EP3084043B1 - Method for electrolytic surface modification of flat metal workpieces in copper-sulfate treatment liquid containing sulfate-metallates - Google Patents

Method for electrolytic surface modification of flat metal workpieces in copper-sulfate treatment liquid containing sulfate-metallates Download PDF

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EP3084043B1
EP3084043B1 EP14823977.5A EP14823977A EP3084043B1 EP 3084043 B1 EP3084043 B1 EP 3084043B1 EP 14823977 A EP14823977 A EP 14823977A EP 3084043 B1 EP3084043 B1 EP 3084043B1
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EP
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metal workpiece
treatment liquid
flat metal
copper
electrolyte
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EP14823977.5A
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Andreas Seidel
Fabian Distelrath
Thomas Booz
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Schlenk Metallfolien GmbH and Co KG
Original Assignee
Schlenk Metallfolien GmbH and Co KG
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    • C25F7/00Constructional parts, or assemblies thereof, of cells for electrolytic removal of material from objects; Servicing or operating

Definitions

  • the present invention relates to a method for the electrolytic surface modification of a sheet metal workpiece by deposition of copper aggregates.
  • the invention further relates to the flat metal workpieces produced by this method and the use of the metal workpieces as a substrate for the formation of solid adhesive bonds with a variety of materials.
  • the generation of a large and rough surface is considered.
  • the surfaces are first cleaned and then structured.
  • the structuring takes place in metal-metal composites by dry brushing or grinding.
  • metal-plastic composites which are generally produced by extruding a plastic onto a metal surface
  • the metal surface is e.g. by conversion, such as phosphating, chromating, etc. pretreated, or the metal surface is modified by deposition of a highly in-depth ("rough") surface of a metal (treatment).
  • a highly in-depth a metal (treatment).
  • especially bioadapted developments in plastics are of interest, leading to surfaces occupied by microdimensional adhesion islands (e.g., suction cups).
  • the use of as few components as possible in the bonding zone is advantageous because the release of interfering substances is less likely here and because the failure of the composite can be limited to a minimum.
  • the composites are preferably produced from a brushed or treatment-modified metal surface and the desired material to be rolled on, to be pressed or wound up.
  • a known method for the surface treatment of a metal workpiece, such as a metal strip or a sheet, is the electrolytic coating of a metal surface with a metal or a metal alloy.
  • the strip is passed through one or more electrolytic cells.
  • the band is usually brought via so-called power rollers in a fixed-solid connection to the negative pole of a rectifier.
  • the band thus serves as a negative electrode, i. as a cathode.
  • the positive electrode, i. the anode is usually formed as a pair of electrodes, wherein the band passes between the two electrodes.
  • the metal workpiece to be coated is uniformly provided on all sides with a substantially flat metal coating. Even with the use of metal workpieces with a relatively rough surface finish, the surface is leveled. However, for applications where good adhesion to another material is required, a smooth surface may be undesirable. Good adhesion between two materials is achieved when there is a chemical interaction and / or mechanical interlocking in topographical features of the adhesion partners. If this is not or not sufficiently the case, the adhesion deteriorates. Thus, poor adhesion between a metal surface and the same or another material, such as a lacquer layer, a paint layer or an adhesive, can result in poor quality or even unusable products.
  • a lacquer layer such as a lacquer layer, a paint layer or an adhesive
  • anodization As an electrolytic process for improving adhesion to metal surfaces, anodization is known. In anodizing, using an acidic electrolyte such as sulfuric, phosphoric or chromic acid on the surface of a metal workpiece connected as an anode becomes regular structured, porous oxide layer formed. The pores allow the anodized metal workpiece to mechanically interlock with another material, such as a paint, varnish or adhesive layer.
  • anodizing is limited to a few metallic materials such as aluminum, titanium and alloys thereof. Above all, the anodizing of aluminum (anodizing process, electrolytic oxidation of aluminum) is of industrial importance.
  • an aluminum oxide layer having a porous structure is formed on the surface of the aluminum material.
  • An improvement in adhesion can also be achieved by preceding a step of electrolytic pretreatment of the surface to be coated.
  • the metal workpiece may be subjected to an anodic treatment in which an ablation process is induced in which minute particles and contaminants on the surface of the metal foil are removed and a bare surface is obtained.
  • an ablation process is induced in which minute particles and contaminants on the surface of the metal foil are removed and a bare surface is obtained.
  • a deposition / coating process is induced in which a metal from the treatment liquid at the cleaned and bare surface is usually deposited in the form of aggregates.
  • the anodic and cathodic polarization can be carried out similarly to the classical galvanic coating by solid-solid contact or, in an advanced process management according to the central conductor principle, be a non-contact polarization.
  • the columnar form of the deposited aggregates limits the adhesion in the composite. Bonding in the composite improves with the number of aggregates per unit area. It always strives for a limit, which consists in the resistance to breakage / breakage of the aggregates themselves. For example, due to the length of the aggregates of the adhesive bond is significantly dependent on the flow behavior NASApressender plastics, especially if the flow behavior is so poor that the plastic does not reach the bottom of the treatment and only undercuts at the tips of the aggregates arise. The composite is then comparable to a plastic plateau on metal posts. Even if such an adhesive bond is sufficiently good, at the base of the classic aggregates of the treatment in the composite remain cavities into which aggressive chemicals can penetrate and corrosively damage or destroy the adhesive bond.
  • US 5 015 340 A discloses a process for the electrolytic coating of metal wires using a nickel bath.
  • EP 0 838 542 A1 deals with a process for the electrolytic pickling of stainless steel strips.
  • US 4 097 342 A discloses the electroplating of aluminum workpieces with zinc or tin containing baths.
  • CN 101 892 502 A and US Pat. No. 3,666,636 A describe electrolytic treatment liquids containing, inter alia sulfuric acid copper sulfate and lanthanum chloride or cerium oxide.
  • Another object of the invention is to provide a method of modifying / converting the surface of a sheet metal workpiece by depositing a rare earth doped copper layer.
  • the method of the invention provides a simple and efficient method of increasing the adhesion of sheet metal workpieces.
  • the present invention provides a method of surface electrolytic modification of a sheet metal workpiece, wherein at least one surface of the sheet metal workpiece is anodized in a treatment liquid is poled and thereby anodic dissolution process is induced, and then the at least one surface of the sheet metal workpiece in the treatment liquid is cathodically poled and thereby a cathodic deposition process for depositing one or more metals on the at least one surface of the sheet metal workpiece is induced.
  • the treatment liquids used in the process according to the invention are conductive liquids based on sulfuric acid / sulfate solutions of copper. Their preparation succeeds simply by the dissolution of suitable salts or oxides of copper in aqueous sulfuric acid.
  • the amount of sulfuric acid used is preferably chosen so that after dissolution remains a residual concentration of free sulfuric acid. Preferably, this residual concentration of free sulfuric acid is at least 0.664 mol / l.
  • the molar ratio (i.e., the ratio of mole fractions) between copper ions and free sulfuric acid is preferably in the range of 1.05 and 1.25, more preferably 1.10 to 1.20, more preferably in the range of 1.15 to 1.17. In a specific embodiment, the ratio is about 1.16.
  • copper source is u.a. Cupric sulfate pentahydrate, cupric oxide, copper (II) carbonate or basic cupric carbonate.
  • the treatment liquid is further added one or more conductive salts.
  • the sources of yttrium, lanthanum and lanthanides include the element (III) oxides and the elemental (III) carbonates. Lanthanum oxide is particularly preferred.
  • the yttrium, lanthanum or lanthanoide salts are added to the treatment liquid in an amount such that the molar ratio between (i) the sum of the mole fractions of Y, La and / or Ln and (ii) the mole fractions of copper is 0.0182 or more, preferably 0.0182 to 0.127.
  • the concentration of the sum of the yttrium, lanthanum or lanthanoid ions is preferably 0.014 mol / l or more, preferably in the range of 0.014 mol / l to 0.35 mol / l and in particular in the range of 0.024 to 0.098 mol / l.
  • the sequence of the solution of the components for the rapid preparation of the electrolyte is crucial: first, the presentation of the aqueous sulfuric acid, then the dissolution of the copper (II) - connection and possibly the separation of insoluble constituents in the use of oxides / carbonates of copper. Subsequently, the solution of the used compound (s) of Y, La and / or Ln takes place.
  • Suitable copper sulfate-based acidic treatment liquids are shown in Table 1 below.
  • yttrium, lanthanum and / or lanthanide ions added to the treatment liquid in the method according to the invention for surface modification means that the typical stalked aggregates (also referred to below as "dendrites") do not appear on the surface of the flat metal workpiece to be modified Separate balls occupied with standing slats.
  • the adhesive bond (adhesive force per unit area) of these units over, for example, plastic increases depending on the specific circumstances to twice or nearly three times the bond of the classic treatment produced.
  • the structuring of the deposited layer and the incorporation of the SE metals into the copper layer not only depend causally on the magnetic properties of the SE (III) ions, but the solubility gradient of the sulfometallates Cu 3 [SE (SO 4 ) 3 ] has a significant influence. 2 in the transition from the comparatively slightly soluble copper salts to the less soluble acids H 3 [SE (SO 4 ) 3 ] (cathodic process). Since the solubility of the sulfates increases significantly after the neodymium, the effect of the heavy SE ions on the deposition process decreases.
  • C 1-4 -alkyl is methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl or sec-butyl, preferably methyl, ethyl, n-propyl , or n-butyl.
  • a particularly preferred additive of the general formula (I) which can be used in the treatment liquid in the process according to the invention is 1,8-dihydroxy-3,6-dithiaoctane (DTO).
  • the additives of the formula (I) are commercially available or can be obtained by known chemical synthesis methods or analogously to these.
  • the possible surfactants are added individually or in admixture, the total concentration in the electrolyte always having to be below the saturation limit, usually below 0.05 wt .-%. It is advantageous to use the end-etherified polyethoxylates which are less sensitive to oxidation at the anode.
  • the method according to the invention is carried out according to the central conductor principle, ie, the flat metal workpiece is contacted neither cathodically nor anodically but is anodically (positively) polarized by at least one cathode and then cathodically (negatively) polarized by at least one anode.
  • the current transfer to the flat metal workpiece does not take place by direct contacting of the flat metal workpiece via a contact element connected to a current source (eg a current roller), but through the treatment liquid.
  • an anodic dissolution process is induced on a surface of the sheet metal workpiece by removing minute particles and residues or impurities present on the surface of the metal foil, thereby obtaining a clean surface. Furthermore, the topographic features of the metal surface, in particular the roughness peaks, are leveled.
  • the anodic polarization or the anodic dissolution process induced thereby leads to an activated surface for the subsequent metal deposition.
  • the surface obtained by the method according to the invention exhibits structural similarity or structural identity to the metal aggregates deposited on the surface of the flat metal workpiece in the subsequent deposition process (epitaxy or syntaxie).
  • the flat metal workpiece is completely covered by the treatment liquid during the entire electrolytic treatment, it can largely be avoided that the defined activation state of the surface is lost due to the contact with the ambient atmosphere.
  • Subsequent cathodic polarization induces a cathodic deposition process in which a metal or metal alloy (i.e., several different metals) is deposited on the surface of the sheet metal workpiece.
  • the flat metal workpiece used in the present invention is preferably a metal workpiece having a thickness which is at least 100 times, more preferably at least 1000 times, and particularly preferably at least 10000 times smaller than the length and / or width of the metal workpiece. Consequently, the term "surface of the sheet metal workpiece” as a rule meant the area defined by the length and width, not the area defined by the thickness and width or thickness and length.
  • the sheet metal workpiece is a metal strip or a metal foil.
  • the term “metal strip” herein refers to a sheet metal workpiece having a given width and a thickness of 100 ⁇ m to 1 mm.
  • metal foil refers to a sheet metal workpiece having a given width and a thickness of 100 ⁇ m or less, preferably having a thickness in the range of 10 ⁇ m to less than 100 ⁇ m.
  • the flat metal workpiece is usually made entirely of a single metal, in particular copper, tin, silver or iron. However, it can also consist of a metal alloy, for example of at least two of the metals mentioned, preferably of a copper wrought alloy, iron alloy, silver alloy and tin alloy. Also, a flat metal workpiece made of steel can be used.
  • the flat metal workpiece is particularly preferably a copper foil, a copper band, a silver foil, a silver band, a tinned foil or a tinned band, in particular a tinned copper foil or a tinned copper band.
  • the flat metal workpiece may also consist of two or more layers of a metal or a metal alloy, wherein the layers may be the same or different. Furthermore, the flat metal workpiece may be formed so that at least one and preferably both surfaces of the sheet metal workpiece consist of a metal or a metal alloy and the remaining portion of the sheet metal workpiece may be any material, if this is suitable for use in the inventive method ,
  • the flat metal workpiece Before use in the method according to the invention, the flat metal workpiece is usually pretreated.
  • Corresponding pretreatment processes are known in the art and include, for example, degreasing, rinsing with water, aqueous surfactant solutions or solvents, and pickling with sulfuric acid.
  • the sheet metal workpiece is preferably passed through the treatment liquid and past the at least one cathode and the at least one anode during the electrolysis. This is done in a manner that results in the described anodic polarization and cathodic polarization and the induced anodic dissolution process and cathodic deposition process.
  • endless metal foils or strips they are usually passed through the treatment liquid using guide elements (eg deflection rollers). If a film conveyor system is used to carry out the process according to the invention, several electrolysis baths (electrolysis cells) can also be connected in series.
  • the at least one cathode and the at least one anode are conceivable.
  • 1, 2, 3, 4 or more cathodes and 1, 2, 3, 4 or more anodes per electrolysis cell or electrolyte bath can be used.
  • These may be arranged differently (e.g., cathode and anode alternately, first all cathodes and then all anodes, multiple cathodes alternating with multiple anodes, cathodes and anodes disposed only on one side of the sheet metal workpiece or on both sides, etc.).
  • At least one Cathode pair and at least one anode pair used.
  • the two cathodes of the cathode pair and the two anodes of the anode pair are arranged on opposite sides of the flat metal workpiece, so that the flat metal workpiece is located between the two anodes or between the two cathodes. Consequently, anodic or cathodic polarization occurs on both sides of the flat metal workpiece.
  • Such a configuration allows the two-sided modification of the flat metal workpiece with deposited metal aggregates.
  • the sheet metal workpiece is first anodically polarized by two cathodes disposed on the same side of the sheet metal workpiece and then cathodically polarized by two anodes both located on the same side of the sheet metal workpiece as the cathodes.
  • Each substrate side electrode pair
  • the at least one surface of the flat metal workpiece is first anodically polarized by the at least one cathode and then cathodically polarized by the at least one anode.
  • the cycle "anodic polarization / cathodic polarization" will be run through several times.
  • the flat metal workpiece can be polarized one or more times anodically and one or more times cathodically in any desired sequence, with the anodic dissolution process typically predominating first and then outweighing the cathodic deposition process.
  • a phase with dominant dissolution process can be interrupted by a short phase with the deposition process (dominant dissolution process, interrupted by deposition process) and vice versa (dominant deposition process, interrupted by dissolution process).
  • the one or more anodic polarization and the one or more cathodic polarization can, as already mentioned above, be achieved by using a corresponding number of spatially separated anodes or cathodes.
  • electrodes which are selectively switched to positive or negative (contacted) and thus function both as a cathode and as an anode.
  • the cathodes and anodes are operated with direct current or a pulsed current, usually a pulsed direct current.
  • rectifiers can be used. If the number of electrodes exceeds two (ie more than one Cathode and / or more than one anode), the additional electrodes are preferably operated by an additional rectifier.
  • each electrode is supplied by a different rectifier, while in another working area a plurality of rectifiers can be connected to one electrode.
  • insoluble or soluble anodes can be used in the process according to the invention.
  • the insoluble anodes typically consist of an inert material (or oxides thereof) such as lead, graphite, titanium, platinum and / or iridium (and / or their oxides).
  • Preferred insoluble anodes are titanium coated with platinum or iridium and / or ruthenium (and / or their oxides). Particularly preferred is an iridium or iridium oxide coated titanium anode.
  • the soluble anodes consist of the metal to be coated or the metal alloys to be coated. Examples of suitable soluble anodes are anodes of copper or tin.
  • Suitable cathodes may be made of the same material as the material of the anodes.
  • a cathode for example, a copper cathode can be used.
  • copper electrodes are used both as the anode and as the cathode.
  • the working temperature of the treatment liquid is preferably between 10 ° C and 60 ° C, more preferably between 20 ° C and 50 ° C. In order to keep the treatment liquid in this temperature range, it can be continuously cooled or heated.
  • the necessary circulation of the treatment liquid depends on the current density used in the electrodeposition.
  • the circulation is necessary to reduce the thickness of the electric double layer to a sufficient minimum.
  • the circulation in the electrode chamber can be ensured for example by attaching one or more pumps.
  • the circulation serves primarily to maintain the functionality of the electrodes and to avoid salt spots on the film to be treated.
  • the stacking effects which occur due to the sulphatometallates already in electroless rest lead to an extreme primary stress in order to prevent the electrolytic process to start at all.
  • This primary voltage can be lowered so much by the targeted increase in the circulation of the electrode surfaces and the treated material in conjunction with a well-chosen temporal gradient of Strom confuseerhöhung so that these electrolytes are a technical use accessible.
  • the necessary circulation and the current density gradient depend directly on the SE / Cu ratio used and on the real SE ion in the sulfate electrolyte. The highest sensitivity and thus the best possible process adjustment provide lanthanum (III) ions.
  • the following circulation data given in Table 3 relate to an electrolyte volume in the treatment space of 50 liters, an electrode-foil distance of 20-30 mm and a width and height of the polarization space of 240 mm (H) and 300 mm ( B).
  • the circulation via the filtration bypass delivers 1.2 l / min. ⁇ b> Table 3.
  • At least one cathode and / or at least one anode of the device is designed as a flow electrode, which comprises an electrode housing with a metal grid, through which the treatment liquid can enter the housing.
  • the electrode housing is at least partially filled with metal balls, which are in contact with each other and with the metal grid.
  • the electrode housing further includes an electrolyte supply for introducing an electrolyte and a flow opening from which the electrolyte that has flowed from the electrolyte supply between the metal balls to the flow opening exits.
  • the flow opening is arranged so that sufficient flow of the working zone, i. of the space between the electrode and the sheet metal workpiece.
  • the flow opening is usually arranged so that the exiting electrolyte flows past the metal grid.
  • the flat metal workpiece treated with the method according to the invention is usually subjected to an aftertreatment.
  • Such aftertreatment processes include, for example, rinsing with water or solvents, passivation, for example, with a solution containing chromium (VI), and drying.
  • An example of a device for carrying out the method according to the invention is a device which has at least one container for receiving a treatment liquid, at least one cathode arranged in the container and at least one arranged in the container anode, wherein the at least one cathode and the at least one anode are connected to a power source and wherein the flat metal workpiece is not connected to a power source.
  • the electrode housing also includes a lid to prevent falling out of the metal balls and ensure a defined flow through the flow electrode with electrolyte.
  • the lid may be releasably connected to the electrode housing with thumbscrews and may further include contacts for connection to a power source.
  • the flow electrode is connected anodically or cathodically to a current source, wherein usually the metal grid is contacted anodically or cathodically.
  • the electrolyte which has passed through the metal balls is preferably collected in an electrolyte channel and then supplied to the flow port.
  • the electrolyte channel and the flow opening are preferably located in the bottom of the electrode housing.
  • the flow opening is preferably designed as a flow lip, which preferably extends over the entire length of the metal grid in the bottom of the electrode housing. If a filter fleece arranged in front of the metal grid is used as anode bag, the flow opening is arranged such that the electrolyte emerges in front of the filter fleece and flows along it, substantially laminar.
  • the electrode housing may for example consist of a plastic, such as polypropylene.
  • the metal balls may consist of the metals mentioned above for the anode and cathode.
  • at least one anode is designed in the form of the flow electrode described above.
  • the metal balls are preferably made of the metal or metals to be deposited on the sheet metal workpiece.
  • the metal balls are copper balls.
  • the metal grid is preferably an expanded metal grid (expanded metal blend surface), in particular a titanium expanded metal.
  • FIG. 1 schematically shows an embodiment of a dissolving / deposition cell 30 for carrying out the method according to the invention for the surface treatment of a flat metal workpiece 32, in this case a metal foil.
  • the dissolving / separating cell 30 has a trough-like, upwardly open container 31, in which a treatment liquid 36 is located.
  • the dissolution / separation cell 30 also has a first, second and third diverting rollers 34a, 34b and 34c and a first working electrode consisting of two parallel cathodes 40a and 40b and a second working electrode consisting of two parallel arranged anodes 44a and 44b.
  • the cathodes 40 a and 40 b and the anodes 44 a and 44 b are connected to a current source 45.
  • the first and third deflection rollers 34a, 34c are arranged above the container 31 outside the treatment liquid 36 and above the first and second working electrodes, while the second deflection roller is located at the bottom of the container 31 within the treatment liquid and below the working electrodes. Furthermore, the dissolution / deposition cell 30 has a separator 48 for reducing reactive currents.
  • the flat metal workpiece 32 enters the treatment liquid 36 via the first deflection roller 34a and passes between the two cathodes 40a, 40b so that they are located on one of the two sides of the continuous flat metal workpiece 32. Neither the flat metal workpiece 32 nor the first deflection roller 34a is connected to a power source.
  • the region 38a of the flat metal workpiece 32 located between the two cathodes 40a, 40b is positively (anodically) polarized by the two cathodes 40a, 40b.
  • the two cathodes 40a, 40b define a resolution region 42.
  • the flat metal workpiece 32 After passing through the cathodes 40a, 40b, ie the dissolution region 42, the flat metal workpiece 32 is passed via the second deflection roller 34b, which is likewise not connected to a power source, between the two anodes 44a, 44b, which are each on one of the two sides of the flat metal workpiece 32 and form the second working electrode.
  • the two anodes 44a, 44b Through the two anodes 44a, 44b, a region 38b of the flat metal workpiece 32 is negatively (cathodically) polarized.
  • the two anodes define a deposition region 46.
  • the positively charged metal ions of the treatment liquid 36 migrate to the negatively polarized surface of the deposition liquid flat metal workpiece 32 and divorced in a defined manner on the surface of the flat metal workpiece 32.
  • the sheet metal workpiece 32 runs out of the treatment liquid 36 and over the third deflection roller 34c, which is not connected to a power source.
  • Another object of the present invention is a flat metal workpiece, which was produced by the method according to the invention. It has surprisingly been found that the method according to the invention results in the formation of copper aggregates on the surface of the flat metal workpiece, these metal aggregates being in the form of balls set with standing lamellae.
  • FIG. 2 shows a dark field image (Nikon Eclipse ME600 reflected light microscope with dark field unit, camera Leica DFC290, objectives 100x, 50x, 20x, 10x, 5x, software Leica Application Suite 2.6.0 R1, magnification 500 times) a copper foil surface, which according to the method of the invention by Deposition of La / Cu from sulfuric acid electrolyte with a La concentration of 14.0 g / l, a Cu concentration of 50.3 g / l and a [La]: [Cu] molar ratio of 0.127 (electrolyte 3) in the following film conveyor system has been modified.
  • FIG. 3 shows a SEM micrograph of an electrolytic with sulfuric acid neodymium-copper electrolyte having a Nd: Cu molar ratio of 0.032 according to the inventive process treated copper foil surface in 10000-fold magnification. The image reproduces a section of a spherical metal aggregate on the copper foil surface and makes visible its lamellar structure.
  • FIG. 3 shows a SEM micrograph of an electrolytic with sulfuric acid neodymium-copper electrolyte having a Nd: Cu molar ratio of 0.032 according to the inventive process treated copper foil surface in 10000-fold magnification. The image reproduces a section of a spherical metal aggregate on the copper foil surface and makes visible its lamellar structure.
  • 4 12 shows a dark field image (Nikon Eclipse ME600 reflected light microscope with dark field unit, Leica DFC290 camera, objectives 100x, 50x, 20x, 10x, 5x, software Leica Application Suite 2.6.0 R1, magnification 500x) of a copper foil surface prepared according to the method of the invention by deposition of Cu from sulfuric acid electrolyte with a Cu concentration of 7.0 g / l (electrolyte) was modified in the film flow system described below. At this Magnification, the stalked metal aggregates on the copper foil surface clearly visible.
  • the roughness of the metal surface increases slightly due to the deposition of the metal aggregates.
  • the mean roughness values Ra and Rz determined in accordance with DIN EN ISO 4288: 1998, are preferably in the range from 0.22 to 0.32 ⁇ m and in particular in the range from 0.24 to 0.28 ⁇ m for Ra and preferably in the range of 1.4 to 2.1 ⁇ m and in particular in the range of 1.6 to 1.9 ⁇ m for Rz.
  • a copper foil before deposition has roughness values of about 0.20 ⁇ m for Ra and 1.3 ⁇ m for Rz.
  • the adhesion of the metal surface which is obtained by the deposition of aggregates in the form of standing with lamellar balls on a surface of a flat metal workpiece according to the inventive method is surprisingly high.
  • the adhesiveness determined according to the 180 ° peel test described below using a FR-4 epoxy resin and expressed as peel strength in N / mm, is preferably at or above 1.5 N / mm.
  • the peel strengths are preferably 1.5 to 3.0 N / mm, more preferably 1.8 to 3.0 N / mm.
  • the sheet metal workpieces of the present invention because of their excellent adhesiveness, can be used as a substrate for the formation of solid adhesives having a variety of materials.
  • Suitable adhesion partners for the metal workpiece according to the invention are a large number of materials, for example thermoplastics such as PA 66, PI and PET, synthetic resins (epoxies), adhesives, lacquers and pastes, such as graphite pastes.
  • the present invention therefore also relates to the use of the metal workpieces produced according to the method of the invention as a substrate for the formation of solid adhesive dressings.
  • the flat metal workpieces according to the invention can be used for a variety of applications.
  • exemplary laminates of copper with PET can be cited for shielding cables and plug and device housings against electromagnetic interference, particularly in signal transmission.
  • MID Molded Interconnect Devices
  • the use as an electrical conductor in the production of MID (Molded Interconnect Devices) circuits should be mentioned. These are circuits based on hot stamping of metallic foils on thermoplastic substrates. Another application is as a substrate for electrode material in battery technology.
  • the flat metal workpieces according to the invention can also be used in the production of stable compounds required in printed circuit board technology for the production of copper laminates.
  • the adhesive strength of the metallic conductor on the substrate eg FR-4 is of central importance. This is due, on the one hand, to the process steps required in the production (etching, drilling, pressing) and, on the other hand, to the stress on the printed circuit board in the final product itself.
  • Electrolyte 0 a) Electrolyte 1 Electrolyte 2 Electrolyte 3 Density (g / cm 3 ) 1.07 1.19 ⁇ 0.02 1.21 ⁇ 0.02 1.24 ⁇ 0.02 pH value b) 1.9 ⁇ 0.3 1.9 ⁇ 0.3 1.9 ⁇ 0.3 1.9 ⁇ 0.3 1.9 ⁇ 0.3 Copper content (g / l) 7.0 48.9 49.5 50.3 Lanthanum content (g / l) 0 3.41 6.9 14.0 Sulphate content (g / l) 69.4 77.5 80.7 94.2 Sulfuric acid (g / l) 60.0 61.5 62.3 63.3 [La]: [Cu] 0 0.032 0.064 0,127
  • La-Cu electrolytes (Electrolytes 1, 2, and 3) contain less than 0.2 g / L of trace lanthanides such as praseodymium, neodymium, and samarium.
  • the film conveyor system used is designed for films or tapes up to a width of 330 mm.
  • the system has a rewinder and a reel with electronic tension control.
  • the control possibilities include the current intensity of the individual electrode segments, strip tension, belt speed and temperature of the electrolyte.
  • the rectifiers used are from the company plating electronic type pe86CW-6-424-960-4 with 4 outputs.
  • the maximum pulse current is 960 A, the maximum continuous current is 424 A.
  • the temporal course of the current can be defined as a pulse sequence via the associated software.
  • the electrolytic cell of the film conveyor system used comprises a cathode and an anode for one-sided electrolytic deposition.
  • the cathode and the anode are positioned parallel to the film run and arranged so that during the film run the same side or surface of the metal foil is opposite first to the cathode and then to the anode. Furthermore, the cathode and the anode are completely surrounded by electrolyte.
  • a variety of different configurations may be used, for example, a dual cathode and a double anode for double-sided electrodeposition, or two sequentially arranged cathodes and anodes.
  • Electrodes either a tripartite convection electrode or a flow electrode are used in the experiments described below. These are connected to rectifiers (type pe86CW-6-424-960-4 with 4 outputs from plating electronic, maximum pulse current 960 A, maximum continuous current 424 A). The temporal course of the current is as a pulse sequence over a corresponding software definable. Furthermore, the current intensity of the individual electrodes, the belt speed and tension as well as the electrolyte temperature can be regulated.
  • the three-part convection electrode used has three electrode segments consisting of a copper sheet. Although the individual electrode segments can be controlled separately via a rectifier, all electrode segments were switched to the same pole in the following experiments.
  • the electrode is located in an anodic bag made of polypropylene fabric. The necessary flow is generated by means of a B2 rod pump from Lutz (total 40 l / min distributed over 2 electrodes).
  • the flow electrode used comprises an electrode housing made of polypropylene and a high-current titanium contact frame with a covering surface made of titanium expanded metal, which is backfilled with copper balls.
  • the electrode is located in an anode bag made of PP fabric.
  • the flow rate is possible up to 20 l / min.
  • the electrolyte is introduced into the flow electrode via an electrolyte feed, flows past the metal balls in the direction of the housing bottom of the electrode housing and is received by an electrolyte channel in the bottom of the electrode housing.
  • the electrolyte then exits the electrolyte channel via a flow opening in the form of a flow lip and flows upwards past the metal grid.
  • the electrolyte passes after passing through the flow electrode in the electrolytic bath and from there via an overflow into a reservoir, from which the electrolyte is then pumped again into the flow electrode.
  • This electrolysis device was used to simulate the typical change of the polarization of the same surface of the sheet metal workpiece with the economical use of material.
  • the static electrolytic cell comprises a 1000 ml beaker filled with an electrolyte (900 ml).
  • the beaker stands on a stirrer.
  • the stirrer is used to heat the electrolyte, the temperature is constantly checked by a thermocouple with stainless steel sheath and kept constant within +/- 2 ° C.
  • Stirring speed is maintained at 1000 rpm and agitation is transferred to the electrolyte solution through a 40xd6 round magnetic stir bar (PTFE).
  • PTFE 40xd6 round magnetic stir bar
  • a cover plate made of PP, which is placed over the beaker and has one electrode each on each side at a distance of 30 mm.
  • These electrodes may be made of inert material or of the material of the film to be treated. The replacement is possible within a few minutes without any problems.
  • These electrodes are flat sheets that dive parallel to each other and each perpendicular to the electrolyte solution.
  • the single-sided, immersed surface is between 60 mm x 80 mm and 60 mm x 100 mm per electrode.
  • In the middle of the plastic plate was provided parallel to the inert electrodes with an opening of 20 mm x 80 mm, through which the flexible film holder can be inserted into the cell.
  • This film holder was therefore designed to be flexible, so that the film, once clamped, then the entire process including the pre- and post-treatment steps (eg cleaning / sink / sink, pickling / pickling / sink / sink, electrolysis / sink / sink, passivation / sink / VE-sink) in the same holder and must be removed from the holder only after the last sink for drying.
  • the film holder consists of two PP frames with a window of 80 mm x 60 mm, in which the film is clamped.
  • the clamping screws are made of PA6 plastic.
  • the lower clamping screws serve only to tension the film, the upper clamping screws additionally serve to produce a releasable press contact to a TiPt expanded metal grid.
  • This contact point dips into the solution, so that the film is completely immersed in the electrolyte and the contact point is blinded by the frame of the film holder relative to the field of the cell.
  • the expanded metal used for contacting protrudes at the top of the cell and is powered by a crocodile clip with power.
  • a power supply of the type Statron with preselectable current strength and indication of the corresponding voltage is used.
  • a Polwendeschalter Between the power supply and the electrolysis cell is a Pol Listeschalter, whereby the polarity of the film and the electrodes during the experiment in any order and in any time can be turned (exchanged).
  • An adhesive tape (Tesafilm® Transparent 57404-00002) was placed over the electrolytically treated, dry, cold and at least 15min deposited metal foil surface and pressed with a soft roller firmly on the surface. Care was taken to ensure that no air bubbles formed between the adhesive tape and the film surface. After a period of 30 seconds after the adhesive strip was pressed on, it was caught on its projection and peeled off from the retained metal foil. In this case, a pulling rate of 2 to 3 seconds was observed for a length of 8 cm.
  • the peeled tape was then adhered to a white piece of paper and the color change caused by metal aggregates being torn from the film surface and remaining on the tape. Furthermore, it was judged whether the adhesive layer of the Tesafilms after peeling completely or partially remained on the surface of the metal foil.
  • the peel strength was determined according to DIN EN 60249 on a Zwick BZ2 / TN1 S peeling tool with Xforce HP 500 N load cell and software testXpert 12.3.
  • the samples were cut from a pressed composite panel and peeled or peeled the film at an angle of 180 °.
  • the pressed composite panel was produced by pressing the film with a plastic substrate at a temperature of 160 ⁇ 10 ° C and a compression pressure of 120 ⁇ 5 bar over a period of 60 ⁇ 5 min.
  • the results of the peel test are given in N / mm.
  • Example 1 Copper deposition on copper foil by means of a film flow system using various sulfuric copper electrolytes with or without the addition of La-Leitsalz
  • the surface-modified films obtained with the electrolytes 1, 2 and 3 showed a uniform distribution of deposited spherical copper aggregates on the film surface.
  • FIG. 2 shows this with the example of an electrolyte 3 obtained Surface.
  • FIG. 4 For example, the surface obtained with the electrolyte 0 is shown with stalky growths for comparison.
  • the film surfaces with lamellar spherical aggregates obtained with the electrolytes 1, 2 and 3 had excellent adhesive strengths of adhesives in the adhesion test by means of Tesafilm.
  • the adhesion between the modified metal foil surface and the adhesive on the adhesive strip is so high that when the adhesive strip is peeled off, the bond between adhesive and plastic carrier breaks and the adhesive layer of the tesa film remains on the film surface.
  • the metal foil modified with electrolyte 0 Cu electrolyte without La
  • stalked treatment the detachment of the treatment is observed when the adhesive strip is removed.
  • the lanthanum was replaced by equimolar amounts of yttrium, neodymium, gadolinium or dysprosium in the electrolytic treatment electrolyte 1 and the surface modification was repeated with otherwise identical parameters.
  • Inert Ion Concentration in the aggregates Lanthanum (electrolyte 1) 0 Lanthanum (electrolyte 2) 0 yttrium 0 neodymium 42.0 gadolinium 13.3 dysprosium 13.5
  • This example shows that lanthanum and yttrium are not incorporated into the deposited aggregates after electrolytic surface modification of a copper foil with La-Cu or Y-Cu electrolytes.
  • neodymium, gadolinium and dysprosium after the nitric acid decomposition of the deposited aggregates, these were recovered as paramagnetic inert ions.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrolytischen Oberflächenmodifizierung eines flächigen Metallwerkstücks durch Abscheidung von Kupferaggregaten. Die Erfindung betrifft ferner die mit diesem Verfahren hergestellten flächigen Metallwerkstücke sowie die Verwendung der Metallwerkstücke als Substrat für die Bildung von festen Haftverbänden mit einer Vielzahl von Materialien.The present invention relates to a method for the electrolytic surface modification of a sheet metal workpiece by deposition of copper aggregates. The invention further relates to the flat metal workpieces produced by this method and the use of the metal workpieces as a substrate for the formation of solid adhesive bonds with a variety of materials.

