Die Erfindung betrifft ein saures Bad zur galvanischen Abscheidung von glänzenden Gold- und Goldlegierungsschichten und einen Glanzzusatz hierfür.

Galvanische Goldbäder enthalten üblicherweise Gold und gegebenenfalls eines oder mehrere Legierungselemente in gelöster Form.

Derartige Elektrolyte basieren überwiegend auf Goldcyanidkomplexen. Es ist erforderlich, diese Elektrolyte mit Hilfe von anorganischen und/oder organischen Säuren und Puffersalzen auf einen schwach bis mäßig sauren pH-Wert einzustellen.

Damit aus solchen Bädern glänzende Gold- bzw. Goldlegierungsschichten abgeschieden werden, enthalten diese üblicherweise bestimmte anorganische oder organische Verbindungen als sogenannte "Glanzzusätze".

Ein typischer, sehr häufig eingesetzter Glanzzusatz ist, wie beispielsweise in DE 23 55 581 beschrieben, die Verbindung Pyridin-3-sulfonsäure.

Derartige Zusätze verschieben bzw. erweitern den Arbeitsbereich, also den Bereich anwendbarer Stromdichte, in dem ein glänzender Goldüberzug abgeschieden wird, in Richtung hoher Stromdichten. Die Anwendung höherer Stromdichten wiederum erlaubt die Abscheidung mit größerer Geschwindigkeit.

Andererseits ist der Arbeitsbereich derartiger Goldbäder auch vom pH-Wert des Elektrolyten abhängig. Hierbei gilt, daß bei höherem pH-Wert der Arbeitsbereich (anwendbarer Stromdichtebereich) eingeengt, gleichzeitig aber die Stromausbeute und damit die Abscheidegeschwindigkeit gesteigert wird.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, eine Optimierung der Arbeitsbedingungen und der Abscheideleistung derartiger saurer Goldbäder in der Hinsicht vorzunehmen, daß einerseits ein maximaler Stromdichte-Arbeitsbereich bei möglichst geringer negativer Beeinflussung durch pH-Wert-Änderungen und andererseits eine maximale Stromausbeute und Abscheidegeschwindigkeit erzielt wird.

Überraschend wurde nun gefunden, daß dies erreicht werden kann, wenn derartigen sauren Bäder zur Abscheidung von glänzenden Goldschichten als zweiten Glanzzusatz mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel I

        R - SO_m-H     (I)

zugefügt wird, worin

m

die Zahlen 3 oder 4 und

R

eine gerad- oder verzweigtkettige oder cyklische Alkylgruppe mit bis zu 20 C-Atomen und im Falle m = 4 auch eine Aryl- oder Heteroarylgruppe mit bis zu 10 C-Atomen, die gegebenenfalls ein- oder mehrfach mit gerad- oder verzweigtkettigen Alkylgruppen mit 1 bis 14 C-Atomen substituiert sein können,

Gegenstand der Erfindung ist somit ein saures Bad zur galvanischen Abscheidung von glänzenden Gold- und Goldlegierungsschichten, enthaltend Gold und gegebenenfalls ein oder mehrere Legierungselemente in gelöster Form sowie mindestens einen ersten Glanzzusatz, ausgewählt aus Pyridin-3-sulfonsäure, Nicotinsäure, Nicotinsäureamid, 3-(3-Pyridyl)-acrylsäure, 3-(4-Imidazolyl)-acrylsäure, 3-Pyridylhydroxymethansulfonsäure, Pyridin, Picolin, Chirtolinsulfonsäure, 3-Aminopyridin, 2,3-Diaminopyridin, 2,3-Di-(2-pyridyl)-pyrazin, 2-(Pyridyl)-4-ethansulfonsäure, 1-(3-Sulfopropyl)-pyridiniumbetain, 1-(3-Sulfopropyl)-isochinoliniumbetain und ihren Salzen und Derivaten, das Bad als zweiten Glanzzusatz mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel

        R - SO_m-H     (I)

enthält, worin

m

die Zahlen 3 oder 4 und

R

eine gerad- oder verzweigtkettige oder cyclische Alkylgruppe mit bis zu 20 C-Atomen und im Falle m = 4 auch eine Aryl- oder Heteroarylgruppe mit bis zu 10 C-Atomen, die gegebenenfalls ein- oder mehrfach mit gerad- oder verzweigtkettigen Alkylgruppen mit 1 bis 14 C-Atomen substituiert sein können,

