Guidelines for setting the useful range of Pulse Plating

8th European Pulse Plating Seminar2nd March 2018, Vienna

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Guidelines for setting the useful range of Pulse Plating parameters

Jean-Claude Puippewww.steiger.ch

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Le rôle des impulsions de courant en électrocristallisationJean‐Claude Puippe

Diss. No 6225, ETH Zurich, 1978

Prof. Dr. Norbert IblDirecteur de thèse

V   =  L W Hjm =  jpTon

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Limiting factors of Pulse Plating parameters

The lower limit of the pulse duration depends on the capacity effects of the electrical double layer at the electrode.

The upper limit of the pulse duration depends on the mass transport of electroactive ions through diffusion at the electrode.

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jc = C dηa/dt

Capacity effects

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No damping of faradic current

small damping of faradic current

strong dampingof faradic current

Flattening of faradic current

Capacity effects

c

d

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Computation of charging time tc of double layertc = time required for the faradic current to reach 99% of jpThe charging time is segmented in increments corresponding to 1 mV steps. Within one step, the faradic current can beconsidered as constant. It is readjusted according to Butler Volmer equation for each step.

jc = dQ / dt =  C da/dt

djF = ‐ djC (for galvanostatic pulse)

jF = jo (exp(αzFηa/RT) – exp((1‐ α)zFηa/RT))

tn =  C ((an ‐a(n‐1)) / (jFn – jF(n‐1))) ln (jC(n‐1) / jCn)

tc =  ∑ tn from jF = 0 till jF = 0.99 jp

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(1) ln (aj ot

c/C)  (2) ln

 (aj ot

d/C) 

For loading rate 99%  (JF =  0.99 jp ) 

and for jp/jo > 100,  td = 7 tc

Dimensionless representation of tc and td as a function of the ration jp / jo ,         where a = nF/RT and (�n = 1; T = 289 °K; C = 50 µF/cm2 )

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Computation of charging time of double layer

For the following conditions:

JF =  0.99 jpJp / jo > 100

C = 50 µF / cm2

n  =  1

tc =  0.017 / jp and     td =  0.120 / jpwhere tc and td are given in [ms] and jp is given in [A/cm2]

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Degree of flattening � of faradiccurrent as a function of Ton / tcΔ =  jc / jm

Δ For Δ = 0.1,Ton / tc should be >5   

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Lower limits of Pulse Plating parameters

The lower limits of Ton and Toff which are dictated by the charging and discharging time of the electrical double layer.

For a degree of flattening (jc/jm) Δ < 0.1,Ton >  5 tc and  Toff >  td . Therefore,

Where Ton and Toff are given in [ms] and jp in [A/cm2]

Ton > 0.085 / jp and   Toff >  0.12 / jp

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Mass transport limitations through diffusion

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Distance to cathode, x

Concen

tration at th

e electrod

e, c Diffusion layer under DC conditions

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Distance to cathode, x

Concen

tration at th

e electrod

e, c Double diffusion layer under

Pulse Plating conditions

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Distance to cathode, x

Concen

tration at th

e electrod

e, c Relaxation rate of the pulsating

diffusion layer: Ce’/Co

�p

�N

Ce’/Co  = 1 – jm/jL

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∂CA / ∂t = DA (∂2CA / ∂x2)

Concentration profile in transient state according to the 2nd Fick law

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Under potentiostatic conditions:

= D t

Under galvanostatic conditions:

= 2 D t /

Transition time for galvanostatic pulses

= D Ce’2(n F)2 / 4 jp2

Particular solutions Fick II equation

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The upper limit of Ton is dictated by the transition time  . In order to stay away from the mass transport control, to avoid hydrogenevolution and therefore a strong drop of currentefficiency, Ton has to be set bellow

It should however be enhanced that in somecases, as for instance in alloy deposition, it maybe necessary to reach the transition time of one species in order to promote the deposition of other species.

Ton <  

Upper limit of the on time Ton

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Considering mass transport limitations, Toff has no upper limit but a lower limit in order to allow the pulsating diffusion layer to reach a high  relaxion rate. The concentration at the electrode Ce’ at the beginning of each pulse should be close to the bulkconcentration CoFor δN >> δp , the relaxation rate  Ce’/Co = 1 – jm/jL

Mass transport limitationsof the off time Toff

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Excel table of «allowed» pulse parameters

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Examples of Pulse Plating aplicationsin the experimental physics

Requirements for the experimental physics:

High conductivity : RRR > 250High purity of cooating for non degasingLow roughness even for high thicknessesabove 100 µm

the only way to obtain the requestedspecifications is to apply Pulse Plating

Cuivrage intérieur de 416 dipôles de 9.58 m et 214 quadripôles de 3 m pour le ring de l’accélérateur HERA (6.3 km) du DESY à Hamburg

Argentage 60 µm des antennes du JET pour le chauffage du plasma thermonucléaire par irradiation d’ondes électromagnétiques à radiofréquence

100 µm Copper plating of 900 BPM components for the LHC at CERN

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Cuivrage de BPM pour le LHC, CERN

IN MEMORIAM our Passed President Prof Pietro Cavalotti and our regretted colleguesProf Chris Raub, Prof Nicolas Spyrellis, Prof V.N. Kudryavtsev, Prof  M. Froment,Prof Jan Przyluski, Prof St. Rashkov, Prof E. Budevski, Prof A. Despic

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