Als Voraussetzung einer bindemittelfreien Verpressung von Oberflächen unterschiedlicher Werkstoffe wird die Erzeugung einer großen und rauen Oberfläche angesehen. Abhängig von der Werkstoffkombination werden die Oberflächen zunächst gereinigt und danach strukturiert. Die Strukturierung erfolgt bei Metall-Metall-Verbünden durch Trockenbürsten oder Schleifen. Bei Metall-Kunststoff-Verbünden, die im Allgemeinen durch Extrudieren eines Kunststoffes auf eine Metalloberfläche erzeugt werden, wird die Metalloberfläche z.B. durch Konversion, wie etwa Phosphatieren, Chromatieren u.a., vorbehandelt, oder die Metalloberfläche wird durch Abscheidung einer stark in die Tiefe strukturierten ("rauen") Oberfläche eines Metalls (Treatment) modifiziert. Neben diesen Entwicklungen sind insbesondere bioadaptierte Entwicklungen bei Kunststoffen von Interesse, die zu Oberflächen führen, die mit mikrodimensionierten Adhäsionsinseln (z.B. Saugfüße) besetzt sind.As a condition of a binder-free pressing of surfaces of different materials, the generation of a large and rough surface is considered. Depending on the material combination, the surfaces are first cleaned and then structured. The structuring takes place in metal-metal composites by dry brushing or grinding. In metal-plastic composites, which are generally produced by extruding a plastic onto a metal surface, the metal surface is e.g. by conversion, such as phosphating, chromating, etc. pretreated, or the metal surface is modified by deposition of a highly in-depth ("rough") surface of a metal (treatment). In addition to these developments, especially bioadapted developments in plastics are of interest, leading to surfaces occupied by microdimensional adhesion islands (e.g., suction cups).

In elektrisch besonders sensiblen und chemisch extrem anspruchsvollen Verbundsystemen ist der Einsatz von möglichst wenig Komponenten in der Haftzone von Vorteil, weil hier das Auslösen von störenden Stoffen weniger wahrscheinlich ist und weil der Ausfall des Verbundes auf das Minimum begrenzt werden kann.In electrically particularly sensitive and chemically extremely demanding composite systems, the use of as few components as possible in the bonding zone is advantageous because the release of interfering substances is less likely here and because the failure of the composite can be limited to a minimum.

Aus diesem Grunde werden in den oben genannten Anwendungsfeldern die Verbunde bevorzugt aus einer gebürsteten oder durch Treatment modifizierten Metalloberfläche und dem gewünschten, darauf aufzuwalzenden, aufzupressenden oder aufzuziehenden Material hergestellt.For this reason, in the abovementioned fields of application, the composites are preferably produced from a brushed or treatment-modified metal surface and the desired material to be rolled on, to be pressed or wound up.

Die Herstellung von flächigem Endlosmaterial (Bänder, Folien) mit einem solchen Treatment erfolgt üblicherweise nach den klassischen Verfahren der Bandgalvanik. Die technischen Schwierigkeiten der dabei genutzten Verfahren - Entfetten, elektrolytisch Reinigen, Beizen, Beschichten - bestehen im unzureichend gleichmäßigen Besatz der Oberfläche von Folien und Bändern. Die erreichbare "gewöhnliche" Sauberkeit der Oberfläche und die lokal unterschiedliche Rauhigkeit des Materials lassen nur ein lokal bevorzugtes Wachstum von Aggregaten des Treatments auf der Oberfläche zu.The production of flat endless material (tapes, films) with such a treatment is usually carried out according to the classical processes of strip electroplating. The technical difficulties of the processes used here - degreasing, electrolytic cleaning, pickling, coating - consist in the insufficient even stocking of the surface of films and tapes. The achievable "ordinary" cleanliness of the surface and the locally different roughness of the material allow only a locally preferred growth of aggregates of the treatment on the surface.

