Electrodeposition of Sn-Ag and Sn-Ag-Cu alloys from thiourea aqueous solutions

• Autorzy: Ozga P.

Warianty tytułu

PL

Otrzymywanie stopów Sn-Ag araz An-Ag-Cu metodą elektrolityczną z wodnych roztworów tiomocznikowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Sn-Ag and Sn-Ag-Cu alloys are especially interesting as the replacement materials for toxic tin-lead solders. The aim of this work was to determine whether there is a possibility of electrodeposition of Sn-Ag and Sn-Ag-Cu layers from cyanide-free complex solutions. Thiourea was used as a complexing agent of Ag(I) and Cu(II) in strongly acid solutions (2M H2SO4) with respect to their ability to protect against hydrolysis of Sn(II). Voltammetric curves and partial polarisation curves were determined under various hydrodynamic conditions by the rotating disc electrode technique (RDE). The electrochemical processes taking place during electrodeposition of Sn-Ag and Sn-Ag-Cu alloys, the dependence of current efficiency and the dependence of alloy composition on the potential and the current density can be explained on the basis of the model which is a composition of partial processes: reduction of oxygen dissolved in electrolyte, reduction of Ag(I), Sn(II) and Cu(II) as also reduction of hydrogen ions with hydrogen evolution. Ranges of electrolyte and electrolysis parameters were determined for obtaining of Sn-Ag and Sn-Ag-Cu alloys with high current efficiency and with compositions close to eutectic ones. Enrichment of alloy coatings in silver was stated in zone close to the base. The effect was explained by electroless deposition of the silver alloy on the copper base which take place simultaneously with electrodeposition process. The microstructure of the deposits was also investigated. The positive effect of polyethylene glycol (PEG-3000) on the quality of the deposits was stated.

PL

Stopy Sn-Ag oraz Sn-Ag-Cu są szczególnie interesujące jako materiały zastepujące toksyczne lutowia cynowo-ołowiowe. Celem pracy było określenie możliwości elektrolitycznego, bezcyjankowego otrzymywania powłok stopowych Sn-Ag oraz Sn-Ag-Cu z kąpieli kompleksowych. Jako składnik kompleksujący Ag(I) oraz Cu(II) zastosowano tiomocznik w silnie kwaśnym środowisku (2M H2SO4) przeciwdziałającym hydrolizie jonów Sn(II). Badania kinetyczne przeprowadzono w warunkach hydrodynamicznych ustalanych za pomocą wirującej elektrody dyskowej (WED) przy zastosowaniu metod : woltamperometrycznej oraz parcjalnych krzywy polaryzacyjnych. Zjawiska elektrochemiczne przebiegające podczas osadzania stopów Sn-Ag oraz Sn-Ag-Cu, zmiany wydajności prądowej oraz zmiany składu stopów w zależności od potencjału oraz gęstości prądu wyjaśniono w oparciu o model bedący złożeniem procesów cząstkowych: redukcji tlenu rozpuszczonego w roztworze, redukcji Ag(I), Sn(II) i Cu(II) oraz redukcji jonów wodorowych przebiegającej z wydzielaniem gazowego wodoru. Określono zakresy parametrów elektrolitu oraz parametrów prowadzenia elektrolizy dla których otrzymywane są stopy Sn-Ag oraz Sn-Ag-Cu z dużą wydajnością prądową o składzie zbliżonym do składu eutektycznego. Stwierdzono wzbogacenie osadzanego stopu w srebro w warstwach przylegających do miedzianego podkładu. Efekt ten wyjaśniono równoległym przebiegiem procesu osadzania bezprądowego na podłożu miedzianym stopu na osnowie srebra. Zbadano również mikrostrukturę osadzanych stopów stwierdzając dodatni wpływ dodatku glikolu polietylenowego (PEG-3000) do roztworów na jakość uzyskiwanych osadów.

Słowa kluczowe

EN

lead free alloys; electrodeposition; Sn-Ag-Cu; thiourea

PL

Sn-Ag-Cu; tiomocznik; metoda elektrolityczna

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 51, iss. 3
• Strony: 413--421
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Ozga P.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, PAS, 30-059 Kraków, 25 Reymonta Str.

