EP0240589B1 - Process and apparatus for regenerating an electroless copper-plating bath - Google Patents

Process and apparatus for regenerating an electroless copper-plating bath Download PDF

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EP0240589B1
EP0240589B1 EP86105002A EP86105002A EP0240589B1 EP 0240589 B1 EP0240589 B1 EP 0240589B1 EP 86105002 A EP86105002 A EP 86105002A EP 86105002 A EP86105002 A EP 86105002A EP 0240589 B1 EP0240589 B1 EP 0240589B1
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EP
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electrolysis
bath
copper
process according
plating bath
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EP0240589A1 (en
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Werner D. Bissinger
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IBM Deutschland GmbH
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/1601Process or apparatus
    • C23C18/1617Purification and regeneration of coating baths

Definitions

  • the invention relates to a method for regenerating an electroless copper plating bath which contains a complexing agent such as ethylenediaminetetraacetic acid or the like.
  • the copper film deposited by the electroless process In order for the copper film deposited by the electroless process to have excellent physical properties, compared to those electrolessly deposited films which only act as a conductive thin film for a lead-through opening and are produced by the subtractive process and on which copper is built up by electrolytic deposition, it is necessary to Control the composition of the electroless copper plating bath as closely as possible so that its concentration is as uniform as possible and to keep the formation of by-products as low as possible. The latter is particularly important when recovering the complexing agent, preferably ethylenediaminetetraacetic acid, which is present in high concentrations in the electroless copper plating bath.
  • the complexing agent preferably ethylenediaminetetraacetic acid
  • FR-A 2 386 491 describes a process for the recovery of bath constituents of aqueous electroless metallization baths, in which the copper content of an exhausted copper plating bath is reduced by precipitation of the copper as metallic copper and the complexing agent is precipitated by acidification.
  • the precipitated EDTA is dissolved in NaOH and recycled.
  • the aqueous residue of the bath which still contains about 1 g / l EDTA and 10 mg / l Cu, is subjected to electrolysis, in which the remaining EDTA decomposes and the remaining copper is deposited on the cathode.
  • German Offenlegungsschrift 3 340 305 describes a process for the disposal of chemical metallization baths, in which the heavy metal is removed from the solution by selectively working ion exchangers and the residual solution containing complexing agents can be worked up further.
  • this method is only applicable to the separation of metals from solutions containing complexing agents whose complexing constant is lower than that of the exchange resin. This is not the case for EDTA.
  • the object of the invention is to provide a process for the regeneration of electroless copper plating baths, in which the copper content of the bath is lowered by electrolysis and the conditions for carrying it out are chosen such that a very pure complexing agent, in particular a very complex one, in the further processing of the residual complexing agent solution pure ethylenediaminetetraacetic acid, which is free of by-products, is obtained.
  • the object of the invention is achieved by a method according to claim 1.
  • a container 15 with connecting lines 14 between the two containers is provided for emptying the copper-plating container 11 for cleaning purposes.
  • a pipeline 16 leads from the copper-plating tank 11 to the collecting tank 17. From there, the copper-plating bath to be regenerated reaches the electrolysis unit 19 via feed line 18, in which two electrode blocks 20 and 21 are arranged.
  • the electrolysis unit 19 is provided with overflow boxes 22, a pH measuring probe 24 being installed in one and the addition of sodium hydroxide solution for setting and maintaining the pH value via line 23 into the opposite box.
  • the circulation of the copper bath to be regenerated within the electrolysis unit is described separately with reference to FIG. 5.
  • the number and dimensions of the electrodes in each electrode block are calculated from the current intensity I, the current density i and the container size.
  • the electrodes are mutually arranged in such a way that there is always a cathode between two anodes.
  • the cathodes consist of thin copper foils, the anodes made of stainless steel.
  • the demetallized bath solution passes through pipeline 25 from the electrolysis unit into a container 26 in which the complexing agent is dropped out into the acidic range by lowering the pH.
  • an acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid or the like is metered into the container 26 via the line 27.
  • the pH range suitable for the precipitation is generally below 4.0 and for ED-TA below 2.0, preferably below 1.0.
  • EDTA ethylenediaminetetraacetic acid
  • other complexing agents which are suitable for electroless copper plating can also be worked up, for example potassium sodium tartrate (Rochelle salt), ethylenediaminetetramine, triethanolamine, diethanolamine and the like.
  • the precipitated EDTA is washed twice with deionized water, the washing water being fed into the container 32 via the pipeline 31.
  • the EDTA can then be dissolved again in sodium hydroxide solution as the tetrasodium salt and purified by reprecipitation with H 2 S0 4 .
  • the purified ethylenediaminetetraacetic acid is dissolved in the same container (26) in sodium hydroxide solution, which is metered in via line 30, to the tetrasodium salt.
  • the solution of EDTA-NA 4 (tetrasodium edetate) arrives in a storage container 29 and is then fed via line 13 directly into the chemical copper plating bath 12, or a premix with copper sulfate solution is prepared, which then also forms the chemical copper plating bath 12 is supplied in the container 11.
  • an electroless copper plating bath is used with the following components, ranges and parameters:
  • the concentrations of the baths are adjusted by adding separately prepared copper sulfate solution, formalin, sodium cyanide solution and sodium hydroxide solution to the bath when their concentration has fallen below a certain value.
  • the concentrations of the individual bath components are carefully monitored, those of Cu ++, for example, by photometric measurement; that of formaldehyde via a reaction with sodium sulfite, which leads to a change in pH; that of NaCN with an ion-selective electrode and that of NaOH with a glass electrode.
  • the temperature of the bath must also be carefully monitored.
  • the reaction products from the electroless copper plating of activated surfaces of printed circuit boards are essentially Na 2 S0 4 (sodium sulfate) and HCOONa (sodium formate), which reach a constant concentration during the use of the bath.
  • the copper content of the bath liquid is first reduced to a concentration below about 20 by electrolysis mg / I lowered and then the complexing agent precipitated by acidification.
  • the decomposition products I represented by the formula in FIG. 2 and the amines II formed by recombination of free radicals could be detected by numerous laboratory tests. Specifically, these are: tetramethylethylenediamine (a), dimethylethylamine (b), N-methyl-N'-dimethyldiaminomethane (c), ethylenediamine (d) and cyclic amines (e).
  • glycine (f), iminodiacetic acid (g) and the like could be detected.
  • amines in particular ethylenediamine (d)
  • this has a negative effect on the grain structure of the deposited copper layer.
  • a coarse-grained copper layer is deposited from the copper plating bath, in which cracks can form when heated later, for example during soldering.
  • amines can react with other components of the bath, for example with formaldehyde, to give s-triazine derivatives.
  • s-triazine which has a stabilizing effect on formaldehyde, also has a negative effect on the grain structure of the deposited copper layer.
  • the reactions at the cathode and anode are shown in a highly simplified manner in FIG. 3. Due to the galvanic deposition of copper on the cathodes, the electrolyte is constantly depleted of copper ions until the electrolysis is stopped at a residual content of about 20 mg / l Cu. In practice, the copper content of the electrolyte is continuously measured during the electrolysis. The system switches off automatically when the desired final value is reached.
  • the electrodes By covering the electrodes with hydrogen or oxygen during the electrolysis, they become gas electrodes, the electromotive force of which counteracts the copper deposition: and The main reaction: the EMF acts, which is a function of
  • the removal of the gases from the electrodes is best accomplished by high internal bath circulation during the electrolysis, with the electrolyte being circulated with an electrolyte movement of approximately 10 to 50 volumes per hour in the case of a high bath circulation.
  • an electrolyte circulation volume of 300 m3 per hour must be circulated with an electrolyte movement of 20 volumes per hour.
  • FIG. 5 shows a device in which the electrolyte circulation is brought about by blow-in tubes which are arranged under the electrodes.
  • the electrolyte arrives from the electrolysis cell in overflow boxes which are arranged on both sides of this electrolysis unit and is returned from there to the injection tubes.
  • a side view of an electrolysis unit with an electrolysis cell and two overflow boxes and blow-in tubes is shown below the electrodes.
  • a buffer tank (not shown) next to the electrolysis unit, into which the electrolyte is led from the overflow boxes and from there back to the electrodes via the blow-in tubes.
  • An electrolysis system for the method according to the invention is designed, for example, for a maximum current I max of 6000 A, but it is only operated with a current of at most about 5400 A.
  • the system contains 36 copper cathodes with an active total area of 1: f of 77.1 m 2 and 38 stainless steel anodes with an active total area of 1 : f of 88.9 m2.
  • column 1 shows the electrolysis time, divided into hours
  • column 2 shows the decrease in the average cathodic current yield Ti - in percent as a function of the electrolysis time (column 1).
  • the electrolysis time can be determined from the experimental data in Table 1 according to Faraday's law on the basis of the following initial values to calculate. A duration t of 10 hours is calculated.
  • the electrolysis can be stopped after about ten to twelve hours if the current densities are reduced, which means that the electrolysis time is halved compared to the previous recovery electrolysis of copper, which uses a constant anodic current density .
  • the shorter electrolysis time also means that fewer EDTA decomposition products are formed.
  • Figure 6A shows the decrease in copper content in the copper plating bath during the first four hours of electrolysis.
  • 6B shows the decrease in the copper content of the bath from the fifth to the twelfth hour of the electrolysis, in each case with a constant anodic current density i + of 100 A / m 2 . If the anodic current density is reduced during the electrolysis, an even better average cathodic current yield and a further reduction in the electrolysis time are obtained.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regenerierung eines stromlosen Verkupferungsbades, welches einen Komplexbildner wie Ethylendiamintetraessigsäure oder dergleichen enthält.The invention relates to a method for regenerating an electroless copper plating bath which contains a complexing agent such as ethylenediaminetetraacetic acid or the like.

