JPH07501855A - 銅層とセラミックとの間に強力な結合を作り出す方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 銅層とセラミックとの間に強力な結合を作り出す方法本発明は、粉末鋼または銅 合金の熱溶射によって施された銅層と、セラミックとの間に強力な結合を作り出 す方法に関する。

高導電性金属としての銅を易熱伝導性絶縁体としての酸化物セラミックに結合す ることは、電子部材の分野において特に工業的に重要なことである。銅層はスリ ップ導体層、電極層、センサー層として、またはその他に、特に大量の熱を発生 する他の部材上への冷却用放熱器のような酸化物セラミックのはんだ付の接続層 として用いられる。

銅をセラミックへ直接施す様々な方法はすでに公知である。例えば、ＤＥ−Ａ− ３８２４２４９には、セラミック表面を事前に粗くしそして後熱処理でパラジウ ム核形成をした後に、外部電流なしで付着させることが記載されている。

この方法は、最高の厚さか５μｍまでの金属層にのみ可能であるという欠点を有 する。

ＤＥ−Ａ−３０３６１２８には直接銅結合方法（ＤＣＢ）か記載されており、１ ００−９００μｍの厚さの銅シートを約１０７０°Ｃでセラミック表面に施して いる。しかしながら、ＤＣＢ法は、１００μｍより厚い層を施す場合にのみ経済 的である。

真空中での陰極アトマイセーンヨノまたはＤＥ−Ａ−２８２４２４９に記載のよ うな銅の後電着による基体の金属？＆覆は、最高５０μｍまでの層の厚さの場合 に経済的に行うことかできる。施した層とセラミック材料との間の結合強度は、 陰極アトマイセーショノの場合、特にクロム、チタンのいわゆるカップリング層 によって増加するか、このカップリング層はエツチングによるストリップ導体の その後の加工を著しく不利にする。

真空室で事前のプラズマエツチング処理を１１い、同じ真空質でスパッタリング によって銅を施すことは、１−２μｍまでの層の厚さにのみ経済的に可能である 。

熱溶射では、銅を金属および非金属材料のいずれにも施すことができることは公 知である。そのような被覆を用いると、接触抵抗、およびはんだ付は可能な化合 物等の上記材料への適用か改良される。このように施された層は、処理の間の銅 の酸化により、純粋な電解銅に比へて電気抵抗が高い。真空中でまたは保護ガス 室中での様々な熱溶射法は技術的に非常に複雑であり、電子部材の部材形状を考 慮すると、大量生産には全←経済的ではない。

さらに、現代の高度技術においてめられる表面形状の非常に高い寸法精度は、公 知の処理工程でのさらにコストのかかる機械的処理によって可能なだけであり、 いくつかの部品にとってそれは全く達成することができないものである。

従って、本発明の目的は、５μｍ−３００ｕｏ＋の広い範囲において好ましい厚 さを有し、そして電解銅の導電度に近い導電度を有し、また同１組こ厚さの変化 の少ない、十分に強力に結合した層の製造を５１能にする簡単な方法で熱溶射す ることにより、銅または銅合金をセラミック部材に施すことである。

この目的は、初めに述へた一般的な方法で達成され、その特徴は平均粒径が５２ ０μｍの微細な銅粉末を熱溶射によってセラミック表面に施すことである。

本発明に適していることか分かったセラミック材料は、特に酸化物セラミック材 料、例えば酸化アルミニウム、酸化へリリウムまたは酸化ジルコニウムであるが 、非酸化物セラミック材料、例えば窒化アルミニウムも非常に有利な可能性を有 する。本発明の方法の特に有利な具体例では、まず、表面形状を大きく変えるこ となく、セラミック表面を粗くする処理を施す。好ましくは、純度が９０−１０ ０％（酸化アルミニウム）の酸化アルミニウム基体を鉱酸、特に硫酸およびリン 駿を１１の比で含有する混合物で約４５分、少なくとも約１８０’Ｃ１好ましく は２２０−２６０°Ｃで処理する。次に表面を水ですすぎ、その後、循環空気オ ーブンで１５０−２００’Ｃにて乾燥する。乾燥時間は長い時間、好ましくは少 なくとも２４時間である。このように処理した酸化アルミニウム基体の表面粗さ Ｒｚは、ＤＩＮ　４７６８に従って測定して、２−５４である。

