Autokatalitikus fémezés

Az autokatalitikus fémezés egy bevonatképző felülettechnikai kémiai eljárás, amely segítségével egyenáram alkalmazása nélkül lehet kialakítani fémes illetve fémbázisú kompozit bevonatokat. A módszer lényege, hogy a bevonni kívánt tárgyat a fémes bevonatanyag kationjait tartalmazó oldatba merítik, amely autokatalitikus redukció következtében a tárgyon bevonatot képez. A módszer előnye (elsősorban az elektrolitikus módszerekkel, például a galvanizálással szemben), hogy mivel nem külső elektromos áram hajtja a folyamatot, így számos technikai nehézség nem lép fel az eljárás során, például a bevonat egyenletesebb lesz (hiszen a rétegképződést nem a felületi áramsűrűség szabályozza), illetve nem is szükséges, hogy a bevonni kívánt anyag vezető legyen.

Nikkelezett fém mintadarabok

Története

Az autokatalitikus redukciós bevonatképzés egy korai példája a Tollen-reakció, amely segítségével üveg felületén ezüstréteg alakítható ki, így tükrök gyártására alkalmazható.

A nikkelen és nátrium-hipofoszfiton alapuló autokatalitikus bevonatképző technikát Charles Adolphe Wurtz elzászi francia kémikus dolgozta ki 1844-ben, amelyet François Auguste Roux 1914-ben szabadalmaztatott. Az eljárás ekkor még nem terjedt el széles körben az iparban, csak miután 1946-ban azt Abner Brenner és Grace E. Riddell véletlenül újra felfedezte a NIST-ben.

Folyamata

A reakció általánosságban az alábbiak szerint írható le:

$M_{(aq)}^{z+}\ {+}\ X_{(aq)}^{z-}{\ce {->}}M_{(s)}^{0}\ {+}\ Z$,

ahol M a fémes bevonatképző anyag, X a redukálószer, Z pedig utóbbinak oxidált terméke.

Ha a folyamat célja a bevonatképzés, akkor a bevonandó felületet előzetesen be kell vonni a folyamat katalizátorával, vagy a felületnek magának kell a folyamat katalizátoraként viselkednie. A folyamat autokatalitikus jellege teszi lehetővé, hogy a folyamat (és ezzel a rétegvastagodás) azután is folytatódjon, hogy a felületi réteg teljesen befedte a felületet.

Nikkel-arany bevonat

A nyomtatott áramkörök készítése során igen gyakran alkalmazzák az ENIG eljárást (angolul electroless nickel immersion gold, azaz kb. autokatalikus nikkelezés és aranyozás) az áramközi rézvezetékek felületének védelmére szolgáló felületkezelésként. Az arany kiváló választás a vezeték védelmére, hiszen nem alkot oxidokat, így nagyfokú stabilitást ad az eszközöknek a környezeti ártalmakkal szemben (pl. hőhatás, tárolási idő), emellett a forraszanyaggal ötvözetet alkotva segíti a forrasz tapadását is. Ha azonban onmagában alkalmaznánk az aranybevonatot, az a forraszkötésbe elegyülve (3% tömegszázalék felett) törékennyé tenné azt. Emellett az arany a rézbe is hajlamos beoldódni, amely a bevonat időtállóságát korlátozza.

Ezen folyamatok jól ellensúlyozhatók, ha a réz felületére nem tiszta aranyat választanak le, hanem nikkel és arany kettősréteget. Ennek lépései a következők.

1. Először a mintadarab vagy hordozó tisztítása történik meg, amely során eltávolítják a szennyezőket és oxidokat a réz felületéről. Ezt a felület marása követi.
2. Az előkészített felületre galvanizálással juttatják fel a katalizátoranyagot, amely jellemzően palládium vagy ruténium.
3. Ezt követően autokatalitikus módszerrel egy 3-5 mikrométer vastagságú nikkelréteget alakítanak ki. A reakció során nátrium-hipofoszfit (NaH₂PO₂) segítségével nikkelsót redukálnak. A nikkel kiválásának üteme a pH-val és a hőmérsékletel szabályozható.
4. A nikkelezést követően merítéses galvanizálás segítségével pár tízed mikrométer vastagságú aranyréteggel fedik be a hordozót.

Nikkel-foszfor bevonat

A módszer egy másik gyakori ipari alkalmazása a nikkel-foszfor bevonat képzése. A vegyi nikkelezés (angolul electroless nickel deposition) egy gyakori megvalósítása során a fémesen vezető vagy vezetővé tett tárgy felületére nátrium-hipofoszfit (NaH₂PO₂) redukálja a nikkel-szulfát só kationjait:

${\ce {3Na(H2PO2) + 3H2O + NiSO4 -> 3NaH2PO3 + Ni + 2H2}}$.

A bevonandó felületre fémnikkel válik le, a nikkelt redukáló hipofoszfit ionokból foszfit ionok keletkeznek. Emellett a katalitikus felületen a hipofoszfit önbomlása következtében foszfor szabadul fel, amely beépül a nikkelrétegbe. Hőkezelés hatására a Ni-P bevonatban eloszló nikkel-foszfid kiválások keletkeznek, amely hatására a bevonat nagy kopásállóságot ad.

Alkalmazása

Nikkel-foszfor bevonat alkalmazása merevlemezeknél

A módszernek az egyszerűsége miatt számos ipari és hétköznapi alkalmazása alakult ki, amely a dekorációs bevonatképzéstől a korrózióvédelemig, illetve a felületi ellenállóképesség-növelésig terjed. A leggyakrabban leválasztott anyagok között szerepel a nikkel, réz, arany, palládium, platina illetve ezüst. Az iparban ezek közül a nikkelezés a legjellemzőbb eljárás például az alábbi folyamatok szerint:

• nikkel-foszfor bevonat segítségével az áramköri forrasztások minősége javítható, ha ugyanis forrasztás előtt a rézen ilyen bevonatot alakítanak ki, az gátolja a mechanikailag rideg réz-ón intermetallikus vegyületfázisok kialakulását.
• nikkel- vagy nikkel-foszfor bevonatot alkalmaznak egyes mágneses adathozdozók felületi védelmére,

Más fémes bevonatok alkalmazási területei:

• nyomtatott áramközi lapokra rezet választhatnak le kémiai redukcióval;

Források

• Glenn O. Mallory, Juan B. Hajdu. Electroless plating : fundamentals and applications. The Society (1990). ISBN 978-0-936569-07-9. OCLC 22382599 
• Clyde F. Coombs Jr.. Printed Circuits Handbook (6th edition). McGraw-Hill Handbooks. DOI: 10.1036/0071467343 (2008). ISBN 9780071467346 
• Török Tamás, Barta Emil. Fémes és szervetlen bevonattechnológiák. Miskolci Egyetem (2012/2013) 
• Charles R. Shipley, Jr.. Historical Highlights of Electroless Plating, NASF Surface Technology White Papers [1984] (2018). Hozzáférés ideje: 2021. április 13. 

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben az Electroless plating című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.