Chemisch, d.h. ohne Anschluß an eine äußere Stromquelle arbeitende Verkupferungsbäder finden z.B. zur Beschichtung von Kunststoffoberflächen, zur gleichmäßigen Beschichtung von Teilen komplizierter Geometrie, insbesondere bei der Herstellung von gedruckten Schaltungen nach dem semiadditiven oder volladditiven Verfahren Anwendung. Allen chemisch arbeitenden Bädern ist gemeinsam, daß der Vorrat an schichtbildendem Metall in gelöster Form in das Bad eingebracht werden muß. Um eine brauchbare Abscheidung zu erzielen, muß jedoch die Konzentration an freiem Metall stark begrenzt werden. Hierzu werden Komplexbildner verwendet, welche das Metallkation maskieren und dieses nur im Rahmen des Komplexbildungsgleichgewichts in kleinsten Mengen für die Beschichtungsreaktion zur Verfügung stellen. Um die Konzentration an freien Metallkationen auf das notwendige Maß zu begrenzen, werden die Komplexbildner dem Bad häufig in mehrfachem Überschuß zugegeben. Am häufigsten wird als Komplexbildner Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) verwendet.Chemical, i.e. Copper baths working without connection to an external power source can be found e.g. for the coating of plastic surfaces, for the uniform coating of parts of complicated geometry, especially in the production of printed circuits using the semi-additive or fully additive process. All chemically working baths have in common that the supply of layer-forming metal must be introduced into the bath in dissolved form. In order to achieve a useful deposition, however, the concentration of free metal must be severely limited. Complexing agents are used for this purpose, which mask the metal cation and only make it available in the smallest amounts for the coating reaction within the framework of the complex formation equilibrium. In order to limit the concentration of free metal cations to the necessary extent, the complexing agents are often added to the bath in a multiple excess. The most common complexing agent used is ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA).

Damit der nach dem stromlosen Verfahren abgeschiedene Kupferfilm hervorragende physikalische Eigenschaften aufweist, verglichen mit solchen stromlos abgeschiedenen Filmen, die nur als leitender Dünnfilm für eine Durchführungsöffnung wirken und nach dem subtraktiven Verfahren hergestellt werden und auf denen ein Kupferaufbau durch elektrolytische Abscheidung erfolgt, ist es erforderlich, die Zusammensetzung des stromlosen Verkupferungsbades so genau wie möglich zu kontrollieren, damit seine Konzentration so gleichmäßig wie möglich ist und die Bildung von Nebenprodukten so niedrig wie möglich zu halten. Letzteres ist besonders bei der Wiedergewinnung des Komplexbildners, vorzugsweise der Ethylendiamintetraessigsäure, welche in hohen Konzentrationen im stromlosen Verkupferungsbad vorhanden ist, zu beachten.In order for the copper film deposited by the electroless process to have excellent physical properties, compared to those electrolessly deposited films which only act as a conductive thin film for a lead-through opening and are produced by the subtractive process and on which copper is built up by electrolytic deposition, it is necessary to Control the composition of the electroless copper plating bath as closely as possible so that its concentration is as uniform as possible and to keep the formation of by-products as low as possible. The latter is particularly important when recovering the complexing agent, preferably ethylenediaminetetraacetic acid, which is present in high concentrations in the electroless copper plating bath.

Bisher wurde nach der europäischen Patentanmeldung 0 088 852 ein Teil oder das ganze den Komplexbildner enthaltende Verkupferungsbad dem Verkupferungstank entnommen, der Kupfergehalt des Bades durch Ausfällen des Kupfers als metallisches Kupfer oder als Kupferoxid oder durch Elektrolyse abgesenkt und der Komplexbildner anschließend durch Ansäuern ausgefällt. Der so wiedergewonnene Komplexbildner wurde dem anodischen Teil einer Zelle mit einer Kupferanode, die von dem kathodischen Teil mit der Kathode durch eine lonenaustauschermembran getrennt ist, wieder zugeführt. Dann wurde Gleichstrom an beide Elektroden angelegt und die Lösung aus dem anodischen Teil der Zelle in das stromlose Verkupferungsbad zurückgeführt. In diesem Verfahren wird nicht näher auf die Bedingungen, unter denen die Elektrolyse zur Absenkung des Kupfergehaltes in dem zu regenerierenden Verkupferungsbad durchzuführen ist und auf den Einfluß dieser Bedingungen auf die Reinheit des wiederzugewinnenden Komplexbildners, vorzugsweise der EDTA, eingegangen.So far, according to European patent application 0 088 852, part or all of the copper plating bath containing the complexing agent has been removed from the copper plating tank, the copper content of the bath has been reduced by precipitation of the copper as metallic copper or as copper oxide or by electrolysis, and the complexing agent has subsequently been precipitated by acidification. The complexing agent thus recovered was returned to the anodic part of a cell with a copper anode, which is separated from the cathodic part with the cathode by an ion exchange membrane. Then direct current was applied to both electrodes and the solution was returned from the anodic part of the cell to the electroless copper plating bath. In this process, the conditions under which the electrolysis for lowering the copper content in the copper plating bath to be regenerated is to be carried out and the influence of these conditions on the purity of the complexing agent to be recovered, preferably the EDTA, are not dealt with in more detail.