あるいは、鉱酸を使用する代わりに、セラミック表面をサンドブラスト処理する ことによって銅層を施すための準備をしてもよい。好ましくは、このためにすン ドブラスト装百を使用して表面を粗くすることができ、適したブラスト研磨剤は 好ましくは鉱物ブラスト材、例えば特に炭化珪素、酸化アルミニウムである。

本発明の好ま（７いブラスト条件はブラスト圧４−６バール、粒度１０−８０μ 膓、ノズルから処理表面までの距離１．ｏＯ−１５０ｍｍおよび処理表面を横切 るノズルの動く速度０．．５−Ｌｍ／秒である。

表面を粗くする上記の別法の後に、例えば、アルコール浴、好ましくはイソプロ パツールの浴中で、あるいは１４０−　］、　６０°Ｃの熱硫酸中で超音波を用 いて行う洗浄工程が続くと都合がよい。洗浄工程は、本発明の目的のために、表 面にまだ存在する汚染物の効果的な除去を確実に行うものである。循環空気オー ブン内で洗浄表面を１５０−２００°Ｃにて乾燥した後、表面を本発明に従って 同様に被覆することかできる。

銅および銅合金を施すのは本発明では、粉末材料を熱溶射することによって行う 。本発明での使用か好ましい方法はプラズマ溶射および高速溶射である。粉末の 性質を様々な熱溶射処理および作用にあわせる。本発明の銅粉末の粒度ｄ５゜は 、サイラスレーザー光散乱法で測定して、８−１２μｍであるのが好ましい。銅 または銅合金の純度は、導電性をもたらすＩ成分に基づいて、少なくとも９９％ であるのか都合かよい。合金成分として、貴金属、例えば銀、金またはパラジウ ムを３０％以下の量で銅との合金にすることができる。銅または銅合金のリン含 有率は測光法で測定して０．０８−０．１５％であり、一方、酸素含有率は不活 性ガス流中での熱抽出による測定で０．　１０．　３％である。意外にも、好ま しくは０゜１０−０．１２％のリン含有率は導電性を妨げず、それどころが施さ れる銅層の酸化作用へプラスの効果を及はすことか分かった。

プラズマ溶射法では、使用プラズマガスは不活性ガス、例えば窒素、水素または 貴ガスおよび／またはこれらの混合物であり、３ｏ−６０リットル／分のアルゴ ンか好ましい。プラズマバーナーの電力は好ましくは１Ｏ−１５ｋＷ、特に好ま しくは１．２　ｋ、　Ｗであり、バーナーは被覆すべき基体を４０−１００ｍｍ 、好ましくは４０−７０ｍｍの距離で１０−１００ｍ／分の速度にて横切る。そ のような条件下で、本発明では２−８ｋｇ／時間の被覆速度が得られる。

被覆すべきキャパシタ部材は酸化物形成を少なくするため、および被覆内および 被覆される本体内の残留応力を防ぐために、被覆工程の間、冷却されているのか 好ましい。このために、微結晶質または液体状のＣＯ２を約４０−６０バールの 高圧で用いるのか好ましい。熱溶射の冷却のために液体状でＣＯ２を用いること は公知であるか、同時にＣＯ２による表面のブラスティングが生じ、これによっ て強力に酸化された非常に小さい妨害粒子か被覆中に埋め込まれるのが抑制され ることは当業者にとって意外なことである。

