DE680304C

DE680304C - Aqueous bath for electrolytic copper plating of metals and procedures for carrying out the copper plating

Info

Publication number: DE680304C
Application number: DEU14384D
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Jesse Edwin Stareck
Original assignee: United Chromium Inc
Current assignee: United Chromium Inc
Priority date: 1937-07-13
Filing date: 1938-07-14
Publication date: 1939-08-29
Also published as: GB509650A; FR840474A; CH206188A

Description

r- Ind.. Γ ..:-.-22 SEE 1939r- Ind .. Γ ..: -.- 22 SEE 1939

29. AUGUST 1939AUGUST 29, 1939

Die Erfindung betrifft die elektrische Niederschlagung von Kupfer.The invention relates to the electrical deposition of copper.

Um dichte und fest haftende Überzüge von Kupfer auf einer großen Anzahl von Metallen S und Legierungen einschließlich Eisen, Stahl, Nickel, Zink, Zinklegierungen, Blei, Bleilegierungen, Aluminium usw. zu erhalten, ist es notwendig, Lösungen zu verwenden, in denen das Kupferion höher in der elektromotorischen Spannungsreihe der Elemente (s. Blum und Hogaboom, Principles of Electroplating and Electroforming, zweite Ausgabe, Mc Graw Hill Book Comp. Inc. New York, Tafel 10), also unedler als die genannten Metalle oder Metallbestandteile ist bzw. das Kupferion muß sich wenigstens so verhalten, als ob es eine höhere Stelle in der elektrischen Spannungsreihe einnimmt.For dense and firmly adhering coatings of copper on a large number of metals S and alloys including iron, steel, nickel, zinc, zinc alloys, lead, lead alloys, To obtain aluminum, etc., it is necessary to use solutions in which the copper ion is higher in the electromotive Voltage series of the elements (see Blum and Hogaboom, Principles of Electroplating and Electroforming, second Edition, Mc Graw Hill Book Comp. Inc. New York, plate 10), so less noble than that named metals or metal components or the copper ion must be at least so behave as if it had a higher position in the electrical voltage series.

Zu diesem Zweck werden meist Kupfer-For this purpose, mostly copper

aii cyanidbäder anfänglich benutzt, wenn Kupfer auf anderen Metallen niedergeschlagen werden soll. Wenn gewisse andere Überzüge auf den Kupferüberzügen niedergeschlagen sind, hat sich gezeigt, daß die Benutzung von Cyanidkupferbädern zu Flecken und Streifen in dem auf dem Kupfer niedergeschlagenen Überzug führt. Die vorliegende Erfindung sieht ein Kupferplattierverfahren und Bäder hierfür vor, die nicht nur dichte und fest haftende Überzüge von Kupfer auf einer großen Anzahl von Metallen, einschließlich Eisen, Stahl, Nickel, Zink, Zinklegierungen, Blei, Bleilegierungen, Aluminium usw., sondern auch glänzende KupferniederscMäge liefern. Diese letztgenannte Eigenschaft gestattet, glänzende mehrschichtige Überzüge auf einer polierten Unterlage ohne anschließende Polierung oder Ablederung der einzelnen elektrisch niedergeschlagenen Überzüge zu erhalten, wie z. B. einen Nickelüberzug auf einem Kupferüberzugaii cyanide baths initially used when copper to be deposited on other metals. If certain other coatings are on the Copper coatings are deposited, it has been shown that the use of cyanide copper baths leads to spots and streaks in the coating deposited on the copper. The present invention provides a copper plating process and baths for this purpose, which not only have dense and firmly adhering coatings of copper on a large number of Metals, including iron, steel, nickel, zinc, zinc alloys, lead, lead alloys, Aluminum etc., but also shiny copper deposits. The latter Property permits glossy multilayer coatings on a polished base without subsequent polishing or peeling of the individual electrically depressed To obtain coatings such as B. a nickel plating on a copper plating

auf poliertem Stahl oder einen Chromüberzug auf einem Nickelüberzug über einen •Kupferüberzug auf poliertem Stahl, durch Benutzung eines Glanznickelplattierverfahrens und eines Glanzchromplattierverfahrens in Verbindung mit dem vorliegenden Glanzkupferplättierverfahren. on polished steel or a chrome plating on a nickel plating over a copper plating on polished steel, using a bright nickel plating process and a Bright chrome plating process in connection with the present bright copper plating process.

Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß dichte, fest haftende und glänzende ίο Kupferüberzüge aus Pyrophosphatkupferbädern erhalten werden können, die in Lösung genügend Pyrophosphatreste enthalten, um das Kupfer darin in das komplexe Kupferpyrophosphation [Cu(PaO₇).,]⁶ umzuwandeln, und eiii p_H zwischen etwa 7,ζ und 9,5, gemessen mit dem GIaselektroden-p_H-Messer, besitzen. Der obere p_H-Wert ist begrenzt durch die Bedingung, daß Kupfersalze nicht ausfallen dürfen. Der günstigste p_H-Wert für die Abscheidung liegt zwischen den p_H-Grenzen. Der Bestwert des p_H wird etwas mit der Konzentration der Ergänzungsbestandteile für das Bad schwanken. Kupferablagerungen, die dicht, fest haftend und .glänzend sind, können regelmäßig und gleichförmig erhalten werden, indem der p_H-Wert auf ein gewähltes p_H zwischen den genannten Grenzen eingeregelt und die Zusammensetzung des Bades im wesentlichen konstant gehalten wird. All dies wird im nachstehenden vollständiger auseinandergesetzt-Wenn der p_H äußerst hoch ist, wird ein rauher oder streifiger Niederschlag erhalten, wenn er zu niedrig ist, erhält man einen locker haftenden und stumpfen Kupferniederschlag.According to the invention, it was found that dense, firmly adhering and shiny ίο copper coatings can be obtained from pyrophosphate copper baths which contain enough pyrophosphate residues in solution to convert the copper into the complex copper pyrophosphate ion [Cu (PaO ₇ ).] ⁶ , and eiii Have p _H between about 7. ζ and 9.5, measured with the glass electrode p _H knife. The upper _pH value is limited by the condition that copper salts may not fail. The lowest _pH value for the deposition lies between the BOUNDARY p _H. The optimum value of the p _H is slightly vary with the concentration of the supplementary components for the bath. Copper deposits that are tightly adherent and .glänzend can be obtained regularly and uniformly by the _pH value _is adjusted to a selected p _H between the said limits and the composition of the bath is kept substantially constant. All this will have a rough or streaked reflected in the following fully explained-if the p _H is extremely high, if it is too low, one obtains a loosely adherent and blunt copper deposit.

Die Konzentrationen der Badbestandteile können weitgehend verändert werden, um befriedigende Plattierbäder zu ergeben. Im allgemeinen werden jedoch vorzugsweise Bäder benutzt, die in Lösung von 3,7 bis 22,5 g/l metallischen Kupfers einen Pyrophosphatgehalt aufweisen, der zwischen dem zur Umwandlung des Kupfersalzes in den Komplex [Cu(P₂O₇)J erforderlichen Betrag und einem durch die Sättigung begrenzten Überschuß liegt. Das Kupfer kann bequem in Form von Kupfersulfat (blaues Vitriol), Kupferpyrophosphat oder anderer gewöhnlicher Cupriverbindungen des Kupfers zugesetzt werden. Der Pyrophosphatrest kann in Form eines Alkalipyrophosphatsalzes entweder in hydratisiertem oder in wasserfreiem Zustand zugegeben werden. Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit für die Lösung wird gewöhnlich Natriumpyrophosphat benutzt. Gewisse andere Alkalipyrophosphate sind jedoch löslicher als das Na-· triumsalz und können, wenn man sie benutzt, Bäder liefern, die konzentrierter sind. Dies gestattet wiederum eine entsprechende Er-6g höhung der einzuhaltenden Stromdichten an der Kathode beim Plattieren.The concentrations of the bath ingredients can be varied widely to give satisfactory plating baths. In general, however, baths are preferably used which, in solution of 3.7 to 22.5 g / l of metallic copper, have a pyrophosphate content between the amount required to convert the copper salt into the complex [Cu (P ₂ O ₇ ) J and an excess limited by the saturation. The copper can conveniently be added in the form of copper sulfate (blue vitriol), copper pyrophosphate or other common cupric compounds of copper. The pyrophosphate residue can be added in the form of an alkali pyrophosphate salt in either a hydrated or anhydrous state. Sodium pyrophosphate is usually used from the standpoint of solution economy. However, certain other alkali pyrophosphates are more soluble than the sodium salt and, if used, can provide baths which are more concentrated. This in turn allows a corresponding increase in the current densities to be maintained at the cathode during plating.