In der FR-A 2 386 491 ist ein Verfahren zur Rückgewinnung von Badbestandteilen wäßriger stromloser Metallisierungsbäder beschrieben, bei dem der Kupfergehalt eines erschöpften Verkupferungsbades durch Ausfällen des Kupfers als metallisches Kupfer abgesenkt und der Komplexbildner durch Ansäuern ausgefällt wird. Die ausgefällte EDTA wird in NaOH gelöst und ihrer Wiederverwendung zugeführt. Der wässrige Rückstand des Bades, der noch etwa 1 g/I EDTA und 10 mg/I Cu enthält, wird einer Elektrolyse unterworfen, bei der sich die restliche EDTA zersetzt und das restliche Kupfer an der Kathode abgeschieden wird.FR-A 2 386 491 describes a process for the recovery of bath constituents of aqueous electroless metallization baths, in which the copper content of an exhausted copper plating bath is reduced by precipitation of the copper as metallic copper and the complexing agent is precipitated by acidification. The precipitated EDTA is dissolved in NaOH and recycled. The aqueous residue of the bath, which still contains about 1 g / l EDTA and 10 mg / l Cu, is subjected to electrolysis, in which the remaining EDTA decomposes and the remaining copper is deposited on the cathode.

In der deutschen Offenlegungsschrift 3 340 305 ist ein Verfahren zur Entsorgung chemischer Metallisierungsbäder beschrieben, bei dem das Schwermetall durch selektiv arbeitende Ionenaustauscher aus der Lösung entfernt wird und die komplexbildnerhaltige Restlösung weiter aufgearbeitet werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch nur auf die Abtrennung von Metallen aus solchen komplexbildnerhaltigen Lösungen anwendbar, deren Komplexbildungskonstante geringer ist als die des Austauscherharzes. Dies trifft für EDTA nicht zu.German Offenlegungsschrift 3 340 305 describes a process for the disposal of chemical metallization baths, in which the heavy metal is removed from the solution by selectively working ion exchangers and the residual solution containing complexing agents can be worked up further. However, this method is only applicable to the separation of metals from solutions containing complexing agents whose complexing constant is lower than that of the exchange resin. This is not the case for EDTA.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Regenerierung von stromlosen Verkupferungsbädern anzugeben, bei dem der Kupfergehalt des Bades durch Elektrolyse abgesenkt wird und die Bedingungen für die Durchführung derselben so gewählt werden, daß bei der Weiteraufarbeitung der komplexbildnerhaltigen Restlösung ein sehr reiner Komplexbildner, insbesondere eine sehr reine Ethylendiamintetraessigsäure, welche frei von Nebenprodukten ist, erhalten wird.The object of the invention is to provide a process for the regeneration of electroless copper plating baths, in which the copper content of the bath is lowered by electrolysis and the conditions for carrying it out are chosen such that a very pure complexing agent, in particular a very complex one, in the further processing of the residual complexing agent solution pure ethylenediaminetetraacetic acid, which is free of by-products, is obtained.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.The object of the invention is achieved by a method according to claim 1.

Die Erfindung wird anhand der speziellen Beschreibung und der Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Es stellen dar:

  • Figur 1 ein Flußdiagramm für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Figur 2 die Formeln von Zersetzungsprodukten, Aminen und weiteren Produkten;
  • Figur 3 die Reaktionen, welche zwischen Anode und Kathode ablaufen;
  • Figur 4 die Elektrolysierstromwerte als Funktion der Elektrolysierzeit;
  • Figur 5 die Elektrolysezelle mit zwei Überlaufkästen für die interne Zirkulation des Elektrolyten und
  • Figuren 6A und 6B der Kupfergehalt des Verkupferungsbades in mg/I in Abhängigkeit von der Elektrolysierzeit in Stunden.
The invention is explained in more detail with reference to the special description and FIGS. 1 to 6. They represent:
  • Figure 1 is a flow diagram for the method according to the present invention;
  • Figure 2 shows the formulas of decomposition products, amines and other products;
  • FIG. 3 shows the reactions that take place between the anode and the cathode;
  • FIG. 4 shows the electrolysis current values as a function of the electrolysis time;
  • Figure 5 shows the electrolysis cell with two overflow boxes for the internal circulation of the electrolyte and
  • FIGS. 6A and 6B show the copper content of the copper plating bath in mg / l as a function of the electrolysis time in hours.

Nachfolgend wird das Flußdiagram für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 1 dargestellt ist, erläutert. Das stromlose Verkupferungsbad 12 in Behälter 11 enthält vier Grundbestandteile:

  • Kupferionen in zweiwertiger Form;
  • Komplexbildner, damit das Kupfer in seiner zweiwertigen Form erhalten bleibt;
  • Alkali zur Abpufferung überschüssiger Wasserstoffionen und Erhaltung des pH-Werts
  • und Reduktionsmittel, z.B. Formaldehyd.
  • Das Bad kann Stabilisatoren, beispielsweise Cyanid und Netzmittel als weitere Zusätze enthalten.
The flowchart for the method according to the present invention, which is illustrated in FIG. 1, is explained below. The electroless copper plating bath 12 in container 11 contains four basic components:
  • Copper ions in divalent form;
  • Complexing agent so that the copper remains in its divalent form;
  • Alkali for buffering excess hydrogen ions and maintaining the pH
  • and reducing agents, for example formaldehyde.
  • The bath can contain stabilizers, for example cyanide and wetting agents, as further additives.

Für eine Entleerung des Verkupferungsbehälters 11 zu Reinigungszwekken ist ein Behälter 15 mit Verbindungsleitungen 14 zwischen beiden Behältern vorgesehen. Eine Rohrleitung 16 führt von dem Verkupferungsbehälter 11 zu dem Auffangbehälter 17. Von dort gelangt das zu regenerierende Verkupferungsbad über Zuleitung 18 in die Elektrolysiereinheit 19, in der zwei Elektrodenblöcke 20 und 21 angeordnet sind. Die Elektrolysiereinheit 19 ist mit Überlaufkästen 22 versehen, wobei in einem eine pH-Meßsonde 24 eingebaut ist und die Zudosierung von Natronlauge zur Einstellung und Erhaltung des pH-Werts über die Leitung 23 in den gegenüberliegenden Kasten erfolgt. Die Umwälzung des zu regenerierenden Verkupferungsbades innerhalb der Elektrolysiereinheit wird anhand von Fig. 5 gesondert beschrieben. Die Anzahl und die Abmessungen der Elektroden in jedem Elektrodenblock errechnen sich aus der Stromstärke I, der Stromdichte i und der Behältergröße. Die Elektroden sind wechselseitig in der Weise angeordnet, daß immer eine Kathode zwischen zwei Anoden steht. Die Kathoden bestehen aus dünnen Kupferfolien, die Anoden aus Edelstahl.A container 15 with connecting lines 14 between the two containers is provided for emptying the copper-plating container 11 for cleaning purposes. A pipeline 16 leads from the copper-plating tank 11 to the collecting tank 17. From there, the copper-plating bath to be regenerated reaches the electrolysis unit 19 via feed line 18, in which two electrode blocks 20 and 21 are arranged. The electrolysis unit 19 is provided with overflow boxes 22, a pH measuring probe 24 being installed in one and the addition of sodium hydroxide solution for setting and maintaining the pH value via line 23 into the opposite box. The circulation of the copper bath to be regenerated within the electrolysis unit is described separately with reference to FIG. 5. The number and dimensions of the electrodes in each electrode block are calculated from the current intensity I, the current density i and the container size. The electrodes are mutually arranged in such a way that there is always a cathode between two anodes. The cathodes consist of thin copper foils, the anodes made of stainless steel.

