WO2015091863A1 - Verfahren zur elektrolytischen oberflächenmodifizierung von flächigen metallwerkstücken in sulfatometallathaltigen kupfersulfat-behandlungsflüssigkeiten - Google Patents

Verfahren zur elektrolytischen oberflächenmodifizierung von flächigen metallwerkstücken in sulfatometallathaltigen kupfersulfat-behandlungsflüssigkeiten Download PDF

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WO2015091863A1
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metal
copper
treatment liquid
chr
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Andreas Seidel
Fabian Distelrath
Thomas Booz
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Schlenk Metallfolien Gmbh & Co. Kg
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    • C25F7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells for electrolytic removal of material from objects; Servicing or operating

Definitions

  • the present invention relates to a process for electrolytic
  • 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 and the like, pretreated, or the metal surface is formed by deposition of a highly in-depth
  • the composites are preferably produced from a brushed or treatment-modified metal surface and the desired material, which is to be rolled on, pressed or wound up.
  • Treatment is usually carried out according to the classical process of strip electroplating.
  • the technical difficulties of the processes used here - degreasing, electrolytic cleaning, pickling, coating - consist in the insufficiently even coating 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.
  • a known method for the surface treatment of a metal workpiece such as a metal strip or a sheet, represents the electrolytic
  • Coating a metal surface with a metal or a metal alloy is.
  • the belt is passed through one or more electrolytic cells.
  • the band is usually brought via so-called power rollers in a fixed-solid connection with the negative terminal 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
  • the surface is leveled.
  • 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. So can a bad adhesion between one metal surface and the same or another
  • Material such as a paint layer, a paint layer or an adhesive, lead to poor quality or even unusable products.
  • an acidic electrolyte such as sulfuric, phosphoric or chromic acid
  • anodizing is limited to a few
  • An improvement in adhesion can also be achieved by preceding a step of electrolytic pretreatment of the surface to be coated.
  • Anodic treatment can be subjected to the deposition process in which an ablation process is induced in which the smallest particles and residues or impurities present 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 is removed from the
  • Treatment liquid is deposited on the cleaned and bare surface usually in the form of aggregates.
  • the anodic and cathodic polarization can be carried out similarly to the classical galvanic coating by solid-fixed 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, the length of the aggregates of the adhesive bond is decisive from
  • Treatment fluid is poled anodically and thereby anodic
  • Treatment fluid is poled cathodically and thereby a cathodic
  • Deposition process for depositing one or more metals is induced on the at least one surface of the sheet metal workpiece
  • the treatment liquid electrolyte
  • the treatment liquid further contains one or more members 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 lanthanides, if present, and (ii) the mole fractions (in mol / l) of copper is 0.0182 or more, preferably 0.0182 to 0.127.
  • the method of the invention provides a simple and efficient method of increasing the adhesion of sheet metal workpieces.
  • the present invention provides a process for electrolytic
  • the at least one surface of the sheet metal workpiece is cathodically poled in the treatment liquid 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 is more free
  • 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 particular embodiment, the ratio is about 1.16.
  • copper source is u.a. Cupric sulfate pentahydrate, cupric oxide, copper (II) carbonate or basic
  • the treatment liquid is further added one or more conductive salts.
  • Suitable conductive salts in the present invention are salts of rare earths (SE) yttrium, lanthanum and lanthanides (Ln), which are acidic
  • Treatment liquid to give readily soluble Sulfatometallaten the general formula Cu 3 [SE (S0 4 ) 3] 2 (SE rare earths).
  • Suitable 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 lanthanide salts are added to the treatment liquid in an amount such that the molar ratio between (i) the sum of the molar proportions of Y, La and / or Ln, so far, and (ii) the mole fractions of copper 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 from 0.014 mol / l to 0.35 mol / l and in particular in the range from 0.024 to 0.098 mol / l.
  • concentration of the sum of the yttrium, lanthanum or lanthanoid ions is preferably 0.014 mol / l or more, preferably in the range from 0.014 mol / l to 0.35 mol / l and in particular in the range from 0.024 to 0.098 mol / l.
