Galvanische Abscheidung bestimmter Metalle

Galvanische Abscheidung von Gold

Anwendungsbereiche

In der Elektronik und Elektrotechnik finden Goldüberzüge aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit, der sehr hohen Korrosionsbeständigkeit, dem geringen Kontaktwiderstand sowie die gute Lötbarkeit von Gold breite Verwendung. Typische Schichtdicken liegen bei einigen 100 nm (z. B. zur Löthilfe) bis einigen µm als Korrosionsschutz.

Alkalische zyanidische Abscheidung von Gold

Hierbei basiert der Elektrolyt auf dem hochgiftigen Kaliumdicyanoaurat(I) = K[Au(CN)2]. Diese Verbindung enthält ca. 68 % Gold und dissoziiert in wässriger Lösung in K+- und [Au(CN)2]--Ionen. Letztere wandern zur Anode und dissoziieren dort zu Au+- und (CN)--Ionen. Die Gold-Ionen wandern zurück zur Kathode, werden dort neutralisiert und auf der Kathode abgeschieden.
Als Anode kommen entweder lösliche Gold- oder Gold-Kupferelektroden, oder unlösliche platinierte Titan-Elektroden zum Einsatz.

Neutrale zyanidische Abscheidung von Gold

Dieser Elektrolyt basiert ebenfalls auf Kaliumdicyanoaurat, enthält jedoch kein freies Zyanid (keine freien (CN)--Ionen). Als Anode kommen unlösliche platinierte Titan-Elektroden zum Einsatz.

Saure zyanidische Abscheidung von Gold

Auch hier ist Kaliumdicyanoaurat die Goldquelle im Elektroyten, der zusätzlich Cobalt oder Nickel, sowie Zitronensäure enthält. Hierdurch lassen sich glänzende Goldschichten erzielen, die wegen ihres relativ großen Anteils organischer Bestandteile vergleichsweise hart sind und eine geringe Duktilität aufweisen. Als Anode kommen unlösliche platinierte Titan-Elektroden oder Edelstahl zum Einsatz.

Stark saure zyanidische Abscheidung von Gold

Hierfür bildet dreiwertiges Kaliumtetracyanoaurat(III) = K[Au(CN)4], welches auch  in stark sauren Lösungen beständig ist, den Metallträger des Elektrolyten. Weiterhin sind Mineralsäuren wie Schwefel- oder Phosphorsäure enthalten.

Zyanid-freie Abscheidung von Gold mit Goldsulfiten

Anstelle der hochgiftigen Cyano-Verbindungen basiert hierbei der Elektrolyt auf Ammoniumdisulfitoaurat(l) = (NH4)3[Au(SO3)2] bzw. Natrium-disulfitoaurat(l) = (Na)3[Au(SO3)2] (Alkaligoldsulfit). Die [Au(SO3)2]3--Ionen der Lösung zerfallen nahe der Kathode in Au+-und (SO3)2--Ionen, die Goldionen werden an der Kathode zu Gold reduziert und abgeschieden.
Neben dem Verzicht auf die hochgiftigen zyanidischen Bäder haben aus sulfitischen Elektrolyten abgeschiedene Goldschichten die Vorteile ausgezeichneter Makrostreufähgkeit (= hohe Abscheiderate auch an strombenachteiligten Stellen der Elektrode) und hoher Duktilität.
Unser Gold-Elektrolyt NB SEMIPLATE AU 100 basiert aus diesen Gründen auf einem sulfitischen Elektrolyten.

Glanzbildung

Ein hoher Glanz des abgeschiedenen Goldes erfordert eine glatte Oberläche mit feiner, definierter kristalliner Struktur. Dafür ist es notwendig, die Keimbildung beim Gold-Wachstum zu fördern, dabei gleichzeitig das Keimwachstum zu unterdrücken.
Diese Anforderung wird je nach Elektrolyt durch Zugabe von Elementen wie Arsen, Thallium, Selen und Blei sowie Ethylendiamin erfüllt, die das Wachstum der Kristallite über eine lokal selektive Passivierung oder eine chemische Pufferung lokal unterschiedlicher pH-Werte unmittelbar am Ort der Goldabscheidung kontrollieren.