Die Glanzzusätze gemäß Formel I sind ausgewählte Verbindungen aus den Klassen der Alkylsulfonate und der Alkyl-, Aryl- oder Heteroarylsulfate. In Formel I bedeutet, wenn m für die Zahlen 3 oder 4 steht, R eine gerad- oder verzweigtkettige oder cyclische Alkylgruppe mit bis zu 20 C-Atomen. Wenn m für die Zahl 4 steht, dann kann R auch eine Aryl- oder Heteroarylgruppe mit bis zu 10 C-Atomen sein, wobei diese ein- oder mehrfach mit gerad- oder verzweigtkettigen Alkylgruppen mit 1 bis 14 C-Atomen substituiert sein können.

Die Verbindungen der Formel I sind an sich bekannt und sind entweder kommerziell erhältlich oder ohne weiteres nach Standardverfahren herstellbar.

Diese Verbindungen sind ausreichend wasserlöslich und mit dem Galvanikbad kompatibel. Die Verbindungen haben Tensideigenschaften, wobei die entsprechende Wirkung bei einer Gesamtzahl an C-Atomen weniger als 4 verringert ist, und bei einer Gesamtzahl an C-Atomen von mehr als 20 im allgemeinen keine ausreichende Löslichkeit mehr gegeben ist.

Bevorzugte Glanzzusätze sind Verbindungen der Formel I in denen R für gerad- oder verzweigtkettige oder cyclische Alkylgruppen mit 5 bis 12 C-Atomen und insbesondere für verzweigtkettige Alkylgruppen mit 6 bis 10 C-Atomen steht.

Typische erfindungsgemäße Glanzzusätze sind Pentylsulfonat Pentylsulfat Hexylsulfonat Hexylsulfat Heptylsulfonat Heptylsulfat Octylsulfonat Octylsulfat Nonylsulfonat Nonylsulfat Decylsulfonat Decylsulfat Dodecylsulfonat Dodecylsulfat Cyclohexylsulfonat Cyclohexylsulfat und deren Isomere.

Diese Verbindungen können auch in Form ihrer Salze vorliegen.

Verzweigtkettige und kurzkettigere Verbindungen eignen sich aufgrund der geringer ausgeprägten Schaumneigung besonders in Verfahren und Anlagen, bei denen eine starke Schaumbildung stört, z.B. in luftbewegten Elektrolyten, bei der Trommelbearbeitung, in Anlagen zur Hochgeschwindigkeitsabscheidung (Spritzanlagen) und in Anlagen zur selektiven Abscheidung, wie z.B. Tauchzellen.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen weiteren Glanzzusatzes in sauren Bädern zur galvanischen Abscheidung von glänzenden Gold- und Goldlegierungsschichten erfolgt zweckmäßigerweise in einem Konzentrationsbereich von 0,01 bis 10 g/l. Besonders vorteilhaft sind erfindungsgemäße Bäder, die den Glanzzusatz gemäß Formel I in einer Konzentration von 0,1 bis 5 g/l enthalten.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der Verbindungen der Formel I als weiteren Glanzzusatz in galvanischen Goldbädern von ansonsten üblicher Zusammensetzung wird in unerwarteter Weise der anwendbare Stromdichte-Arbeitsbereich erheblich erweitert und gleichzeitig die Stromausbeute und die Abscheideleistung zum Teil drastisch gesteigert.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Goldbäder kann von vielen gängigen und handelsüblichen galvanischen, schwach sauren Goldbädern ausgegangen werden, in dem diesen die entsprechende Menge an Verbindung der Formel I zugegeben wird. Die qualitative und quantitative Zusammensetzung derartiger Goldbäder ist dem Fachmann aus Literatur und Praxis bestens bekannt und bedarf daher keiner eingehenderer Erläuterung. Diese enthalten in jedem Fall Gold in gelöster Form, ausgehend von Goldsalzen oder Gold-Komplexsalzen, wobei überwiegend Goldcyanidkomplexe eingesetzt werden. Weiterhin können die Bäder Legierungselemente in Form gelöster Salze oder Komplexsalze enthalten. Weiterhin enthalten die Bäder anorganische und/oder organische Säuren, entsprechende Salze sowie gegebenenfalls Puffer- und Leitsalze, um den pH-Wert und die Leitfähigkeit einzustellen. Um glänzende, glatte Goldschichten abzuscheiden sind regelmäßig organische Verbindungen enthalten, die meist Tensideigenschaften haben und als Glanzbildner wirken. Ein typischer und bewährter derartiger Glanzbildner ist Pyridin-3-sulfonsäure.