  • the order of solution of the components for the rapid preparation of the electrolyte is crucial: First, the presentation of the aqueous sulfuric acid, then the resolution of copper (II) - connection and possibly the
  • Aqueous sulfuric acid copper-SE electrolytes prepared from the corresponding oxides of the lead ions (LaO, YO, NdO, GdO or DyO).
  • 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 each
  • 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 solubility gradient has a significant influence
  • 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.
  • 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.
  • Treatment liquid an additive of the general formula (I) include:
  • n an integer from 1 to 1, in particular an integer from 1 to 3,
  • R 4 H, d_ 4 alkyl or phenyl
  • R 5 H, d-alkyl or phenyl
  • R 6 H, d-alkyl or phenyl
  • R 7 H, d-alkyl or phenyl
  • R 8 H, d-alkyl or phenyl
  • R 9 H, Ci-4-alkyl or phenyl.
  • n an integer from 1 to 3
  • 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
  • R 9 H, methyl, ethyl, n-propyl, or n-butyl.
  • the additive of formula (I) is a compound of formula (II):
  • n an integer from 1 to 1 1
  • R 6 H, methyl or phenyl
  • the additive is a compound of formula (III):
  • Treatment liquid can be used in the inventive method is 1, 8-dihydroxy-3,6-dithiaoctane (DTO).
  • DTO 1, 8-dihydroxy-3,6-dithiaoctane
  • 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, i.e. 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 (for example a current roller) connected to a current source, but rather through the
  • Metal surface in particular the roughness peaks, leveled. Furthermore, the anodic polarization or the anodic dissolution process induced thereby leads to an activated surface for the following
  • 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.
  • the subsequent cathodic polarization induces a cathodic deposition process in which a metal or metal alloy (i.e., several different metals) on the
  • 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 flat metal work piece" as a rule means the surface defined by the length and width, not the surface defined by the thickness and width or thickness and length
  • metal foil refers to a sheet metal workpiece having a given width and a thickness of 100 ⁇ m to 1 mm
  • metal foil refers to a flat metal workpiece with a given width and a thickness of 100 ⁇ m or less, preferably with a thickness in the range of 10 ⁇ to less than 100 ⁇ .
  • the flat metal workpiece is usually made entirely of a single metal, in particular copper, tin, silver or iron. However, it may also consist of a metal alloy, for example of at least two of the metals mentioned,
  • Tin alloy consist.
  • 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.
  • the flat metal workpiece may be formed such that at least one and preferably both surfaces of the planar
  • Metal workpiece from 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.
  • Metal workpiece usually pretreated.
  • Corresponding pretreatment methods include, for example, degreasing, rinsing with water, aqueous surfactant solutions or solvents, and pickling with
  • 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
  • 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.
  • 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 "anodic polarization / cathodic polarization" cycle will be run through multiple times, and that the sheet metal workpiece may be poled anodically and cathodically one or more times in any order, typically first outweighing the anodic dissolution process and then the cathodic
  • Dissolution process through a short phase with the deposition process to be interrupted (dominant dissolution process, interrupted by deposition process) and vice versa (dominant deposition process, interrupted by
  • 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) become the additional electrodes
  • each electrode is supplied by a different rectifier, while in another working area several 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).
  • the soluble anodes consist of the metal to be coated or the metal alloys to be coated.
  • 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 used
  • 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. Those by the Sulfatometallate already in electroless rest
  • Process calibration provides 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 through the filtration bypass delivers 1, 2 l / min.
  • At least one cathode and / or at least one anode is the
  • the electrode housing configured as a flow electrode comprising an electrode housing with a metal grid, through which the treatment liquid can enter into 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 is the
  • Flow opening usually arranged so that the exiting electrolyte flows past the metal grid.
  • the flow past substantially parallel to 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 arranged in the container cathode 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 a defined flow through the
  • 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 preferably made of the metal or metals to be deposited on the sheet metal workpiece.
  • Metal balls copper balls.