本発明の方法によって施された銅層の厚さは５−３００μｍであり、厚さの変化 は比較的薄い層では約２０％までであり、比較的厚い層ではわずか約５％までに すぎない。ＤＩＮ　５０　１６０に従って面から引き離すことによって測定した 層の結合強度は３−１３−１Ｏである。塗布された層の結合強度をさらに改良す るために、本発明の範囲には、さらに後熱処理を行うことが含まれる。後熱処理 は６００−８００’Ｃの様々な加熱帯域を有するトンネルキルンで行い、少なく とも５分、好ましくは比較的厚い層の場合は少なくとも１０分行う。熱処理は還 元雰囲気を存在させて行うかまたは真空中で行い、９５％のアルゴンおよび５％ の水素の混合物が還元雰囲気として特に適している。このように製造した層の導 電度は一般に３０−５７ｍ／Ω’ｍｍ′、好ましくは４０−５７ｍ／Ω’ｍｍ２ である。

図１は、本発明の被覆プロセスをどのように実施することができるかを略図で示 したものである。参照番号を用いて、プラズマガス２が導入されるプラズマバー ナーを詳しく示しである。銅粉末４はまず計量装置５に入れ、粉末担体ガスと共 に供給パイプ３を経て熱ガス流に供給され、次にセラミックプレート６上に付着 する。セラミックプレー１・６は方向Ｃに可動性の前進設備７上に取り付けられ 、そして二酸化炭素冷却８によって冷却される。図示された装置は、望ましくは プラズマ溶射Ａまたは高速溶射Ｂに使用しうる。

本発明の方法によって得られる被覆セラミック部材は、電気ストリップ導体の写 真平板の組み立てに使用するのが特に適しており、そのようなストリップ導体は 特に、少なくとも３０ｍ／Ω・ｍｍ２の導電度および少なくとも２０ＭＰａの結 合強度を有し、都合のよいことにはフラックスなしで機械はんだ付けを行うこと ができる。

本発明を次に実施例で説明するが、本発明は記載の具体例に限定されるもので硫 酸と燐酸との混合物（混合比１・１）を用いて２４０℃で４５分間、酸化アルミ ニウムプレートを粗くした。プレートは稜の長さが１０１００Ｘ１００．厚さが ０．６ｍｍであり、これを図１に示すようなプラズマ溶射装置を用いて被覆し、 その後、水ですすぎ、２００℃で４０時間、オーブンで乾燥した。この時のプレ ートの表面粗さＲ，（ＤＩＮ　４７６８）は３．５ａであった。プレートをプラ ズマ溶射法によって粒度ｄ５ｏが８−１０μｍの銅粉末で被覆した。使用したプ ラズマガスは４０リットル／分のアルゴンであった。バーナーの電力は１２ｋＷ であり、バーナーはプレートを６０ｍｍの距離で４０ｍ／分の速度にて横切って 動いた。冷却のために、ＣＯ２を液体状で２つのノズルから圧力６０バールで吹 き付けた。

このように製造した銅層の厚さは７５趨であり、表面粗さＲ１は８−１０Ｑ（Ｄ ＩＮ　４７６８）であった。導電度は６ｍ／Ω・ｍｍ　２であり、結合強度は５ ＭＰａと測定された。次に、被覆プレートを多帯域トンネルキルン中で６００お よび８００℃にて１０分間、９５％のアルゴンおよび５％の水素を含有する雰囲 気下で後熱処理を行った。この時の銅層の導電度は３５ｍ／Ω・ｍｍ２であり、 結合強度は３０ＭＰａであった。

実施例２ 実施例１のような酸化アルミニウムプレートを、実施例１と同じ条件下で銅層で 被覆した。しかしながら、銅層の厚さはわずか３０μｍであった。後熱処理を実 施例１と同じ条件下で行った後、施した銅層の導電度を測定したところ、４５ｍ ／Ω・ｍｍ２であり、結合強度は３１ＭＰａであった。