Ein bekanntes Verfahren für die Oberflächenbehandlung eines Metallwerkstücks, wie beispielsweise eines Metallbandes oder eines Blechs, stellt das elektrolytische Beschichten einer Metalloberfläche mit einem Metall oder einer Metalllegierung dar. Beispielswiese wird bei der elektrolytischen Bandbeschichtung das Band durch eine oder mehrere Elektrolysezellen geführt. In jeder Elektrolysezelle wird das Band üblicherweise über sogenannte Stromrollen in eine Fest-Fest-Verbindung mit dem Minuspol eines Gleichrichters gebracht. Das Band dient folglich als negative Elektrode, d.h. als Kathode. Die positive Elektrode, d.h. die Anode, ist in der Regel als Elektrodenpaar ausgebildet, wobei das Band zwischen den beiden Elektroden hindurchläuft.A known method for the surface treatment of a metal workpiece, such as a metal strip or a sheet, is the electrolytic coating of a metal surface with a metal or a metal alloy. For example, in the electrolytic strip coating, the strip is passed through one or more electrolytic cells. In each electrolytic cell, the band is usually brought via so-called power rollers in a fixed-solid connection to the negative pole of a rectifier. The band thus serves as a negative electrode, i. as a cathode. The positive electrode, i. the anode, is usually formed as a pair of electrodes, wherein the band passes between the two electrodes.

Durch das elektrolytische Beschichten wird das zu beschichtende Metallwerkstück allseitig gleichmäßig mit einem im Wesentlichen ebenen Metallüberzug versehen. Selbst bei der Verwendung von Metallwerkstücken mit einer verhältnismäßig rauen Oberflächenbeschaffenheit wird die Oberfläche nivelliert. Für Anwendungen, bei denen eine gute Adhäsion mit einem anderen Material erforderlich ist, kann jedoch eine glatte Oberfläche unerwünscht sein. Eine gute Adhäsion zwischen zwei Werkstoffen wird dann erzielt, wenn es zu einer chemischen Wechselwirkung und/oder zu einem mechanischen Ineinandergreifen in topographische Merkmale der Adhäsionspartner kommt. Ist dies nicht oder nicht ausreichend der Fall, verschlechtert sich die Adhäsion. So kann eine schlechte Adhäsion zwischen einer Metalloberfläche und dem gleichen oder einem anderen Material, beispielsweise einer Lackschicht, einer Farbschicht oder einem Klebstoff, zu qualitativ minderwertigen oder sogar unbrauchbaren Produkten führen.
Zur Verbesserung der Adhäsion auf Metalloberflächen sind verschiedene technische Lösungen entwickelt worden. Als elektrolytischer Prozess zur Verbesserung der Adhäsion auf Metalloberflächen ist das Anodisieren bekannt. Beim Anodisieren wird unter Verwendung eines sauren Elektrolyten, wie z.B. Schwefel-, Phosphor- oder Chromsäure, auf der Oberfläche eines als Anode geschalteten Metallwerkstücks eine regelmäßig strukturierte, poröse Oxidschicht gebildet. Die Poren ermöglichen das mechanische Ineinandergreifen des anodisierten Metallwerkstücks mit einem anderen Material, wie einer Farb-, Lack- oder Klebeschicht. Das Anodisieren ist jedoch auf wenige Metallwerkstoffe, wie beispielsweise Aluminium, Titan und Legierungen davon, beschränkt. Industriell bedeutsam ist vor allem das Anodisieren von Aluminium (Eloxal-Verfahren; elektrolytische Oxidation von Aluminium). Hierbei bildet sich auf der Oberfläche des Aluminiummaterials eine Aluminiumoxidschicht mit poröser Struktur.
Due to the electrolytic coating, the metal workpiece to be coated is uniformly provided on all sides with a substantially flat metal coating. Even with the use of metal workpieces with a relatively rough surface finish, the surface is leveled. However, for applications where good adhesion to another material is required, a smooth surface may be undesirable. Good adhesion between two materials is achieved when there is a chemical interaction and / or mechanical interlocking in topographical features of the adhesion partners. If this is not or not sufficiently the case, the adhesion deteriorates. Thus, poor adhesion between a metal surface and the same or another material, such as a lacquer layer, a paint layer or an adhesive, can result in poor quality or even unusable products.
To improve the adhesion to metal surfaces, various technical solutions have been developed. As an electrolytic process for improving adhesion to metal surfaces, anodization is known. In anodizing, using an acidic electrolyte such as sulfuric, phosphoric or chromic acid on the surface of a metal workpiece connected as an anode becomes regular structured, porous oxide layer formed. The pores allow the anodized metal workpiece to mechanically interlock with another material, such as a paint, varnish or adhesive layer. However, anodizing is limited to a few metallic materials such as aluminum, titanium and alloys thereof. Above all, the anodizing of aluminum (anodizing process, electrolytic oxidation of aluminum) is of industrial importance. Here, an aluminum oxide layer having a porous structure is formed on the surface of the aluminum material.

Eine Verbesserung der Adhäsion kann auch durch Vorschalten eines Schritts zur elektrolytischen Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche erzielt werden. Beispielsweise kann das Metallwerkstück vor dem eigentlichen kathodischen Abscheidungsprozess einer anodischen Behandlung unterworfen werden, bei der ein Abtragprozess induziert wird, bei dem kleinste auf der Oberfläche der Metallfolie befindliche Partikel und Rückstande bzw. Verunreinigungen entfernt werden und eine blanke Oberfläche erhalten wird. Bei der darauffolgenden kathodischen Behandlung wird ein Abscheidungs/Beschichtungsprozess induziert, bei dem ein Metall aus der Behandlungsflüssigkeit an der gereinigten und blanken Oberfläche üblicherweise in Form von Aggregaten abgeschieden wird. Die anodische und kathodische Polarisierung kann dabei ähnlich wie bei der klassischen galvanischen Beschichtung durch Fest-Fest-Kontakt erfolgen oder, in einer weiterentwickelten Verfahrensführung nach dem Mittelleiterprinzip, eine kontaktlose Polarisierung sein.An improvement in adhesion can also be achieved by preceding a step of electrolytic pretreatment of the surface to be coated. For example, prior to the actual cathodic deposition process, the metal workpiece may be subjected to an anodic treatment in which an ablation process is induced in which minute particles and contaminants on the surface of the metal foil are removed and a bare surface is obtained. In the subsequent cathodic treatment, a deposition / coating process is induced in which a metal from the treatment liquid at the cleaned and bare surface is usually deposited in the form of aggregates. The anodic and cathodic polarization can be carried out similarly to the classical galvanic coating by solid-solid contact or, in an advanced process management according to the central conductor principle, be a non-contact polarization.

Bei allen oben genannten Oberflächenmodifizierungsverfahren begrenzt die stängelige Form der abgeschiedenen Aggregate die Haftung im Verbund. Die Haftung im Verbund wird mit der Anzahl der Aggregate pro Flächeneinheit besser. Sie strebt stets einem Grenzwert entgegen, der in der Abriss-/Bruchfestigkeit der Aggregate selbst besteht. Zum Beispiel ist durch die Länge der Aggregate der Haftverbund maßgeblich vom Fließverhalten aufzupressender Kunststoffe abhängig, insbesondere dann, wenn das Fließverhalten so schlecht ist, dass der Kunststoff den Boden des Treatments nicht erreicht und nur Hinterschneidungen an den Spitzen der Aggregate entstehen. Der Verbund ist dann mit einem Kunststoff-Plateau auf Metallpfählen vergleichbar. Selbst wenn ein solcher Haftverbund ausreichend gut ist, verbleiben an der Basis der klassischen Aggregate des Treatments im Verbund Hohlräume, in die aggressive Chemikalien eindringen und den Haftverbund korrosiv schädigen oder zerstören können.In all the surface modification methods mentioned above, the columnar form of the deposited aggregates limits the adhesion in the composite. Bonding in the composite improves with the number of aggregates per unit area. It always strives for a limit, which consists in the resistance to breakage / breakage of the aggregates themselves. For example, due to the length of the aggregates of the adhesive bond is significantly dependent on the flow behavior aufzupressender plastics, especially if the flow behavior is so poor that the plastic does not reach the bottom of the treatment and only undercuts at the tips of the aggregates arise. The composite is then comparable to a plastic plateau on metal posts. Even if such an adhesive bond is sufficiently good, at the base of the classic aggregates of the treatment in the composite remain cavities into which aggressive chemicals can penetrate and corrosively damage or destroy the adhesive bond.

US 5 015 340 A offenbart ein Verfahren zur elektrolytischen Beschichtung von Metalldrähten mit Hilfe eines Nickelbades. US 5 015 340 A discloses a process for the electrolytic coating of metal wires using a nickel bath.

DE 199 51 325 A1 beschreibt die elektrolytische Behandlung von Folienmaterial in einer Behandlungsflüssigkeit. DE 199 51 325 A1 describes the electrolytic treatment of film material in a treatment liquid.

EP 0 838 542 A1 behandelt ein Verfahren zum elektrolytischen Beizen von Edelstahlbändern. EP 0 838 542 A1 deals with a process for the electrolytic pickling of stainless steel strips.

US 4 097 342 A offenbart das Elektroplattieren von Aluminiumwerkstücken mit zink- oder zinnhaltigen Bädern. US 4 097 342 A discloses the electroplating of aluminum workpieces with zinc or tin containing baths.

CN 101 892 502 A und US 3 666 636 A beschreiben elektrolytische Behandlungsflüssigkeiten, die u.a. schwefelsaures Kupfersulfat und Lanthanchlorid bzw. Ceroxid enthalten. CN 101 892 502 A and US Pat. No. 3,666,636 A describe electrolytic treatment liquids containing, inter alia sulfuric acid copper sulfate and lanthanum chloride or cerium oxide.

Es besteht daher ein Bedarf nach einem Verfahren zur Verbesserung der Adhäsion bzw. der Haftung auf Metalloberflächen. Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und effizientes Verfahren zur Erhöhung des Haftvermögens von flächigen Metallwerkstücken bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Modifizierung/Konversion der Oberfläche eines flächigen Metallwerkstücks durch Abscheidung einer mit Seltenen Erden dotierten Kupferschicht.There is therefore a need for a method for improving the adhesion or adhesion to metal surfaces. It is therefore an object of the present invention to provide a simple and efficient method for increasing the adhesion of flat metal workpieces. Another object of the invention is to provide a method of modifying / converting the surface of a sheet metal workpiece by depositing a rare earth doped copper layer.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur elektrolytischen Oberflächenmodifizierung eines flächigen Metallwerkstücks bereitgestellt, bei dem

  • wenigstens eine Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks in einer Behandlungsflüssigkeit anodisch gepolt wird und dadurch ein anodischer Auflösungsprozess induziert wird, und dann
  • die wenigstens eine Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks in der Behandlungsflüssigkeit kathodisch gepolt wird und dadurch ein kathodischer Abscheidungsprozess zur Abscheidung eines oder mehrerer Metalle auf der wenigstens einen Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks induziert wird,
  • dadurch gekennzeichnet, dass als Behandlungsflüssigkeit (Elektrolyt) eine leitende Flüssigkeit auf der Basis von Schwefelsäure/Sulfat-Lösungen des Kupfers verwendet wird und die Behandlungsflüssigkeit ferner ein oder mehrere Elemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Yttrium, Lanthan und Lanthanoiden, enthält. Das Verhältnis zwischen (i) der Summe der Stoffmengenanteile (in mol/l) von Yttrium, Lanthan und/oder der Lanthanoide und (ii) den Stoffmengenanteilen (im mol/l) von Kupfer beträgt 0,0182 oder mehr, vorzugsweise 0,0182 bis 0,127.
To achieve this object, a method for the electrolytic surface modification of a flat metal workpiece is provided according to the invention, in which
  • at least one surface of the sheet metal workpiece is anodically poled in a treatment liquid, thereby inducing an anodic dissolution process, and then
  • the at least one surface of the sheet metal workpiece is cathodically poled in the treatment liquid, thereby inducing a cathodic deposition process for depositing one or more metals on the at least one surface of the sheet metal workpiece,
  • characterized in that a conductive liquid based on sulfuric acid / sulfate solutions of the copper is used as the treatment liquid (electrolyte) and the treatment liquid further contains one or more elements selected from the group consisting of: yttrium, lanthanum and lanthanides. The ratio between (i) the sum of the mole fractions (in mol / l) of yttrium, lanthanum and / or the lanthanoids and (ii) the mole fractions (in mol / l) of copper is 0.0182 or more, preferably 0.0182 to 0.127.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein einfaches und effizientes Verfahren zur Erhöhung des Haftvermögens von flächigen Metallwerkstücken bereit.The method of the invention provides a simple and efficient method of increasing the adhesion of sheet metal workpieces.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur elektrolytischen Oberflächenmodifizierung eines flächigen Metallwerkstücks bereit, bei dem wenigstens eine Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks in einer Behandlungsflüssigkeit anodisch gepolt wird und dadurch ein anodischer Auflösungsprozess induziert wird, und anschließend die wenigstens eine Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks in der Behandlungsflüssigkeit kathodisch gepolt wird und dadurch ein kathodischer Abscheidungsprozess zur Abscheidung eines oder mehrerer Metalle auf der wenigstens einen Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks induziert wird.The present invention provides a method of surface electrolytic modification of a sheet metal workpiece, wherein at least one surface of the sheet metal workpiece is anodized in a treatment liquid is poled and thereby anodic dissolution process is induced, and then the at least one surface of the sheet metal workpiece in the treatment liquid is cathodically poled and thereby a cathodic deposition process for depositing one or more metals on the at least one surface of the sheet metal workpiece is induced.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Behandlungsflüssigkeiten sind leitende Flüssigkeiten auf der Basis von Schwefelsäure/Sulfat-Lösungen des Kupfers. Ihre Herstellung gelingt einfach durch die Auflösung geeigneter Salze oder Oxide des Kupfers in wässriger Schwefelsäure. Dabei wird die Menge der verwendeten Schwefelsäure vorzugsweise so gewählt, dass nach der Auflösung eine Restkonzentration an freier Schwefelsäure verbleibt. Vorzugsweise beträgt diese Restkonzentration an freier Schwefelsäure wenigstens 0,664 mol/l.The treatment liquids used in the process according to the invention are conductive liquids based on sulfuric acid / sulfate solutions of copper. Their preparation succeeds simply by the dissolution of suitable salts or oxides of copper in aqueous sulfuric acid. The amount of sulfuric acid used is preferably chosen so that after dissolution remains a residual concentration of free sulfuric acid. Preferably, this residual concentration of free sulfuric acid is at least 0.664 mol / l.

Das molare Verhältnis (d.h. das Verhältnis der Stoffmengenanteile) zwischen Kupferionen und freier Schwefelsäure liegt vorzugsweise im Bereich von 1,05 und 1,25, bevorzugter bei 1,10 bis 1,20, insbesondere im Bereich von 1,15 bis 1,17. Bei einer speziellen Ausführungsform liegt das Verhältnis bei etwa 1,16. Als Kupferquelle eignet sich u.a. Kupfer(II)-sulfat-pentahydrat, Kupfer(II)-oxid, Kupfer(II)-carbonat oder basisches Kupfer(II)-carbonat.The molar ratio (i.e., the ratio of mole fractions) between copper ions and free sulfuric acid is preferably in the range of 1.05 and 1.25, more preferably 1.10 to 1.20, more preferably in the range of 1.15 to 1.17. In a specific embodiment, the ratio is about 1.16. As copper source is u.a. Cupric sulfate pentahydrate, cupric oxide, copper (II) carbonate or basic cupric carbonate.

Der Behandlungsflüssigkeit werden ferner ein oder mehrere Leitsalze zugegeben. Als Leitsalze eignen sich bei der vorliegenden Erfindung Salze der Seltenen Erden (SE) Yttrium, Lanthan und der Lanthanoiden (Ln), welche sich in der sauren Behandlungsflüssigkeit zu gut löslichen Sulfatometallaten der allgemeinen Formel Cu3[SE(SO4)3]2 (SE = Seltene Erden) umwandeln. Als Quelle für Yttrium, Lanthan und die Lanthanoiden eignen sich u.a. die Element(III)-oxide und die Element(III)-carbonate. Lanthanoxid ist besonders bevorzugt. Die Yttrium-, Lanthan- oder Lanthanoidsalze werden der Behandlungsflüssigkeit in einer Menge zugesetzt, dass das molare Verhältnis zwischen (i) der Summe der Stoffmengenanteile von Y, La und/oder Ln und (ii) den Stoffmengenanteilen von Kupfer 0,0182 oder mehr, vorzugsweise 0,0182 bis 0,127, beträgt. Die Konzentration der Summe der Yttrium-, Lanthan- oder Lanthanoid-Ionen beträgt dabei vorzugsweise 0,014 mol/l oder mehr, bevorzugt liegt sie im Bereich von 0,014 mol/l bis 0,35 mol/l und insbesondere im Bereich von 0,024 bis 0,098 mol/l.The treatment liquid is further added one or more conductive salts. Suitable conductive salts in the present invention are rare earth salts (SE) yttrium, lanthanum and lanthanides (Ln), which in the acidic treatment liquid form readily soluble sulfatometallates of the general formula Cu 3 [SE (SO 4 ) 3 ] 2 ( SE = rare earths). The sources of yttrium, lanthanum and lanthanides include the element (III) oxides and the elemental (III) carbonates. Lanthanum oxide is particularly preferred. The yttrium, lanthanum or lanthanoide salts are added to the treatment liquid in an amount such that the molar ratio between (i) the sum of the mole fractions of Y, La and / or Ln and (ii) the mole fractions of copper is 0.0182 or more, preferably 0.0182 to 0.127. The concentration of the sum of the yttrium, lanthanum or lanthanoid ions is preferably 0.014 mol / l or more, preferably in the range of 0.014 mol / l to 0.35 mol / l and in particular in the range of 0.024 to 0.098 mol / l.

Insbesondere bei hohen Verhältnissen zwischen Yttrium, Lanthan und/oder Lanthanoiden und Kupfer (≥ 0,024) ist die Reihenfolge der Lösung der Komponenten für die schnelle Erstellung des Elektrolyten entscheidend: Zunächst erfolgt die Vorlage der wässrigen Schwefelsäure, dann die Auflösung der Kupfer(II)-verbindung und eventuell die Abtrennung unlöslicher Bestandteile bei der Nutzung von Oxiden/Carbonaten des Kupfers. Anschließend erfolgt die Lösung der genutzten Verbindung(en) von Y, La und/oder Ln. Die Zugabe der Carbonate und der Lanthanoxide/Lanthanoidoxide hat stets unter gutem Rühren und in, der Ansatzmenge angemessenen, Teilportionen zu erfolgen, um ein Überschäumen oder Verspritzen der werdenden Elektrolytlösung durch das freigesetzte Kohlendioxid oder ansonsten auftretende lokale Überhitzungen [La(III)- und Ln(III)-oxide reagieren mit Säuren stark exotherm] auszuschließen.Especially at high ratios between yttrium, lanthanum and / or lanthanides and copper (≥ 0.024), the sequence of the solution of the components for the rapid preparation of the electrolyte is crucial: first, the presentation of the aqueous sulfuric acid, then the dissolution of the copper (II) - connection and possibly the separation of insoluble constituents in the use of oxides / carbonates of copper. Subsequently, the solution of the used compound (s) of Y, La and / or Ln takes place. The addition of the carbonates and the lanthanum oxides / lanthanide oxides must always be carried out with good stirring and partial proportions appropriate to the batch amount, in order to overfill or squirt the resulting electrolyte solution by the released carbon dioxide or local overheating [La (III) and Ln (III) oxides react strongly exothermic with acids.

