DE102022124665A1

DE102022124665A1 - Verfahren zum Elektroplattieren von Kupfer auf Niob oder Nioblegierungen und Werkstück aus Niob oder Nioblegierung mit Kupferbeschichtung

Info

Publication number: DE102022124665A1
Application number: DE102022124665.5A
Authority: DE
Inventors: Alena Prudnikava
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2024-03-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Kupfer auf Niob oder Nioblegierungen, das zumindest die Schritte umfasst, dass zunächst ein Werkstück aus Niob oder einer Nioblegierung und ein Bad mit einer Lösung von Kupfertartrat-Hydrat mit einer Massenkonzentration im Bereich von 2, 0 g/L bis 5,0 g/L, Natriumgluconat mit einer Massenkonzentration im Bereich von 2 g/L bis 5 g/L und Natriumhydroxid mit einer Massenkonzentration im Bereich von 2 g/L bis 4 g/L in entionisiertem Wasser und mit einer Temperatur im Bereich von 30 °C bis 90 °C. Ferner ist eine Anode aus Kupfer oder anderen leitenden Materialien vorgesehen, die gegenüber der Badlösung inert sind. Anschließend werden zumindest die zur Galvanisierung vorgesehenen Flächen des Werkstücks und der Anode in einem Abstand im Bereich von 20 mm bis 50 mm zueinander in die Badlösung getaucht. Anschließend wird das Werkstück mit einer Stromdichte im Bereich von 20 mA/dm2 bis 60 mA/dm2 für eine Dauer im Bereich von 1 min bis 60 min galvanisch beschichtet.Darüber hinaus wird ein Werkstück aus Niob oder einer Nioblegierung mit einer Kupferschicht galvanisiert, die eine Dicke von 10 nm bis 500 nm aufweist und deren Haftung so groß ist, dass die Haftung der Schicht mit 5A eingestuft wird, und zwar gemäß dem Haftklebebandtest, der nach incidento der nach ASTM D3359, Testmethode A (X-cut Tape Test) durchgeführte Klebebandtest beansprucht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum galvanischen Aufbringen von Kupfer auf Niob oder Niob-Legierungen. Ferner werden Werkstücke aus Niob oder Niob-Legierungen beansprucht, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Kupfer galvanisch beschichtet werden. Das Galvanisieren von Kupferbeschichtungen auf Niob wird beispielsweise bei der Herstellung von supraleitenden Resonatoren für Teilchenbeschleuniger eingesetzt.
In der gesamten Beschreibung ist an den Stellen, an denen Niob erwähnt ist, dies auch für Niob-Legierungen mit einem hohen (≥ 50 %) Niob-Gehalt zu lesen, sofern nichts anderes angegeben ist.
In der gesamten Beschreibung sind die Begriffe „Schicht“ und „Film“ synonym für einen dünnen (im Mikro- beziehungsweise Nanometerbereich), gleichmäßigen Materialauftrag fester Stoffe auf einer Unterlage verwendet.
Supraleitende Vorrichtungen und Bauteile wie Leiter aus Niob werden insbesondere mit Kupferschichten versehen, um die Kühlmöglichkeiten durch eine bessere Wärmeleitung mit Hilfe der Verkupferung zu verbessern. Darüber hinaus wird über die Verkupferung von Niobkomponenten zur besseren Verbindung dieser Komponenten berichtet. Bei der Herstellung von supraleitenden Resonatoren ist das umgekehrte Verfahren der Niobbeschichtung auf einem Kupferbauteil ebenfalls gängige Praxis, hier aber nicht einschlägig.