Das "Bad wird zweckmäßig hergestellt durch Auflösung des Pyrophosphatsalzes (Natriumpyrophosphat) in warmem Wasser und Suspendieren des Kupfersalzes darin. Letzteres befindet sich in einem gelochten Gefäß oder anderem geeigneten Behälter, der die Auslaugung des gelösten Kupfersalzes gestattet. Der Pyrophosphatrest kann sich mit dem Kupfer im' Verhältnis von 2 Mol P₂O₇: 1 Mol Cu unter Bildung des Pyrophosphatküpferkömplexradikals von der Formel [Cu(P₂O₇).,]⁶ vereinigen (s. Jour. Chemical Society 1936, pp. 1412 bis 1429). In Bädern, die für die elektrische Niederschlagung von Kupfer auf edleren Metallen bsnutzt werden, kann der Anteil des Pyrophosphatradikals zum Kupfer beträchtlich schwanken. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn die elektrische Niederschlagung des Kupfers auf Eisen, Stahl oder anderen weniger edlen Metallen in Gegenwart eines Überschusses an gelöstem Pyrophosphaf in dem Bad über die Menge erfolgt, die notwendig ist, um das molekulare Gewichtsverhältnis von 2:i zwischen P₂O₇ und Cu zu liefern. Das in dem besonderen Beispiel enthaltene Bad enthält einen derartigen Überschuß an Pyrophosphatgruppen. Der freie Pyrophosphatgehalt des Bades vermindert die Neigung zur Ablagerung des Kupfers auf dem weniger edlen Metall durch Eintauchen. Er wirkt auch In Richtung einer Verhinderung der Bildung von Spuren unlöslicher Salze in dem Bad.The bath is expediently prepared by dissolving the pyrophosphate salt (sodium pyrophosphate) in warm water and suspending the copper salt in it. The latter is located in a perforated vessel or other suitable container that allows the dissolved copper salt to be leached out Combine the ratio of 2 mol P ₂ O ₇ : 1 mol Cu to form the pyrophosphate copper complex radical of the formula [Cu (P ₂ O ₇ ).,] ⁶ (see Jour. Chemical Society 1936, pp. 1412 to 1429). In Baths used for the electrodeposition of copper on noble metals can vary considerably in the proportion of pyrophosphate radical in copper, but it is advantageous if the electrodeposition of copper on iron, steel or other less noble metals is carried out in the presence of an excess dissolved Pyrophosphaf in the bath takes place over the amount that is necessary to the molecular weight ratio of 2: i betwisc hen P ₂ O ₇ and Cu. The bath contained in the particular example contains such an excess of pyrophosphate groups. The free pyrophosphate content of the bath reduces the tendency for the copper to deposit on the less noble metal through immersion. It also acts to prevent the formation of traces of insoluble salts in the bath.

Ein' Alkalichlorid wird vorteilhaft zugesetzt, um den zulässigen Bereich für die Kathodenstromdichte, die Leitfähigkeit des Bades und den Glanz des Kathodenniederschlagcs zu er- . höhen. Zusätze von Oxalaten, Tartraten und Carbonaten haben auch vorteilhafte Wirkungen ähnlich dem Alkalichlorid gezeigt. Das Alkalichlorid wirkt auch in Richtung einer Verminderung der Neigung zur Bildung von Cupro-Oxyd. An 'alkali chloride is advantageously added to the permissible range for the cathode current density, the conductivity of the bath and the shine of the cathode deposit. heights. Additions of oxalates, tartrates and Carbonates have also shown beneficial effects similar to alkali chloride. The alkali chloride also acts in the direction of a decrease the tendency to form cupro-oxide.

Der pfj-Wert des Bades wird durch Zugabe 105. einer geeigneten Säure, wie z. B. Schwefelsäure, eingestellt, wenn ein Versuch mit dem Glase!ektroden-ppj-Messer zeigt, daß der p_H des Bades höher als erwünscht ist, oder es wird ein geeignetes Alkali, wie z. B. Natriumhydroxyd, zugesetzt, wenn der Versuch zeigt, daß der p_H niedriger als erwünscht ist.The pfj value of the bath is determined by the addition of a suitable acid, e.g. As sulfuric acid, adjusted, if a test with the glass! Ektroden-ppj-diameter shows that the p _H of the bath is higher than desired, or an appropriate alkali such. As sodium hydroxide, is added, if the test shows that the p _H is lower than desired.