Die entmetallisierte Badlösung gelangt über Rohrleitung 25 aus der Elektrolysiereinheit in einen Behälter 26, in dem der Komplexbildner durch Absenkung des pH-Werts in den sauren Bereich ausge fällt wird. Hierzu wird eine Säure wie Schwefelsäure, Salzsäure oder dergl. über die Leitung 27 in den Behälter 26 zudosiert. Der für die Ausfällung geeignete pH-Bereich liegt im allgemeinen unter 4.0 und für ED-TA unter 2.0, vorzugsweise unter 1.0. Außer Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) können auch andere Komplexbildner, die für die stromlose Verkupferung geeignet sind, beispielsweise Kalium-natrium-tartrat (Rochelle-Salz), Ethylendiamintetramin, Triethanolamin, Diethanolamin und dergl. aufgearbeitet werden.The demetallized bath solution passes through pipeline 25 from the electrolysis unit into a container 26 in which the complexing agent is dropped out into the acidic range by lowering the pH. For this purpose, an acid such as sulfuric acid, hydrochloric acid or the like is metered into the container 26 via the line 27. The pH range suitable for the precipitation is generally below 4.0 and for ED-TA below 2.0, preferably below 1.0. In addition to ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), other complexing agents which are suitable for electroless copper plating can also be worked up, for example potassium sodium tartrate (Rochelle salt), ethylenediaminetetramine, triethanolamine, diethanolamine and the like.

Die ausgefällte EDTA wird zweimal mit deionisiertem Wasser gewaschen, wobei das Waschwasser über die Rohrleitung 31 in den Behälter 32 geführt wird. Anschließend kann die EDTA in Natronlauge noch einmal als Tetranatriumsalz gelöst und durch erneutes Ausfällen mit H2S04 gereinigt werden. Die gereinigte Ethylendiamintetraessigsäure wird noch im gleichen Behälter (26) in Natronlauge, welche über Leitung 30 zudosiert wird, zum Tetranatriumsalz gelöst. Über Leitung 28 gelangt die Lösung von EDTA-NA4 (Tetranatrium-edetat) in einen Lagerbehälter 29 und wird dann über die Leitung 13 direkt in das chemische Verkupferungsbad 12 geleitet, oder es wird eine Vormischung mit Kupfersulfatlösung hergestellt, die dann ebenfalls dem chemischen Verkupferungsbad 12 im Behälter 11 zugeführt wird.The precipitated EDTA is washed twice with deionized water, the washing water being fed into the container 32 via the pipeline 31. The EDTA can then be dissolved again in sodium hydroxide solution as the tetrasodium salt and purified by reprecipitation with H 2 S0 4 . The purified ethylenediaminetetraacetic acid is dissolved in the same container (26) in sodium hydroxide solution, which is metered in via line 30, to the tetrasodium salt. Via line 28, the solution of EDTA-NA 4 (tetrasodium edetate) arrives in a storage container 29 and is then fed via line 13 directly into the chemical copper plating bath 12, or a premix with copper sulfate solution is prepared, which then also forms the chemical copper plating bath 12 is supplied in the container 11.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein stromloses Verkupferungsbad mit folgenden Bestandteilen, Bereichen und Parametern verwendet:

Figure imgb0001
In a preferred embodiment, an electroless copper plating bath is used with the following components, ranges and parameters:
Figure imgb0001

Bäder dieser Zusammensetzung sind beispielsweise beschrieben in der US-Patentschrift 3 844 799.Baths of this composition are described, for example, in U.S. Patent 3,844,799.

Die Konzentrationen der Bäder werden eingestellt, indem separat hergestellte Kupfersulfatlösung, Formalin, Natriumcyanidlösung und Natriumhydroxidlösung dem Bad zudosiert werden, wenn deren Konzentration unter einen bestimmten Wert gefallen ist.The concentrations of the baths are adjusted by adding separately prepared copper sulfate solution, formalin, sodium cyanide solution and sodium hydroxide solution to the bath when their concentration has fallen below a certain value.

Die Konzentrationen der einzelnen Badbestandteile werden sorgfältig überwacht, die von Cu++ beispielsweise durch photometrische Messung; die von Formaldehyd über eine Reaktion mit Natriumsulfit, welche zu einer pH-Wert-Änderung führt; die von NaCN mit einer ionenselektiven Elektrode und die von NaOH mit einer Glaselektrode. Auch die Temperatur des Bades muß sorgfältig überwacht werden. Die Reaktionsprodukte aus der stromlosen Verkupferung aktivierter Oberflächen von Leiterplatten sind im wesentlichen Na2S04 (Natriumsulfat) und HCOONa (Natriumformiat), welche während der Benutzung des Bades eine konstante Konzentration erreichen.The concentrations of the individual bath components are carefully monitored, those of Cu ++, for example, by photometric measurement; that of formaldehyde via a reaction with sodium sulfite, which leads to a change in pH; that of NaCN with an ion-selective electrode and that of NaOH with a glass electrode. The temperature of the bath must also be carefully monitored. The reaction products from the electroless copper plating of activated surfaces of printed circuit boards are essentially Na 2 S0 4 (sodium sulfate) and HCOONa (sodium formate), which reach a constant concentration during the use of the bath.

Wie anhand von Fig. 1 erläutert wurde, wird zur Regeneration des Verkupferungsbades in demselben zunächst der Kupfergehalt der Badflüssigkeit durch Elektrolyse auf eine Konzentration under etwa 20 mg/I abgesenkt und anschließend der Komplexbildner durch Ansäuern ausgefällt.As was explained with reference to FIG. 1, for the regeneration of the copper plating bath, the copper content of the bath liquid is first reduced to a concentration below about 20 by electrolysis mg / I lowered and then the complexing agent precipitated by acidification.

Es hat sich gezeigt, daß der Durchführung der Elektrolyse für die Absenkung des Kupfergehalts im Hinblick auf die Reinheit der wiedergewonnenen Ethylendiamintetraessigsäure entscheidende Bedeutung zukommt.It has been shown that carrying out the electrolysis for the reduction of the copper content is of crucial importance with regard to the purity of the recovered ethylenediaminetetraacetic acid.