Beispiele für geeignete saure Behandlungsflüssigkeiten (Elektrolyte) auf Kupfersulfatbasis sind in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1. Wässrige schwefelsaure Kupfer-SE-Elektrolyte, die aus den entsprechenden Oxiden der Leitionen (LaO, YO, NdO, GdO bzw. DyO) hergestellt wurden. Elektrolytname Leition Konz. Cu-Ionen in mol/l Konz. freie Schwefelsäure in mol/l Konz. Leitionen in mol/l Gegenion für Cu und Leitionen Elektrolyt 1 La 0,77 0,664 0,0245 Sulfat Elektrolyt 2 La 0,77 0,664 0,0490 Sulfat Elektrolyt 3 La 0,77 0,664 0,098 Sulfat Elektrolyt 4 Y 0,77 0,664 0,0245 Sulfat Elektrolyt 5 Nd 0,77 0,664 0,0245 Sulfat Elektrolyt 6 Gd 0,77 0,664 0,0245 Sulfat Elektrolyt 7 Dy 0,77 0,664 0,0245 Sulfat Examples of suitable copper sulfate-based acidic treatment liquids (electrolytes) are shown in Table 1 below. <b> Table 1. </ b> Aqueous sulfuric acid copper SE electrolytes prepared from the corresponding oxides of the lead ions (LaO, YO, NdO, GdO and DyO, respectively). electrolyte name Leition Conc. Cu ions in mol / l Conc. Free sulfuric acid in mol / l Conc., Lead ions in mol / l Counterion for Cu and lead ions Electrolyte 1 La 0.77 0.664 0.0245 sulfate Electrolyte 2 La 0.77 0.664 0.0490 sulfate Electrolyte 3 La 0.77 0.664 0.098 sulfate Electrolyte 4 Y 0.77 0.664 0.0245 sulfate Electrolyte 5 Nd 0.77 0.664 0.0245 sulfate Electrolyte 6 Gd 0.77 0.664 0.0245 sulfate Electrolyte 7 Dy 0.77 0.664 0.0245 sulfate

Der Zusatz von Yttrium-, Lanthan- und/oder Lanthanoid-Ionen zur Behandlungsflüssigkeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Oberflächenmodifizierung führt dazu, dass sich auf der zu modifizierenden Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks nicht die typischen stängeligen Aggregate (nachfolgend auch "Dendrite" genannt), sondern mit stehenden Lamellen besetzte Kugeln abscheiden. Der Haftverbund (Haftkraft je Flächeneinheit) dieser Aggregate gegenüber beispielsweise Kunststoff erhöht sich je nach den konkreten Verhältnissen auf das Doppelte bis nahezu Dreifache des Haftverbundes des klassisch erzeugten Treatments.The addition of yttrium, lanthanum and / or lanthanide ions to the treatment liquid in the method according to the invention for surface modification means that the typical stalked aggregates (also referred to below as "dendrites") do not appear on the surface of the flat metal workpiece to be modified Separate balls occupied with standing slats. The adhesive bond (adhesive force per unit area) of these units over, for example, plastic increases depending on the specific circumstances to twice or nearly three times the bond of the classic treatment produced.

Als zusätzlicher Effekt bei der Abscheidung aus den sauren Kupfer(II)-SE-Sulfat-Behandlungsflüssigkeiten wurde der Einbau der als Leitsalze zugesetzten Seltenen Erden (Y, La und/oder Ln) in die Kupferschicht gefunden. Während die diamagnetischen SE(III)-Ionen des Yttrium und des Lanthan nur lose gebunden eingebaut werden, lagern sich beispielsweise die paramagnetischen Ln(III)-Ionen von Neodymium, Gadolinium oder Dysprosium bei gleicher Konzentration in der Behandlungsflüssigkeit fest verankert in der Kupferschicht ein. Dies ist in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2. Einbau von Seltenen Erden (SE) aus sauren Kupfer(II)-SE-Sulfat-Behandlungsflüssigkeiten in die auf der Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks abgeschiedene Kupferschicht SE(III)-Ion Konz. in der Behandlungsflüssigkeit (mol/l) Effektives magnetisches Moment SE(III) (µb) Molares Verhältnis in der Schicht n(SE)/n(Cu) Yttrium 0,0246 0 0,0036 Lanthan 0,0246 0 0,0006 Lanthan 0,0492 0 0,0013 Neodymium 0,0246 3,6 0,0058 Gadolinium 0,0246 7,8 0,0024 Dysprosium 0,0246 10,8 0,0021 As an additional effect in the deposition from the acidic copper (II) S-sulfate treatment liquids, incorporation of the rare earths (Y, La and / or Ln) added as conducting salts into the copper layer was found. While the diamagnetic SE (III) ions of yttrium and lanthanum are incorporated only loosely bound, for example, the paramagnetic Ln (III) ions of neodymium, gadolinium or dysprosium deposit at the same concentration in the treatment liquid firmly anchored in the copper layer. This is shown in Table 2. <b> Table 2. </ b> Installation of rare earths (SE) from acid copper (II) S sulfate treatment liquids into the copper layer deposited on the surface of the sheet metal workpiece SE (III) ion Conc. In the treatment liquid (mol / l) Effective magnetic moment SE (III) (μb) Molar ratio in the layer n (SE) / n (Cu) yttrium 0.0246 0 0.0036 lanthanum 0.0246 0 0.0006 lanthanum 0.0492 0 0.0013 neodymium 0.0246 3.6 0.0058 gadolinium 0.0246 7.8 0.0024 dysprosium 0.0246 10.8 0.0021

Die Strukturierung der abgeschiedenen Schicht und der Einbau der SE-Metalle in die Kupferschicht hängen nicht nur ursächlich mit den magnetischen Eigenschaften der SE(III)-Ionen ab, sondern wesentlichen Einfluss hat der Löslichkeitsgradient der Sulfatometallate Cu3[SE(SO4)3]2 beim Übergang von den vergleichsweise leicht löslichen Kupfersalzen zu den schwerer löslichen Säuren H3[SE(SO4)3] (kathodischer Prozess). Da die Löslichkeit der Sulfate nach dem Neodym deutlich zunimmt, nimmt der Effekt der schweren SE-Ionen auf den Abscheidungsprozess ab. Dieses entscheidende Gleichgewicht für die Abscheidung der strukturierten Kupferschicht erzwingt den hohen Stoffaustausch im Bereich der elektrolytischen Prozesse, um insbesondere bei großen molaren SE-Cu-Verhältnissen stationäre, makroskopische Fällungen von SE(III)-Sulfaten (Salzflecken) ausschließen zu können.The structuring of the deposited layer and the incorporation of the SE metals into the copper layer not only depend causally on the magnetic properties of the SE (III) ions, but the solubility gradient of the sulfometallates Cu 3 [SE (SO 4 ) 3 ] has a significant influence. 2 in the transition from the comparatively slightly soluble copper salts to the less soluble acids H 3 [SE (SO 4 ) 3 ] (cathodic process). Since the solubility of the sulfates increases significantly after the neodymium, the effect of the heavy SE ions on the deposition process decreases. This crucial equilibrium for the deposition of the structured copper layer forces the high mass transfer in the area of the electrolytic processes in order to be able to rule out stationary, macroscopic precipitations of SE (III) sulfates (salt spots), especially at high molar SE-Cu ratios.

Die Behandlungsflüssigkeit kann darüber hinaus weitere Steuerzusätze und Additive enthalten, welche die Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und/oder die Abscheidung der Metallaggregate beeinflussen. Zum Beispiel kann die Behandlungsflüssigkeit ein Additiv der allgemeinen Formel (I) umfassen:

        HO-CHR8-CHR9-Z-(CHR4-CHR5-Z)n-CHR6-CHR7-OH     (I)

worin:

  • n = eine ganze Zahl von 1 bis 11, insbesondere eine ganze Zahl von 1 bis 3,
  • Z = S oder O, insbesondere S,
  • R4 = H, C1-4-Alkyl oder Phenyl,
  • R5 = H, C1-4-Alkyl oder Phenyl,
  • R6 = H, C1-4-Alkyl oder Phenyl,
  • R7 = H, C1-4-Alkyl oder Phenyl,
  • R8 = H, C1-4-Alkyl oder Phenyl, und
  • R9 = H, C1-4-Alkyl oder Phenyl.
The treatment liquid may additionally contain further control additives and additives which influence the viscosity, thermal conductivity, electrical conductivity and / or the deposition of the metal aggregates. For example, the treatment liquid may comprise an additive of the general formula (I):

HO-CHR 8 -CHR 9 -Z- (CHR 4 -CHR 5 -Z) n -CHR 6 -CHR 7 -OH (I)

wherein:
  • n = an integer from 1 to 11, in particular an integer from 1 to 3,
  • Z = S or O, in particular S,
  • R 4 = H, C 1-4 -alkyl or phenyl,
  • R 5 = H, C 1-4 -alkyl or phenyl,
  • R 6 is H, C 1-4 -alkyl or phenyl,
  • R 7 = H, C 1-4 -alkyl or phenyl,
  • R 8 = H, C 1-4 alkyl or phenyl, and
  • R 9 = H, C 1-4 alkyl or phenyl.

Wenn die Verbindung der Formel (I) Enantiomere oder Diastereomere umfasst, können sowohl die reinen Enantiomere oder Diastereomere als auch die entsprechenden Mischungen eingesetzt werden.When the compound of formula (I) comprises enantiomers or diastereomers, both the pure enantiomers or diastereomers and the corresponding mixtures can be used.

Insbesondere handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei C1-4-Alkyl um Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, iso-Butyl oder sec-Butyl, vorzugsweise um Methyl, Ethyl, n-Propyl, oder n-Butyl.In particular, in the context of the present invention, C 1-4 -alkyl is methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl or sec-butyl, preferably methyl, ethyl, n-propyl , or n-butyl.

Vorzugsweise bedeutet bei dem Additiv der Formel (I):

  • n = eine ganze Zahl von 1 bis 3,
  • Z = S,
  • R4 = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, oder n-Butyl,
  • R5 = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, oder n-Butyl,
  • R6 = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, oder n-Butyl,
  • R7 = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, oder n-Butyl,
  • R8 = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, oder n-Butyl, und
  • R9 = H, Methyl, Ethyl, n-Propyl, oder n-Butyl.
Preferably, in the additive of formula (I):
  • n = an integer from 1 to 3,
  • Z = S,
  • R 4 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl,
  • R 5 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl,
  • R 6 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl,
  • R 7 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl,
  • R 8 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl, and
  • R 9 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl.

Alternativ handelt es sich bei dem Additiv der Formel (I) um eine Verbindung der Formel (II):

        HO-(CHR6-CHR7-Z)n-CHR6-CHR7-OH     (II)

worin:

  • n = eine ganze Zahl von 1 bis 11,
  • Z = S oder O,
  • R6 = H, Methyl oder Phenyl, und
  • R7 = H, Methyl oder Phenyl,
wobei vorzugsweise n=1-3 und Z = S.Alternatively, the additive of formula (I) is a compound of formula (II):

HO- (CHR 6 -CHR 7 -Z) n -CHR 6 -CHR 7 -OH (II)

wherein:
  • n = an integer from 1 to 11,
  • Z = S or O,
  • R 6 = H, methyl or phenyl, and
  • R 7 = H, methyl or phenyl,
preferably n = 1-3 and Z = S.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Additiv um eine Verbindung der Formel (I), worin:

  • n = 1 oder 2, insbesondere 1,
  • Z = S,
  • R4 = R5 = H oder Methyl,
  • R6 = R9 = H oder Methyl, und
  • R7 = R8 = H oder Methyl.
Most preferably, the additive is a compound of formula (I) wherein:
  • n = 1 or 2, in particular 1,
  • Z = S,
  • R 4 = R 5 = H or methyl,
  • R 6 = R 9 = H or methyl, and
  • R 7 = R 8 = H or methyl.

Noch bevorzugter handelt es sich bei dem Additiv um eine Verbindung der Formel (III):

        HO-CHR8-CHR9-S-CH2-CH2-S-CHR6-CHR7-OH     (III)

worin

  • R6 = R9 = H oder Methyl, und
  • R7 = R8 = H oder Methyl.
More preferably, the additive is a compound of formula (III):

HO-CHR 8 -CHR 9 -S-CH 2 -CH 2 -S-CHR 6 -CHR 7 -OH (III)

wherein
  • R 6 = R 9 = H or methyl, and
  • R 7 = R 8 = H or methyl.

Ein besonders bevorzugtes Additiv der allgemeinen Formel (I), das in der Behandlungsflüssigkeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann, ist 1,8-Dihydroxy-3,6-dithiaoctan (DTO).A particularly preferred additive of the general formula (I) which can be used in the treatment liquid in the process according to the invention is 1,8-dihydroxy-3,6-dithiaoctane (DTO).

Die Additive der Formel (I) sind kommerziell erhältlich oder lassen sich durch bekannte chemische Syntheseverfahren oder analog zu diesen erhalten.The additives of the formula (I) are commercially available or can be obtained by known chemical synthesis methods or analogously to these.

Zusätzlich sind die folgenden Zusätze für die Beeinflussung der Oberflächenspannung und der Ablösungsgeschwindigkeit von feinsten Gasblasen anwendbar:In addition, the following additives are applicable for influencing the surface tension and the dissolution rate of finest gas bubbles:

Oberflächenaktive Substanzen der allgemeinen Formel: CnH2n+1(OC2H4)x-O-(H, CmH2m+1) mit n=8 bis 18, und x=3 bis 9, m=1 bis 4 CnH2n+1(OC3H6)y-OH mit n=8 bis 16 und y=1 bis 3. CnH2n+1(OC2H4)v-(OC3H6)w-OH mit n=10 bis 16 und v=4 bis 5, w=2 bis 4, von w=1/2v bis w+1=v Surface-active substances of the general formula: C n H 2n + 1 (OC 2 H 4 ) x -O- (H, C m H 2m + 1 ) with n = 8 to 18, and x = 3 to 9, m = 1 to 4 C n H 2n + 1 (OC 3 H 6 ) y -OH with n = 8 to 16 and y = 1 to 3. C n H 2n + 1 (OC 2 H 4 ) v - (OC 3 H 6 ) w -OH with n = 10 to 16 and v = 4 to 5, w = 2 to 4, from w = 1 / 2v to w + 1 = v

Die möglichen oberflächenaktiven Stoffe werden einzeln oder im Gemisch zugesetzt, wobei die Gesamtkonzentration im Elektrolyten stets unter der Sättigungsgrenze liegen muss, in der Regel unter 0,05 Gew.-%. Von Vorteil ist die Nutzung der an der Anode gegen Oxidation unempfindlicheren endveretherten Polyethoxylate.The possible surfactants are added individually or in admixture, the total concentration in the electrolyte always having to be below the saturation limit, usually below 0.05 wt .-%. It is advantageous to use the end-etherified polyethoxylates which are less sensitive to oxidation at the anode.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Mittelleiterprinzip durchgeführt, d.h., das flächige Metallwerkstück wird weder kathodisch noch anodisch kontaktiert, sondern wird durch wenigstens eine Kathode anodisch (positiv) polarisiert und dann durch wenigstens eine Anode kathodisch (negativ) polarisiert. Dabei erfolgt die Stromübertragung auf das flächige Metallwerkstück nicht durch direkte Kontaktierung des flächigen Metallwerkstücks über ein mit einer Stromquelle verbundenes Kontaktelement (z. B. eine Stromrolle), sondern durch die Behandlungsflüssigkeit hindurch. Bei der anodischen Polarisation wird auf einer Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks ein anodischer Auflösungs- bzw. Abtragprozess induziert, bei dem kleinste auf der Oberfläche der Metallfolie befindliche Partikel und Rückstände bzw. Verunreinigungen entfernt werden, wodurch eine reine Oberfläche erhalten wird. Ferner werden die topographischen Merkmale der Metalloberfläche, insbesondere die Rauheitsspitzen, eingeebnet.In one embodiment of the invention, the method according to the invention is carried out according to the central conductor principle, ie, the flat metal workpiece is contacted neither cathodically nor anodically but is anodically (positively) polarized by at least one cathode and then cathodically (negatively) polarized by at least one anode. In this case, the current transfer to the flat metal workpiece does not take place by direct contacting of the flat metal workpiece via a contact element connected to a current source (eg a current roller), but through the treatment liquid. In anodic polarization, an anodic dissolution process is induced on a surface of the sheet metal workpiece by removing minute particles and residues or impurities present on the surface of the metal foil, thereby obtaining a clean surface. Furthermore, the topographic features of the metal surface, in particular the roughness peaks, are leveled.

Des Weiteren führt die anodische Polarisation bzw. der dadurch induzierte anodische Auflösungsprozess zu einer aktivierten Oberfläche für die nachfolgende Metallabscheidung. Insbesondere zeigt die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Oberfläche strukturelle Ähnlichkeit oder strukturelle Identität zu den im nachfolgenden Abscheidungsprozess auf der Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks abgeschiedenen Metallaggregaten auf (Epitaxie bzw. Syntaxie). Ferner kann aufgrund der Tatsache, dass das flächige Metallwerkstück während der gesamten elektrolytischen Behandlung vollständig von der Behandlungsflüssigkeit bedeckt ist, weitgehend vermieden werden, dass der definierte Aktivierungszustand der Oberfläche aufgrund des Kontakts mit der Umgebungsatmosphäre verloren geht. Durch die darauffolgende kathodische Polarisation wird ein kathodischer Abscheidungsprozess induziert, bei dem ein Metall oder eine Metalllegierung (d. h. mehrere verschiedene Metalle) auf der Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks abgeschieden wird.Furthermore, the anodic polarization or the anodic dissolution process induced thereby leads to an activated surface for the subsequent metal deposition. In particular, the surface obtained by the method according to the invention exhibits structural similarity or structural identity to the metal aggregates deposited on the surface of the flat metal workpiece in the subsequent deposition process (epitaxy or syntaxie). Furthermore, due to the fact that the flat metal workpiece is completely covered by the treatment liquid during the entire electrolytic treatment, it can largely be avoided that the defined activation state of the surface is lost due to the contact with the ambient atmosphere. Subsequent cathodic polarization induces a cathodic deposition process in which a metal or metal alloy (i.e., several different metals) is deposited on the surface of the sheet metal workpiece.

Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete flächige Metallwerkstück ist vorzugsweise ein Metallwerkstück mit einer Dicke, die mindestens 100-fach, bevorzugter mindestens 1000-fach und besonders bevorzugt mindestens 10000-fach geringer ist als die Länge und/oder Breite des Metallwerkstücks. Folglich ist mit dem Begriff "Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks" in aller Regel die durch die Länge und Breite definierte Fläche, nicht die durch die Dicke und Breite bzw. Dicke und Länge definierte Fläche gemeint. Vorzugsweise ist das flächige Metallwerkstück ein Metallband oder eine Metallfolie. Unter dem Begriff "Metallband" wird hierin ein flächiges Metallwerkstück mit gegebener Breite und einer Dicke von 100 µm bis 1 mm bezeichnet. Der Begriff "Metallfolie" bezeichnet ein flächiges Metallwerkstück mit gegebener Breite und einer Dicke von 100 µm oder weniger, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 10 µm bis weniger als 100 µm.The flat metal workpiece used in the present invention is preferably a metal workpiece having a thickness which is at least 100 times, more preferably at least 1000 times, and particularly preferably at least 10000 times smaller than the length and / or width of the metal workpiece. Consequently, the term "surface of the sheet metal workpiece" as a rule meant the area defined by the length and width, not the area defined by the thickness and width or thickness and length. Preferably, the sheet metal workpiece is a metal strip or a metal foil. The term "metal strip" herein refers to a sheet metal workpiece having a given width and a thickness of 100 μm to 1 mm. The term "metal foil" refers to a sheet metal workpiece having a given width and a thickness of 100 μm or less, preferably having a thickness in the range of 10 μm to less than 100 μm.