Die hier beschriebenen Bäder sind bei Temperaturen bis zum Siedepunkt der Lösung beständig. Es werden keine giftigen Dämpfe entwickelt. Die wirksame Stromausbeute beträgt nahezu iooo/o. Die Tiefenwirkung der Bäder ist ausgezeichnet. Unter gewöhnlichen Arbeitsbedingungen werden im allgemeinen Temperaturen von 27 bis 54° C bevorzugt. Durchrührung der Losung erhöht den wirksamen Stromdichtebereich. Letzterer wächstThe baths described here are at temperatures up to the boiling point of the solution resistant. No toxic fumes are generated. The effective current yield is almost iooo / o. The depth effect of the Baths is excellent. Under ordinary working conditions are generally Temperatures of 27 to 54 ° C are preferred. Stirring the solution increases the effective Current density range. The latter is growing

Claims

j also with increasing temperature and increases ^; from with decreasing content of free phosphate in the bath.

Working current densities of 50 amps. 0.093 sq. Ft. 5 or more can be applied, however for shiny, luminous deposits on polished surfaces are generally Values from 2 to 10 Amp. Per 0.093 sqm are more appropriate. Usually copper anodes used. The working tension between anode (soluble) and cathode is usually in close to 1 volt when bright plating current densities are used. The voltage is adjusted and kept at a suitable value for the precipitation of metallic Copper, which however is insufficient to release hydrogen gas.

The evolution of free hydrogen causes the precipitate to be dark and becomes streaky and the current yield drops considerably, which is not desirable.

A special embodiment of the present method (with a special Example for the bathroom) is the following:

An even and shiny copper deposit is said to be on a set of tangles Built-up locks and latches of furniture fittings o. The like. Are made. The locks were made of iron frames, steel springs, brass housings and in matrices cast ν keyholes built on a zinc base. The assembled objects were placed on a rack, cleaned and shared with the cathode rod an alkaline pyrophosphate copper bath of the following composition. bound:

CuSO ₄ -SH ₂ O 50 g / l,

Na ₄ P ₉ O ₇ · 10 HoO ... 200g / l,
. NaCl "'. 30 g / l.

The _pH value was adjusted to 8.3 using a glass electrode electrometric p _H -

■ Knife set. The voltage was kept at 0.8 volts and a current density of about 10 amps per 0.093 square meters was used. The bath was operated at a temperature of 35 ⁰ C. Copper anodes were used. After 5 minutes, the pieces were removed from the plating bath and carefully rinsed. A shiny, adherent coating of copper completely covered the assembled objects.

The process described above using copper pyrophosphate baths ~~ gives mirror-like deposits of limited thickness. It was found that Additions of organic substances, such as. B. Naphthaliiidisulf oäure, or small amounts Metal pyrophosphates such as cadmium pyrophosphate or lead pyrophosphate, deposits result that are mirror-like in greater strength than without these additives. Smooth, thick, and shiny precipitates become even with relatively thick Panels preserved.

Sponsors tansi'u ü ch ε:

ι. Aqueous bath for the electrodeposition of copper, characterized by a solution of complex copper pyrophosphate in which the molar ratio between pyrophosphate and. Copper is 2: 1, and characterized by a _pH value of the solution from 7.5 to 9, S-.

2. Aqueous bath according to claim 1, characterized by a content of alkali chloride or an equivalent thereof.

3. Aqueous bath according to claim 1, characterized in that the ρ _H value in the upper part of the p _H range is 7.5 to 9.5.

4. Aqueous bath according to claim 1, characterized in that the copper content is 3.7 to 22.5 g / l and the content of pyrophosphate residue (P ₂ O ₇ ) is sufficient to form said complex with the copper present. go

5. Aqueous bath according to claim 1 and 4, characterized in that the Bad pyrophosphate residue in excess of that used to form the copper pyrophosphate complex required amount.

6. Bath according to claims 1 to 5, characterized by the addition of Gloss agents.

7. A method for deposition of dense and firmly adhering copper, characterized in that that baths according to claims ι to 5 are used.

8. The method according to claim 7, characterized in that the current to a Cathode density of the order of magnitude of 2 to 10 amps. Set per 0.093 square meters will.

9. A method for suppression of dense and adherent copper by spoke 6, characterized in that the rake n ₀ voltage drop is released between the anode and the cathode to approximately 1 V, but is adjusted below the voltage at which hydrogen gas.