  • the metal grid is preferably an expanded metal grid (expanded metal blend surface), in particular a titanium expanded metal.
  • FIG. 1 shows schematically an embodiment of a dissolving / separating 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.
  • Dissolution / separation 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 deflection rollers 34a, 34b and 34c and a first
  • Working electrode which consists of two parallel cathodes 40a and 40b
  • a second working electrode which consists of two parallel arranged anodes 44a and 44b on.
  • 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 at the bottom of the container 31 within the treatment liquid and below the
  • Working electrodes is located. Furthermore, the dissolution / deposition cell 30 has a separator 48 for reducing reactive currents.
  • the flat metal workpiece 32 passes over the first guide roller 34a in the
  • Metal workpiece 32 are located. 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.
  • impurities present on the surface of the sheet metal workpiece 32 and any foreign metals present and / or certain (for example uneven) metal structures are largely eliminated.
  • 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.
  • 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 metal aggregates on the surface of the flat metal workpiece, these metal aggregates being in the form of balls set with stationary lamellae. This distinguishes them from the columnar dendrites obtained by the conventional methods of the prior art.
  • Figure 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 500x) of a copper foil surface prepared according to the method of Invention by deposition of La / Cu
  • sulfuric acid electrolyte having a La concentration of 14.0 g / L, a Cu concentration of 50.3 g / L, and a [La]: [Cu] weight ratio of 0.127 (electrolyte 3) in the film passing plant described below was modified. At this magnification, the spherical metal aggregates are clearly visible on the copper foil surface.
  • FIG. 3 shows an SEM image of a copper foil surface treated electrolytically with sulfuric acid neodymium-copper electrolyte with a Nd: Cu weight ratio of 0.032 in accordance with the method according to the invention in a magnification of 10000 times.
  • the image reproduces a section of a spherical metal aggregate on the copper foil surface and makes visible its lamellar structure.
  • Figure 4 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 500x) of a copper foil surface prepared according to the method of However, the invention was modified by depositing Cu from sulfuric acid electrolyte having a Cu concentration of 7.0 g / L (electrolyte) 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 average 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 ⁇ for Ra and preferably in the range of 1, 4 to 2.1 ⁇ and in particular in the range of 1, 6 to 1, 9 ⁇ for Rz.
  • 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.
  • Peel strengths preferably 1, 5 to 3.0 N / mm, in particular 1, 8 to 3.0 N / mm.
  • the flat metal workpieces according to the invention can, due to their
  • 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 according to the
  • the flat surface according to the invention produced metal workpieces as a substrate for the formation of solid adhesive dressings.
  • the flat surface according to the invention produced metal workpieces as a substrate for the formation of solid adhesive dressings.
  • Metal workpieces are used for a variety of applications.
  • laminates of copper with PET can be used for the shielding of cables and connector and device housings against electromagnetic interference, especially in the
  • MID Molded Interconnect Devices
  • connections are used.
  • the adhesion of the metallic conductor to the substrate e.g., FR-4
  • the process steps required in the production etching, drilling, pressing
  • the stress on the printed circuit board in the final product itself.
  • Electrolyte 0 for comparison
  • La-Cu electrolytes (electrolyte, 2, and 3) contain traces of less than 0.2 g / l on heavy 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 trailer and a recoiler 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.
  • Flow electrode used. 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.
  • 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, were in the
  • 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 through the passage after
  • 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 through a
  • Thermocouple with stainless steel sheath is tested and kept within +/- 2 ° C constant. 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.
  • 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
  • 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 over a
  • 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 pressing the
  • Adhesive tape was this detected on its supernatant and peeled off the held 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 glued to a piece of white paper and the color change caused by metal aggregates released from the paper
  • 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 A copper foil with a thickness of 0.035 mm and a width of 300 mm in
  • hard-rolled microstructure was first subjected to a pretreatment comprising the following steps in the order given:
  • the pretreated copper foil was then in the described
  • Pulse sequence 10 ms at 200 A, 10 ms pause,
  • Electrolyte temperature 50 ⁇ 2 ° C,
  • the surface-modified copper foil was subjected to a post-treatment comprising the following steps in the order given:
  • 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 using the example of an electrolyte 3 Surface.