Für alle Anwendungen ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Kontakt zwischen dem Niob und dem Kupfer von einer Größe ist, die für die Anwendung genügend ist und dass die Haftung auch bei sehr niedrigen Temperaturen (< 5 K) genügend stark ist und den Abkühl- und Aufheizzyklen standhält. Auswirkungen auf die Qualität von supraleitenden Geräten, die durch schlechte Kontakte und geringe Haftung verursacht werden, werden beispielsweise von V. Palmieri und R. Vaglio diskutiert (Thermal contact resistance at the Nb/Cu interface as a limiting factor for sputtered thin film RF superconducting cavities, Superconductor Science and Technolgy, 2016, Vol. 29, 015004 - 2-12). Die Bedeutung eines guten Kontakts zwischen Niob und Kupfer, insbesondere im Hinblick auf Tieftemperaturanwendungen, ist das Thema von G. Ciovati et al. (Multi-metallic conduction cooled superconducting radio-frequency cavity with high thermal stability, Supercondtor Science and Technology, 2020, Vol. 33, 07LT01 - 1-7). G. Ciovati et al. schlagen vor, zunächst eine dünne Kupferschicht auf der Nioboberfläche durch Kaltgasspritzen von Kupfer vor der Galvanisierung zu erzeugen, um die beschriebenen Probleme zu überwinden. Nicht zuletzt ist die Arbeit von V. Palmieri und R. Vaglio (Thermal contact resistance at the Nb/Cu interface as a limiting factor for sputtered thin film RF superconducting cavities, Superconductor Science and Technology, 2016, Vol. 29, 015004 - 1-12) über den Einfluss eines guten Kontakts zwischen Kupfer und Niob auf die Qualität von HF-supraleitenden Kavitäten zu nennen.
Es sind im Stand der Technik verschiedene Ansätze für Galvanisierungsmethoden zum Verkupfern von Niob vorgeschlagen.
In der GB 1,152,091 A wird ein Verfahren offenbart, das die folgenden Schritte umfasst. Als erstes das Entfetten des Niob-Werkstücks mit einem geeigneten, vorzugsweise chlorierten Lösungsmittel; gefolgt von Desoxidation in einer Mischung aus Flusssäure und Schwefelsäure; dann Beizen in einer Mischung aus Flusssäure, Schwefelsäure und Salpetersäure; sowie chemische Einwirkung auf die Oberfläche der Metalllegierung mit einer verdünnten wässrigen Lösung von Flusssäure und Ammoniumfluorid als Hauptschritt des Verfahrens, die der Legierung den für eine erfolgreiche Verkupferung erforderlichen Oberflächenzustand verleiht, und schließlich eine elektrolytische Verkupferung in einem Bad aus Kupfer(II)-tetrafluoroborat und Fluorborsäure. Hier wird jedoch nichts darüber gesagt, was es mit dem erwähnten Oberflächenzustand auf sich hat.
Ein weiteres Verfahren mit Schwerpunkt auf einer speziellen Vorbereitung der Nioboberfläche vor dem eigentlichen Galvanisierungsprozess ist in der DE 1 521 010 C3 beschrieben. Demnach wird Zinn in geringen Mengen auf die zu verkupfernde Nioboberfläche aufgebracht. Das Zinn wird durch Erhitzen in das Niobgitter eingebaut. Anschließend wird die Nioboberfläche mit einem flusssäure- und salpetersäurehaltigen Beizmittel behandelt und anschließend elektrolytisch verkupfert.
In der EP 1 892 322 B wird die Oberfläche des Niob-Rohmaterials vor der Beschichtung mit Kupfer durch Galvanoformung mit Nickel beschichtet.
Ein ähnliches Verfahren zur elektrochemischen Verkupferung von Niob, bei dem die Nioboberfläche zunächst mit Nickel beschichtet wird, ist in der US 4,632,734 B offenbart. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: (a) Abstrahlen eines Niob-Werkstücks mit Aluminiumoxid, (b) Behandeln des gestrahlten Werkstücks aus Schritt (a) mit einem alkalischen Cyanidbad, (c) Unterziehen des behandelten Werkstücks aus Schritt (b) einer vorläufigen elektrolytischen Nickelabscheidungsbehandlung unter Verwendung eines sauren Nickelchloridbads, (d) Unterziehen des behandelten Werkstücks aus Schritt (c) einer weiteren Behandlung mit einem alkalischen Cyanidbad, und anschließend (e) Durchführen einer elektrochemischen Beschichtungsbehandlung mit Kupfer.