Es wurde nämlich festgestellt, daß bei den bisher durchgeführten Elektrolyseprozessen, bei denen mit konstanten anodischen und kathodischen und verhältnismäßig hohen Stromdichten gearbeitet wurde, bei der anschließenden Ausfällung der Ethylendiamintetraessigsäure ein Produkt erhalten wurde, welches stark mit Zersetzungsprodukten verunreinigt war und nach Aminen roch. Durch zahlreiche Laboruntersuchungen konnten die in Fig. 2 formelmäßig dargestellten Zersetzungsprodukte I und die durch Rekombination freier Radikale gebildeten Amine II nachgewiesen werden. Im einzelnen sind dies: Tetramethylethylendiamin (a), Dimethylethylamin (b), N-Methyl-N'-dimethyl-diaminomethan (c), Ethylendiamin (d) und cyklische Amine (e). Als weitere Produkte 111 konnten Glycin (f), Iminodiessigsäure (g) und dergl. nachgewiesen werden.It was found that in the electrolysis processes carried out hitherto, in which constant anodic and cathodic and relatively high current densities were used, the subsequent precipitation of the ethylenediaminetetraacetic acid gave a product which was heavily contaminated with decomposition products and smelled of amines. The decomposition products I represented by the formula in FIG. 2 and the amines II formed by recombination of free radicals could be detected by numerous laboratory tests. Specifically, these are: tetramethylethylenediamine (a), dimethylethylamine (b), N-methyl-N'-dimethyldiaminomethane (c), ethylenediamine (d) and cyclic amines (e). As other products 111, glycine (f), iminodiacetic acid (g) and the like could be detected.

Wenn Amine, insbesondere Ethylendiamin (d), im Verkupferungsbad vorhanden sind, wirkt sich dies negativ auf die Kornstruktur der abgeschiedenen Kupferschicht aus. In Gegenwart von Aminen wird aus dem Verkupferungsbad eine grobkörnige Kupferschicht abgeschieden, in der bei späterem Erhitzen, beispielsweise während des Lötens, Risse gebildet werden können. Es ist auch bekannt, daß Amine mit anderen Bestandteilen des Bades, beispielsweise mit Formaldehyd zu s-Triazinderivaten reagieren können. s-Triazin wiederum, das auf Formaldehyd stabilisierend wirkt, hat auch einen negativen Effekt auf die Kornstruktur der abgeschiedenen Kupferschicht.If amines, in particular ethylenediamine (d), are present in the copper plating bath, this has a negative effect on the grain structure of the deposited copper layer. In the presence of amines, a coarse-grained copper layer is deposited from the copper plating bath, in which cracks can form when heated later, for example during soldering. It is also known that amines can react with other components of the bath, for example with formaldehyde, to give s-triazine derivatives. In turn, s-triazine, which has a stabilizing effect on formaldehyde, also has a negative effect on the grain structure of the deposited copper layer.

Anhand polarographischer Untersuchungen an Proben aus dem Verkupferungsbad konnte festgestellt werden, daß sich während der Elektrolyse, welche mit konstanter Stromdichte durchgeführt wird, etwa 10 % der im Bad enthaltenen EDTA zersetzen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch eine starke Belegung der Anoden mit Sauerstoff während der Elektrolyse eine Potentialänderung stattfindet und ein Potentialgrenzwert überschritten wird, ab dem eine anodische Zersetzung der EDTA einsetzt. Die Bedingunen für die Elektrolyse müssen deshalb so gewählt werden, daß diese Zersetzung der EDTA unterbleibt.On the basis of polarographic investigations on samples from the copper plating bath, it was found that about 10% of the EDTA contained in the bath decompose during the electrolysis, which is carried out with a constant current density. This is due to the fact that a strong change of the anodes with oxygen during the electrolysis leads to a change in potential and a potential limit is exceeded from which anodic decomposition of the EDTA begins. The conditions for electrolysis must therefore be selected so that this decomposition of the EDTA is avoided.

Bei der Aufarbeitung chemischer Verkupferungsbäder wird in der Elektrolysezelle, in der in der einfachsten Anordnung Kupferkathoden zwischen Anoden aus Edelstahl angeordnet sind, an den Kupferkathoden ein galvanischer Niederschlag von Kupfer gemäß der folgenden Reaktionsgleichung gebildet:

Figure imgb0002
During the processing of chemical copper plating baths in the electrolysis cell, in which copper cathodes are arranged in the simplest arrangement between stainless steel anodes, a galvanic deposit of copper is formed on the copper cathodes according to the following reaction equation:
Figure imgb0002

Als unerwünschte, aber nicht unterdrückbare Nebenreaktion findet an den Kathoden auch eine Wasserzersetzung nach folgendem Schema statt:

Figure imgb0003
As an undesirable but not suppressible side reaction, water decomposition also takes place on the cathodes according to the following scheme:
Figure imgb0003

An der Anode wird in der stark alkalischen Lösung (pH-Wert von 11 bis 12) durch Elektronenentzug molekularer Sauerstoff gebildet:

Figure imgb0004
Molecular oxygen is formed at the anode in the strongly alkaline solution (pH value from 11 to 12) by electron withdrawal:
Figure imgb0004

Dieser Verbrauch an OH-Ionen während der Elektrolyse macht sich in einem Abfall des pH-Werts bemerkbar. Bei einem Anfangswert von pH = 11.7 beispielsweise, wird nach einer Elektrolysierzeit von etwa 10 Stunden ein pH-Endwert von 9.4 erhalten. Da mit fallendem pH-Wert auch der Anteil an Zersetzungsprodukten ansteigt, wurde die Elektrolysiereinheit mit einer Regelung versehen (24, 23 in Fig. 1), die den pH-Wert während der Elektrolyse konstant hält.This consumption of OH ions during electrolysis results in a drop in the pH. With an initial value of pH = 11.7, for example, a final pH value of 9.4 is obtained after an electrolysis time of about 10 hours. Since the proportion of decomposition products also increases with a falling pH value, the electrolysis unit was provided with a control (24, 23 in FIG. 1) which keeps the pH value constant during the electrolysis.

Die Reaktionen an Kathode und Anode sind stark vereinfacht in Fig. 3 wiedergegeben. Durch die galvanische Abscheidung von Kupfer an den Kathoden verarmt der Elektrolyt ständig an Kupferionen, bis die Elektrolyse bei einem Restgehalt von etwa 20 mg/l Cu abgebrochen wird. In der Praxis wird während der Elektrolyse ständig der Kupfergehalt des Elektrolyten gemessen. Bei Erreichen des gewünschten Endwerts schaltet die Anlage automatisch ab.The reactions at the cathode and anode are shown in a highly simplified manner in FIG. 3. Due to the galvanic deposition of copper on the cathodes, the electrolyte is constantly depleted of copper ions until the electrolysis is stopped at a residual content of about 20 mg / l Cu. In practice, the copper content of the electrolyte is continuously measured during the electrolysis. The system switches off automatically when the desired final value is reached.