Das flächige Metallwerkstück besteht in der Regel vollständig aus einem einzelnen Metall, insbesondere aus Kupfer, Zinn, Silber oder Eisen. Es kann jedoch auch aus einer Metalllegierung, beispielsweise aus mindestens zwei der genannten Metalle, vorzugsweise aus einer Kupferknetlegierung, Eisenlegierung, Silberlegierung und Zinnlegierung, bestehen. Auch ein flächiges Metallwerkstück aus Stahl kann verwendet werden. Besonders bevorzugt ist das flächige Metallwerkstück eine Kupferfolie, ein Kupferband, eine Silberfolie, ein Silberband, eine verzinnte Folie oder ein verzinntes Band, insbesondere eine verzinnte Kupferfolie oder ein verzinntes Kupferband.The flat metal workpiece is usually made entirely of a single metal, in particular copper, tin, silver or iron. However, it can also consist of a metal alloy, for example of at least two of the metals mentioned, preferably of a copper wrought alloy, iron alloy, silver alloy and tin alloy. Also, a flat metal workpiece made of steel can be used. The flat metal workpiece is particularly preferably a copper foil, a copper band, a silver foil, a silver band, a tinned foil or a tinned band, in particular a tinned copper foil or a tinned copper band.

Ferner kann das flächige Metallwerkstück auch aus zwei oder mehreren Schichten aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen, wobei die Schichten gleich oder unterschiedlich sein können. Ferner kann das flächige Metallwerkstück so ausgebildet sein, dass mindestens eine und vorzugsweise beide Oberflächen des flächigen Metallwerkstücks aus einem Metall bzw. einer Metalllegierung bestehen und der übrige Anteil des flächigen Metallwerkstücks ein beliebiges Material sein kann, sofern dieses zur Anwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist.Furthermore, the flat metal workpiece may also consist of two or more layers of a metal or a metal alloy, wherein the layers may be the same or different. Furthermore, the flat metal workpiece may be formed so that at least one and preferably both surfaces of the sheet metal workpiece consist of a metal or a metal alloy and the remaining portion of the sheet metal workpiece may be any material, if this is suitable for use in the inventive method ,

Vor der Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das flächige Metallwerkstück üblicherweise vorbehandelt. Entsprechende Vorbehandlungsverfahren sind im Stand der Technik bekannt und umfassen beispielsweise Entfetten, Spülen mit Wasser, wässrigen Tensidlösungen oder Lösungsmitteln, und Dekapierung mit Schwefelsäure.Before use in the method according to the invention, the flat metal workpiece is usually pretreated. Corresponding pretreatment processes are known in the art and include, for example, degreasing, rinsing with water, aqueous surfactant solutions or solvents, and pickling with sulfuric acid.

Das flächige Metallwerkstück wird während der Elektrolyse vorzugsweise durch die Behandlungsflüssigkeit und vorbei an der wenigstens einen Kathode und der wenigstens einen Anode geführt. Dies erfolgt in einer Art und Weise, dass es zur beschriebenen anodischen Polarisation und kathodischen Polarisation und dem dadurch induzierten anodischen Auflösungsprozess und kathodischen Abscheidungsprozess kommt. Im Falle von Endlosmetallfolien oder -bändern werden diese üblicherweise unter Verwendung von Führungselementen (z. B. Umlenkrollen) durch die Behandlungsflüssigkeit geführt. Falls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Foliendurchlaufanlage benützt wird, können auch mehrere Elektrolysebäder (Elektrolysezellen) hintereinander geschaltet sein.The sheet metal workpiece is preferably passed through the treatment liquid and past the at least one cathode and the at least one anode during the electrolysis. This is done in a manner that results in the described anodic polarization and cathodic polarization and the induced anodic dissolution process and cathodic deposition process. In the case of endless metal foils or strips, they are usually passed through the treatment liquid using guide elements (eg deflection rollers). If a film conveyor system is used to carry out the process according to the invention, several electrolysis baths (electrolysis cells) can also be connected in series.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind vielerlei Anordnungen der wenigstens einen Kathode und der wenigstens einen Anode denkbar. Beispielsweise können 1, 2, 3, 4 oder mehr Kathoden und 1, 2, 3, 4 oder mehr Anoden pro Elektrolysezelle bzw. Elektrolytbad verwendet werden. Diese können unterschiedlich angeordnet sein (z.B. alternierend Kathode und Anode, zunächst alle Kathoden und dann alle Anoden, mehrere Kathoden im Wechsel mit mehreren Anoden, Kathoden und Anoden nur auf einer Seite des flächigen Metallwerkstücks oder auf beiden Seiten angeordnet, etc.).In the context of the present invention, many arrangements of the at least one cathode and the at least one anode are conceivable. For example, 1, 2, 3, 4 or more cathodes and 1, 2, 3, 4 or more anodes per electrolysis cell or electrolyte bath can be used. These may be arranged differently (e.g., cathode and anode alternately, first all cathodes and then all anodes, multiple cathodes alternating with multiple anodes, cathodes and anodes disposed only on one side of the sheet metal workpiece or on both sides, etc.).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden vorzugsweise wenigstens ein Kathodenpaar und wenigstens ein Anodenpaar eingesetzt. Die beiden Kathoden des Kathodenpaars und die beiden Anoden des Anodenpaars sind auf gegenüberliegenden Seiten des flächigen Metallwerkstücks angeordnet, so dass sich das flächige Metallwerkstück zwischen den beiden Anoden bzw. zwischen den beiden Kathoden befindet. Es kommt folglich auf beiden Seiten des flächigen Metallwerkstücks zu einer anodischen bzw. kathodischen Polarisation. Eine solche Konfiguration erlaubt die zweiseitige Modifizierung des flächigen Metallwerkstücks mit abgeschiedenen Metallaggregaten. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das flächige Metallwerkstück zunächst von zwei Kathoden, die auf derselben Seite des flächigen Metallwerkstücks angeordnet sind, anodisch polarisiert und dann von zwei Anoden, die beide auf derselben Seite des flächigen Metallwerkstücks angeordnet sind wie die Kathoden, kathodisch polarisiert. Je Substratseite (Elektrodenpaar) ist ein separater Gleichrichter notwendig.According to a preferred embodiment, preferably at least one Cathode pair and at least one anode pair used. The two cathodes of the cathode pair and the two anodes of the anode pair are arranged on opposite sides of the flat metal workpiece, so that the flat metal workpiece is located between the two anodes or between the two cathodes. Consequently, anodic or cathodic polarization occurs on both sides of the flat metal workpiece. Such a configuration allows the two-sided modification of the flat metal workpiece with deposited metal aggregates. According to another preferred embodiment, the sheet metal workpiece is first anodically polarized by two cathodes disposed on the same side of the sheet metal workpiece and then cathodically polarized by two anodes both located on the same side of the sheet metal workpiece as the cathodes. Each substrate side (electrode pair) requires a separate rectifier.

Üblicherweise wird die wenigstens eine Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks zunächst durch die wenigstens eine Kathode anodisch polarisiert und dann durch die wenigstens eine Anode kathodisch polarisiert. Es ist jedoch auch vorgesehen, dass der Zyklus "anodische Polarisation/kathodische Polarisation" mehrmals durchlaufen wird. Des Weiteren kann das flächige Metallwerkstück in beliebiger Reihenfolge ein oder mehrmals anodisch und ein oder mehrmals kathodisch polarisiert werden, wobei typischerweise zunächst der anodische Auflösungsprozess überwiegt und dann der kathodische Abscheidungsprozess überwiegt. Dabei kann eine Phase mit dominierendem Auflösungsprozess durch eine kurze Phase mit dem Abscheidungsprozess unterbrochen sein (dominierender Auflösungsprozess, unterbrochen durch Abscheidungsprozess) und umgekehrt (dominierender Abscheidungsprozess, unterbrochen durch Auflösungsprozess). Die eine oder mehrfache anodische Polarisation und die eine oder mehrfache kathodische Polarisation kann, wie oben bereits erwähnt, durch Verwendung einer entsprechenden Anzahl räumlich getrennter Anoden bzw. Kathoden erreicht werden. Es ist jedoch auch möglich, Elektroden einzusetzen, die wahlweise positiv oder negativ geschaltet (kontaktiert) werden und folglich sowohl als Kathode wie auch als Anode fungieren.Usually, the at least one surface of the flat metal workpiece is first anodically polarized by the at least one cathode and then cathodically polarized by the at least one anode. However, it is also envisaged that the cycle "anodic polarization / cathodic polarization" will be run through several times. Furthermore, the flat metal workpiece can be polarized one or more times anodically and one or more times cathodically in any desired sequence, with the anodic dissolution process typically predominating first and then outweighing the cathodic deposition process. In this case, a phase with dominant dissolution process can be interrupted by a short phase with the deposition process (dominant dissolution process, interrupted by deposition process) and vice versa (dominant deposition process, interrupted by dissolution process). The one or more anodic polarization and the one or more cathodic polarization can, as already mentioned above, be achieved by using a corresponding number of spatially separated anodes or cathodes. However, it is also possible to use electrodes which are selectively switched to positive or negative (contacted) and thus function both as a cathode and as an anode.

Die Kathoden und Anoden werden mit Gleichstrom oder einem gepulsten Strom, üblicherweise einem gepulsten Gleichstrom, betrieben. Hierzu können Gleichrichter verwendet werden. Falls die Anzahl der Elektroden zwei übersteigt (d.h. mehr als eine Kathode und/oder mehr als eine Anode) werden die zusätzlichen Elektroden vorzugsweise durch einen zusätzlichen Gleichrichter bedient. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, dass in mindestens einem Arbeitsbereich (kathodisch, anodisch) jede Elektrode durch einen anderen Gleichrichter versorgt wird, während in einem anderen Arbeitsbereich mehrere Gleichrichter auf eine Elektrode aufgeschaltet werden können.The cathodes and anodes are operated with direct current or a pulsed current, usually a pulsed direct current. For this purpose, rectifiers can be used. If the number of electrodes exceeds two (ie more than one Cathode and / or more than one anode), the additional electrodes are preferably operated by an additional rectifier. In the context of the present invention, it is also possible that in at least one working area (cathodic, anodic) each electrode is supplied by a different rectifier, while in another working area a plurality of rectifiers can be connected to one electrode.

Als Anoden können in dem erfindungsgemäßen Verfahren unlösliche oder lösliche Anoden verwendet werden. Die unlöslichen Anoden bestehen typischerweise aus einem inerten Material (bzw. deren Oxiden), wie beispielsweise Blei, Graphit, Titan, Platin und/oder Iridium (und/oder deren Oxiden). Bevorzugte unlösliche Anoden sind aus Titan beschichtet mit Platin oder Iridium und/oder Ruthenium (und/oder deren Oxiden). Besonders bevorzugt ist eine mit Iridium oder Iridiumoxid beschichtete Titananode. Die löslichen Anoden bestehen demgegenüber aus dem zu beschichtenden Metall oder der zu beschichtenden Metalllegierungen. Beispiele für geeignete lösliche Anoden sind Anoden aus Kupfer oder Zinn.As anodes, insoluble or soluble anodes can be used in the process according to the invention. The insoluble anodes typically consist of an inert material (or oxides thereof) such as lead, graphite, titanium, platinum and / or iridium (and / or their oxides). Preferred insoluble anodes are titanium coated with platinum or iridium and / or ruthenium (and / or their oxides). Particularly preferred is an iridium or iridium oxide coated titanium anode. In contrast, the soluble anodes consist of the metal to be coated or the metal alloys to be coated. Examples of suitable soluble anodes are anodes of copper or tin.

Geeignete Kathoden können aus demselben Material wie das Material der Anoden bestehen. Als Kathode kann beispielsweise eine Kupferkathode verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden sowohl als Anode wie auch als Kathode Kupferelektroden verwendet.Suitable cathodes may be made of the same material as the material of the anodes. As a cathode, for example, a copper cathode can be used. In a preferred embodiment, copper electrodes are used both as the anode and as the cathode.

Die Arbeitstemperatur der Behandlungsflüssigkeit, nachfolgend auch als Elektrolyt bezeichnet, liegt vorzugsweise zwischen 10 °C und 60 °C, besonders bevorzugt zwischen 20 °C und 50 °C. Um die Behandlungsflüssigkeit in diesem Temperaturbereich zu halten, kann diese kontinuierlich gekühlt oder erwärmt werden.The working temperature of the treatment liquid, hereinafter also referred to as electrolyte, is preferably between 10 ° C and 60 ° C, more preferably between 20 ° C and 50 ° C. In order to keep the treatment liquid in this temperature range, it can be continuously cooled or heated.

Die notwendige Umwälzung der Behandlungsflüssigkeit hängt von der genutzten Stromdichte in der elektrolytischen Abscheidung ab. Die Umwälzung ist notwendig, um die Dicke der elektrischen Doppelschicht auf ein ausreichendes Minimum zu reduzieren. Die Umwälzung im Elektrodenraum kann beispielsweise durch Anbringen einer oder mehrerer Pumpen gewährleistet werden. Die Umwälzung dient vor allem dazu, die Funktionstüchtigkeit der Elektroden zu erhalten und Salzflecke auf der zu behandelnden Folie zu vermeiden. Die durch die Sulfatometallate bereits in stromloser Ruhe eintretenden Stapeleffekte führen zu einer extremen Primärspannung, um den elektrolytischen Prozess überhaupt in Gang setzen zu können. Diese Primärspannung kann durch die gezielte Steigerung der Umwälzung an den Elektrodenoberflächen und am Behandlungsgut in Verbindung mit einem wohlgewählten zeitlichen Gradienten der Stromdichteerhöhung so stark abgesenkt werden, dass diese Elektrolyten einer technischen Nutzung zugänglich sind. Die notwendige Umwälzung und der Stromdichtegradient hängen direkt vom genutzten SE/Cu-Verhältnis und vom realen SE-Ion im Sulfatelektrolyten ab. Die höchste Sensibilität und damit die bestmögliche Prozessjustierung liefern Lanthan(III)-Ionen.The necessary circulation of the treatment liquid depends on the current density used in the electrodeposition. The circulation is necessary to reduce the thickness of the electric double layer to a sufficient minimum. The circulation in the electrode chamber can be ensured for example by attaching one or more pumps. The circulation serves primarily to maintain the functionality of the electrodes and to avoid salt spots on the film to be treated. The stacking effects which occur due to the sulphatometallates already in electroless rest lead to an extreme primary stress in order to prevent the electrolytic process to start at all. This primary voltage can be lowered so much by the targeted increase in the circulation of the electrode surfaces and the treated material in conjunction with a well-chosen temporal gradient of Stromdichteerhöhung so that these electrolytes are a technical use accessible. The necessary circulation and the current density gradient depend directly on the SE / Cu ratio used and on the real SE ion in the sulfate electrolyte. The highest sensitivity and thus the best possible process adjustment provide lanthanum (III) ions.

Die folgenden, in Tabelle 3 angegebenen Daten der Umwälzung beziehen sich auf ein Elektrolytvolumen im Behandlungsraum von 50 Litern, einer Elektroden-Folien-Distanz von 20 - 30 mm und einer Breite und Höhe des Polarisationsraumes von 240 mm (H) bzw. 300 mm (B). Zusätzlich zu der gezielten Umwälzung liefert die Zirkulation über den Filtrationsbypass 1,2 l/min. Tabelle 3. Abhängigkeit der Umwälzung und des Stromdichtegradienten vom La/Cu-Stoffmengenverhältnis und vom Stromdichtegradienten Elektrolyt La/Cu-Verhältnis Umwälzung in L/min Stromdichtegradient A/dm2s Pulsform b) Stromdichte im Prozess A/dm2 Elektrolyt 1 0,032 1,2 0,66 10001 3,3 Elektrolyt 1 0,032 40 a) 2,25 10997 22,5 Elektrolyt 2 0,064 40 1,13 10997 22,5 Elektrolyt 3 0,127 40 0,38 10997 22,5 a) 40 l/min entspricht einer Strömung auf den Oberflächen des Elektrodenraumes von ca. 2,65 l/(min*dm2)
b) Die Pulsformen/-raten 10001 = 50 mS 1, 50mS = 0; leff = ½ l(1) 10997 = 50ms 1, 50ms 5, 50ms 1, 50ms 7 = 1 Cyclus; leff= 3,5 l(1)
The following circulation data given in Table 3 relate to an electrolyte volume in the treatment space of 50 liters, an electrode-foil distance of 20-30 mm and a width and height of the polarization space of 240 mm (H) and 300 mm ( B). In addition to the targeted circulation, the circulation via the filtration bypass delivers 1.2 l / min. <b> Table 3. </ b> Dependence of circulation and current density gradient on La / Cu molar ratio and current density gradient electrolyte La / Cu ratio Circulation in l / min Current density gradient A / dm 2 s Pulse shape b) Current density in process A / dm 2 Electrolyte 1 0.032 1.2 0.66 10001 3.3 Electrolyte 1 0.032 40 a) 2.25 10997 22.5 Electrolyte 2 0.064 40 1.13 10997 22.5 Electrolyte 3 0,127 40 0.38 10997 22.5 a) 40 l / min corresponds to a flow on the surfaces of the electrode chamber of approx. 2.65 l / (min * dm 2 )
b) The pulse shapes / rates 10001 = 50 mS 1, 50mS = 0; leff = ½ l (1) 10997 = 50ms 1, 50ms 5, 50ms 1, 50ms 7 = 1 cycle; leff = 3.5 l (1)

Vorzugsweise ist wenigstens eine Kathode und/oder wenigstens eine Anode der Vorrichtung als Strömungselektrode ausgestaltet, die ein Elektrodengehäuse mit einem Metallgitter umfasst, durch das die Behandlungsflüssigkeit in das Gehäuse eintreten kann. Das Elektrodengehäuse ist zumindest teilweise mit Metallkugeln gefüllt, die untereinander und mit dem Metallgitter in Kontakt stehen. Das Elektrodengehäuse umfasst ferner eine Elektrolytzuführung zum Einleiten eines Elektrolyten und eine Strömungsöffnung, aus welcher der Elektrolyt, der von der Elektrolytzuführung zwischen den Metallkugeln hindurch zur Strömungsöffnung geströmt ist, austritt. Die Strömungsöffnung ist so angeordnet, dass eine ausreichende Beströmung der Arbeitszone, d.h. des Raumes zwischen Elektrode und flächigem Metallwerkstück, erfolgt. Hierzu ist die Strömungsöffnung üblicherweise so angeordnet, dass der austretende Elektrolyt an dem Metallgitter vorbei strömt. Vorzugsweise erfolgt das Vorbeiströmen im Wesentlichen parallel zu dem Metallgitter.Preferably, at least one cathode and / or at least one anode of the device is designed as a flow electrode, which comprises an electrode housing with a metal grid, through which the treatment liquid can enter the housing. The electrode housing is at least partially filled with metal balls, which are in contact with each other and with the metal grid. The electrode housing further includes an electrolyte supply for introducing an electrolyte and a flow opening from which the electrolyte that has flowed from the electrolyte supply between the metal balls to the flow opening exits. The flow opening is arranged so that sufficient flow of the working zone, i. of the space between the electrode and the sheet metal workpiece. For this purpose, the flow opening is usually arranged so that the exiting electrolyte flows past the metal grid. Preferably, the flow past substantially parallel to the metal grid.

Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelte flächige Metallwerkstück wird üblicherweise einer Nachbehandlung unterzogen. Solche Nachbehandlungsverfahren sind im Stand der Technik bekannt und umfassen beispielsweise Spülen mit Wasser oder Lösungsmitteln, Passivierung, beispielsweise mit einer Chrom(VI) enthaltenden Lösung, und Trocknen.The flat metal workpiece treated with the method according to the invention is usually subjected to an aftertreatment. Such aftertreatment processes are known in the art and include, for example, rinsing with water or solvents, passivation, for example, with a solution containing chromium (VI), and drying.

Als Beispiel für eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei eine Vorrichtung genannt, die wenigstens ein Behältnis zur Aufnahme einer Behandlungsflüssigkeit, wenigstens eine in dem Behältnis angeordnete Kathode und wenigstens eine in dem Behältnis angeordnete Anode umfasst, wobei die wenigstens eine Kathode und die wenigstens eine Anode mit einer Stromquelle verbunden sind und wobei das flächige Metallwerkstück nicht mit einer Stromquelle verbunden ist.An example of a device for carrying out the method according to the invention is a device which has at least one container for receiving a treatment liquid, at least one cathode arranged in the container and at least one arranged in the container anode, wherein the at least one cathode and the at least one anode are connected to a power source and wherein the flat metal workpiece is not connected to a power source.

Üblicherweise umfasst das Elektrodengehäuse zudem einen Deckel, um ein Herausfallen der Metallkugeln zu verhindern und eine definierte Durchströmung der Strömungselektrode mit Elektrolyt sicherzustellen. Der Deckel kann beispielsweise mit Rändelschrauben lösbar mit dem Elektrodengehäuse verbunden sein und ferner Kontakte zum Anschließen an eine Stromquelle umfassen. Im Betrieb wird die Strömungselektrode anodisch bzw. kathodisch an eine Stromquelle angeschlossen, wobei üblicherweise das Metallgitter anodisch bzw. kathodisch kontaktiert wird.Usually, the electrode housing also includes a lid to prevent falling out of the metal balls and ensure a defined flow through the flow electrode with electrolyte. For example, the lid may be releasably connected to the electrode housing with thumbscrews and may further include contacts for connection to a power source. In operation, the flow electrode is connected anodically or cathodically to a current source, wherein usually the metal grid is contacted anodically or cathodically.

Der Elektrolyt, der durch die Metallkugeln hindurchgeströmt ist, wird vorzugsweise in einem Elektrolytkanal gesammelt und dann der Strömungsöffnung zugeführt. Der Elektrolytkanal und die Strömungsöffnung befinden sich vorzugsweise im Boden des Elektrodengehäuses. Die Strömungsöffnung ist vorzugsweise als Strömungslippe ausgestaltet, die sich bevorzugt über die ganze Länge des Metallgitters im Boden des Elektrodengehäuses erstreckt. Falls ein vor dem Metallgitter angeordnetes Filtervlies als Anodensack verwendet wird, ist die Strömungsöffnung so angeordnet, dass der Elektrolyt vor dem Filtervlies austritt und, im Wesentlichen laminar, an diesem entlang strömt.The electrolyte which has passed through the metal balls is preferably collected in an electrolyte channel and then supplied to the flow port. The electrolyte channel and the flow opening are preferably located in the bottom of the electrode housing. The flow opening is preferably designed as a flow lip, which preferably extends over the entire length of the metal grid in the bottom of the electrode housing. If a filter fleece arranged in front of the metal grid is used as anode bag, the flow opening is arranged such that the electrolyte emerges in front of the filter fleece and flows along it, substantially laminar.

Das Elektrodengehäuse kann beispielsweise aus einem Kunststoff, wie Polypropylen, bestehen. Die Metallkugeln können aus den oben für die Anode und Kathode genannten Metallen bestehen. Vorzugsweise ist wenigstens eine Anode in Form der oben beschriebenen Strömungselektrode ausgestaltet. Im Falle der Anode bestehen die Metallkugeln vorzugsweise aus dem Metall oder den Metallen, das bzw. die auf dem flächigen Metallwerkstück abgeschieden werden sollen. Vorzugsweise sind die Metallkugeln Kupferkugeln. Das Metallgitter ist vorzugsweise ein Streckmetallgitter (Streckmetall-Blendfläche), insbesondere ein Titanstreckmetall.The electrode housing may for example consist of a plastic, such as polypropylene. The metal balls may consist of the metals mentioned above for the anode and cathode. Preferably, at least one anode is designed in the form of the flow electrode described above. In the case of the anode, the metal balls are preferably made of the metal or metals to be deposited on the sheet metal workpiece. Preferably, the metal balls are copper balls. The metal grid is preferably an expanded metal grid (expanded metal blend surface), in particular a titanium expanded metal.

Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Auflöse-/Abscheidezelle 30 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbehandlung eines flächigen Metallwerkstücks 32, in diesem Fall einer Metallfolie. Die Auflöse-/Abscheidezelle 30 hat ein trogartiges, nach oben offenes Behältnis 31, in dem sich eine Behandlungsflüssigkeit 36 befindet. Die Auflöse-/Abscheidezelle 30 weist ferner eine erste, zweite und dritte Umlenkrolle 34a, 34b und 34c sowie eine erste Arbeitselektrode, die aus zwei parallel angeordneten Kathoden 40a und 40b besteht, und eine zweite Arbeitselektrode, die aus zwei parallel angeordneten Anoden 44a und 44b besteht, auf. Die Kathoden 40a und 40b und die Anoden 44a und 44b sind an eine Stromquelle 45 angeschlossen. Die erste und dritte Umlenkrolle 34a, 34c sind oberhalb des Behältnisses 31 außerhalb der Behandlungsflüssigkeit 36 und über den ersten und zweiten Arbeitselektroden angeordnet, während sich die zweite Umlenkrolle am Boden des Behältnisses 31 innerhalb der Behandlungsflüssigkeit und unterhalb der Arbeitselektroden befindet. Des Weiteren weist die Auflöse-/Abscheidezelle 30 ein Trennelement 48 zur Reduzierung von Blindströmen auf. FIG. 1 schematically shows an embodiment of a dissolving / deposition cell 30 for carrying out the method according to the invention for the surface treatment of a flat metal workpiece 32, in this case a metal foil. The dissolving / separating cell 30 has a trough-like, upwardly open container 31, in which a treatment liquid 36 is located. The dissolution / separation cell 30 also has a first, second and third diverting rollers 34a, 34b and 34c and a first working electrode consisting of two parallel cathodes 40a and 40b and a second working electrode consisting of two parallel arranged anodes 44a and 44b. The cathodes 40 a and 40 b and the anodes 44 a and 44 b are connected to a current source 45. The first and third deflection rollers 34a, 34c are arranged above the container 31 outside the treatment liquid 36 and above the first and second working electrodes, while the second deflection roller is located at the bottom of the container 31 within the treatment liquid and below the working electrodes. Furthermore, the dissolution / deposition cell 30 has a separator 48 for reducing reactive currents.

Das flächige Metallwerkstück 32 läuft über die erste Umlenkrolle 34a in die Behandlungsflüssigkeit 36 ein und zwischen den beiden Kathoden 40a, 40b hindurch, so dass sich diese auf jeweils einer der beiden Seiten des durchlaufenden flächigen Metallwerkstücks 32 befinden. Weder das flächige Metallwerkstück 32 noch die erste Umlenkrolle 34a ist an eine Stromquelle angeschlossen. Der sich zwischen den beiden Kathoden 40a, 40b befindliche Bereich 38a des flächigen Metallwerkstück 32 wird durch die beiden Kathoden 40a, 40b positiv (anodisch) polarisiert. Die beiden Kathoden 40a, 40b definieren einen Auflösungsbereich 42. In dem vergrößert und schematisch dargestellten Ausschnitt des Auflösungsbereichs 42 werden auf der Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks 32 vorliegende Verunreinigungen und gegebenenfalls vorkommende Fremdmetalle und/oder bestimmte (z.B. unebene) Metallstrukturen weitgehend beseitigt. Als Ergebnis wird eine verunreinigungsfreie, homogene und definierte Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks 32 erhalten, die sich in dem nachfolgenden Abscheidungsschritt zur Erzielung von definierten Metallstrukturen eignet.The flat metal workpiece 32 enters the treatment liquid 36 via the first deflection roller 34a and passes between the two cathodes 40a, 40b so that they are located on one of the two sides of the continuous flat metal workpiece 32. Neither the flat metal workpiece 32 nor the first deflection roller 34a is connected to a power source. The region 38a of the flat metal workpiece 32 located between the two cathodes 40a, 40b is positively (anodically) polarized by the two cathodes 40a, 40b. The two cathodes 40a, 40b define a resolution region 42. In the enlarged and schematically illustrated section of the dissolution region 42, impurities present on the surface of the sheet metal workpiece 32 and any foreign metals present and / or certain (eg uneven) metal structures are largely eliminated. As a result, a contaminant-free, homogeneous and defined surface of the sheet metal workpiece 32 is obtained, which is suitable for obtaining defined metal structures in the subsequent deposition step.

Nach Durchlaufen der Kathoden 40a, 40b, d.h. des Auflösungsbereichs 42, wird das flächige Metallwerkstück 32 über die ebenfalls nicht an eine Stromquelle angeschlossene zweite Umlenkrolle 34b zwischen den beiden Anoden 44a, 44b hindurchgeführt, die sich jeweils auf einer der beiden Seiten des flächigen Metallwerkstücks 32 befinden und die zweite Arbeitselektrode bilden. Durch die beiden Anoden 44a, 44b wird ein Bereich 38b des flächigen Metallwerkstücks 32 negativ (kathodisch) polarisiert. Die beiden Anoden definieren einen Abscheidungsbereich 46. In dem vergrößert und schematisch dargestellten Ausschnitt des Abscheidungsbereichs 46 wandern die positiv geladenen Metallionen der Behandlungsflüssigkeit 36 zur negativ polarisierten Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks 32 und scheiden sich in definierter Weise auf der Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks 32 ab. Nach Durchlauf des Abscheidungsbereichs 46 läuft das flächige Metallwerkstück 32 aus der Behandlungsflüssigkeit 36 heraus und über die nicht an eine Stromquelle angeschlossene dritte Umlenkrolle 34c.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein flächiges Metallwerkstück, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Es wurde überraschend gefunden, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildung von Kupferaggregaten auf der Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks führt, wobei diese Metallaggregate die Form von mit stehenden Lamellen besetzten Kugeln besitzen. Dadurch unterscheiden sie sich von den stängeligen Dendriten, wie sie mit den üblichen Verfahren des Stands der Technik erhalten werden.
Figur 2 zeigt eine Dunkelfeldaufnahme (Nikon Eclipse ME600 Auflichtmikroskop mit Dunkelfeldeinheit, Kamera Leica DFC290, Objektive 100x; 50x; 20x; 10x; 5x; Software Leica Application Suite 2.6.0 R1; Vergrößerung 500-fach) einer Kupferfolienoberfläche, die gemäß dem Verfahren der Erfindung durch Abscheidung von La/Cu aus schwefelsaurem Elektrolyten mit einer La-Konzentration von 14,0 g/l, einer Cu-Konzentration von 50,3 g/l und einem [La]:[Cu]-Stoffmengenverhältnis von 0,127 (Elektrolyt 3) in der nachstehend beschriebenen Foliendurchlaufanlage modifiziert wurde.
Bei dieser Vergrößerung sind die kugelförmigen Metallaggregate auf der Kupferfolienoberfläche deutlich erkennbar.
Figur 3 zeigt eine REM-Aufnahme einer elektrolytisch mit schwefelsaurem Neodym-Kupfer-Elektrolyten mit einem Nd:Cu-Stoffmengenverhältnis von 0,032 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Kupferfolienoberfläche in 10000-facher Vergrößerung. Die Aufnahme gibt einen Ausschnitt eines kugelförmigen Metallaggregats auf der Kupferfolienoberfläche wieder und macht dessen Lamellenstruktur sichtbar.
Figur 4 zeigt eine Dunkelfeldaufnahme (Nikon Eclipse ME600 Auflichtmikroskop mit Dunkelfeldeinheit, Kamera Leica DFC290, Objektive 100x; 50x; 20x; 10x; 5x; Software Leica Application Suite 2.6.0 R1; Vergrößerung 500-fach) einer Kupferfolienoberfläche, die gemäß dem Verfahren der Erfindung jedoch durch Abscheidung von Cu aus schwefelsaurem Elektrolyten mit einer Cu-Konzentration von 7,0 g/l (Elektrolyt) in der nachstehend beschriebenen Foliendurchlaufanlage modifiziert wurde. Bei dieser Vergrößerung sind die stängeligen Metallaggregate auf der Kupferfolienoberfläche deutlich erkennbar.
After passing through the cathodes 40a, 40b, ie the dissolution region 42, the flat metal workpiece 32 is passed via the second deflection roller 34b, which is likewise not connected to a power source, between the two anodes 44a, 44b, which are each on one of the two sides of the flat metal workpiece 32 and form the second working electrode. Through the two anodes 44a, 44b, a region 38b of the flat metal workpiece 32 is negatively (cathodically) polarized. The two anodes define a deposition region 46. In the enlarged and schematically illustrated section of the deposition region 46, the positively charged metal ions of the treatment liquid 36 migrate to the negatively polarized surface of the deposition liquid flat metal workpiece 32 and divorced in a defined manner on the surface of the flat metal workpiece 32. After passing through the deposition region 46, the sheet metal workpiece 32 runs out of the treatment liquid 36 and over the third deflection roller 34c, which is not connected to a power source.
Another object of the present invention is a flat metal workpiece, which was produced by the method according to the invention. It has surprisingly been found that the method according to the invention results in the formation of copper aggregates on the surface of the flat metal workpiece, these metal aggregates being in the form of balls set with standing lamellae. This distinguishes them from the columnar dendrites obtained by the conventional methods of the prior art.
FIG. 2 shows a dark field image (Nikon Eclipse ME600 reflected light microscope with dark field unit, camera Leica DFC290, objectives 100x, 50x, 20x, 10x, 5x, software Leica Application Suite 2.6.0 R1, magnification 500 times) a copper foil surface, which according to the method of the invention by Deposition of La / Cu from sulfuric acid electrolyte with a La concentration of 14.0 g / l, a Cu concentration of 50.3 g / l and a [La]: [Cu] molar ratio of 0.127 (electrolyte 3) in the following film conveyor system has been modified.
At this magnification, the spherical metal aggregates are clearly visible on the copper foil surface.
FIG. 3 shows a SEM micrograph of an electrolytic with sulfuric acid neodymium-copper electrolyte having a Nd: Cu molar ratio of 0.032 according to the inventive process treated copper foil surface in 10000-fold magnification. The image reproduces a section of a spherical metal aggregate on the copper foil surface and makes visible its lamellar structure.
FIG. 4 12 shows a dark field image (Nikon Eclipse ME600 reflected light microscope with dark field unit, Leica DFC290 camera, objectives 100x, 50x, 20x, 10x, 5x, software Leica Application Suite 2.6.0 R1, magnification 500x) of a copper foil surface prepared according to the method of the invention by deposition of Cu from sulfuric acid electrolyte with a Cu concentration of 7.0 g / l (electrolyte) was modified in the film flow system described below. At this Magnification, the stalked metal aggregates on the copper foil surface clearly visible.

Die Rauheit der Metalloberfläche erhöht sich durch die Abscheidung der Metallaggregate in geringem Maße. Beispielsweise liegen nach der Abscheidung der Metallaggregate auf einer Kupferfolie die mittleren Rauheitswerte Ra und Rz, bestimmt gemäß DIN EN ISO 4288:1998, vorzugsweise im Bereich von 0,22 bis 0,32 µm und insbesondere im Bereich von 0,24 bis 0,28 µm für Ra sowie vorzugsweise im Bereich von 1,4 bis 2,1 µm und insbesondere im Bereich von 1,6 bis 1,9 µm für Rz. Demgegenüber weist beispielsweise eine Kupferfolie vor der Abscheidung Rauheitswerte von etwa 0,20 µm für Ra und 1,3 µm für Rz auf.The roughness of the metal surface increases slightly due to the deposition of the metal aggregates. For example, after deposition of the metal aggregates on a copper foil, the mean roughness values Ra and Rz, determined in accordance with DIN EN ISO 4288: 1998, are preferably in the range from 0.22 to 0.32 μm and in particular in the range from 0.24 to 0.28 μm for Ra and preferably in the range of 1.4 to 2.1 μm and in particular in the range of 1.6 to 1.9 μm for Rz. On the other hand, for example, a copper foil before deposition has roughness values of about 0.20 μm for Ra and 1.3 μm for Rz.

Es wurde überraschend festgestellt, dass das Haftvermögen der Metalloberfläche, die durch das Abscheiden von Aggregaten in Form von mit stehenden Lamellen besetzten Kugeln auf eine Oberfläche eines flächigen Metallwerkstücks gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird, überraschend hoch ist. Das Haftvermögen, bestimmt gemäß dem unten beschriebenen 180°-Schältest unter Verwendung eines FR-4 Epoxidharzes und ausgedrückt als Schälfestigkeit in N/mm, liegt vorzugsweise bei oder über 1,5 N/mm. Bei einer Kupferfolie oder einem Kupferband betragen die Schälfestigkeiten vorzugsweise 1,5 bis 3,0 N/mm, insbesondere 1,8 bis 3,0 N/mm.It has surprisingly been found that the adhesion of the metal surface, which is obtained by the deposition of aggregates in the form of standing with lamellar balls on a surface of a flat metal workpiece according to the inventive method is surprisingly high. The adhesiveness, determined according to the 180 ° peel test described below using a FR-4 epoxy resin and expressed as peel strength in N / mm, is preferably at or above 1.5 N / mm. In a copper foil or a copper tape, the peel strengths are preferably 1.5 to 3.0 N / mm, more preferably 1.8 to 3.0 N / mm.

