Способ получения медной проволоки с покрытием на основе сплава олово-индий
METHOD FOR PRODUCING COPPER WIRE COATED ON THE BASIS OF AN ALLOY OF TIN-INDIUM

Изобретение относится к электрохимическому осаждению сплава олово-индий из сульфатного электролита, и может быть использовано при получении медной проволоки с покрытием сплавами на основе олова и индия, а также при пайке и лужении электромонтажных элементов, интегральных микросхем, металлических поверхностей печатных плат и выводов электрорадиоэлементов в изделиях бытовой аппаратуры, а также электродов, экранирующий элементов, фотоэлектрических модулей, кабельно-проводниковых изделий различного назначения.
Одной из важных задач повышения эффективности фотоэлектрических солнечных модулей является поиск и разработка новых электродов, обеспечивающих высокую надежность контакта с кристаллическим кремнием, а также передачу заряда в ячейке. В качестве токопроводящих электродов широко используется медная проволока, покрытая различными сплавами, которая в настоящее время является одним из основных материалов в электротехнике. Использование такой проволоки обеспечивает надежность и защищенность солнечных модулей от любых внешних воздействий и, как следствие, возрастает показатель долговечности самого изделия. Использование легкоплавкого сплава на поверхности медной проволоки позволяет получить надежный электрический контакт с серебросодержащей контактной сеткой, что способствует уменьшению омического сопротивления между фотоэлектрическими элементами.
Как правило, нанесение покрытия при изготовлении проволоки выполняется гальваническим методом или горячим погружением. Сплошность контакта электрода с монокристаллическим кремнием напрямую зависит от качества поверхности медной проволоки и прочности сцепления покрытия с медной основой, что в конечном итоге влияет на эффективность передачи преобразованной энергии света в электроэнергию. Для получения микроскопического адгезионного слоя покрытия медной проволоки можно использовать электроосаждение сплава олово-индий в различных электролитах. Невозможно прогнозировать влияние технологических добавок на свойства получаемого покрытия, поэтому в большинстве случаев состав электролита подбирается экспериментальным путем.
Для электроосаждения сплава олово-индий используются кислые и щелочные электролиты. Из кислых электролитов применяют перхлоратные, сульфаминовые, хлоридные, глицериновые, сульфатные, борфтористые электролиты и другие.
2
Известен способ электролитического осаждения антифрикционных покрытий из сплава на основе олова в электролите, содержащем олово (II) борфтористое, медь (II) борфтористую, борфтористоводородную кислоту, борную кислоту, антиокислитель и поверхностно-активное вещество, отличающийся тем, что в электролит дополнительно добавляют сурьму (III) борфтористую, кадмий борфтористый, цинк (II) борфтористый, индий (III) борфтористый, серебро (I), а покрытие осаждают при катодной плотности тока 2,0-5,0 А/дм и температуре электролита 18-25°С (Патент 2620215).
Недостатками этого способа является то, что покрытие, получаемое в результате электроосаждения электролита данного состава, не обладает достаточной электрической проводимостью.
2
Известен сульфатный электролит для электроосаждения сплава олово-индий (Зорькина О.В., Перелыгин Ю.П. Электроосаждение сплава олово-индий из сульфатного электролита. // Материалы Всероссийской конференции "Прогрессивная технология и вопросы экологии в гальванотехнике и производстве печатных плат". - Пенза, ДНТП, 2000. - С. 48-49), содержащий, г/л: сульфат олова (в пересчете на металл) - 1-3; хлорид индия (в пересчете на металл) - 5-20; серная кислота - 180-200; препарат ОС-20 - 0,1-0,4. Режим осаждения: температура, °С - 20-50; катодная плотность тока, А/дм - 0,5-1,5; содержание индия в сплаве, мас. % - 12-78.
Недостатками этого электролита являются получение матовых покрытий, узкий интервал рабочих плотностей тока, электролит не обладает выравнивающей способностью.
2
Наиболее близким является способ получения медной проволоки с покрытием сплавом на основе олова и индия является способ электроосаждения сплава олово-индий в электролите, содержащем сульфат олова, серную кислоту и сульфат индия, при этом проводят осаждение при температуре 15-30°С, катодной плотности тока 0,5-7 А/дм с выходом по току 37-98% (Патент 2458188).
Недостатками этого способа является использование в составе электролита формалина, который обладает токсичностью и имеет небольшой срок хранения и как следствие нестабильность состава и получаемого покрытия.
В связи с этим разработка и использование новых технологических добавок, позволяющих усовершенствовать технологический процесс получения блестящих однородных медных проволок с покрытием сплавом на основе олова и индия является перспективным направлением.
Задача изобретения - разработка способа получения медной проволоки с покрытием сплава олово-индий, позволяющего наносить тонкослойные блестящие однородные адгезионно-прочные покрытия сплава олово-индий, регулировать толщину покрытия, его физико-механические свойства.