Für die oben angegebenen chemischen Reaktionen an Kathode und Anode gelten die folgenden elektrochemischen Beziehungen a - d:

  • a) Durch die kathodische Abscheidung von Kupfer verarmt der Elektrolyt an Kupferionen. Es besteht deshalb eine Abhängigkeit des Potentials von der Kupferionenkonzentration, welche gegeben ist durch:
    Figure imgb0005
    wobei e νi die Summe aller Faktoren darstellt, die das Potential mit beeinflussen.
  • b) Auch die Stromdichte i ist konzentrationsabhängig, wobei die Grenzstromdichte in Abhängigkeit von der Kupferionenkonzentration und der Temperatur gegeben ist durch:
    Figure imgb0006
The following electrochemical relationships ad - d apply to the above-mentioned chemical reactions at the cathode and anode:
  • a) Due to the cathodic deposition of copper, the electrolyte is depleted of copper ions. The potential therefore depends on the copper ion concentration, which is given by:
    Figure imgb0005
    where e νi represents the sum of all factors that influence the potential.
  • b) The current density i also depends on the concentration, the limit current density depending on the copper ion concentration and the temperature being given by:
    Figure imgb0006

Die Abhängigkeit des Potentials und der Stromdichte von der Kupferionenkonzentration gewinnt an Bedeutung, wenn bereits viel Kupfer durch Elektrolyse abgeschieden ist. Dann können die Werte für das Grenzpotential bzw. für die Grenzstromdichte erreicht werden, bei denen eine Zersetzung der EDTA stattfindet.The dependence of the potential and the current density on the copper ion concentration becomes more important if a lot of copper has already been deposited by electrolysis. Then the values for the limit potential or for the limit current density can be reached at which decomposition of the EDTA takes place.

Durch die Belegung der Elektroden mit Wasserstoff bzw. Sauerstoff während der Elektrolyse werden diese zu Gaselektroden, deren elektromotorische Kraft der Kupferabscheidung entgegenwirkt:

Figure imgb0007
und
Figure imgb0008
Der Hauptreaktion:
Figure imgb0009
wirkt die EMK, welche eine Funktion von
Figure imgb0010
By covering the electrodes with hydrogen or oxygen during the electrolysis, they become gas electrodes, the electromotive force of which counteracts the copper deposition:
Figure imgb0007
and
Figure imgb0008
The main reaction:
Figure imgb0009
the EMF acts, which is a function of
Figure imgb0010

Bei der Elektrolyse, welche mit konstanten, verhältnismäßig hohen Stromdichten arbeitet, sinkt durch den während der Elektrolyse ansteigenden Wasserstoff- und Sauerstoffanteil die Strom- und Energieausbeute, bezogen auf das abzuscheidende Kupfer, stark ab. Dadurch wird eine sehr lange Elektrolysierzeit erforderlich, bis der gewünschte Restkupfergehalt von etwa 20 mg/I Cu erreicht wird.In electrolysis, which works with constant, relatively high current densities, the electricity and energy yield, based on the copper to be deposited, drops sharply due to the increasing proportion of hydrogen and oxygen during the electrolysis. As a result, a very long electrolysis time is required until the desired residual copper content of about 20 mg / l Cu is reached.

Wenn beispielsweise 15 m3 Additivbad mit einem Gehalt an 8 g/I CuS04 x 5 H20 (≠ 2,03 g/I Cu) bei einer konstanten Stromstärke von 6000 Ampere und einer Stromdichte von etwa 100 A/m2 elektrolysiert werden, beträgt die mittlere kathodische Stromausbeute über 24 Stunden η (Cu, 24 h) nur 18 %. Der weitaus größere Anteil. d.h. die restlichen 82 % der aufgewendeten Elektrizitätsmenge werden für die Wasserzersetzung und für Nebenreaktionen verbraucht. Für die ersten 10 Stunden errechnet sich eine mittlere kathodische Stromausbeute, bezogen auf das abzuscheidende Kupfer, von 69 %. Nach weiteren 14 Stunden, insgesamt also nach 24 Stunden errechnet sich eine mittlere kathodische Stromausbeute von nur 18 %. In Fig. 4, rechte Seite, ist für dieses Ausführungsbeispiel der Elektrolysierstrom 1 von 6000 A über der Elektrolysierzeit t dargestellt. Es ist eine Elektrolysierzeit t von 24 Stunden erforderlich, bis der gewünschte Kupfergehalt der Lösung von < 20 mg/1 erreicht wird. Über 24 Stunden wird, wie bereits ausgeführt, eine mittlere kathodische Stromausbeute von nur 18 % erhalten.For example, if 15 m3 of additive bath containing 8 g / I CuS0 4 x 5 H 2 0 (≠ 2.03 g / I Cu) are electrolyzed at a constant current of 6000 amperes and a current density of about 100 A / m 2 , is the average cathodic current yield over 24 hours η ( C u, 24 h) only 18%. The much larger proportion. ie the remaining 82% of the amount of electricity consumed is used for water decomposition and for side reactions. An average cathodic current yield, based on the copper to be deposited, of 69% is calculated for the first 10 hours. After a further 14 hours, in total after 24 hours, an average cathodic current yield of only 18% is calculated. 4, right side, the electrolysis current 1 of 6000 A over the electrolysis time t is shown for this exemplary embodiment. An electrolysis time t of 24 hours is required until the desired copper content of the solution of <20 mg / 1 is reached. As already stated, an average cathodic current yield of only 18% is obtained over 24 hours.

Aufgrund dieser Ergebnisse ist es erforderlich, die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung während der Elektrolyse so niedrig wie möglich zu halten und gebildete Gase so schnell wie möglich von den Elektroden zu entfernen, um die kathodische Stromausbeute, bezogen auf das abzuscheidende Kupfer zu verbessern und die Elektrolysierzeit für die Absenkung auf den gewünschten Kupfergehalt von 20 mg/I zu verkürzen. Eine Verkürzung der Elektrolysierzeit hat auch zur Folge, daß weniger Nebenprodukte gebildet werden.Based on these results, it is necessary to keep the hydrogen and oxygen evolution during the electrolysis as low as possible and to remove the gases formed from the electrodes as quickly as possible in order to improve the cathodic current yield based on the copper to be deposited and the electrolysis time for to shorten the reduction to the desired copper content of 20 mg / I. A reduction in the electrolysis time also means that fewer by-products are formed.

Die Entfernung der Gase von den Elektroden geschieht am besten durch hohe interne Badumwälzung während der Elektrolyse, wobei bei einer hohen Badumwälzung der Elektrolyt mit einer Elektrolytbewegung von etwa 10 bis 50 Volumina pro Stunde umgewälzt wird. Bei dem zuvorgenannten Ausführungsbeispiel mit einem Inhalt der Elektrolysezelle von 15 m3 sind bei einer Elektrolytbewegung von 20 Volumina pro Stunde eine Elektrolytumlaufmenge von 300 m3 pro Stunde umzuwälzen.The removal of the gases from the electrodes is best accomplished by high internal bath circulation during the electrolysis, with the electrolyte being circulated with an electrolyte movement of approximately 10 to 50 volumes per hour in the case of a high bath circulation. In the aforementioned embodiment With an electrolytic cell content of 15 m 3 , an electrolyte circulation volume of 300 m3 per hour must be circulated with an electrolyte movement of 20 volumes per hour.