比較例 実施例１と同じように前処理した酸化アルミニウムプレートを、プラズマ溶射法 によ−、て平均粒度が４０−８０μ厘の一般的な銅粉末で被覆した。プラズマ溶 射の間、７ｋｇ／時の被覆速度を２７ｋＷのバーナー電力で設定した。使用プラ ズマガスは、混合比１５１の窒素と水素との混合物であった。バーナーの力旺物 からの距離は１２５ｍｍであった。

２０％の被覆プレートは熱の過度の発生の結果、熱ガスシェツトによって破壊さ れた。比較例で製造された銅層は、粗さＲ５が３０％１ｍを越える表面構造を有 していた。測定した導電度は５ｍ／Ω・ｍｍ”未満の値であった。

国際調査報告 １＋＋ｔｌＡｊ１１６ａｉｌ。Ａｋ＋ｅｎｒｅ、ｔｈｅ。ＰＣＴ／ＥＰ　９３１ ００６７５６０吻１ａ？ＩＰＣＴ／ＩＩＡ／２　Ｔｏ　＋ｚｔ＋ｗ齢的艙目Ｊ＃ １１１１１１１９１８１フロントページの続き （７２）発明者　ハシス、カルスチン ドイツ連邦共和国デー−８２５５ノッセン。

アム・バーンホフ　２７ （７２）発明者　フォノ・カイザー、カルルーフリードリッヒ ドイツ連邦共和国デー　６２２ｇ　シュランゲンバート、ポルンヴイーズヴエー ク　２０

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．粉末状の銅または銅合金の熱溶射によって施された銅層と、セラミツクとの 間に強力な結合を作り出す方法であって、平均粒径が≦２０μｍの銅または銅合 金の微粉末をセラミック表面に熱溶射することによって施すことよ゜りなる、上 記の方法。
2. ２．使用セラミツク材料が好ましくは、酸化物セラミック材料、例えば酸化アル ミニウム、酸化ベリリウムもしくは酸化ジルコニウム、または非酸化物セラミッ ク材料、例えば窒化アルミニウムである、請求項１の方法。
3. ３．セラミック表面にまず、好ましくは鉱酸を使用して表面を粗くする処理を施 し、その後、該表面を洗浄し、そして少なくとも１８０℃の温度で少なくとも２ ４時間乾燥する、請求項１または２の方法。
4. ４．用いる熱溶射法がプラズマ溶射または高速火炎溶射法である、請求項１−３ のいずれかの方法。
5. ５．銅または銅合金の粉末の粒度ｄ５０が８−１２μｍであり、そして銀、金ま たはパラジウムのような貴金属を３０％以下の量で、合金成分としての銅と合金 にすることができる、請求項１−４のいずれかの方法。
6. ６．銅粉末の純度が少なくとも９９％であり、そのリン含有率が０．０８−０． １５％でありそしてその酸素含有率が０．２−０．３％である、請求項１−５の いずれかの方法。
7. ７．被覆セラミックをさらに還元雰囲気中または真空中、６００−８００℃で少 なくとも５分間、後熱処理する、請求項１−６のいずれかの方法。
8. ８．被覆すべきセラミックを被覆工程の間冷却する、請求項１−７のいずれかの 方法。
9. ９．冷却を微結晶質または液体伏のＣ０２を用いて４０−６０バールの高圧で実 施する、請求項８の方法。
10. １０．被覆の表面粗さＲ２が≦１０μｍであるね請求項１−９のいずれかの方法 によって製造された銅または用合金で被覆されたセラミフク部材。
11. １１．請求項１−９のいずれかの方法によって製造された請求項１０の部材を、 電気ストリップ導体の写真平板の組み立てに用いる用途。
12. １２．銅で被覆されたそして請求項７−９のいずれかの方法によって製造された セラミック部材を、導電度が少なくとも３０ｍ／Ω・ｍｍ２および結合強度が少 なくとも２０ＭＰａの電気ストリップ導体の写真平板の組み立てに用いる用途。