Die erfindungsgemäßen flächigen Metallwerkstücke können aufgrund ihres ausgezeichneten Haftvermögens als Substrat für die Bildung von festen Haftverbänden mit einer Vielzahl von Materialien verwendet werden. Insbesondere führen die Metallaggregate auf der Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks beim Verpressen oder Verwalzen (Walzplattieren) mit dem gleichen oder einem anderen Material, beim Lackieren mit oder ohne nachträglicher Härtung/Vernetzung oder beim Verkleben zu einem festen Haftverbund. Als Haftpartner für das erfindungsgemäße Metallwerkstück kommen eine Vielzahl von Materialien in Betracht, beispielsweise Thermoplaste, wie PA 66, PI und PET, Kunstharze (Epoxide), Klebstoffe, Lacke und Pasten, wie Graphitpasten.The sheet metal workpieces of the present invention, because of their excellent adhesiveness, can be used as a substrate for the formation of solid adhesives having a variety of materials. In particular, lead the metal aggregates on the surface of the sheet metal workpiece during pressing or rolling (roll cladding) with the same or a different material when painting with or without subsequent curing / crosslinking or bonding to a solid adhesive bond. Suitable adhesion partners for the metal workpiece according to the invention are a large number of materials, for example thermoplastics such as PA 66, PI and PET, synthetic resins (epoxies), adhesives, lacquers and pastes, such as graphite pastes.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch die Verwendung der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallwerkstücke als Substrat für die Bildung von festen Haftverbänden. Dabei können die erfindungsgemäßen flächigen Metallwerkstücke für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Beispielhaft können Laminate von Kupfer mit PET für die Abschirmung von Kabeln und Stecker- und Gerätegehäusen gegen elektromagnetische Störungen, insbesondere in der Signalübertragung, genannt werden. Weiterhin ist die Verwendung als elektrischer Leiter bei der Herstellung von MID (Moulded Interconnect Devices) Schaltungen anzuführen. Dies sind Schaltungen, die auf der Basis einer Heißprägung von metallischen Folien auf thermoplastischen Kunststoffsubstraten beruhen. Eine weitere Anwendung ist als Schichtträger für Elektrodenmaterial in der Batterietechnik. Insbesondere können die erfindungsgemäßen flächigen Metallwerkstücke auch bei der Herstellung von stabilen, in der Leiterplattentechnologie zur Herstellung von Kupferlaminaten benötigten Verbindungen verwendet werden. Speziell bei der Herstellung von Leiterplatten ist die Haftfestigkeit des metallischen Leiters auf dem Substrat (z.B. FR-4) von zentraler Bedeutung. Dies ist zum einen durch die in der Herstellung notwendigen Prozessschritte (Ätzen, Bohren, Verpressen) und zum anderen durch die Belastung der Leiterplatte in dem Endprodukt selbst bedingt.The present invention therefore also relates to the use of the metal workpieces produced according to the method of the invention as a substrate for the formation of solid adhesive dressings. In this case, the flat metal workpieces according to the invention can be used for a variety of applications. exemplary For example, laminates of copper with PET can be cited for shielding cables and plug and device housings against electromagnetic interference, particularly in signal transmission. Furthermore, the use as an electrical conductor in the production of MID (Molded Interconnect Devices) circuits should be mentioned. These are circuits based on hot stamping of metallic foils on thermoplastic substrates. Another application is as a substrate for electrode material in battery technology. In particular, the flat metal workpieces according to the invention can also be used in the production of stable compounds required in printed circuit board technology for the production of copper laminates. Especially in the production of printed circuit boards, the adhesive strength of the metallic conductor on the substrate (eg FR-4) is of central importance. This is due, on the one hand, to the process steps required in the production (etching, drilling, pressing) and, on the other hand, to the stress on the printed circuit board in the final product itself.

BEISPIELEEXAMPLES Materialienmaterials

Als Elektrolyte für den Einsatz in den nachstehenden Beispielen wurden verschiedene schwefelsaure Sulfatelektrolyte von Kupfer mit oder ohne Zusatz von Lanthan-Leitsalz verwendet. Die Zusammensetzung dieser Elektrolyte ist in der Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4. Eigenschaften und Zusammensetzung der in den Beispielen verwendeten Elektrolyte Elektrolyt 0 a) Elektrolyt 1 Elektrolyt 2 Elektrolyt 3 Dichte (g/cm3) 1,07 1,19 ± 0,02 1,21 ± 0,02 1,24 ± 0,02 pH-Wert b) 1,9 ± 0,3 1,9 ± 0,3 1,9 ± 0,3 1,9 ± 0,3 Kupfergehalt (g/l) 7,0 48,9 49,5 50,3 Lanthangehalt (g/l) 0 3,41 6,9 14,0 Sulfatgehalt (g/l) 69,4 77,5 80,7 94,2 Schwefelsäure (g/l) 60,0 61,5 62,3 63,3 [La]:[Cu] 0 0,032 0,064 0,127 a): Elektrolyt 0: zum Vergleich
b): pH-Wert bestimmt für eine Konzentration der Elektrolyte von 10 g/l
As the electrolytes for use in the following examples, various sulfuric acid sulfate electrolytes of copper with or without the addition of lanthanum conducting salt were used. The composition of these electrolytes is shown in Table 4. <b> Table 4. </ b> Properties and composition of the electrolytes used in Examples Electrolyte 0 a) Electrolyte 1 Electrolyte 2 Electrolyte 3 Density (g / cm 3 ) 1.07 1.19 ± 0.02 1.21 ± 0.02 1.24 ± 0.02 pH value b) 1.9 ± 0.3 1.9 ± 0.3 1.9 ± 0.3 1.9 ± 0.3 Copper content (g / l) 7.0 48.9 49.5 50.3 Lanthanum content (g / l) 0 3.41 6.9 14.0 Sulphate content (g / l) 69.4 77.5 80.7 94.2 Sulfuric acid (g / l) 60.0 61.5 62.3 63.3 [La]: [Cu] 0 0.032 0.064 0,127 a) : electrolyte 0: for comparison
b) : pH determined for a concentration of electrolytes of 10 g / l

Alle La-Cu-Elektrolyte (Elektrolyt1, 2 und 3) enthalten Spuren von insgesamt weniger als 0,2 g/l an schweren Lanthanoiden, wie Praseodym, Neodymium und Samarium.All La-Cu electrolytes (Electrolytes 1, 2, and 3) contain less than 0.2 g / L of trace lanthanides such as praseodymium, neodymium, and samarium.

Elektrolysevorrichtungenelectrolyzers

In den hierin beschriebenen Beispielen wurden einerseits eine Foliendurchlaufanlage und andererseits eine statische Elektrolyseanordnung verwendet.In the examples described herein, on the one hand, a film pass line and, on the other hand, a static electrolysis set were used.

FoliendurchlaufanlageSheet-through system

Die verwendete Foliendurchlaufanlage ist auf Folien bzw. Bänder bis zu einer Breite von 330 mm ausgelegt. Die Anlage verfügt über eine Abhaspel und eine Aufhaspel mit elektronischer Zugregelung. Die Regelmöglichkeiten umfassen Stromstärke der einzelnen Elektrodensegmente, Bandzug, Bandgeschwindigkeit und Temperatur des Elektrolyten. Die verwendeten Gleichrichter stammen von der Firma plating electronic Typ pe86CW-6-424-960-4 mit 4 Ausgängen. Der maximale Pulsstrom liegt bei 960 A, der maximale Dauerstrom bei 424 A. Der zeitliche Verlauf des Stromes ist als Pulsfolge über die zugehörige Software definierbar.The film conveyor system used is designed for films or tapes up to a width of 330 mm. The system has a rewinder and a reel with electronic tension control. The control possibilities include the current intensity of the individual electrode segments, strip tension, belt speed and temperature of the electrolyte. The rectifiers used are from the company plating electronic type pe86CW-6-424-960-4 with 4 outputs. The maximum pulse current is 960 A, the maximum continuous current is 424 A. The temporal course of the current can be defined as a pulse sequence via the associated software.

Die Elektrolysezelle der verwendeten Foliendurchlaufanlage umfasst eine Kathode und eine Anode zur einseitigen elektrolytischen Abscheidung. Die Kathode und die Anode sind parallel zum Folienlauf positioniert und so angeordnet, dass beim Foliendurchlauf dieselbe Seite bzw. Oberfläche der Metallfolie zunächst der Kathode und dann der Anode gegenüberliegt. Des Weiteren sind die Kathode und die Anode vollständig von Elektrolyt umgeben. Obwohl in den hierin beschriebenen Versuchen nur eine Kathode und eine Anode verwendet wird, kann eine Vielzahl von abweichenden Konfigurationen verwendet werden, beispielsweise eine Doppelkathode und eine Doppelanode zur beidseitigen elektrolytischen Abscheidung oder zwei nacheinander angeordnete Kathoden und Anoden.The electrolytic cell of the film conveyor system used comprises a cathode and an anode for one-sided electrolytic deposition. The cathode and the anode are positioned parallel to the film run and arranged so that during the film run the same side or surface of the metal foil is opposite first to the cathode and then to the anode. Furthermore, the cathode and the anode are completely surrounded by electrolyte. Although only one cathode and one anode are used in the experiments described herein, a variety of different configurations may be used, for example, a dual cathode and a double anode for double-sided electrodeposition, or two sequentially arranged cathodes and anodes.

Als Elektroden (Anode und Kathode) werden in den nachfolgend beschriebenen Versuchen entweder eine dreigeteilte Konvektionselektrode oder eine Strömungselektrode verwendet. Diese sind mit Gleichrichtern verbunden (Typ pe86CW-6-424-960-4 mit 4 Ausgängen der Firma plating electronic, maximaler Pulsstrom 960 A, maximaler Dauerstrom 424 A). Der zeitliche Verlauf des Stromes ist als Pulsfolge über eine entsprechende Software definierbar. Ferner sind die Stromstärke der einzelnen Elektroden, die Bandgeschwindigkeit und -zug sowie die Elektrolyttemperatur regelbar.As electrodes (anode and cathode) either a tripartite convection electrode or a flow electrode are used in the experiments described below. These are connected to rectifiers (type pe86CW-6-424-960-4 with 4 outputs from plating electronic, maximum pulse current 960 A, maximum continuous current 424 A). The temporal course of the current is as a pulse sequence over a corresponding software definable. Furthermore, the current intensity of the individual electrodes, the belt speed and tension as well as the electrolyte temperature can be regulated.

Die verwendete dreigeteilte Konvektionselektrode weist drei Elektrodensegmente bestehend aus einem Kupferblech auf. Obwohl die einzelnen Elektrodensegmente getrennt über einen Gleichrichter angesteuert werden können, wurden in den nachfolgenden Versuchen alle Elektrodensegmente gleichpolig geschaltet. Die Elektrode befindet sich in einem Anodensack aus Polypropylen-Gewebe. Die notwendige Strömung wird mittels einer B2-Stabpumpe der Firma Lutz erzeugt (insgesamt 40 l/min verteilt auf 2 Elektroden).The three-part convection electrode used has three electrode segments consisting of a copper sheet. Although the individual electrode segments can be controlled separately via a rectifier, all electrode segments were switched to the same pole in the following experiments. The electrode is located in an anodic bag made of polypropylene fabric. The necessary flow is generated by means of a B2 rod pump from Lutz (total 40 l / min distributed over 2 electrodes).

Die verwendete Strömungselektrode umfasst ein Elektrodengehäuse aus Polypropylen und einem Hochstrom-Titan-Kontaktrahmen mit einer Blendfläche aus Titanstreckmetall, das mit Kupferkugeln hinterfüllt ist. Die Elektrode befindet sich in einem Anodensack aus PP-Gewebe. Die Durchströmungsgeschwindigkeit ist bis zu 20 l/min möglich. Der Elektrolyt wird über eine Elektrolytzuführung in die Strömungselektrode eingeführt, strömt an den Metallkugeln vorbei in Richtung Gehäuseboden des Elektrodengehäuses und wird von einem Elektrolytkanal in dem Boden des Elektrodengehäuses aufgenommen. Der Elektrolyt tritt dann über eine Strömungsöffnung in Form einer Strömungslippe aus dem Elektrolytkanal aus und strömt an dem Metallgitter vorbei nach oben. In der verwendeten Foliendurchlaufanlage gelangt der Elektrolyt nach dem Durchtritt durch die Strömungselektrode in das Elektrolysebad und von dort über einen Überlauf in einen Vorratsbehälter, aus dem der Elektrolyt dann erneut in die Strömungselektrode gepumpt wird.The flow electrode used comprises an electrode housing made of polypropylene and a high-current titanium contact frame with a covering surface made of titanium expanded metal, which is backfilled with copper balls. The electrode is located in an anode bag made of PP fabric. The flow rate is possible up to 20 l / min. The electrolyte is introduced into the flow electrode via an electrolyte feed, flows past the metal balls in the direction of the housing bottom of the electrode housing and is received by an electrolyte channel in the bottom of the electrode housing. The electrolyte then exits the electrolyte channel via a flow opening in the form of a flow lip and flows upwards past the metal grid. In the used film flow system, the electrolyte passes after passing through the flow electrode in the electrolytic bath and from there via an overflow into a reservoir, from which the electrolyte is then pumped again into the flow electrode.

Die oben beschriebene und in den nachfolgenden Beispielen verwendete Strömungselektrode stellt nur ein Beispiel einer erfindungsgemäß einsetzbaren Strömungselektrode dar. Einem Fachmann ist klar, dass zahlreiche Ausgestaltungen, Abwandlungen und/oder Änderungen denkbar sind.The flow electrode described above and used in the following examples represents only one example of a flow electrode which can be used according to the invention. It will be clear to a person skilled in the art that numerous refinements, modifications and / or modifications are conceivable.

Statische ElektrolyseanordnungStatic electrolysis device

Diese Elektrolyseanordnung wurde eingesetzt, um die für das erfindungsgemäße Verfahren typische Änderung der Polarisation der gleichen Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks unter sparsamen Einsatz von Material zu simulieren.This electrolysis device was used to simulate the typical change of the polarization of the same surface of the sheet metal workpiece with the economical use of material.

Die statische Elektrolysezelle umfasst ein mit einem Elektrolyten (900 ml) gefülltes 1000-ml-Becherglas. Das Becherglas steht auf einem Heizrührer. Der Heizrührer wird zur Erwärmung des Elektrolyten genutzt, wobei die Temperatur ständig durch ein Thermoelement mit Edelstahlhülle geprüft wird und im Rahmen von +/-2°C konstant gehalten wird. Die Rührgeschwindigkeit wird bei 1000 U/min gehalten und die Rührung durch einen Magnetrührstab rund (PTFE) der Abmessung 40xd6 auf die Elektrolytlösung übertragen.The static electrolytic cell comprises a 1000 ml beaker filled with an electrolyte (900 ml). The beaker stands on a stirrer. The stirrer is used to heat the electrolyte, the temperature is constantly checked by a thermocouple with stainless steel sheath and kept constant within +/- 2 ° C. Stirring speed is maintained at 1000 rpm and agitation is transferred to the electrolyte solution through a 40xd6 round magnetic stir bar (PTFE).

Über dem Becherglas befindet sich eine Deckplatte aus PP, die über das Becherglas gelegt wird und jeweils im Abstand von 30 mm beidseitig je eine Elektrode besitzt. Diese Elektroden können aus inertem Material bestehen oder aus dem Material der zu behandelnden Folie. Der Austausch ist innerhalb weniger Minuten ohne Probleme möglich. Diese Elektroden sind ebene Bleche, die zueinander parallel und jeweils senkrecht in die Elektrolytlösung eintauchen. Die einseitige, eintauchende Fläche liegt je Elektrode zwischen 60 mm x 80 mm und 60 mm x 100 mm. In der Mitte wurde die Kunststoffplatte parallel zu den Inertelektroden mit einer Öffnung von 20 mm x 80 mm versehen, durch die hindurch der flexible Folienhalter in die Zelle eingefügt werden kann. Dieser Folienhalter wurde deshalb flexibel gestaltet, damit die Folie, einmal eingespannt, anschließend den gesamten Prozess einschließlich der Vor- und Nachbehandlungsschritte (z.B. Reinigung/Spüle/Spüle, Beize/Dekapierung/Spüle/Spüle, Elektrolyse/Spüle/Spüle, Passivierung/Spüle/VE-Spüle) im gleichen Halter durchlaufen kann und erst nach der letzten Spüle zur Trocknung aus dem Halter herausgenommen werden muss. Der Folienhalter besteht aus zwei PP-Rahmen mit einem Fenster von 80 mm x 60 mm, in den die Folie eingespannt wird. Die Spannschrauben sind aus PA6-Kunststoff gefertigt. Die unteren Spannschrauben dienen nur zum Spannen der Folie, die oberen Spannschrauben dienen zusätzlich zur Herstellung eines lösbaren Presskontaktes zu einem TiPt-Streckmetallgitter. Diese Kontaktstelle taucht in die Lösung ein, so dass die Folie vollständig im Elektrolyten eintaucht und die Kontaktstelle durch den Rahmen des Folienhalters gegenüber dem Feld der Zelle verblendet wird. Das zur Kontaktierung verwendete Streckmetall ragt oben aus der Zelle heraus und wird über eine Krokodilklemme mit Strom versorgt. Zur Stromversorgung wird ein Netzteil des Typs Statron mit vorwählbarer Stromstärke und Anzeige der korrespondierenden Spannung genutzt. Zwischen dem Netzteil und der Elektrolysezelle befindet sich ein Polwendeschalter, wodurch die Polung der Folie und der Elektroden während des Versuches in beliebiger Folge und in beliebiger Zeit gewendet (getauscht) werden kann.Above the beaker there is a cover plate made of PP, which is placed over the beaker and has one electrode each on each side at a distance of 30 mm. These electrodes may be made of inert material or of the material of the film to be treated. The replacement is possible within a few minutes without any problems. These electrodes are flat sheets that dive parallel to each other and each perpendicular to the electrolyte solution. The single-sided, immersed surface is between 60 mm x 80 mm and 60 mm x 100 mm per electrode. In the middle of the plastic plate was provided parallel to the inert electrodes with an opening of 20 mm x 80 mm, through which the flexible film holder can be inserted into the cell. This film holder was therefore designed to be flexible, so that the film, once clamped, then the entire process including the pre- and post-treatment steps (eg cleaning / sink / sink, pickling / pickling / sink / sink, electrolysis / sink / sink, passivation / sink / VE-sink) in the same holder and must be removed from the holder only after the last sink for drying. The film holder consists of two PP frames with a window of 80 mm x 60 mm, in which the film is clamped. The clamping screws are made of PA6 plastic. The lower clamping screws serve only to tension the film, the upper clamping screws additionally serve to produce a releasable press contact to a TiPt expanded metal grid. This contact point dips into the solution, so that the film is completely immersed in the electrolyte and the contact point is blinded by the frame of the film holder relative to the field of the cell. The expanded metal used for contacting protrudes at the top of the cell and is powered by a crocodile clip with power. For the power supply a power supply of the type Statron with preselectable current strength and indication of the corresponding voltage is used. Between the power supply and the electrolysis cell is a Polwendeschalter, whereby the polarity of the film and the electrodes during the experiment in any order and in any time can be turned (exchanged).

Testverfahrentest method Testverfahren 1 - HaftungstestTest Procedure 1 - Adhesion Test

Ein Klebestreifen (Tesafilm® Transparent 57404-00002) wurde über die elektrolytisch behandelte, trockene, kalte und mindestens 15min abgelagerte Metallfolienoberfläche gelegt und mit einer weichen Rolle fest auf die Oberfläche gedrückt. Dabei wurde darauf geachtet, dass sich zwischen dem Klebeband und der Folienoberfläche keine Luftblasen bildeten. Nach einer Zeitspanne von 30 Sekunden nach dem Aufdrücken des Klebestreifens wurde dieser an seinem Überstand erfasst und von der festgehaltenen Metallfolie abgezogen. Dabei wurde eine Ziehgeschwindigkeit von 2 bis 3 Sekunden für eine Länge von 8 cm eingehalten.An adhesive tape (Tesafilm® Transparent 57404-00002) was placed over the electrolytically treated, dry, cold and at least 15min deposited metal foil surface and pressed with a soft roller firmly on the surface. Care was taken to ensure that no air bubbles formed between the adhesive tape and the film surface. After a period of 30 seconds after the adhesive strip was pressed on, it was caught on its projection and peeled off from the retained metal foil. In this case, a pulling rate of 2 to 3 seconds was observed for a length of 8 cm.

Der abgezogene Klebestreifen wurde dann auf ein weißes Blatt Papier aufgeklebt und die Farbänderung beurteilt, die durch Metallaggregate verursacht wird, die von der Folienoberfläche abgerissen werden und am Klebestreifen bleiben. Des Weiteren wurde beurteilt, ob die Klebeschicht des Tesafilms nach dem Abziehen ganz oder teilweise auf der Oberfläche der Metallfolie verblieb.The peeled tape was then adhered to a white piece of paper and the color change caused by metal aggregates being torn from the film surface and remaining on the tape. Furthermore, it was judged whether the adhesive layer of the Tesafilms after peeling completely or partially remained on the surface of the metal foil.