K. DeBry und G. Lafyatis (Electroplating process for connectorizing superconducting NbTi cables; Review of Scientific Instruments, 2018, Vo. 89, 076108 - 1-3) beschreiben ein Verfahren zur galvanischen Beschichtung von NbTi-Kabeln für eine Verbindung, bei dem zunächst die Oberfläche der NbTi-Kabel in einem basischen, oxidierenden elektrolytischen Bad oxidiert wird.
Eine wissenschaftliche Erklärung für das zugrundeliegende Problem bei der Bildung eines Kupferfilms mit guter Haftung auf Niob ist die galvanische Austauschreaktion zwischen Kupfer und Niob (Niob hat ein negativeres elektrochemisches Potenzial als Kupfer), so dass eine Vorbeschichtung mit einem weniger aktiven Metall wie Nickel die Verdrängungsreaktion des Kupfers mit dem Niob vermeidet. Die Beschichtung mit Nickel oder einem anderen Metall birgt andererseits ebenfalls Schwierigkeiten, wie z. B. die Bildung einer Schicht mit einer bestimmten Porosität, die Bildung von Oxiden und einer bestimmten Dicke, um eine Schicht zu erhalten. Außerdem ist Nickel ferromagnetisch, was für bestimmte Anwendungen eine Einschränkung darstellt.
Ausgehend von den skizzierten Problemen im Stand der Technik ist es Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Kupfer auf Niob oder Nioblegierungen bereitzustellen, mit dem eine Kupferschicht mit, im Vergleich zum Stand der Technik, verbesserter Haftung erhalten werden kann und welches gleichzeitig gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht ist. Es werden auch Werkstücke aus Niob oder Niob-Legierungen beansprucht, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Kupfer beschichtet sind.
Die Lösung der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Werkstück nach Anspruch 2 gegeben.
Unerwartet ist am Helmholtz-Zentrum Berlin ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Kupfer auf Niob oder Niob-Legierungen gefunden worden, mit dem die Aufgabe in einem vorgegebenen spezifischen Parameterraum, mit spezifischen Chemikalien und nach einem spezifischen Ablauf von Verfahrensschritten gelöst wird.
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Kupfer auf Niob oder Niob-Legierungen, das mindestens die Schritte umfasst:

a. Bereitstellen eines Werkstücks aus Niob oder einer Nioblegierung;
b. Bereitstellen eines Bades mit einer Lösung von Kupfertartrat-Hydrat mit einer Massenkonzentration im Bereich von 2,0 g/L bis 5,0 g/L, Natriumgluconat mit einer Massenkonzentration im Bereich von 2 g/L bis 5 g/L und Natriumhydroxid mit einer Massenkonzentration im Bereich von 2 g/L bis 4 g/L in entionisiertem Wasser und mit einer Temperatur im Bereich von 30 °C bis 90 °C;
c. Bereitstellen einer Anode aus Kupfer oder anderen leitenden Materialien, die gegenüber der Badlösung inert sind;
d. Eintauchen der Anode und zumindest der für die Galvanisierung vorgesehenen Oberflächen des Werkstücks in einem Abstand von 20 mm bis 50 mm zueinander in die Badlösung;
e. Elektroplattieren des Werkstücks mit einer Stromdichte im Bereich von 20 mA/dm² bis 80 mA/dm² für eine Dauer im Bereich von 1 min bis 60 min.

Das Ergebnis der Behandlung eines Werkstücks aus Niob oder einer Nioblegierung mit dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist ein homogener dünner Kupferfilm mit einer Dicke, die hauptsächlich von der Zeit der Galvanisierung abhängt, und im Bereich von 10 nm bis 500 nm liegt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Kupferschicht weist eine Haftung auf, die einem sogenannten „Adhesion Tape Test“ (mehr dazu unten) und einer Thermoschockprüfung mit flüssigem Stickstoff standhält. Wird eine dickere Kupferschicht benötigt, kann der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Kupferfilm als Ausgangspunkt für ein Standardverkupferungsverfahren mit einem Kupfersulfatbad verwendet werden, wie es allgemein für die galvanische Verkupferung von Stahl bekannt ist.
