DE102022124665A1 - Method for electroplating copper on niobium or niobium alloys and workpiece made of niobium or niobium alloy with copper coating - Google Patents

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Alena Prudnikava
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D3/00Electroplating: Baths therefor
    • C25D3/02Electroplating: Baths therefor from solutions
    • C25D3/38Electroplating: Baths therefor from solutions of copper

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.The invention relates to a method for the galvanic deposition of copper on niobium or niobium alloys, which comprises at least the steps of first creating a workpiece made of niobium or a niobium alloy and a bath with a solution of copper tartrate hydrate with a mass concentration in the range of 2. 0 g/L to 5.0 g/L, sodium gluconate with a mass concentration ranging from 2 g/L to 5 g/L and sodium hydroxide with a mass concentration ranging from 2 g/L to 4 g/L in deionized water and with a temperature in the range of 30 °C to 90 °C. Furthermore, an anode made of copper or other conductive materials that are inert to the bath solution is provided. Subsequently, at least the surfaces of the workpiece and the anode intended for electroplating are immersed in the bath solution at a distance in the range of 20 mm to 50 mm from one another. The workpiece is then electroplated with a current density in the range of 20 mA/dm2 to 60 mA/dm2 for a duration in the range of 1 min to 60 min. In addition, a workpiece made of niobium or a niobium alloy is electroplated with a copper layer, which is a Thickness of 10 nm to 500 nm and the adhesion of which is so great that the adhesion of the layer is classified as 5A, according to the pressure sensitive tape test, which incidento the adhesive tape test carried out according to ASTM D3359, test method A (X-cut tape test). is claimed.

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.The present invention relates to a method for electroplating copper onto niobium or niobium alloys. Furthermore, workpieces made of niobium or niobium alloys are claimed, which are galvanically coated with copper using the method according to the invention. Electroplating copper coatings on niobium is used, for example, in the production of superconducting resonators for particle accelerators.

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.Throughout the description, wherever niobium is mentioned, this also applies to niobium alloys with a high (≥ 50%) niobium content, unless otherwise stated.

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.Throughout the description, the terms “layer” and “film” are used synonymously for a thin (in the micro- or nanometer range), uniform application of solid substances to a substrate.

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.Superconducting devices and components such as conductors made of niobium are particularly provided with copper layers in order to improve the cooling options through better heat conduction using copper plating. In addition, the copper plating of niobium components to better connect these components is reported. The reverse process of niobium coating on a copper component is also common practice in the production of superconducting resonators, but is not relevant here.

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.For all applications it is crucial that the contact between the niobium and the copper is of a size that is sufficient for the application and that the adhesion is sufficiently strong even at very low temperatures (< 5 K) and the cooling time and heat-up cycles. For example, impacts on the quality of superconducting devices caused by poor contacts and low adhesion are caused by V. Palmieri and R. Vaglio discussed (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) . The importance of good contact between niobium and copper, particularly with regard to low-temperature applications, is the topic of 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. propose to first create a thin copper layer on the niobium surface by cold gas spraying of copper before electroplating in order to overcome the problems described. Last but not least is the work of V. Palmieri and 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 ) about the influence of good contact between copper and niobium on the quality of HF superconducting cavities.

Es sind im Stand der Technik verschiedene Ansätze für Galvanisierungsmethoden zum Verkupfern von Niob vorgeschlagen.Various approaches to electroplating methods for copper plating niobium have been proposed in the prior art.

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.In the GB 1,152,091 A discloses a method comprising the following steps. First, degrease the niobium workpiece with a suitable, preferably chlorinated, solvent; followed by deoxidation in a mixture of hydrofluoric acid and sulfuric acid; then pickling in a mixture of hydrofluoric acid, sulfuric acid and nitric acid; as well as chemical action on the surface of the metal alloy with a dilute aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride as the main step of the process, which gives the alloy the surface condition required for successful copper plating, and finally electrolytic copper plating in a bath of copper (II) tetrafluoroborate and Fluoroboric acid. However, nothing is said here about what the surface condition mentioned is all about.