  • FIG. 4 shows the surface obtained with the electrolyte 0 with stalk-like growths for comparison.
  • the adhesion between the modified metal foil surface and the adhesive on the adhesive strip is so high that when removing the adhesive strip, the bond between adhesive and
  • Plastic carrier breaks and the adhesive layer of the Tesafilms 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.
  • Pulse shape 10001 means: current of magnitude C (here 200 A) for 50 ms; Pause for 10 ms.
  • 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:
  • the surface-modified copper foil was subjected to a post-treatment comprising the following steps in the order given:
  • Electrolyte 1 Replaces the lanthanum with equimolar amounts of yttrium, neodymium, gadolinium or dysprosium and repeats the surface modification with otherwise identical parameters.
  • 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.
  • This example shows that lanthanum and yttrium after the electrolytic
  • Gadolinium and dysprosium after the nitric acid decomposition of the deposited aggregates these recovered as paramagnetic inert ions.

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Abstract

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.

Description

VERFAHREN ZUR ELEKTROLYTISCHEN OBERFLÄCHENMODIFIZIERUNG VON FLÄCHIGEN METALLWERKSTÜCKEN IN SULFATOMETALLATHALTIGEN KUPFERSULFAT-BEHANDLUNGSFLÜSSIGKEITEN
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.
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.
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.
Aus diesem Grunde werden in den oben genannten Anwendungsfeldern die Verbünde bevorzugt aus einer gebürsteten oder durch Treatment modifizierten Metalloberfläche und dem gewünschten, darauf aufzuwalzenden, aufzupressenden oder aufzuziehenden Material hergestellt. 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.
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.
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 Färb-, 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.
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 Rückstände 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.
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. 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.
Kurze Beschreibung der Erfindung
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 Mitglieder, 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, soweit enthalten, und (ii) den Stoffmengenanteilen (im mol/l) von Kupfer beträgt 0,0182 oder mehr, vorzugsweise 0,0182 bis 0,127.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein einfaches und effizientes Verfahren zur Erhöhung des Haftvermögens von flächigen Metallwerkstücken bereit.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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.
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.
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(ll)-sulfat-pentahydrat, Kupfer(ll)-oxid, Kupfer(ll)-carbonat oder basisches
Kupfer(ll)-carbonat.
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(S04)3]2 (SE = Seltene Erden) umwandeln. Als Quelle für Yttrium, Lanthan und die Lanthanoiden eignen sich u.a. die Element(lll)-oxide und die Element(lll)-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, soweit enthalten, 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- lonen 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. 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(ll)-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(lll)- und Ln(lll)-oxide reagieren mit Säuren stark exotherm] auszuschließen.
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.
Figure imgf000008_0001
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. Als zusätzlicher Effekt bei der Abscheidung aus den sauren Kupfer(ll)-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)- lonen des Yttrium und des Lanthan nur lose gebunden eingebaut werden, lagern sich beispielsweise die paramagnetischen Ln(lll)-lonen 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(ll)-SE-Sulfat- Behandlungsflüssigkeiten in die auf der Oberfläche des flächigen Metallwerkstücks abgeschiedene Kupferschicht
Figure imgf000009_0001
Die Strukturierung der abgeschiedenen Schicht und der Einbau der SE-Metalle in die Kupferschicht hängen nicht nur ursächlich mit den magnetischen Eigenschaften der SE(lll)-lonen ab, sondern wesentlichen Einfluss hat der Löslichkeitsgradient der
Sulfatometallate Cu3[SE(S04)3]2 beim Übergang von den vergleichsweise leicht löslichen Kupfersalzen zu den schwerer löslichen Säuren H3[SE(S04)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. 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 1 1 , insbesondere eine ganze Zahl von 1 bis 3,
Z = S oder O, insbesondere S,
R4 = H, d_4-Alkyl oder Phenyl,
R5 = H, d- -Alkyl oder Phenyl,
R6 = H, d- -Alkyl oder Phenyl,
R7 = H, d- -Alkyl oder Phenyl,
R8 = H, d- -Alkyl oder Phenyl, und
R9 = H, Ci-4-Alkyl oder 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.