Техническим результатом является увеличение сродства медной проволоки с сплавом на микрокристаллическом уровне и адгезионной прочности сцепления покрытия с медной основой, возможность регулировать толщину покрытия, его физико-механические свойства.
Технический результат достигается тем, что способ получения медной проволоки с покрытием сплава олово-индий в электролите, содержащем сульфат олова, серную кислоту, сульфат индия, согласно изобретению, содержание индия в сплаве составляет 41-51,0 мас. %, а в электролит дополнительно вводят 3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевину, изопропиловый спирт, пропиленгликоль при следующем содержании компонентов, г/л:
- Сульфат олова (в пересчете на металл) - 17-35;
- Сульфат индия (в пересчете на металл) - 20-45;
- Серная кислота - 80-120;
- 3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевина - 0,1-1;
- Изопропиловый спирт - 10-20 мл/л;
- Пропиленгликоль - 15-20 мл/л.
Режим осаждения:
- Температура, °С - 18-35;
2
- Катодная плотность тока, А/дм - 0,5-7;
- Выход по току, % - 87-96;
- Содержание индия в сплаве, мас. % - 41-51,0.
Концентрацию сульфата олова (в пересчете на металл) необходимо поддерживать в пределах 17-35 г/л, а концентрацию сульфата индия (в пересчете на металл) - 20-45 г/л.
Отличительными признаками, обеспечивающими достижение технического результата изобретения, является синергическое действие 3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевины (также имеющей название 1,3-метил-(3,5,5-триметилциклогексан)-бис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевина), изопропилового спирта и пропиленгликоля в составе электролита. Способ получения медной проволоки с покрытием на основе сплава олова - индий с электролитом указанного состава неизвестен в научно-технической и патентной литературе и является новым.
Отклонение от этих пределов приводит к изменению интервала рабочих плотностей тока и ухудшению внешнего вида покрытий. Содержание индия в сплаве в этом случае изменяется от 30 до 45 мас. %.
Концентрация серной кислоты должна быть в пределах 80-120 г/л. Этот интервал концентраций обеспечивает наибольший диапазон катодной плотности тока для получения блестящих покрытий с высоким выходом по току.
Концентрация 3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевины должна составлять 0,1-1 г/л. При концентрации 3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевины меньше 0,1 г/л получаются неоднородные покрытия, а введение в количестве больше 1 г/л нецелесообразно, так как не оказывает заметного влияния на свойства получаемого покрытия.
Изопропиловый спирт и пропиленгликоль в электролите обеспечивают смачивающий эффект и получение равномерных блестящих покрытий сплава олово-индий. Концентрация изопропилового спирта должна составлять 10-20 мл/л, пропиленгликоля - 15-20 мл/л. Отклонение от этих пределов приводит к получению некачественных покрытий (неравномерный блеск, темные полосы на поверхности).
Перемешивание электролита осуществляется механическим путем с помощью мешалки или насосной станции, обеспечивающих постоянство состава электролита во всем объеме.
Температура электролита должна быть в пределах 18-35°С. С ростом температуры в этом пределе наблюдается увеличение степени блеска покрытий и незначительное снижение содержания индия в покрытии. При температурах выше 35°С наблюдается помутнение электролита и ухудшается качество покрытий.
2
2
Катодная плотность тока изменяется в пределах от 0,5 до 7 А/дм. Интервал рабочей плотности тока определяется в первую очередь концентрацией сульфата олова в электролите. При концентрации сульфата олова (в пересчете на металл) - 17-35 г/ли концентрации сульфата индия (в пересчете на металл) - 20-45 г/л рабочий интервал плотностей тока составляет 0,5-7 А/дм. Содержание индия в сплаве составляет 41-51 мас. %.
Поскольку анодный выход по току в сульфатном электролите превышает 100%, то целесообразно использовать наравне с растворимыми анодами из сплава олово-индий нерастворимые из графита или свинца.
Во избежание загрязнения электролита анодным шламом аноды следует загружать в чехлы из полипропиленовой ткани.
4
2
4
3
2
4
Корректирование электролита по SnSO, In(SO), HSO, изопропиловому спирту, глицерину проводят по данным химического анализа.
Для приготовления электролита используют следующие компоненты: сульфат олова (ТУ 6-09-1502-7580), серную кислоту (ГОСТ 4204-77), сульфат индия (ТУ 6-09-3756-80), 3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевину, изопропиловый спирт (ГОСТ 9805-84), пропиленгликоль (ГОСТ 2422-069-05766801-97). 3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевину получают следующим образом: В реактор, снабженный мешалкой и ледяной баней, загружают 111,14 г (v1, 0,5 моль) изофорондиизоцианат, 111,14 г (v2, 1,2 моль) предварительно перегнанного толуола, 0,0014 г антиоксиданта SONGNOX 11В, перемешивают до однородности. Затем через капельную воронку в течение 6 часов при температуре продукта реакции 20°С добавляют 234,44 г (v3, 1,05 моль) 3-аминопропилтриэтоксисилан предварительно растворенного в 234,44 г (v4, 2,54 моль) толуола. В результате получают 3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевину - кристаллический порошок белого цвета с выходом 94,3%. Т пл - 171°С. ИК спектр, v, см-1: 3317(NHC(O)NH), 1624(NH), 1563(NH), 1070 (SiOEt).