Für das erfindungsgemäße Verfahren sollten in vorteilhafter Weise die folgenden Anmerkungen berücksichtigt werden.
Zu Schritt a. ist zu erwähnen, dass es ratsam ist, eine entfettete und von Fremdpartikeln freie Oberfläche bereitzustellen. Jedes dem Fachmann bekannte Verfahren zur Herstellung einer solchen Oberfläche ist geeignet. Ein nützliches Verfahren ist z. B. in GB 1,152,091 A beschrieben, bei dem das Niob-Werkstück mit einem chlorierten Lösungsmittel entfettet und in einer Mischung aus Flusssäure und Schwefelsäure an der Oberfläche von Oxiden befreit wird. Das Standard-Ätzbad für Niob (genannt „buffered chemical polishing“, BCP, HF (48%): HNO₃ (60%): H₃PO₄ (95%) = 1:1:2) eignet sich auch zum Entfernen von gröberen Auflagen von Nioboxiden, falls vorhanden, und von mechanischen Beschädigungen nach mechanischer Bearbeitung. Nach dem Ätzen muss das Niob gründlich in deionisiertem Wasser gewaschen werden. Es ist zu erwähnen, dass die so vorbereitete Nioboberfläche mit einer dünnen nativen Nb₂O₅-Oxidschicht von 3 - 7 nm Dicke bedeckt ist. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn auf der Oberfläche Rillenbildung durch Kratzen oder ähnliches vermieden wird. Ein Polieren der Oberfläche könnte daher ebenfalls vorteilhaft sein.
Im Hinblick auf Schritt b. des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Folgendes zu beachten.
Die wichtigsten Parameter für eine Schichtabscheidung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Art und Konzentration der Chemikalien (Kupfertartrat-Hydrat „CuTH“, Natriumgluconat „SG“ und Natriumhydroxid „NaOH“) sowie eine relativ geringe Stromdichte.
Die Temperatur des Lösungsmittels wirkt sich auf die Morphologie des abgeschiedenen Films aus. Mit steigender Temperatur nimmt die Dichte der sich im Film bildenden Cu-Partikel zu. Wenn eine höhere Konzentration von CuTH verwendet wird, wird die Temperatur entscheidend, um einen Film mit guter Haftung zu erhalten. Je höher die CuTh-Konzentration innerhalb des gegebenen Bereichs ist, desto höher sollte die Temperatur im gegebenen Bereich sein. Als Richtwert gilt, dass bei einer Massenkonzentration an CuTh von 4,2 g/l die Badtemperatur nicht geringer als 60 °C betragen aber innerhalb der Grenze weniger als 90 °C. Die Reihenfolge des Mischens der Komponenten im Bad ist vorzugsweise CuTH+NaOH+H₂O und Erhitzen auf 40°-60° C für 10-30 min, bis die Mischung homogen ist (d.h. kein ungelöster Rückstand mehr vorhanden ist), woraufhin SG zugegeben wird. Alternativ wird das Gemisch aus CuTH+NaOH+SG+H₂O 10-30 min auf 40 °C-60 °C erhitzt. Die beschriebene Herstellung der Lösung bietet gute Lagerungsbedingungen (d.h. keine Zersetzung der Lösung).
Die Mechanismen und die Chemie des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich wie folgt kurz beschreiben. NaOH wird zugesetzt, um den PH-Wert der Lösung zu regulieren und um lösliche Komplexe mit CuTH zu bilden, das in Wasser ansonsten unlöslich ist. Dies führt unmittelbar zu einer besseren Homogenität des Films. SG ist ein Chelatbildner und unterdrückt, wie experimentell nachgewiesen wurde, die Bildung von Cu₂O während der Galvanisierung und verhindert außerdem die Zersetzung einer eventuell vorhandenen Kupferanode. Dennoch wurde eine sehr geringe Menge Cu₂O in den gebildeten Filmen durch Röntgenbeugung (XRD) nachgewiesen, die in der Geometrie des streifenden Einfalls bei Winkeln des einfallenden Röntgenstrahls ω=0,5°-5° gemessen wurde ( ). Es wird angenommen, dass eine weitere Erhöhung des SG-Gehalts die Bildung von Cu₂O in den abgeschiedenen Kupferschichten weiter unterdrückt.