Insbesondere handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei Ci-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.
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. 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 1 1 ,
Z = S oder O,
R6 = H, Methyl oder Phenyl, und
R7 = H, Methyl oder Phenyl, wobei vorzugsweise n=1 -3 und 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.
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.
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). Die Additive der Formel (I) sind kommerziell erhältlich oder lassen sich durch bekannte chemische Syntheseverfahren oder analog zu diesen erhalten.
Zusätzlich sind die folgenden Zusätze für die Beeinflussung der Oberflächenspannung und der Ablösungsgeschwindigkeit von feinsten Gasblasen anwendbar:
Oberflächenaktive Substanzen der allgemeinen Formel:
CnH2n+i(OC2H4)x-0-(H, CmH2m+i ) mit n=8 bis 18, und x=3 bis 9,
m=1 bis 4
CnH2n+i(OC3H6)y-OH mit n=8 bis 16 und y=1 bis 3.
CnH2n+i (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
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.
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. 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.
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 μηι bis 1 mm bezeichnet. Der Begriff „Metallfolie" bezeichnet ein flächiges Metallwerkstück mit gegebener Breite und einer Dicke von 100 μηι oder weniger, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 10 μηι bis weniger als 100 μηι.
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. 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.
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.
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.
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.).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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- lon im Sulfatelektrolyten ab. Die höchste Sensibilität und damit die bestmögliche
Prozessjustierung liefern Lanthan(lll)-lonen.
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- Gewichts- Verhältnis und vom Stromdichtegradienten
Figure imgf000018_0001
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 = Vi 1(1 )
10997 = 50ms 1 , 50ms 5, 50ms 1 , 50ms 7 = 1 Cyclus; leff = 3,5 1(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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Metallaggregaten 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]-Gewichts-Verhältnis 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-Gewichts-Verhältnis 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.
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 μηι und insbesondere im Bereich von 0,24 bis 0,28 μηι für Ra sowie vorzugsweise im Bereich von 1 ,4 bis 2,1 μηι und insbesondere im Bereich von 1 ,6 bis 1 ,9 μηι für Rz. Demgegenüber weist beispielsweise eine Kupferfolie vor der Abscheidung Rauheitswerte von etwa 0,20 μηι für Ra und 1 ,3 μηι für Rz auf.
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.
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.
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.
BEISPIELE
Materialien
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
Figure imgf000023_0001
: Elektrolyt 0: zum Vergleich
: pH-Wert bestimmt für eine Konzentration der Elektrolyte von 10 g/l Alle La-Cu-Elektrolyte (Elektrolyt , 2 und 3) enthalten Spuren von insgesamt weniger als 0,2 g/l an schweren Lanthanoiden, wie Praseodym, Neodymium und Samarium.
Elektrolysevorrichtungen
In den hierin beschriebenen Beispielen wurden einerseits eine Foliendurchlaufanlage und andererseits eine statische Elektrolyseanordnung verwendet.
Foliendurchlaufanlage
Die verwendete Foliendurchlaufanlage ist auf Folien bzw. Bänder bis zu einer Breite von 330 mm ausgelegt. Die Anlage verfügt über eine Abhaspei 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.
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.
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.
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).
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.
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.
Statische Elektrolvseanordnunq
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. 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.
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 Kunststoff platte 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.
Testverfahren
Testverfahren 1 - Haftunqstest
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.
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.
Testverfahren 2 - Schälfestiqkeitstest
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 Kunststoff Substrat 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.
Beispiel 1. Kupferabscheidung auf Kupferfolie mittels einer Foliendurchlaufanlage unter Verwendung verschiedener schwefelsaurer Kupfer-Elektrolyte mit oder ohne Zusatz von 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
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.