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.Another process that focuses on special preparation of the niobium surface before the actual electroplating process is in the DE 1 521 010 C3 described. Accordingly, tin is applied in small quantities to the niobium surface to be copper-plated. The tin is incorporated into the niobium grid by heating. The niobium surface is then treated with a pickling agent containing hydrofluoric acid and nitric acid and then electrolytically copper-plated.

In der EP 1 892 322 B wird die Oberfläche des Niob-Rohmaterials vor der Beschichtung mit Kupfer durch Galvanoformung mit Nickel beschichtet.In the EP 1 892 322 B, the surface of the niobium raw material is coated with nickel by electroforming before coating with copper.

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.A similar process for electrochemical copper plating of niobium, in which the niobium surface is first coated with nickel, is described in US$4,632,734 B. The method comprises the following steps: (a) blasting a niobium workpiece with aluminum oxide, (b) treating the blasted workpiece from step (a) with an alkaline cyanide bath, (c) subjecting the treated workpiece from step (b) to a preliminary electrolytic nickel deposition treatment using an acidic nickel chloride bath, (d) subjecting the treated workpiece from step (c) to a further treatment with an alkaline cyanide bath, and then (e) carrying out an electrochemical plating treatment with copper.

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. K. DeBry and G. Lafyatis (Electroplating process for connectorizing superconducting NbTi cables; Review of Scientific Instruments, 2018, Vo. 89, 076108 - 1-3) describe a process for electroplating NbTi cables for a connection, in which the surface of the NbTi cables is first oxidized in a basic, oxidizing electrolytic bath.

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.A scientific explanation for the underlying problem in forming a copper film with good adhesion to niobium is the galvanic exchange reaction between copper and niobium (niobium has a more negative electrochemical potential than copper), so precoating with a less active metal such as nickel will reduce the displacement reaction of the Copper with niobium is avoided. On the other hand, coating with nickel or another metal also presents difficulties, such as: B. the formation of a layer with a certain porosity, the formation of oxides and a certain thickness to obtain a layer. In addition, nickel is ferromagnetic, which is a limitation for certain applications.

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.Based on the outlined problems in the prior art, the subject of the present invention is to provide a method for the galvanic deposition of copper on niobium or niobium alloys, with which a copper layer can be obtained with improved adhesion compared to the prior art and which at the same time is simplified compared to the prior art. Workpieces made of niobium or niobium alloys are also claimed, which are coated with copper using the method according to the invention.

Die Lösung der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Werkstück nach Anspruch 2 gegeben.The problem is solved by a method with the features of claim 1 and a workpiece according to claim 2.

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.Unexpectedly, a process for the galvanic deposition of copper on niobium or niobium alloys has been found at the Helmholtz Center in Berlin, with which the task is solved in a given specific parameter space, with specific chemicals and according to a specific sequence of process steps.

Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Kupfer auf Niob oder Niob-Legierungen, das mindestens die Schritte umfasst:

  1. a. Bereitstellen eines Werkstücks aus Niob oder einer Nioblegierung;
  2. 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;
  3. c. Bereitstellen einer Anode aus Kupfer oder anderen leitenden Materialien, die gegenüber der Badlösung inert sind;
  4. 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;
  5. 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.
The first aspect of the present invention relates to a method for the electrodeposition of copper on niobium or niobium alloys, which comprises at least the steps:
  1. a. Providing a workpiece made of niobium or a niobium alloy;
  2. b. Provide a bath containing a solution of copper tartrate hydrate with a mass concentration ranging from 2.0 g/L to 5.0 g/L, sodium gluconate with a mass concentration ranging from 2 g/L to 5 g/L and sodium hydroxide with a Mass concentration ranging from 2 g/L to 4 g/L in deionized water and with a temperature ranging from 30 °C to 90 °C;
  3. c. providing an anode made of copper or other conductive materials that are inert to the bath solution;
  4. d. Immersing the anode and at least the surfaces of the workpiece intended for electroplating at a distance of 20 mm to 50 mm from each other in the bath solution;
  5. e. Electroplating the workpiece with a current density in the range of 20 mA/dm 2 to 80 mA/dm 2 for a duration in the range of 1 min to 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.The result of treating a workpiece made of niobium or a niobium alloy with the described method according to the invention is a homogeneous thin copper film with a thickness that depends mainly on the time of electroplating and is in the range from 10 nm to 500 nm. The copper layer formed using the method according to the invention has an adhesion that can withstand a so-called “adhesion tape test” (more on this below) and a thermal shock test with liquid nitrogen. If a thicker copper layer is required, the copper film obtained with the process according to the invention can be used as a starting point for a standard copper plating process with a copper sulfate bath, as is generally known for the galvanic copper plating of steel.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sollten in vorteilhafter Weise die folgenden Anmerkungen berücksichtigt werden.For the method according to the invention, the following remarks should advantageously be taken into account.

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.Go to step a. It should be mentioned that it is advisable to provide a degreased surface free of foreign particles. Any method known to those skilled in the art for producing such a surface is suitable. A useful procedure is e.g. Am GB 1,152,091 A described, in which the niobium workpiece is degreased with a chlorinated solvent and freed from oxides on the surface in a mixture of hydrofluoric acid and sulfuric acid. The standard etching bath for niobium (called “buffered chemical polishing”, BCP, HF (48%): HNO 3 (60%): H 3 PO 4 (95%) = 1:1:2) is also suitable for removing coarser deposits of niobium oxides, if present, and mechanical damage after mechanical processing. After etching, the niobium must be washed thoroughly in deionized water. It should be mentioned that the niobium surface prepared in this way is covered with a thin native Nb 2 O 5 oxide layer 3 - 7 nm thick. It is also advantageous if the formation of grooves on the surface due to scratching or similar is avoided. Polishing the surface could therefore also be beneficial.

Im Hinblick auf Schritt b. des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Folgendes zu beachten.With regard to step b. The following should be noted when using the method according to the invention.

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. The most important parameters for a layer deposition using the method according to the invention are the type and concentration of the chemicals (copper tartrate hydrate “CuTH”, sodium gluconate “SG” and sodium hydroxide “NaOH”) as well as a relatively low current density.

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).The temperature of the solvent affects the morphology of the deposited film. As the temperature increases, the density of the Cu particles forming in the film increases. When a higher concentration of CuTH is used, the temperature becomes crucial to obtain a film with good adhesion. The higher the CuTh concentration within the given range, the higher the temperature should be within the given range. As a guideline, with a mass concentration of CuTh of 4.2 g/l, the bath temperature should not be lower than 60 °C but within the limit less than 90 °C. The order of mixing the components in the bath is preferably CuTH+NaOH+H 2 O and heating at 40°-60°C for 10-30 min until the mixture is homogeneous (ie no undissolved residue left), after which SG is added becomes. Alternatively, the mixture of CuTH+NaOH+SG+H 2 O is heated to 40 °C-60 °C for 10-30 min. The preparation of the solution as described offers good storage conditions (ie no decomposition of the solution).

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.The mechanisms and chemistry of the process according to the invention can be briefly described as follows. NaOH is added to regulate the pH of the solution and to form soluble complexes with CuTH, which is otherwise insoluble in water. This directly leads to better homogeneity of the film. SG is a chelating agent and has been experimentally proven to suppress the formation of Cu 2 O during electroplating and also prevents the decomposition of any copper anode present. Nevertheless, a very small amount of Cu 2 O was detected in the formed films by X-ray diffraction (XRD) measured in grazing incidence geometry at incident X-ray angles ω=0.5°-5° ( ). Further increasing the SG content is believed to further suppress the formation of Cu2O in the deposited copper layers.