Testverfahren 2 - SchälfestigkeitstestTest method 2 - Peel strength test

Die Schälfestigkeit wurde gemäß DIN EN 60249 an einem Schälgerät Modell Zwick BZ2/TN1 S mit Kraftmessdose Xforce HP 500 N und Software testXpert 12.3 bestimmt. Hierfür wurden die Proben aus einer verpressten Verbundplatte geschnitten und die Folie unter einem Winkel von 180° abgezogen bzw. geschält. Die verpresste Verbundplatte wurde durch Verpressen der Folie mit einem Kunststoffsubstrat bei einer Temperatur von 160 ± 10 °C und einem Pressdruck von 120 ± 5 bar über eine Zeitspanne von 60 ± 5 min erzeugt. Die Ergebnisse des Schältests sind in N/mm angegeben.The peel strength was determined according to DIN EN 60249 on a Zwick BZ2 / TN1 S peeling tool with Xforce HP 500 N load cell and software testXpert 12.3. For this purpose, the samples were cut from a pressed composite panel and peeled or peeled the film at an angle of 180 °. The pressed composite panel was produced by pressing the film with a plastic substrate at a temperature of 160 ± 10 ° C and a compression pressure of 120 ± 5 bar over a period of 60 ± 5 min. The results of the peel test are given in N / mm.

Beispiel 1. Kupferabscheidung auf Kupferfolie mittels einer Foliendurchlaufanlage unter Verwendung verschiedener schwefelsaurer Kupfer-Elektrolyte mit oder ohne Zusatz von La-Leitsalz Example 1. Copper deposition on copper foil by means of a film flow system using various sulfuric copper electrolytes with or without the addition of La-Leitsalz

Eine Kupferfolie mit einer Dicke von 0,035 mm und einer Breite von 300 mm in walzhartem Gefügezustand wurde zunächst einer Vorbehandlung unterworfen, die folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasste:

  • Entfettung: Tauchdurchlauf mit elektrolytischer Unterstützung, 45°C, alkalischer Reiniger
  • Spüle: Wasser, Tauchdurchlauf, 45°C
  • Dekapierung: Schwefelsäure 4%ig in Wasser, Tauchdurchlauf, 30 - 35°C
  • Spüle: Wasser, Tauchdurchlauf, Raumtemperatur
  • Spüle: Wasser, Tauchdurchlauf, Raumtemperatur
A copper foil having a thickness of 0.035 mm and a width of 300 mm in a hard-rolling structural state was first subjected to a pretreatment comprising the following steps in the order given:
  • Degreasing: immersion pass with electrolytic support, 45 ° C, alkaline cleaner
  • Sink: water, dipping, 45 ° C
  • Pickling: Sulfuric acid 4% in water, immersion run, 30 - 35 ° C
  • Sink: water, immersion run, room temperature
  • Sink: water, immersion run, room temperature

Die so vorbehandelte Kupferfolie wurde anschließend in der beschriebenen Foliendurchlaufanlage unter Verwendung der Elektrolyte von Tabelle 4 (Elektrolyt 0, Elektrolyt 1, Elektrolyt 2, Elektrolyt 3) und mit folgenden Verfahrensparametern oberflächenmodifiziert:

  • Bandgeschwindigkeit: 1 m/min,
  • Mittlere Stromstärke: 100 A,
  • Pulssequenz: 10 ms bei 200 A, 10 ms Pause,
  • Elektrolyttemperatur: 50 ± 2 °C,
  • Umwälzung mittels Stabpumpe mit 40 l/min.
The thus pretreated copper foil was then surface-modified in the described film flow system using the electrolytes of Table 4 (electrolyte 0, electrolyte 1, electrolyte 2, electrolyte 3) and with the following process parameters:
  • Belt speed: 1 m / min,
  • Average current: 100 A,
  • Pulse sequence: 10 ms at 200 A, 10 ms pause,
  • Electrolyte temperature: 50 ± 2 ° C,
  • Recirculation by means of a rod pump with 40 l / min.

Nach dem Durchlaufen der Elektrolyseapparatur wurde die oberflächenmodifizierte Kupferfolie einer Nachbehandlung unterworfen, die folgende Schritte in der angegeben Reihenfolge umfasste:

  • Spüle: Wasser, Tauchdurchlauf, Raumtemperatur
  • Spüle: Wasser, Tauchdurchlauf, Raumtemperatur
  • Passivierung: Chrom(VI)-haltige Lösung, Tauchdurchlauf, Raumtemperatur
  • Spüle: Wasser, Tauchdurchlauf, Raumtemperatur
  • Spüle: Vollentsalztes Wasser, Abnebeln, Raumtemperatur
  • Trocknung mit Warmluft 90°C
After passing through the electrolysis apparatus, the surface-modified copper foil was subjected to a post-treatment comprising the following steps in the order given:
  • Sink: water, immersion run, room temperature
  • Sink: water, immersion run, room temperature
  • Passivation: chromium (VI) -containing solution, immersion pass, room temperature
  • Sink: water, immersion run, room temperature
  • Sink: Demineralized water, misting, room temperature
  • Drying with warm air 90 ° C

Die mit den Elektrolyten 1, 2 und 3 erhaltenen oberflächenmodifizierten Folien zeigten eine gleichmäßige Verteilung von abgelagerten kugeligen Kupferaggregaten auf der Folienoberfläche. Figur 2 zeigt dies am Beispiel einer mit Elektrolyt 3 erhaltenen Oberfläche. In Figur 4 ist die mit dem Elektrolyt 0 erhaltene Oberfläche mit stängeligen Aufwachsungen zum Vergleich gezeigt.The surface-modified films obtained with the electrolytes 1, 2 and 3 showed a uniform distribution of deposited spherical copper aggregates on the film surface. FIG. 2 shows this with the example of an electrolyte 3 obtained Surface. In FIG. 4 For example, the surface obtained with the electrolyte 0 is shown with stalky growths for comparison.

Die mit den Elektrolyten 1, 2 und 3 erhaltenen Folienoberflächen mit lamellenbesetzten kugeligen Aggregaten wiesen darüber hinaus im Haftungstest mittels Tesafilm ausgezeichnete Haftfestigkeiten von Klebstoffen auf. Die Haftung zwischen der modifizierten Metallfolienoberfläche und dem Klebstoff auf dem Klebestreifen ist so hoch, dass beim Abziehen des Klebestreifens der Verbund zwischen Klebstoff und Kunststoffträger bricht und die Klebeschicht des Tesafilms auf der Folienoberfläche verbleibt. Hingegen wird bei der mit Elektrolyt 0 (Cu-Elektrolyt ohne La) modifizierten Metallfolie mit stängeligem Treatment beim Abziehen des Klebestreifens die Ablösung des Treatments beobachtet.Moreover, the film surfaces with lamellar spherical aggregates obtained with the electrolytes 1, 2 and 3 had excellent adhesive strengths of adhesives in the adhesion test by means of Tesafilm. The adhesion between the modified metal foil surface and the adhesive on the adhesive strip is so high that when the adhesive strip is peeled off, the bond between adhesive and plastic carrier breaks and the adhesive layer of the tesa film remains on the film surface. On the other hand, in the case of the metal foil modified with electrolyte 0 (Cu electrolyte without La) with stalked treatment, the detachment of the treatment is observed when the adhesive strip is removed.

Auch im Schältest wurden ausgezeichnete Haftfestigkeiten zwischen 1,7 und 2,8 N/mm erhalten. Die ermittelten Schälfestigkeiten korrelierten dabei mit steigender Flächendichte der abgeschiedenen Metallaggregate. Die Ergebnisse der Schältests sind in untenstehender Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5. Schälfestigkeiten von mit FR-4 verpressten Kupferoberflächen (V = Foliengeschwindigkeit, I = mittlere Stromstärke, J = Stromdichte, Q = Ladungsdichte) Elektrolyt V (m/min) I (A) J (A/dm2) Q (C/dm2) Pulsform Schälfestigkeit (N/mm) Elektrolyt 2 2,5 100 13,9 80 10997* 2,8±0,2 Elektrolyt 2 1 150 20,8 300 10997* 2,8±0,2 Elektrolyt 2 1 100 13,9 200 10997* 1,7±0,2 Elektrolyt 2 1 100 13,9 200 10001** 2,0±0,2 Elektrolyt 2 2 190 26,4 190 10997* 2,0±0,2 Elektrolyt 3 1 100 13,9 200 10997* 2,4±0,2 Elektrolyt 0 1 45 1,5 260 10001* 1,2±0,2 * Pulsform 10997 bedeutet: Pause für 50 ms; Strom der Stärke A (nämlich 166 A, 250 A, 166 A, 317 A bzw. 166 A) für 50 ms; Pause für 50 ms; und Strom der Stärke B (größer A) (nämlich 233 A, 350 A, 233 A, 443 A bzw. 233 A) für 50 ms (dies ergibt einen mittleren Strom (auf 50 ms bezogen) von I = 100 A, 150 A, 100 A, 190 A bzw. 100 A).
** Pulsform 10001 bedeutet: Strom der Stärke C (hier 200 A) für 50 ms; Pause für 10 ms.
Also in the peel test excellent adhesion strengths between 1.7 and 2.8 N / mm were obtained. The determined peel strengths correlated with increasing surface density of the deposited metal aggregates. The results of the peel tests are summarized in Table 5 below. <b> Table 5 </ b> Peel strengths of FR-4 pressed copper surfaces (V = film speed, I = average current, J = current density, Q = charge density) electrolyte V (m / min) I (A) J (A / dm 2 ) Q (C / dm 2 ) pulse shape Peel strength (N / mm) Electrolyte 2 2.5 100 13.9 80 10997 * 2.8 ± 0.2 Electrolyte 2 1 150 20.8 300 10997 * 2.8 ± 0.2 Electrolyte 2 1 100 13.9 200 10997 * 1.7 ± 0.2 Electrolyte 2 1 100 13.9 200 10001 ** 2.0 ± 0.2 Electrolyte 2 2 190 26.4 190 10997 * 2.0 ± 0.2 Electrolyte 3 1 100 13.9 200 10997 * 2.4 ± 0.2 Electrolyte 0 1 45 1.5 260 10001 * 1.2 ± 0.2 * Pulse shape 10997 means: pause for 50 ms; Power of magnitude A (namely 166 A, 250 A, 166 A, 317 A and 166 A, respectively) for 50 ms; Break for 50 ms; and current of magnitude B (greater than A) (namely, 233A, 350A, 233A, 443A, and 233A, respectively) for 50 ms (this gives a mean current (referenced to 50ms) of I = 100A, 150A , 100 A, 190 A or 100 A).
** Pulse shape 10001 means: current of magnitude C (here 200 A) for 50 ms; Pause for 10 ms.

Beispiel 2. Einbau Seltener Erden (SE) in die Aggregate auf der Oberfläche von mit SE-Cu-Elektrolyten modifizierter Kupferfolie Example 2. Incorporation of rare earths (SE) into the aggregates on the surface of copper foil modified with SE-Cu electrolytes

Eine Kupferfolie mit einer Dicke von 0,035 mm und einer Breite von 300 mm in walzhartem Gefügezustand wurde zunächst einer Vorbehandlung unterworfen, die folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfasste:

  • Vorreinigung: Purax 6029PUS, 40 g/l, 60°C, stromlos, 10s.
  • Spüle: Wasser
  • Feinreinigung: Velocit 1127M, 25 g/l, 60°C, stromlos, 10s.
  • Spüle: Wasser
  • Beize/Dekapierung: Schwefelsäure (7%ig in Wasser), 25°C - 35°C.
  • Spüle: Wasser
A copper foil having a thickness of 0.035 mm and a width of 300 mm in a hard-rolling structural state was first subjected to a pretreatment comprising the following steps in the order given:
  • Pre-cleaning: Purax 6029PUS, 40 g / l, 60 ° C, de-energized, 10s.
  • Sink: water
  • Fine cleaning: Velocit 1127M, 25 g / l, 60 ° C, de-energized, 10s.
  • Sink: water
  • Pickling / pickling: sulfuric acid (7% in water), 25 ° C - 35 ° C.
  • Sink: water

Die so vorbehandelte Kupferfolie wurde anschließend in der beschriebenen statischen Elektrolyseanordnung unter Verwendung von Elektrolyt 1 und Elektrolyt 2 bei Raumtemperatur mit einer Ladungsdichte von 541 C/dm2 oberflächenmodifiziert:
Nach dem Durchlaufen der Elektrolyseapparatur wurde die oberflächenmodifizierte Kupferfolie einer Nachbehandlung unterworfen, die folgende Schritte in der angegeben Reihenfolge umfasste:

  • Spüle: Wasser
  • Passivierung: Lösung von 6 g Kaliumdichromat in Wasser bei Raumtemperatur.
  • Spüle: Wasser
  • Trocknung mit Warmluft zwischen 90°C und 120°C.
The thus pretreated copper foil was then surface-modified in the described static electrolysis arrangement using electrolyte 1 and electrolyte 2 at room temperature with a charge density of 541 C / dm 2 :
After passing through the electrolysis apparatus, the surface-modified copper foil was subjected to a post-treatment comprising the following steps in the order given:
  • Sink: water
  • Passivation: Dissolve 6 g potassium dichromate in water at room temperature.
  • Sink: water
  • Drying with warm air between 90 ° C and 120 ° C.

Bei weiteren Untersuchungen im Rahmen dieses Beispiels wurde im Behandlungselektrolyt Elektrolyt 1 das Lanthan gegen äquimolare Mengen Yttrium, Neodym, Gadolinium oder Dysprosium ersetzt und die Oberflächenmodifizierung mit ansonsten identischen Parametern wiederholt.In further investigations in the context of this example, the lanthanum was replaced by equimolar amounts of yttrium, neodymium, gadolinium or dysprosium in the electrolytic treatment electrolyte 1 and the surface modification was repeated with otherwise identical parameters.

Die unter Verwendung der verschiedenen Elektrolyten abgeschiedenen Schichten wurden mittels ICP-OES aus salpetersaurer Lösung (Argon-Plasma; Perkin Elmer, Optima 3000DV, axiale Registrierung Emission; als Standards wurden jeweils die Konzentrationen von 0,1 mg/l, 1 mg/l und 10 mg/l des jeweiligen SE-Metalls benutzt) analysiert. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 6. Konzentration der gefundenen Inert-Ionen in der abgeschiedenen Schicht, bezogen auf die behandelte Oberfläche in µmol/m2 (aus saurem SE-Cu-Elektrolyten). Inert-Ion Konzentration in den Aggregaten Lanthan (Elektrolyt 1) 0 Lanthan (Elektrolyt 2) 0 Yttrium 0 Neodym 42,0 Gadolinium 13,3 Dysprosium 13,5 The layers deposited using the various electrolytes were filtered by nitric acid solution ICP-OES (argon plasma, Perkin Elmer, Optima 3000DV, axial registration emission; the concentrations of 0.1 mg / l, 1 mg / l and 10 mg / l of the respective SE metal were used as standards). The results are shown in Table 6. <b> Table 6 </ b> Concentration of the found inert ions in the deposited layer, based on the treated surface in μmol / m <sup> 2 </ sup> (from acidic SE-Cu electrolyte). Inert Ion Concentration in the aggregates Lanthanum (electrolyte 1) 0 Lanthanum (electrolyte 2) 0 yttrium 0 neodymium 42.0 gadolinium 13.3 dysprosium 13.5

Dieses Beispiel zeigt, dass Lanthan und Yttrium nach der elektrolytischen Oberflächenmodifizierung einer Kupferfolie mit La-Cu- bzw. Y-Cu-Elektrolyten nicht in die abgeschiedenen Aggregate eingebaut werden. Hingegen wurden mit Neodym, Gadolinium und Dysprosium nach dem salpetersauren Aufschluss der abgeschiedenen Aggregate diese als paramagnetische Inert-Ionen wiedergefunden.This example shows that lanthanum and yttrium are not incorporated into the deposited aggregates after electrolytic surface modification of a copper foil with La-Cu or Y-Cu electrolytes. On the other hand, with neodymium, gadolinium and dysprosium after the nitric acid decomposition of the deposited aggregates, these were recovered as paramagnetic inert ions.

Claims (12)

  1. Method for the electrolytic surface modification of a flat metal workpiece (32), in which
    at least one surface of the flat metal workpiece (32) is anodically poled in a treatment liquid (36) and an anodic dissolving process is thereby induced, and then
    the at least one surface of the flat metal workpiece (32) is cathodically poled in the treatment liquid (36) and a cathodic deposition process is thereby induced for the deposition of one or more metals on the at least one surface of the flat metal workpiece,
    characterized in that
    a conductive liquid based on sulphuric acid/sulphate solutions of copper is used as treatment liquid (36) and the treatment liquid further contains one or more members selected from the group consisting of: yttrium, lanthanum and lanthanoids, wherein the ratio between (i) the sum of the amount-of-substance fractions of yttrium, lanthanum and/or the lanthanoids, and (ii) the amount-of-substance fraction of copper is 0.0182 or more, preferably 0.0182 to 0.127.
  2. Method according to claim 1, wherein the flat metal workpiece (32) is anodically polarized by at least one cathode (40a, 40b) without direct contacting for the induction of the dissolving process, the flat metal workpiece (32) is cathodically polarized by at least one anode (44a, 44b) without direct contacting for the induction of the deposition process, and the cathode (40a, 40b) and the anode (44a, 44b) are arranged in such a way that treatment liquid (36) is located between anode (44a, 44b) and metal workpiece (32) and between cathode (40a, 40b) and metal workpiece (32).
  3. Method according to claim 1 or 2, wherein the concentration of the sum of yttrium, lanthanum and lanthanoids in the treatment liquid (36) is 0.01 mol/l or more and is preferably in the range of from 0.014 mol/l to 0.35 mol/l, in particular in the range of from 0.02 mol/l to 0.125 mol/l.
  4. Method according to one of claims 1 to 3, wherein the treatment liquid (36) contains lanthanum, and wherein the lanthanum is preferably supplied in the form of lanthanum oxide.
  5. Method according to one of claims 1 to 4, wherein the treatment liquid (36) comprises an additive of the general formula (I):

            HO-CHR8-CHR9-Z-(CHR4-CHR5-Z)n-CHR6-CHR7-OH     (I)

    in which:
    n = an integer from 1 to 11, in particular an integer from 1 to 3,
    Z = S or O, in particular S,
    R4 = H, C1-4-alkyl or phenyl,
    R5 = H, C1-4-alkyl or phenyl,
    R6 = H, C1-4-alkyl or phenyl,
    R7 = H, C1-4-alkyl or phenyl,
    R8 = H, C1-4-alkyl or phenyl, and
    R9 = H, C1-4-alkyl or phenyl.
  6. Method according to claim 5, in which:
    n = an integer from 1 to 3,
    Z = S,
    R4 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl,
    R5 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl,
    R6 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl,
    R7 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl,
    R8 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl, and
    R9 = H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl.
  7. Method according to claim 6, wherein the additive is 1,8-dihydroxy-3,6-dithiaoctane.
  8. Method according to one of claims 1 to 7, wherein a metal strip or a metal foil is used as flat metal workpiece (32).
  9. Flat metal workpiece obtained according to the method according to one of claims 1 to 8, wherein copper aggregates are located on the surface thereof.
  10. Flat metal workpiece according to claim 9, further characterized in that lanthanoid ions are incorporated into the copper aggregates.
  11. Use of the flat metal workpiece according to one of claims 9 to 10 as substrate for the formation of strong adhesive bonds with other materials.
  12. Use according to claim 11, wherein the other materials are selected from thermoplastics, synthetic resins, adhesives, lacquers and pastes.
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