Außenstromlos

Als außenstromlos (englisch electroless, abgeleitet von electrodeless) werden in der Galvanotechnik Verfahren bezeichnet, bei denen ohne äußeren Stromkreis, d. h. ohne Strom- bzw. Spannungsquelle (Gleichrichter), gearbeitet wird. Als Reduktionsmittel dient hier entweder das Substratmetall (Tauchverfahren, Sudverfahren), das dann unedler sein muss als das aus dem Elektrolyten abzuscheidende Metall, oder ein mit diesem in elektrischen Kontakt gebrachtes, entsprechend unedleres Metall (Kontaktverfahren). In beiden Fällen wird der ablaufende Redox-Vorgang als Zementation bezeichnet. Die mit diesen Verfahren erreichbaren Schichtdicken sind jedoch beschränkt, da der Redox-Vorgang zum Erliegen kommt, sobald keine bis zum Substratmaterial reichenden Poren mehr vorliegen. Da auch die Abscheiderate von dem über die Poren stattfindenden Elektronenaustausch, bedingt durch die lokale Auflösung des Substratmetalls, abhängig ist, läuft die Schichtdicke asymptotisch einem Grenzwert zu.

Als außenstromloses chemisches Beschichtungsverfahren wird hingegen ein Verfahren bezeichnet, bei dem sich das zur Reduktion der sich in Lösung befindlichen Metallionen genutzte Reduktionsmittel ebenfalls in Lösung befindet. Dabei muss die Redoxreaktion aus homogener Lösung unterbunden werden, was durch Zusatz von sogenannten Stabilisatoren erfolgt. Das zu beschichtende Substrat muss demnach zwingend als heterogener Katalysator wirken und der Reaktion einen energetisch günstigen Reaktionspfad bieten. Je nach Art des Substrats werden folgende Gruppen unterschieden:

Eigenkatalytisch

• Substrat wirkt selbst als Katalysator, z. B. Ni und z. T. Ni-Legierungen (abhängig vom Ni-Gehalt und Art des Legierungspartners), Ir, Co, Os, Pd, Pt, Ru, Rh

Fremdkatalytisch

• Müssen mit eigenkatalytischem Metall bekeimt werden (Vor allem bei Kunststoffsubstraten)
• Ni-Keimbildung durch Zementation auf z. B. Al, Be, Fe, Ti (allerdings ggf. keine haftfesten Schichten)
• Ni-Keimbildung durch Kontaktabscheidung, Stromstoß (bzw. Ni-Strike) oder Aktivierung (Pd-Bekeimung etc.) auf z. B. Au, Ag, Cu
• Ionogene oder kolloidale Bekeimung mit Pd oder Ag bzw. Verwendung von hochgefüllten Pasten mit anschließendem Einbrennvorgang – wird auch auf Nichtleitern wie Kunststoffen, Glas und Keramiken eingesetzt, letzteres nur auf Glas und Keramiken

Katalysatorgifte

Katalysatorgifte verhindern die Reduktion bereits in Spuren, z. B. Sb, Pb, S, Zn, Cd, Sn, Bi (Vorbeschichtung mit eigenkatalytisch wirkendem Metall nötig).

Da sich die Forderung nach einer katalytisch aktiven Oberfläche auch auf das abgeschiedene Schichtmaterial bezieht, werden die außenstromlosen Verfahren mit gelöstem Reduktionsmittel auch autokatalytische Verfahren genannt. Die wichtigsten Vertreter sind hier Chemisch Nickel und Chemisch Kupfer. Es lassen sich aber auch eine Reihe weiterer Metalle autokatalytisch abscheiden, so z. B. Fe, Co, Ag, Au, Pd, Rh, Ru, Pt, Sn, Pb und einige derer Legierungen mit einem erweiterten Kreis an Metallen und Nichtmetallen. Als Reduktionsmittel werden häufig Hypophosphit PH₂O₂^- (in der Regel verbunden mit einer Coabscheidung von Phosphor), Formaldehyd H₂CO und Boranat BH₄^- bzw. organische Borane, z. B. Dimethylaminoboran (H₃C)₂HNBH₃ (in der Regel verbunden mit einer Cobabscheidung von Bor), verwendet. Von untergeordneter Bedeutung ist aufgrund seiner hohen Giftigkeit Hydrazin H₂N-NH₂. Ferner kann je nach Potentiallage auch Sn²⁺ als Reduktionsmittel verwendet werden, so z. B. bei der Bekeimung von nichtleitenden Kunststoffsubstraten mit Pd-Keimen. Die Potentiallagen der verwendeten Reduktionsmittel sind in der Regel pH-abhängig. Je nach abzuscheidender Metallart und den weiteren Prozessbedingungen wie freie Metallionenkonzentration (abhängig u. a. von der Art und Konzentration vorhandener Komplexbildner), Temperatur und Stabilisatorgehalt wird der pH-Wert und die Art des Reduktionsmittels bzw. dessen Konzentration angepasst, um haftfeste Schichten mit den gewünschten funktionalen und dekorativen Eigenschaften zu erhalten.

Einzelnachweise

1. G. O. Mallory, J. B. Hajdu (eds.): Electroless Plating – Fundamentals and applications, American Electroplaters and Surface Finishers Society, Orlando, 1990.
2. G. G. Gawrilov: Chemische (stromlose) Vernicklung, Leuze-Verlag, Bad Saulgau, 1974.
3. N. Kanani: Chemische Vernicklung, Leuze-Verlag, Bad Saulgau, 2007.
4. N. Kanani: Kupferschichten, Leuze-Verlag, Bad Saulgau, 2000.