Galvanische Abscheidung von Nickel

Abscheidung von Nickel mit Nickelsulfat

Hauptmetalllieferant ist hierbei Nickelsulfat als Hexahydrat mit der Formel NiSO4·(H2O)6, oder als Heptahydrat (NiSO4·(H2O)7). Nickelchlorid als Hexahydrat = NiCl2·(H2O)6 dient zur Verbesserung der Anodenlöslichkeit sowie als Leitsalz der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrolyten. Borsäure = H3BO3 dient als chemischer Puffer zur Aufrechterhaltung des pH-Wertes.
Das Nickelsulfat dissoziiert in wässriger Lösung in Ni2+ und (SO4)2- Ionen. Die Ni2+-Ionen werden an der Kathode zu Nickel reduziert, welches sich dort als metallischer Überzug abscheidet. Die Sulfat-Ionen wandern zur Kupfer-Anode und bilden dort unter Verbrauch der Anode neues Kupfersulfat, welches in Lösung geht.

Abscheidung von Nickel mit Chloridelektrolyten

Reine (d. h. Nickelsulfat-freie) Chloridelektrolyte bestehen aus NiCl2·(H2O)6 als Metalllieferant und Leitsalz in einem, und Borsäure als chemischer Puffer.
Verglichen mit Nickelsulfat-Elektrolyten erlauben Nickelchlorid-Bäder wegen ihrer höheren elektrischen Leitfähigkeit eine Abscheidung mit geringerer elektrischer Leistung. Jedoch sind Nickelchlorid-Bäder teurer und korrosiver als Nickelsulfat-Bäder.

Abscheidung von Nickel mit Nickelsulfamat

Hauptmetalllieferant dieses Elektrolyten ist Nickelsulfamat-4-hydrat mit der Formel Ni(SO3NH2)2·(H2O)4, Nickelchlorid = NiCl2 zur Verbesserung der Anodenlöslichkeit und Borsäure = H3BO3 als chemischer Puffer zur Aufrechterhaltung des pH-Wertes.
Das Nickelsulfamat dissoziiert in wässriger Lösung in Ni2+ und (SO3NH2)- Ionen. Die Ni2+-Ionen werden an der Kathode zu Nickel reduziert, welches sich dort als metallischer Überzug abscheidet. Die Sulfamat-Ionen wandern zur Kupfer-Anode und bilden dort unter Verbrauch der Anode neues Kupfersulfat.
Nickelsulfamat besitzt eine sehr hohe Wasserlöslichkeit, so dass damit sehr metallreiche Bäder mit hohen Stromdichten und Abscheideraten angesetzt werden können, welche dennoch Nickelschichten mit guten mechanischen Eigenschaften erzielen. Die Verwendung eines Nickelsulfamat-basierten Elektrolyten ist besonders dann empfehlenswert, wenn gleichzeitig dicke und spannungsfreie Schichten benötigt werden. Die dabei abgeschiedene Nickelschicht ist sehr duktil und bietet einen guten Schutz gegenüber Verschleiß und Korrosion.
Unser Nickelbad NB SEMIPLATE Ni 100 basiert aus diesen Gründen auf einem Elektrolyten auf Basis von Nickelsulfamat.

Glanzmittel: Glanzbildner und Glanzträger

Voraussetzungen für glänzende Nickelschichten
Welche Oberflächeneigenschaften zu einer glänzenden (Nickel-)Oberfläche führen ist auch für Nickel noch nicht gänzlich verstanden, auch wenn eine möglichst glatte, feinkristalline Struktur eine große Rolle dabei spielt. Eine feinkristalline Oberfläche erfordert, dass zum einen eine hohe Keimbildungsdichte besteht, andererseits das Wachstum dieser Keime zu größeren Kristalliten unterdrückt wird.

Glanzträger (primäre Glanzmittel)

Zusätze wie Sulfonamide, Sulfonimide und Sulfonsäuren bewirken eine Kornverfeinerung der wachsenden Nickelschicht, welche eine tendenziell hohe Duktilität aufweist.

Glanzbildner und Einebner (sekundäre Glanzmittel)

Diese Zusätze ermöglichen über einebnende Effekte hochglänzende Schichten von allerdings geringerer Duktilität.