In Fig. 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, in der die Elektrolytzirkulation durch Einblasrohre, welche unter den Elektroden angeordnet sind, bewirkt wird. Der Elektrolyt gelangt aus der Elektrolysezelle in Überlaufkästen, die beidseitig von dieser Elektrolysiereinheit angeordnet sind und wird von dort wieder zu den Einblasrohren zurückgeführt. Im oberen Teil von Fig. 5 ist eine Seitenansicht einer Elektrolysiereinheit mit einer Elektrolysezelle-und zwei Überlaufkästen und Einblasrohren unterhalb der Elektroden dargestellt. Im unteren Teil von Fig. 5 ist eine Ansicht derselben Vorrichtung von oben dargestellt. Wenn es aus Platzgründen möglich ist, ist es günstig, neben der Elektrolysiereinheit einen Puffertank anzuordnen (nicht dargestellt), in den der Elektrolyt aus den Überlaufkästen und von dort über die Einblasrohre zurück zu den Elektroden geführt wird.FIG. 5 shows a device in which the electrolyte circulation is brought about by blow-in tubes which are arranged under the electrodes. The electrolyte arrives from the electrolysis cell in overflow boxes which are arranged on both sides of this electrolysis unit and is returned from there to the injection tubes. In the upper part of FIG. 5, a side view of an electrolysis unit with an electrolysis cell and two overflow boxes and blow-in tubes is shown below the electrodes. In the lower part of Fig. 5 is a view of the same device from above. If it is possible for reasons of space, it is advantageous to arrange a buffer tank (not shown) next to the electrolysis unit, into which the electrolyte is led from the overflow boxes and from there back to the electrodes via the blow-in tubes.

Außer der Elektrolythewegung ist die Stromdichte im Verfahren der vorliegenden Erfindung von ausschlaggebender Bedeutung. In den meisten Elektrolyseprozessen zur Gewinnung oder zur Elektroraffination von Kupfer, bei denen in der Regel mit konstanter Stromdichte über die gesamte Elektrolysierziet gearbeitet wird, wird die vorteilhafteste Stromdichte nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten festgelegt. Ziel der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht die möglichst kostengünstige Abscheidung von Kupfer, sondern die kostengünstige Rückgewinnung einer möglichst reinen Ethylendiamintetraessigsäure, die dem stromlosen Verkupferungsbad für den Leiterplattenprozess wieder zugeführt werden kann. Bei konventionellen Elektrolyseprozessen zur Kupfergewinnung liegen die anodischen und kathodischen Stromdichten bei Kupferelektrolyten vergleichbarer Konzentration bei etwa 200 A/m2 und in Ausnahmefällen auch bei 300 A/m2. Diese verhältnismäßig hohen Stromdichten können wegen der elektrochemischen Zersetzung der Ethylendiamintetraessigsäure bei diesen Stromdichtewerten im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht angewendet werden. Versuche haben ergeben, daß für die Rückgewinnung einer reinen Ethylendiamintetraessigsäure in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine maximale anodische Stromdichte von i+ = 100 A/m2 nicht überschritten werden darf.In addition to electrolyte depletion, current density is critical in the process of the present invention. In most electrolysis processes for the extraction or electrorefining of copper, in which work is usually carried out with a constant current density over the entire electrolysis zone, the most advantageous current density is determined from an economic point of view. However, the aim of the present invention is not the most cost-effective deposition of copper, but the cost-effective recovery of the purest possible ethylenediaminetetraacetic acid, which can be returned to the electroless copper plating bath for the circuit board process. In conventional electrolysis processes for copper production, the anodic and cathodic current densities for copper electrolytes of comparable concentration are around 200 A / m 2 and in exceptional cases also around 300 A / m 2 . Because of the electrochemical decomposition of ethylenediaminetetraacetic acid, these relatively high current densities cannot be used for these current density values in the context of the present invention. Experiments have shown that for the recovery of a pure ethylenediaminetetraacetic acid in the process according to the invention a maximum anodic current density of i + = 100 A / m 2 must not be exceeded.

Eine Elektrolyseanlage für das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise für eine maximale Stromstärke Imax von 6000 A ausgelegt, sie wird jedoch nur mit einer Stromstärke von höchstens etwa 5400 A gefahren. Die Anlage enthält 36 Kupferkathoden mit einer aktiven Gesamtfläche 1: f von 77,1 m2 und 38 Edelstahlanoden mit einer aktiven Gesamtfläche von 1: f von 88,9 m2. Die maximalen Stromdichten betragen dann i- max = 70 A/m2 und i+ max = 60,7 A/m2, wobei die anodische Stromdichte s der kathodischen Stromdichte ist, damit bei einer Belegung der Anode mit Sauerstoff, welche nicht ganz zu unterdrücken ist, der Potentialgrenzwert nicht überschritten wird, bei dem die Zersetzung der EDTA beginnt. Aus den Zahlenwerten ergibt sich, daß die Elektrolyseanlage nur mit etwa 60 % der höchstzulässigen anodischen Stromdichten gefahren wird. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit, daß durch anodische Oxidation störende Abbauprodukte der Ethylendiamintetraessigsäure gebildet werden, noch geringer.An electrolysis system for the method according to the invention is designed, for example, for a maximum current I max of 6000 A, but it is only operated with a current of at most about 5400 A. The system contains 36 copper cathodes with an active total area of 1: f of 77.1 m 2 and 38 stainless steel anodes with an active total area of 1 : f of 88.9 m2. The maximum current densities are then i- max = 70 A / m 2 and i + max = 60.7 A / m 2 , the anodic current density s being the cathodic current density, so when the anode is covered with oxygen, which is not quite sufficient is suppressed, the potential limit at which the decomposition of the EDTA begins is not exceeded. From the numerical values it follows that the electrolysis plant is only operated with about 60% of the maximum permissible anodic current densities. As a result, the probability that disruptive degradation products of ethylenediaminetetraacetic acid are formed by anodic oxidation is even lower.

Am vorteilhaftesten ist jedoch, um die Ausbildung störender Abbauprodukte ganz zu vermeiden, nicht nur mit konstanten Stromdichten zu arbeiten, sondern mit Stromdichten, welche während der Elektrolyse entsprechend der Elektrolysekennlinie kontinuierlich oder in Stufen abgesenkt werden (linke Seite von Fig. 4).However, in order to avoid the formation of disruptive degradation products entirely, it is most advantageous not only to work with constant current densities but also with current densities which are reduced continuously or in stages during the electrolysis according to the electrolysis characteristic curve (left-hand side of FIG. 4).

In der nachfolgenden Tabellel sind in Spalte 1 die Elektrolysierzeit, unterteilt nach Stunden, und in Spalte 2 der Abfall der mittleren kathodischen Stromausbeute Ti - in Prozent in Abhängigkeit von der Elektrolysierzeit (Spalte 1) dargestellt. Diese Experimente wurden bei einer konstanten anodischen Stromdichte i+ von 100 A/m2 durchgeführt. In Spalte 3 ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Absenkung der anodischen Stromdichte i+ in A/m2 angegeben und in Spalte 4 die hierfür einzustellende Stromstärke I in A. In Spalte 5 sind die mittleren kathodischen Stromausbeuten η für die in Spalte 3 angegebenen anodischen Stromdichten angegeben. Eine deutliche Verbesserung gegenüber den Werten von Spalte 2 (konstante anodische Stromdichte) ist ersichtlich.