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).A CuTH solution used without any additives results in copper layers that are inhomogeneous over the entire cathode area and have a black hue (due to the presence of Cu 2 O and possibly elemental copper associated with the degradation of the copper anode).

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.If the amount of both additives, SG and NaOH, is less than specified, the resulting deposit is similar to that obtained without any additives.

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.If the NaOH concentration is lower than specified, CuTH does not dissolve completely in water (copper tartrate hydrate is insoluble in water), resulting in copper layers that resemble those without additives.

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.If the NaOH concentration is too high compared to the specified value, you will not get a continuous copper deposit, but rather copper-containing islands mixed with Cu 2 O phases.

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.If the SG content is lower than stated or is completely absent, the copper film formed is slightly darker in color (due to Cu 2 O, which is detected by XRD) and the copper anode oxidation is pronounced.

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.If the concentration of CuTH is increased to 10 g/l, the copper film is peeled off. In this case, crystals of Cu 2 O were observed under the formed copper film.

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.Particularly good results are achieved in a range of 3.5 g/l to 4.0 g/l CuTH at temperatures in the range of 35 °C to 65 °C. At temperatures lower than 30 °C, the Cu 2 O content is increased in certain areas and the layer adhesion in these areas is impaired.

Wenn kein Potenzial angelegt wird, bildet sich kein Niederschlag (d. h. ein stromloser Prozess mit den Chemikalien selbst ist nicht möglich).If no potential is applied, no precipitate will form (i.e. an electroless process using the chemicals themselves is not possible).

In Bezug auf die Schritte c. bis e. des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Offenbarung durch folgendes ergänzt.Regarding steps c. to e. of the method according to the invention, the disclosure is supplemented by the following.

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.In step c. An anode made of copper or other conductive materials that are inert to the bath solution is provided. Although a copper anode is preferred, others can also be used conductive materials inert to the bath solution such as platinum, graphite, carbon fiber, glassy carbon, etc. are used as materials for an anode.

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.The anode and at least the surfaces of the workpiece intended for electroplating are immersed in the bath solution at a distance of 20 mm to 50 mm from one another.

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.The electroplating of the workpiece with a current density in the range of 20 mA/dm 2 to 80 mA/dm 2 is carried out for a period in the range of 1 min to 60 min, depending on the desired layer thickness of the copper film to be formed. A specific duration of electroplating for a desired layer thickness may need to be determined experimentally, since the duration is not the only parameter on which the layer thickness depends, although it is by far the one with the greatest weight.

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.Another aspect of the invention is a workpiece made of niobium or a niobium alloy, which is electroplated with a copper film with a thickness in the range of 10 nm to 500 nm and has such great adhesion that the adhesion of the film after the adhesion test ASTM D3359, Test Method A (X-cut Tape Test) is rated 5A and passes a liquid nitrogen thermal shock test. The adhesion classification according to ASTM D3359 with 5A means “No removal or detachment of the layer in the test procedure” after the film has been and is cut/scored at the point to be tested down to the substrate (the base, the workpiece). the highest possible test result. This test result qualifies the copper coating as suitable for the use of such coated workpieces in superconductivity, especially in particle accelerators. What is particularly noteworthy is that the “tape test” is passed after the thermal shock test has been carried out.

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.The advantage of the method according to the invention is that it allows the electroplating of niobium with copper in a simple and inexpensive manner, obtaining good and even improved results in terms of the adhesion of the copper film. Workpieces made of niobium or niobium alloys that have been galvanically coated with a copper film using the method according to the invention are covered with a homogeneous copper film with strong adhesion.

BeispielExample

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.An exemplary galvanic coating of niobium with copper using the method according to the invention and the coated workpiece obtained thereby is described below and completed by the figures.

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. shows X-ray diffractograms obtained under grazing incidence at angles 2θ of ω = 0.5°, 1°, 3°, 5° and in Bragg-Brentano geometry (BB) of the copper layer on niobium obtained by the exemplary electroplating; b) shows the X-ray diffractogram at ω = 0.5° grazing angle of incidence and is plotted logarithmically on the abscissa. The three phases observed - niobium, copper, copper oxide (Cu 2 O) - are indicated above the reflections.