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
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.
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.
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)
Figure imgf000029_0001
* 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. Beispiel 2. Einbau Seltener Erden (SE) in die Aggregate auf der Oberfläche von mit SE- Cu-Elektrolyten modifizierter Kupferfolie
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 1 127M, 25 g/l, 60°C, stromlos, 10s.
- Spüle: Wasser
- Beize/Dekapierung: Schwefelsäure (7%ig in Wasser), 25°C - 35°C.
- Spüle: Wasser
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.
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.
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 μηιοΙ (aus saurem SE-Cu-Elektrolyten).
Figure imgf000031_0001
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.

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Verfahren zur elektrolytischen Oberflächenmodifizierung eines flächigen
Metallwerkstücks, 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 eine leitende Flüssigkeit auf der Basis von
Schwefelsäure/Sulfat-Lösungen des Kupfers verwendet wird und die
Behandlungsflüssigkeit ferner ein oder mehrere Mitglieder, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Yttrium, Lanthan und Lanthanoiden, enthält, wobei das Verhältnis zwischen (i) der Summe der Stoffmengenanteile von Yttrium, Lanthan und/oder der Lanthanoide, soweit enthalten, und (ii) dem Stoffmengenanteil von Kupfer 0,0182 oder mehr, vorzugsweise 0,0182 bis 0,127, beträgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das flächige Metallwerkstück zur Induzierung des Auflösungsprozesses durch wenigstens eine Kathode ohne direkte Kontaktierung anodisch polarisiert wird, das flächige Metallwerkstück zur Induzierung des
Abscheidungsprozesses durch wenigstens eine Anode ohne direkte Kontaktierung kathodisch polarisiert wird, und die Kathode und die Anode so angeordnet sind, dass sich zwischen Anode und Metallwerkstück und zwischen Kathode und Metallwerkstück Behandlungsflüssigkeit befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Konzentration der Summe von Yttrium, Lanthan und Lanthanoiden, soweit vorhanden, in der Behandlungsflüssigkeit 0,01 mol/l oder mehr beträgt und vorzugsweise im Bereich von 0,014 mol/l bis 0,35 mol/l, insbesondere im Bereich von 0,02 mol/l bis 0,125 mol/l liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Behandlungsflüssigkeit Lanthan enthält, und wobei vorzugsweise das Lanthan in Form von Lanthanoxid zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Behandlungsflüssigkeit ein Additiv der allgemeinen Formel (I):
HO-CHR8-CHR9-Z-(CHR4-CHR5-Z)n-CHR6-CHR7-OH (I) umfasst, worin: n = eine ganze Zahl von 1 bis 1 1 , insbesondere eine ganze Zahl von 1 bis 3, z = = S oder 0, insbesondere S,
R4 = H, d _4-Alkyl oder Phenyl,
R5 = H, d _4-Alkyl oder Phenyl,
R6 = H, d -4-Alkyl oder Phenyl,
R7 = H, d -4-Alkyl oder Phenyl,
R8 = H, d -4-Alkyl oder Phenyl, und
R9 = H, d .4-Alkyl oder Phenyl.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, worin: 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.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Additiv 1 ,8-Dihydroxy-3,6-dithiaoctan ist.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei als flächiges
Metallwerkstück ein Metallband oder eine Metallfolie verwendet wird.
9. Flächiges Metallwerkstück, erhalten nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Flächiges Metallwerkstück nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dessen Oberfläche Metallaggregate in Form von mit stehenden Lamellen besetzten Kugeln befinden.
1 1 . Flächiges Metallwerkstück nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dessen Oberfläche Metallaggregate befinden, in die Lanthanoid-Ionen eingebaut sind.
12. Verwendung des flächigen Metallwerkstücks gemäß Anspruch einem der Ansprüche 9 bis 1 1 als Substrat für die Bildung von festen Haftverbänden mit anderen Materialien.
13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei die anderen Materialien ausgewählt sind aus Thermoplasten, Kunstharzen, Klebstoffen, Lacken und Pasten.
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