Figure imgb0011
In the following table, column 1 shows the electrolysis time, divided into hours, and column 2 shows the decrease in the average cathodic current yield Ti - in percent as a function of the electrolysis time (column 1). These experiments were carried out at a constant anodic current density i + of 100 A / m 2 . Column 3 shows the proposed reduction in the anodic current density i + in A / m 2 and column 4 shows the current intensity I to be set for this purpose in A. Column 5 shows the mean cathodic current yields η given for the anodic current densities specified in column 3. A significant improvement over the values in column 2 (constant anodic current density) can be seen.
Figure imgb0011

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß in den ersten vier Stunden bei einer konstanten anodischen Stromdichte i+ von 100 A/m2 die mittlere kathodische Stromausbeute η ungefähr 80 % beträgt. Zwischen der vierten und fünften Stunde fällt die Stromausbeute bei derselben Stromdichte auf etwa 37 % ab. Nach etwa 12 Stunden ist die mittlere kathodische Stromausbeute auf einen Wert unter 1 % abgesunken, d.h. fast die gesamte elektrische Energie wird nicht mehr zur Kupferabscheidung sondern zur Wasserzersetzung und für unerwünschte Nebenreaktionen verschwendet. Aus der Tabelle ergibt sich über zehn Stunden gerechnet, bei konstanter anodischer Stromdichte von i+ = 100 A/m2 eine mittlere kathodischeThe table shows that in the first four hours at a constant anodic current density i + of 100 A / m 2, the mean cathodic current yield η is about 80%. Between the fourth and fifth hour, the current yield drops to about 37% at the same current density. After about 12 hours, the average cathodic current yield has dropped to a value below 1%, ie almost all of the electrical energy is no longer wasted on copper deposition but on water decomposition and for undesirable side reactions. Calculated from the table over ten hours, with a constant anodic current density of i + = 100 A / m 2, an average cathodic

Stromausbeute η von 44 %.Current efficiency η of 44%.

Die mittlere kathodische Stromausbeute wird wesentlich besser, wenn mit zunehmender Elektrolysierzeit die anodische Stromdichte verringert wird (Spalte 3). Nach Tabelle 1 ist dann der Gesamtaufwand an elektrischer Energie:

  • EQ = Σl· t = 40500 A/h.

Dies entspricht einer Stromausbeute, berechnet über zehn Stunden von π = 69 %, wobei der Berechnung ein mittlerer Kupfergehalt von 2,2 g/I zugrunde liegt.The average cathodic current yield becomes significantly better if the anodic current density is reduced with increasing electrolysis time (column 3). According to Table 1, the total amount of electrical energy is:
  • EQ = Σl · t = 40500 A / h.

This corresponds to a current yield, calculated over ten hours, of π = 69%, the calculation being based on an average copper content of 2.2 g / I.

Die Elektrolysierzeit läßt sich aus den experimentellen Daten in Tabelle 1 nach dem Faraday'schen Gesetz unter Zugrundelegung folgender Ausgangswerte

Figure imgb0012
berechnen. Es errechnet sich eine Dauer t von 10 Stunden.The electrolysis time can be determined from the experimental data in Table 1 according to Faraday's law on the basis of the following initial values
Figure imgb0012
to calculate. A duration t of 10 hours is calculated.

Nach diesen Berechnungen kann man davon ausgehen, daß die Elektrolyse bei Absenkung der Stromdichten während ihrer Dauer nach etwa zehn bis zwölf Stunden beendet werden kann, was gegenüber der bisherigen Rückgewinnungselektrolyse von Kupfer, bei der mit konstanter anodischer Stromdichte gearbeitet wird, eine Halbierung der Elektrolysierzeit bedeutet. Die kürzere Elektrolysierzeit hat auch zur Folge, daß weniger Zersetzungsprodukte der EDTA gebildet werden.According to these calculations, it can be assumed that the electrolysis can be stopped after about ten to twelve hours if the current densities are reduced, which means that the electrolysis time is halved compared to the previous recovery electrolysis of copper, which uses a constant anodic current density . The shorter electrolysis time also means that fewer EDTA decomposition products are formed.

Fig. 6A zeigt die Abnahme des Kupfergehalts des Verkupferungsbades während der ersten vier Stunden der Elektrolyse. Fig. 6B zeigt die Abnahme des Kupfergehalts des Bades von der fünften zur zwölften Stunde der Elektrolyse, jeweils bei konstanter anodischer Stromdichte i+ von 100 A/m2. Bei Absenkung der anodischen Stromdichte während der Elektrolyse wird eine noch bessere mittlere kathodische Stromausbeute und eine weitere Verkürzung der Elektrolysierzeit erhalten.Figure 6A shows the decrease in copper content in the copper plating bath during the first four hours of electrolysis. 6B shows the decrease in the copper content of the bath from the fifth to the twelfth hour of the electrolysis, in each case with a constant anodic current density i + of 100 A / m 2 . If the anodic current density is reduced during the electrolysis, an even better average cathodic current yield and a further reduction in the electrolysis time are obtained.

Claims (12)

1. Process for regenerating an electroless copper plating bath containing a complexing agent, comprising the following steps:
1. continuously or intermittently withdrawing the bath solution containing the complexing agent from the electroless plating bath;
2. reducing the copper content in the withdrawn bath solution to a value below 20 mg by electrolysis;
3. acidifying the bath solution thus obtained by precipitating the complexing agent and recovering same;
4. dissolving the recovered complexing agent in an alkaline electrolyte solution, and
5. returning the solution to the electroless copper plating bath.
2. Process for regenerating an electroless copper plating bath according to claim 1, characterized in that the complexing agent is ethylenediamine tetraacetic acid, potassium sodium tartrate, ethylenediamine tetraamine, triethanolamine or diethanolamine.
3. Process according to claim 2, characterized in that the complexing agent is ethylenediamine tetraacetic acid.
4. Process according to claim 1, characterized in that the electrolysis for reducing the copper content of the bath is effected at a high internal bath circulation rate.
5. Process according to claim 4, characterized in that the electrolysis is carried out at a bath circulation rate of about 10 to 50 volumes/h.
6. Process according to claim 5, characterized in that the electrolysis is carried out at a bath circulation rate of 20 volumes/h.
7. Process according to claim 1, characterized in that the pH value is kept constant during electrolysis.
8. Process according to claim 1, characterized in that an anodic current density i+ of 100 A/m2 is not exceeded during electrolysis.
9. Process according to claim 1, characterized in that the anodic current density during electrolysis is reduced according to the electrolysis characteristic or in steps.
10. Process according to claims 1 to 3, characterized in that, after removal of the copper ions, the ethylenediamine tetraacetic acid is precipitated by acidification of the bath solution to a pH value below 2.0.
11. Process according to claim 10, characterized in that the precipitated EDTA is purified by being dissolved in sodium hydroxide and by being reprecipitated with H2S04.
12. Process according to any one or a combination of the claims 1 to 11, characterized in that the purified EDTA is dissolved in sodium hydroxide solution and fed directly to the chemical copper plating bath, or that, using copper sulphate solution, a preliminary mixture is prepared which is fed to the copper plating bath.
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