Eine CuTH-Lösung, die ohne jegliche Zusätze verwendet wird, führt zu Kupferschichten, die über den gesamten Kathodenbereich inhomogen sind und einen schwarzen Farbton aufweisen (aufgrund des Vorhandenseins von Cu₂O und möglicherweise elementarem Kupfer, das mit dem Abbau der Kupfer-Anode verbunden ist).
Wenn die Menge beider Zusätze, SG und NaOH, geringer ist als angegeben, ist die resultierende Abscheidung ähnlich wie diejenige, die ohne jegliche Zusätze erhalten wird.
Ist die NaOH-Konzentration niedriger als angegeben, löst sich CuTH nicht vollständig in Wasser auf (Kupfertartrat-Hydrat ist wasserunlöslich), was zu Kupferschichten führt, die denen ohne Zusätze ähneln.
Wenn die NaOH-Konzentration im Vergleich zum angegebenen Wert zu hoch ist, erhält man keine kontinuierliche Kupferablagerung, sondern kupferhaltige Inseln, die mit Cu₂O-Phasen vermischt sind.
Ist der SG-Gehalt niedriger als angegeben oder fehlt er ganz, so ist der gebildete Kupferfilm etwas dunkler gefärbt (aufgrund von Cu₂O, was durch XRD nachgewiesen wird) und die Kupfer-Anodenoxidation ist ausgeprägt.
Erhöht man die Konzentration von CuTH auf 10 g/l, wird der Kupferfilm abgeschält. In diesem Fall wurden unter dem gebildeten Kupferfilm Kristalle von Cu₂O beobachtet.
Besonders gute Ergebnisse werden in einem Bereich von 3,5 g/l bis 4,0 g/l CuTH bei Temperaturen im Bereich von 35 °C bis 65 °C erzielt. Bei niedrigeren Temperaturen als 30 °C ist der Cu₂O-Gehalt in bestimmten Bereichen erhöht und die Schichthaftung in diesen Bereichen beeinträchtigt.
Wenn kein Potenzial angelegt wird, bildet sich kein Niederschlag (d. h. ein stromloser Prozess mit den Chemikalien selbst ist nicht möglich).
In Bezug auf die Schritte c. bis e. des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Offenbarung durch folgendes ergänzt.
In Schritt c. wird eine Anode aus Kupfer oder anderen leitenden Materialien, die gegenüber der Badlösung inert sind, bereitgestellt. Obwohl eine Kupferanode zu bevorzugen ist, können auch andere leitende Materialien, die gegenüber der Badlösung inert sind, wie z.B. Platin, Grafit, Kohlefaser, glasartiger Kohlenstoff, etc. als Materialien für eine Anode verwendet werden.
Das Eintauchen der Anode und zumindest der für die Galvanisierung vorgesehenen Flächen des Werkstücks erfolgt in einem Abstand von 20 mm bis 50 mm zueinander in die Badlösung.