Weiterhin kommen als konventionelle Glanzzusätze auch

• Nicotinsäure,
• Nicotinsäureamid,
• 3-(3-Pyridyl)-acrylsäure
• 3-(4-Imidazolyl)-acrylsäure
• 3-Pyridylhydroxymethansulfonsäure
• Pyridin
• Picolin
• Chinolinsulfonsäure
• 3-Aminopyridin
• 2,3-Diaminopyridin
• 2,3-Di-(2-pyridyl)-pyrazin
• 2-(Pyridyl)-4-ethansulfonsäure
• 1-(3-Sulfopropyl)-pyridiniumbetain -
• 1-(3-Sulfopropyl)-isochinoliniumbetain

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Glanzusatzes bewirkt eine Reihe praxisrelevanter Vorteile. So kann unter ansonsten unveränderten Bedingungen die Abscheideleistung deutlich gesteigert werden. Aufgrund des breiteren Arbeitsbereiches ist die Feineinstellung der Arbeitsweise weniger kritisch, wobei die Gefahr einer sudigen Abscheidung wesentlich reduziert wird.

Es kann aber auch mit höheren pH-Werten bei unverändertem Arbeitsbereich gearbeitet werden. Damit ist es ebenfalls möglich, die Abscheideleistung zu steigern.

Alternativ kann aber auch ein geringer Goldgehalt bei gleichbleibender Abscheideleistung verwendet werden. Die Vorteile liegen dabei in der geringeren Verschleppung durch an der Ware anhaftenden Elektrolyten und in der niedrigeren Kapitalbindung.

In einem Gold-Kobalt-Elektrolyten mit 10 g/l Gold in Form von Kaliumgold(I)-cyanid 0,5 g Kobalt als Kobaltsulfat 100 g/l Citronensäure 3 g/l Pyridin-3-sulfonsäure mit Kaliumhydroxid auf pH 4,2 eingestellt wird in einer Hullzelle (Versuchsbedingungen: platinierte Titananode, Temperatur 50°C, Dauer 2 min, Bewegung 500 U/min durch Magnetrührstab 25 mm) bei einem Zellenstrom von 2 A ein Arbeitsbereich bis 3 A/dm² erzielt. Die Stromausbeute bei 3 A/dm² beträgt 48 %; die Abscheidegeschwindigkeit beträgt 0,98 µm/min.

Durch den Zusatz von 1 g/l Nonylsulfat wird die maximal anwendbare Stromdichte auf über 5 A/dm² gesteigert. Dies entspricht einer Verbreiterung des Arbeitsbereichs um über 66 %.

Bei einem dann auf 4,4 erhöhten pH-Wert wird ein Arbeitsbereich bis 4 A/dm² erzielt; die Abscheideleistung beträgt 1,05 µm/min.

Bei pH 4,6 reicht der Arbeitsbereich bis 3 A/dm² und es wird eine Abscheidegeschwindigkeit von 1,15 µm/min erzielt.

In einem Gold-Nickel-Elektrolyten mit 10 g/l Gold in Form von Kaliumgold(I)-cyanid 0,7 g Nickel in Form von Nickelsulfat 100 g/l Citronensäure 3 g/l Pyridin-3-sulfonsäure mit Kaliumhydroxid auf pH 4,2 eingestellt wird auf vorvernickelten Blechen der Größe 25 x 40 mm (Versuchsaufbau: 1 Liter Becherglas, platinierte Titananode, Badbewegung 200 U/min durch Magnetrührstab 60 mm, Warenbewegung 5 cm/s) eine maximale Stromdichte von 3 A/dm² erreicht. Die kathodische Stromausbeute bei 3 A/dm² beträgt 52 % und die Abscheidegeschwindigkeit 1,0 µm/min.

