis 1,5 M enthält.
7. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
als Quelle für das Oxalat eine Verbindung aus der Gruppe Ammonium- und Alka I imeta Il-SaIze der Oxalsäure
und die freie Oxalsäure enthält.
8. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
als Quelle für das Palladiummetall ein Palladiumsalze
enthält, das in dem Bad einen Tetrammiη-Pa LIadium-Komplex
bildet.
-<r- 3601898 - S-
9. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Quelle für das Palladiummetall und die Quelle für
Oxalationen zusammen in Form eines Komplexes aus der
Gruppe von Pa Iladiumoxalatkomplexen und Palladiumkomplexen, die beim Betreiben des Bades Oxalationen
bilden, vorliegen.
10. Bad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es
einen Pa Iladium-Oxalat-Komplex aus der Gruppe Palladium-diammino-oxalat
und Pa Iladium-tetrammino-oxalat
enthält.
11. Bad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es
einen Pa Iladium-Oxalat-Komplex aus der Gruppe Ammonium-
und Alkali-Metall-Salze von Pa Iladium-dioxalat
enthält.
12. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
zusätzlich einen Elektrolyten enthält.
13. Bad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Elektrolyt Dinatrium-Hydrogenphösphat ist.
14. Bad nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,
daß es den Elektrolyten in einer Menge von 50 bis 150 g/l enthält.
15. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
zusätzlich ein Additiv aus der Klasse der Spannungsverminderer
und/oder Komplexbildner enthält.
16. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
einen pH-Wert von 6,5 bis 8 aufweist.
17. Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Palladiummetall
oder einer Palladiumlegierung auf einem Substrat
unter Verwendung eines Bades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Substrat mit dem Bad in
Kontakt bringt und kathodisch schaltet.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß man Palladium in einer Dicke von 0,1 bis 10 Mikron abschei det.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bad bei einer Stromdichte von 1 bis 100 A/dm bet ri eben wird.
20. Verfahren zur Wiederauffrischung eines galvanischen
Bades zur Abscheidung von Palladium oder einer Palladiumlegierung,
dadurch gekennzeichnet, daß man ihm einen Pa Iladiumoxalatkomplex oder einen Palladiumkomplex,
der in dem Bad Oxalationen bildet, zufügt.
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