Das Elektroplattieren des Werkstücks mit einer Stromdichte im Bereich von 20 mA/dm² bis 80 mA/dm² erfolgt für eine Dauer im Bereich von 1 min bis 60 min, in Abhängigkeit der gewünschten Schichtdicke des zu bildenden Kupferfilms. Eine konkrete Dauer des Elektroplattierens für eine gewünschte Schichtdicke, ist gegebenenfalls experimentell zu bestimmen, da die Dauer nicht der einzige Parameter ist, von der die Schichtdicke abhängt, wenn auch der mit dem weitaus größten Gewicht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Werkstück aus Niob oder einer Nioblegierung, das mit einem Kupferfilm mit einer Dicke im Bereich von 10 nm bis 500 nm galvanisch beschichtet ist und eine so große Haftung aufweist, dass die Haftung des Films nach dem Adhäsions-Test nach ASTM D3359, Testmethode A (X-cut Tape-Test) als 5A eingestuft wird und einer Thermoschockprüfung mit flüssigem Stickstoff besteht. Die Einstufung der Haftung nach ASTM D3359 mit 5A bedeutet „Kein Abtrag und keine Ablösung der Schicht in dem Testverfahren“ und zwar nach dem der Film an der zu testenden Stelle bis auf das Substrat (die Unterlage, das Werkstück) geschnitten/eingeritzt wurde und ist das höchstmögliche Testergebnis. Dieses Testergebnis qualifiziert die Kupferbeschichtung als geeignet für die Anwendung von derartig beschichteten Werkstücken in der Supraleitung, insbesondere in Teilchenbeschleunigern. Besonders hervorzuheben ist, dass der „Tape-Test“ nach dem Durchführen der Thermoschockprüfung bestanden wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es die Galvanisierung von Niob mit Kupfer auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht, indem gute und sogar verbesserte Ergebnisse in Bezug auf die Haftung des Kupferfilms erzielt werden. Werkstücke aus Niob oder Nioblegierungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Kupferfilm galvanisch beschichtet wurden, sind mit einem homogenen Kupferfilm mit starker Haftung überzogen.
Beispiel
Eine beispielhafte galvanische Beschichtung von Niob mit Kupfer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und das dadurch erhaltene beschichtete Werkstück wird im Folgenden beschrieben und durch die Abbildungen vervollständigt.
zeigt Röntgendiffraktogramme, die unter streifendem Einfall bei Winkeln 2θ von ω = 0,5°, 1°, 3°, 5° und in Bragg-Brentano-Geometrie (BB) von der durch die beispielhafte Galvanisierung erhaltenen Kupferschicht auf Niob erhalten wurden; b) zeigt das Röntgendiffraktogramm bei ω = 0,5° streifendem Einfallswinkel und ist auf der Abszisse logarithmisch dargestellt. Die drei beobachteten Phasen - Niob, Kupfer, Kupferoxid (Cu₂O) - sind oberhalb der Reflexe angegeben.
und b) zeigen REM-Aufnahmen des im Beispiel gebildeten Kupferfilms in zwei verschiedenen Vergrößerungen. Die Skalen unten links in den Bildern zeigen 200 nm in a) und 100 nm in b) an.
Die galvanische Beschichtung von Niob mit Kupfer im Beispiel wurde mit den unten angegebenen Parametern auf einem rechteckigen Quader aus Niob mit den Abmessungen 2,8 x 10 x 40 mm als Werkstück durchgeführt.
Die Parameter für die Badzusammensetzung sind im Beispiel wie folgt:

- Lösung von 3,5 g/L Kupfertartrat-Hydrat (C₄H₄CuO₆·H₂O) in entionisiertem Wasser sowie
- Natriumhydroxid 2 g/L (NaOH) und
- Natriumgluconat 2 g/L (C₆H₁₁NaO₇).

Die Parameter für die Galvanisierung sind:

- Badtemperatur: 35 °C;
- Stromdichte: 40 mA/dm²;
- Beschichtungsdauer: 30 min;
- Abstand zwischen Kathode und Anode: 35 mm;
- Anodenmaterial: Kupfer.

Die Dicke des erhaltenen Kupferfilms auf dem Werkstück beträgt 200 nm. Der Film wird mit Hilfe der Röntgenbeugung im streifenden Einfall charakterisiert. Das Ergebnis ist in dargestellt, wobei die Intensität auf der Abszisse in logarithmisch skaliert ist, um Reflexe mit geringer Intensität hervorzuheben. Man beachte, dass der Reflex, der dem (111)-Reflex von Cu₂O zugeordnet ist, ohne die logarithmische Skalierung in überhaupt nicht sichtbar ist, was auf den vernachlässigbaren Anteil des Kupferoxids hinweist. Dieser Befund wird durch eine Elektronenbeugungs-Röntgenspektroskopie-Analyse des Kupferfilms auf Niob im Ausgangszustand bestätigt (nicht gezeigt).