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. and b) show SEM images of the copper film formed in the example at two different magnifications. The scales at the bottom left of the images indicate 200 nm in a) and 100 nm in b).

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.The galvanic coating of niobium with copper in the example was carried out with the parameters given below on a rectangular cuboid made of niobium with dimensions of 2.8 x 10 x 40 mm as a workpiece.

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).
The parameters for the bath composition in the example are as follows:
  • - Solution of 3.5 g/L copper tartrate hydrate (C 4 H 4 CuO 6 ·H 2 O) in deionized water and
  • - Sodium hydroxide 2 g/L (NaOH) and
  • - Sodium gluconate 2 g/L (C 6 H 11 NaO 7 ).

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.
The parameters for electroplating are:
  • - Bath temperature: 35 °C;
  • - Current density: 40 mA/dm 2 ;
  • - Coating time: 30 min;
  • - Distance between cathode and anode: 35 mm;
  • - Anode material: copper.

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).The thickness of the copper film obtained on the workpiece is 200 nm. The film is characterized using grazing incidence X-ray diffraction. The result is in shown, with the intensity on the abscissa in is logarithmically scaled to highlight low intensity reflections. Note that the reflection assigned to the (111) reflection of Cu 2 O is without the logarithmic scaling in is not visible at all, indicating the negligible proportion of copper oxide. This finding is confirmed by an electron diffraction X-ray spectroscopy analysis of the copper film on niobium in the initial state (not shown).

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.The texture of the copper layer is in the and b) SEM images, which demonstrate a narrow distribution of copper grain size and a general homogeneity and smoothness of the layer.

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.The film adhesion is so good that the film passed an adhesive tape test according to ASTM D3359, Test Method A, using the adhesion test kit from TQC Sheen® (Industrial Physics Inks & Coatings B.V.) and a thermal shock test by rapidly cooling the resulting copper film on niobium Withstands 300K to 80K with liquid nitrogen. The Scotch tape test was carried out after the cold shock and was rated 5A according to ASTM D3359, which corresponds to the highest adhesion according to the test procedure. The test kit uses a 25mm wide/150µm thick ScotchPar™ polyester film tape specifically manufactured for such purposes.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • 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]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]
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  • K. DeBry und G. Lafyatis (Electroplating process for connectorizing superconducting NbTi cables; Review of Scientific Instruments, 2018, Vo. 89, 076108 - 1-3) [0011]K. DeBry and G. Lafyatis (Electroplating process for connectorizing superconducting NbTi cables; Review of Scientific Instruments, 2018, Vo. 89, 076108 - 1-3) [0011]

Claims (2)

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.A method for electroplating copper on niobium or niobium alloys, comprising at least the following steps: a. providing a workpiece made of niobium or a niobium alloy; b. providing a bath containing a solution of copper tartrate hydrate with a mass concentration in the range of 2.0 g/L to 5.0 g/L, sodium gluconate with a mass concentration in the range of 2.0 g/L to 5.0 g/L and sodium hydroxide with a mass concentration in the range of 2.0 g/L to 4.0 g/L in deionized water and at a temperature in the range of 30 °C to 90 °C; c. providing an anode made of copper or other conductive materials which are inert towards the bath solution; d. immersing at least the surfaces of the workpiece and the anode intended for electroplating at a distance of 20 mm to 50 mm from each other in the bath solution; e. Galvanizing the workpiece with a current density in the range of 20 mA/dm 2 to 60 mA/dm 2 and for a duration in the range of 1 min to 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.Niobium or niobium alloy workpiece coated with a copper film having a thickness in the range of 10 nm to 500 nm which has an adhesion great enough to maintain the adhesion of the film in accordance with ASTM D3359, Test Method A Adhesion test is classified as 5A.
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