Galvanische Abscheidung von Zinn

Abscheidung von Zinn mit Zinn(II)-sulfat

Hierbei besteht der Elektrolyt aus einer schwefelsauren Zinn(II)-sulfat Lösung. Das Zinnsulfat dissoziiert in wässriger Lösung in Sn2+ und (SO4)2--Ionen. Die Sn2+-Ionen werden an der Kathode zu Zinn reduziert, welches sich dort als metallischer Überzug abscheidet. Die Sulfat-Ionen wandern zur Zinn-Anode und bilden dort unter Verbrauch der Anode neues Zinnsulfat, welches in Lösung geht.

Abscheidung von Zinn mit Zinn(II)-methansulfonat

Hierbei besteht der Elektrolyt aus Methansulfonsäure (CH3SO3H) und ihrem Salz, Zinn(II)-methansulfonat. Dieses Salz dissoziiert in wässriger Lösung in Sn2+ und (CH3SO3)--Ionen. Die Sn2+-Ionen werden an der Kathode zu Zinn reduziert, welches sich dort als metallischer Überzug abscheidet. Die Methansulfonat-Ionen wandern zur Zinn-Anode und bilden dort unter Verbrauch der Anode neues Zinn(II)-methansulfonat, welches in Lösung geht.
Unser Zinnelekrolyt NB SEMIPLATE SN 100 basiert auf Zinn(II)-methansulfonat und Methansulfonsäure .

Galvanische Abscheidung von Kupfer

Anwendungsbereiche

In der Elektronik dient die elektrochemische Verkupferung u. a. dem Aufbau von Leiterbahnen bei gedruckten Schaltungen sowie zum Durchkontaktieren.
Elektrolyte und Anoden

Alkalische cyanidische Abscheidung von Kupfer

Metallträger ist hierbei Kupfer(I)cyanid (CuCN), welches nicht in Wasser, jedoch in wässrigen Lösungen von NaCN oder KCN löslich ist, wobei sich via CuCN + 2 NaCN -> Na2[Cu(CN)3] lösliche cyanidische Komplexe bilden.
Daraus abgeschiedene Kupferschichten zeigen eine sehr gute Haftfestigkeit.

Schwefelsaure Abscheidung von Kupfer

Als Alternative zum hochgiftigen Kupfer(I)cyanid besteht der Elektrolyt für die schwefelsaure Abscheidung aus in verdünnter Schwefelsäure gelöstem Kupfersulfat (CuSO4). Das Kupfersulfat dissoziiert in wässriger Lösung in Cu2+- und (SO4)2--Ionen. Die Cu2+-Ionen werden an der Kathode zu Kupfer reduziert, welches sich dort als metallischer Überzug abscheidet. Die Sulfat-Ionen wandern zur Kupfer-Anode und bilden dort unter Verbrauch der Anode neues Kupfersulfat, welches in Lösung geht.
Die Schwefelsäure dient nicht nur der Leitfähigkeitsverbesserung des Elektrolyten, sondern ist die Voraussetzung für eine zusammenhängende, gleichmäßige Schichtabscheidung.
Unser Kupferbad NB SEMIPLATE CU 100 basiert aus in verdünnter Schwefelsäure gelöstem Kupfersulfat.

Galvanische Abscheidung von Silber

Anwendungsbereiche

In der (Mikro-)Elektronik dienen kommen Silberschichten wegen ihrer guten elektrischen Eigenschaften zum Einsatz: Unter allen Metallen besitzt Silber die höchste elektrische Leitfähigkeit.

Cyanidische Abscheidung von Silber

Da Silbercyanid (AgCN) in Wasser nahezu unlöslich ist, wird dem Elektrolyten Kaliumcyanid (KCN) beigegeben, wodurch die Konzentration freien Cyanids erhöht wird. Je nach der Konzentration freien Cyanids stellen sich Gleichgewichtskonzentrationen der löslichen cyanidischen Komplexe Dicyanoargentat = [Ag(CN)2]-, Tricyanoargentat = [Ag(CN)3]2-, und Tetracyanoargentat = [Ag(CN)4]3- ein.

Cyanidfreie Abscheidung von Silber

Als Alternative zum hochgiftigen Silbercyanid kommt eine ganze Reihe an weniger-. bzw. ungiftigen Komplexbildnern zum Einsatz, wie z. B. Jodid, Sulfit, Ethylendiamin oder Thioharnstoff.

Unsere Broschüre Mikro-Galvanik

Unsere technische Broschüre mit theoretischen und anwendungs-orientierten Informationen zur Galvanik in der Lithografie kann hier als pdf geladen oder (gratis) bestellt werden.