Die Textur der Kupferschicht ist in den in und b) gezeigten REM-Bildern sichtbar, die eine enge Verteilung der Kupferkorngröße und eine allgemeine Homogenität und Glätte der Schicht belegen.
Die Filmhaftung ist so gut, dass der Film einem Klebebandtest nach ASTM D3359, Testmethode A, unter Verwendung des Adhesion-Test-Kits von TQC Sheen® (Industrial Physics Inks & Coatings B.V.) und einer Thermoschockprüfung durch schnelles Abkühlen des erhaltenen Kupferfilms auf Niobium von 300 K auf 80 K mit flüssigem Stickstoff standhält. Der Scotch-Tape-Test wurde dabei nach dem Kälteschock durchgeführt und nach ASTM D3359 mit dem Ergebnis 5A eingestuft wurde, was der höchsten Adhesion nach dem Testverfahren entspricht. Das Test-Kit verwendet ein 25 mm breites/150 µm dickes ScotchPar™ Polyesterfolien-Klebeband, das speziell für solche Zwecke hergestellt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 1152091 A [0007, 0019]
DE 1521010 C3 [0008]
EP 1892322 [0009]
US 4632734 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

V. Palmieri und R. Vaglio diskutiert (Thermal contact resistance at the Nb/Cu interface as a limiting factor for sputtered thin film RF superconducting cavities, Superconductor Science and Technolgy, 2016, Vol. 29, 015004 - 2-12) [0005]
G. Ciovati et al. (Multi-metallic conduction cooled superconducting radio-frequency cavity with high thermal stability, Supercondtor Science and Technology, 2020, Vol. 33, 07LT01 - 1-7) [0005]
V. Palmieri und R. Vaglio (Thermal contact resistance at the Nb/Cu interface as a limiting factor for sputtered thin film RF superconducting cavities, Superconductor Science and Technology, 2016, Vol. 29, 015004 - 1-12 [0005]
K. DeBry und G. Lafyatis (Electroplating process for connectorizing superconducting NbTi cables; Review of Scientific Instruments, 2018, Vo. 89, 076108 - 1-3) [0011]

Claims

Verfahren zum Elektroplattieren von Kupfer auf Niob oder Niob-Legierungen, das mindestens die folgenden Schritte umfasst: a. Bereitstellen eines Werkstücks aus Niob oder einer Nioblegierung; b. Bereitstellen eines Bades mit einer Lösung von Kupfertartrat-Hydrat mit einer Massenkonzentration im Bereich von 2,0 g/L bis 5,0 g/L, Natriumgluconat mit einer Massenkonzentration im Bereich von 2,0 g/L bis 5,0 g/L und Natriumhydroxid mit einer Massenkonzentration im Bereich von 2,0 g/L bis 4,0 g/L in entionisiertem Wasser und mit einer Temperatur im Bereich von 30 °C bis 90 °C; c. Bereitstellen einer Anode aus Kupfer oder anderen leitenden Materialien, die gegenüber der Badlösung inert sind; d. Eintauchen zumindest der für die Galvanisierung vorgesehenen Oberflächen des Werkstücks und der Anode in einem Abstand von 20 mm bis 50 mm zueinander in die Badlösung; e. Galvanisieren des Werkstücks mit einer Stromdichte im Bereich von 20 mA/dm² bis 60 mA/dm² und für eine Dauer im Bereich von 1 min bis 60 min.
Werkstück aus Niob oder einer Niob-Legierung, das mit einem Kupferfilm mit einer Dicke im Bereich von 10 nm bis 500 nm beschichtet ist welcher eine Haftung aufweist, die groß genug ist, dass die Haftung des Films gemäß dem nach ASTM D3359, Testmethode A durchgeführten Adhäsions-Test als 5A eingestuft ist.