Durch den Zusatz von 0,5 g/l Decylsulfat wird die maximal anwendbare Stromdichte auf über 7 A/dm² gesteigert. Bei 7 A/dm² beträgt die Stromausbeute noch 26 %, die Abscheideleistung steigt auf 1,18 µm/min. Dies entspricht einem Geschwindigkeitszuwachs um 18 %.

In einem Gold-Eisen-Elektrolyten mit 10 g/l Gold in Form von Kaliumgold(I)-cyanid 0,05 g Eisen als Eisen(III)citrat 100 g/l Citronensäure 3 g/l Pyridin-3-sulfonsäure mit Kaliumhydroxid auf pH 4,2 eingestellt wird auf Blechen der Größe 25 x 40 mm (Bedingungen siehe Beispiel 2) eine maximale Stromdichte von 5 A/dm² erreicht. Die kathodische Stromausbeute beträgt dabei 31 % und die Abscheidegeschwindigkeit 1,0 µm/min.

Durch den Zusatz von 4 g/l Hexylsulfat wird die maximal anwendbare Stromdichte auf über 6 A/dm² gesteigert. Bei 6 A/dm² beträgt die Stromausbeute noch 30 %; die Abscheideleistung steigt auf 1,16 µm/min. Dies entspricht einem Geschwindigkeitszuwachs um 16 %.

In einem Gold-Kobalt-Elektrolyten mit 10 g/l Gold in Form von Kaliumgold(I)-cyanid 0,5 g Kobalt als Kobaltsulfat 100 g/l Citronensäure 1 g/l 3-(3-Pyridyl)-acrylsäure mit Kaliumhydroxid auf pH 4,2 eingestellt wird in einer Hullzelle (Versuchsbedingungen: platinierte Titananode, Temperatur 50°C, Dauer 2 min, Bewegung 500 U/min durch Magnetrührstab 25 mm) bei einem Zellenstrom von 2 A ein Arbeitsbereich bis 5 A/dm² erzielt. Die Stromausbeute bei 5 A/dm² beträgt 26 %; die Abscheidegeschwindigkeit beträgt 0,83 µm/min.

Durch den Zusatz von 1,5 g/l Octylsulfat wird die maximal anwendbare Stromdichte auf über 8 A/dm² gesteigert. Bei 8 A/dm² beträgt die Stromausbeute noch 19 %; die Abscheideleistung steigt auf 1,0 µm/min.

Im Gold-Kobalt-Elektrolyten aus Beispiel 1 wird durch den Zusatz von 1 g/l Hexylsulfonat die maximal anwendbare Stromdichte auf über 5.A/dm² gesteigert. Bei 5 A/dm² beträgt die Stromausbeute 35,1 %, die Abscheideleistung steigt auf 1,13 µm/min. Dies entspricht einem Geschwindigkeitszuwachs um 15 %.

Im Gold-Kobalt-Elektrolyten aus Beispiel 1 wird durch den Zusatz von 1 g/l Octylsulfonat die maximal anwendbare Stromdichte auf über 7 A/dm² gesteigert. Bei 7 A/dm² beträgt die Stromausbeute 26,2 %, die Abscheideleistung steigt auf 1,18 µm/min. Dies entspricht einem Geschwindigkeitszuwachs um 20 %.

In einem Gold-Kobalt-Elektrolyten (siehe Beispiel 1)aus 10 g/l Gold in Form von Kaliumgold(I)-cyanid 0,5 g Kobalt als Kobaltsulfat 100 g/l Citronensäure mit Kaliumhydroxid auf pH 4,2 eingestellt wird unter den Versuchsbedingungen von Beispiel 1 der Einfluß auf Arbeitsbereich und Abscheidegeschwindigkeit durch Zugabe von Octylsulfat alleine, Pyridin-3-sulfonsäure alleine und beide Substanzen gemeinsam als Glanzzusätze ermittelt. Tabelle 1 zeigt das Ergebnis.

Die Kombination aus beiden Substanzen erweitert den-Arbeitsbereich drastisch und bewirkt eine erhebliche Steigerung der Abscheidegeschwindigkeit. Octylsulfat Pyridin-3-sulfonsäure Arbeitsbereich (glänzend) bis Abscheidegeschwindigkeit - - 2 A/dm² 0,63 µm/min 2 g/l - 2 A/dm² 0,65 µm/min - 3 g/l 3 A/dm² 0,98 µm/min 2 g/l 3 g/l 5 A/dm² 1,12 µm/min