Электролит готовят следующим образом.
Емкость для приготовления электролита на три четверти заполняют дистиллированной водой, и в нее небольшими порциями добавляют серную кислоту. Затем раствор охлаждают до 20-22°С и добавляют в него необходимое количество сульфата олова, интенсивно перемешивая для его растворения. Раствор фильтруют. Затем в фильтрат добавляют сульфат индия и перемешивают до полного растворения. Далее в раствор добавляют 3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевину (предварительно растворенную в небольшом количестве изопропилового спирта), добавляют пропиленгликоль и оставшееся количество изопропилового спирта до заданного уровня, и электролит готов к работе.
Внешний вид покрытия проверяли путем внешнего осмотра в процессе лужения проволоки и при осмотре проволоки на катушке (без перемотки) без применения увеличительных приборов. Покрытие проволоки должно быть сплошным, на проволоке не должно быть наплывов, шишек и рисок, выводящих проволоку за пределы двойных допусков по диаметру. Измерение диаметра проволоки, его отклонения и овальности, степень выравнивания проводили по ГОСТ 12177 с помощью системы видеоизмерительной модели NVM-2010D. Определение толщины и состава покрытия проводили по ГОСТ 9.302 с применением анализатора покрытий рентгенофлуоресцентного X-STRATA 920. Определение плотности проводили гидростатическим взвешиванием. Определение предела прочности на разрыв, предела текучести и относительного удлинения при разрыве проволоки проводили по ГОСТ 10446 с применением видеоэкстензометра оптического бесконтактного M-VIEW и на разрывной машине РКМ-1.1. Определение удельного и электрического сопротивления проводили по ГОСТ 7229. Адгезионную прочность сцепления покрытия сплава олово-индий с медной основой изучали путем исследования покрытой проволоки после скручивания с помощью системы видеоизмерительной модели NVM-2010D.
На рис. 1 приведены сравнительные микрофотографии поверхности различных проволок: 1 - образец проволоки производства компании Ulbrich (Австрия); 2 - образец проволоки производства АО «Марпосадкабель» (Россия); 3 - образец проволоки, изготовленный по заявляемому способу.
В таблице 1 приведены составы предлагаемых электролитов и условия электроосаждения сплава олово-индий. Как видно из таблицы 1 и рис. 1, предлагаемый электролит (1-3) позволяет получать тонкослойные блестящие однородные адгезионно-прочные покрытия сплава олово-индий.
Полученные по данному способу медные проволоки с покрытием на основе сплава олово-индий из предлагаемого электролита имеют гладкую блестящую поверхность и сплошное покрытие при толщине 0,1-1 мкм по всей длине проволоки, прочное сцепление с медной основой и способ может быть использован для получения микроскопического адгезионного слоя покрытия медной проволоки на основе сплава олово-индий.
Таблица 1
Сравнительная характеристика составов электролитов и режимов получения медной проволоки с покрытием сплавом на основе олова и индия, а также ее свойства
Компоненты, г/л
Составы
Режимы
Прототип
1
2
3
Сульфат олова (в пересчете на металл)
2-15
17
25
30
Сульфат индия (в пересчете на металл)
5-30
20
30
45
Серная кислота
90-100
80
100
120
ОС-20
1-2
-
-
-
3,5-(изофоронбис[N,N-дипропилтриэтоксисилил]мочевина
-
0,1
0,5
1,0
Изопропиловый спирт
-
10
20
15
Формалин (37%-ный раствор)
5-7
-
-
-
Бутиндиол-1,4 (35%-ный раствор)
10-15
-
-
-
Пропиленгликоль
-
20
10
15
Температура, °С
15-30
18
25
35
Выход по току сплава, %
37-97
87
92
96
Содержание индия в сплаве, мас. %*
0,5-56
41
47
51
Внешний вид покрытий
блестящие
гладкая блестящая поверхность и сплошное покрытие по всей длине проволоки
Степень выравнивания
0,2-0,6
0,85
0,90
0,95
Испытание на адгезионную прочность
+
+
+
Диаметр проволоки, мкм
-
250
250
250
Толщина покрытия, мкм
6
0,1
0,4
1,0
Плотность покрытия, г/см<sup>3</sup>
-
8,9
9,0
9,1
Предел прочности на разрыв проволоки, Н/мм<sup>2</sup>
-
242
251
257
Относительное удлинение, %
-
23
23
24
Электрическое сопротивлениепо постоянному току при температуре 20°С, Ом<sup>2</sup>/м
-
0,35
0,35
0,35
Удельное электрическое сопротивление по постоянному току при температуре 20°С, Ом мм<sup>2</sup>/м
-
0,0172
0,0175
0,0176