Bibliografia

• [1] Mulugeta S. Guna, Mat. Sci. Eng. R. Reports 38, 55 (2002).
• [2] Y. Zhang, J. Abys Modern Electroplating, F-th edition, John Wiley & Sons, 241-287 (2000).
• [3] A. Brenner, Electrodeposition of Alloys, Academic Press, New York (1963).
• [4] H. Leidheiser, A. Ghuman, Nature Phys. Science 236, 48 (1972).
• [5] H. Leidheiser, A. Ghuman, J.Electrochem. Soc. 120, 484 (1973).
• [6] N. Kubota, E. Sato, Electrochem. Acta 30, 305 (1985).
• [7] M. P. Toben, D.C. Marektell, N. D. Brown, C. A. Doyle, Electrolyte and tin silver electroplating process, US Patent 6,210,556 (2001).
• [8] G. Herklotz, T. Frey, W. Hempel, Electroplating bath for the electrodeposition of silver-tin alloys, US Patent US5514261(1996).
• [9] T. Asakawa, Silver plating baths and silver plating method using the same, US Patent 5,601,696 (1997).
• [10] A. Vicenzo, M. Bestetti, F. Pirovano, P.L. Cavallotti, Structure and Properties of Electrode-posited Ag-Sn Alloys, 2001 JIM ECS, San Francisco, Sept. 2001.
• [11] S. Arai, T. Watanabe, Microstucture of Sn-Ag alloys electrodeposited from pyrophosphate-iodide Solutions , MatTrans. JIM 39 (1998) 439.
• [12] S. Arai, T. Watanabe, Electrodeposition of Sn-Ag alloy with a non-cyanide bath, Denki Kagaku 65, 1097 (1997).
• [13] S. Arai, T. Watanabe, Crystal structure and microstucture of electrodeposited Sn-Ag alloys, Journal of the JIM 60, 1149(1996).
• [14] S. Arai, N. Kaneko, Electrodeposition of Sn-Ag-Cu alloys, Denki Kagaku 65, 1102 (1997).
• [15] T. Kondo, K. Obata, T. Takeuchi, S. Masaki, Bright tin-siver alloy electrodeposition from an organie sulfonate bath contining pyrophosphate, iodide & triethanolamine as chelating agents, Plating and Surface Finishing85, 51 (1998).
• [16] S. Arai, Tin-Silver alloy plating bath and process for producing plated object using the plating bath with a non-cyanide bath, US Patent 5,948,235 (1999).
• [17] S. Arai, T. Watanabe, M. Higashi, Aqueous solution for forming complexes, tin-silver alloy plating bath, and process for producing plated object using the plating bath, US Patent 5,902,472 (1999).
• [18] M. Fukuda, K Imayoshi, Y. Matsumoto, Effects of thiourea and polyoxyethylene lauryl ether on electrodeposition Sn-Ag-Cu alloy as a Pb-free solder, J. Electrochem. Soc. 5, C244-C249 (2002).
• [19] K. Oshima, S. Yuasa, Acid tin-silver alloy electro-plating bath and method for electroplating tin-silver alloy. US Patent 5,911,866 (1999).
• [20] Non-Cyanide Silver As a Substitute For Cyanide Processes, Waste Management and Research Center Reports, The Chicago Metal Finishers Institute, July 2002.
• [21] S. Masaki, H. Inoue, H. Honma, Mirror Bright Silver Plating from a Cyanide-Free Bath, Metal Finishing 96, 16-20 Jan. 1998.
• [22] E. Hradil, H. Hradil, Non-cyanide bright silver electroplating bath therefor, silver compounds and method of making silver compounds, US Patent 4,246,077 (1981).
• [23] O. V. Zorkina, Y. P Perelygin, Electrodeposition of tin-indium alloy from citrate electrolyte, Russian Journal of Applied Chemistry, 72, 1476 (1999).
• [24] A. Survila, A. Zusauskaite, Codeposition of copper and tin in the electrolysis of solutions of citrate complexes, Russian Journal of Electrochemistry (Elek-trochimia) 31, 1158(1995).
• [25] J. Doesburg, D. G. Ivey, Co-deposition of gold-tin alloys from a non-cyanide solution 88, 78 (2001).
• [26] A. Survila, Z. Mockus, Electrodeposition of Sn and Co coatings from citrate solutions, Russian Journal of Electrochemistry (Elektrochimia) 31, 1158 (1995).
• [27] P. Ozga, E. Bielańska, Materials Chemistry and Physics 81, 562-565 (2003).
• [28] Z. Moser, W. Gąsior, W. Zakulski, P. Ozga, J. Pstruś, Z. Panek, Analysis of the possibilities of obtaining Ag-Sn alloys from water solutions. measure-ments of the surface tension and density of the eutectic Sn-Ag-Cu alloys with Sb additions. IMMS PAS, Annual Report 2003.
• [29] W. R. Smith, R. W. Missen, Chemical Reactions Eąuilibrium Analysis Theory and Algorithms, John Wi-ley & Sons, Toronto (1982).
• [30] J. Inczedy, Równowagi kompleksowania w chemii analitycznej, PWN, Warszawa (1979).
• [31] L. I. Krishtalik, Hydrogen Overvoltage and Adsorp-tion Phenomena, III, ,Advances In Electrochemistry and Electrochemical Engineering 7, 283, Wiley, New York, 1970.
• [32] T. Homma, H. Sato, H. Kobayashi, T Arakawa, H. Ku do, T Osaka, S. Shoji, Y Ishisaki, T Oshima, N. Iyomoto, R. Fujimoto, K. Mitsuda, Sn electrodeposition process for fabricating microabsorber arrays for an X-ray mi-crocalorimeter, Journal of Electroanalytical Chemistry 559, 143-148 (2003).