DE102024111115A1 - Pulsed anodic etching process for producing gear structures on surfaces of copper and/or copper alloys, copper and/or copper alloys - Google Patents
Pulsed anodic etching process for producing gear structures on surfaces of copper and/or copper alloys, copper and/or copper alloysInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Gepulstes anodisches Ätz-Herstellungsverfahren von Verzahnungsstrukturen im Mikro- und/oder Nanometerbereich auf Oberflächen von Kupfer und/oder Kupferlegierungen, Kupfer und/oder Kupferlegierungen aufweisend Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche, ein Verbundsystem mit Kupfer und/oder Kupferlegierungen sowie eine zugehörige Verwendung.
Das Gepulstes anodisches Ätz-Herstellungsverfahren umfasst eine elektrochemische Zelle mit einem Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil als Anode mit einem wässrigen niedrig konzentrierten chlorhaltigen Elektrolyten gepulst beschaltet wird, wobei auf der Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil-Oberfläche in Phasen mit Stromfluss Kupferoxid gebildet wird, das auf der Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil-Oberfläche befindliche Kupferoxid in Phasen ohne Stromfluss zu Kupferchlorid umgewandelt wird und die Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil-Oberfläche in Phasen mit Stromfluss mit dem gebildeten Kupferchlorid als Dielektrikum dem anodischen Ätzprozess unterliegt, was zur Ausbildung eines oberflächenstrukturierten Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteils aufweisend Verzahnungsstrukturen im Mikro- und/oder Nanometerbereich führt.
The invention relates to a pulsed anodic etching production method of toothed structures in the micrometer and/or nanometer range on surfaces of copper and/or copper alloys, copper and/or copper alloys having toothed structures on the surface, a composite system with copper and/or copper alloys and an associated use.
The pulsed anodic etching manufacturing method comprises an electrochemical cell with a copper and/or copper alloy component as the anode which is pulsed with an aqueous, low-concentration chlorine-containing electrolyte, whereby copper oxide is formed on the copper and/or copper alloy component surface in phases with current flow, the copper oxide located on the copper and/or copper alloy component surface is converted to copper chloride in phases without current flow, and the copper and/or copper alloy component surface is subjected to the anodic etching process in phases with current flow with the formed copper chloride as a dielectric, which leads to the formation of a surface-structured copper and/or copper alloy component having interlocking structures in the micrometer and/or nanometer range.
Description
Die Erfindung betrifft ein gepulstes anodisches Ätz-Herstellungsverfahren von Verzahnungsstrukturen im Mikro- und/oder Nanometerbereich auf Oberflächen von Kupfer und/oder Kupferlegierungen, Kupfer und/oder Kupferlegierungen aufweisend Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche, ein Verbundsystem mit Kupfer und/oder Kupferlegierungen sowie eine zugehörige Verwendung.The invention relates to a pulsed anodic etching production method of toothed structures in the micrometer and/or nanometer range on surfaces of copper and/or copper alloys, copper and/or copper alloys having toothed structures on the surface, a composite system with copper and/or copper alloys and an associated use.
Die Verordnung Registrierung, Evaluierung, Autorisierung und Beschränkung von Chemikalien (REACH) der Europäischen Union regelt den Umgang mit „...besonders besorgniserregenden Stoffe (SVHC) wegen ihrer möglichen negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit oder die Umwelt...". Hierbei werden immer mehr Chemikalien als schädlich eingestuft. Dies hat starke Auswirkungen auf heutzutage vielfältig genutzte elektrische und mechanische Verbindungen und bedingt einen Bedarf an Alternativen. Insbesondere in Verbindungen auftretende chemische Wechselwirkungen sollten zumindest, dort wo möglich, zumindest teilweise durch mechanische Wechselwirkungen ersetzt werden.The European Union's Registration, Evaluation, Authorization, and Restriction of Chemicals (REACH) regulation regulates the handling of "...substances of very high concern (SVHC) because of their potential adverse effects on human health or the environment...". A growing number of chemicals are being classified as harmful. This has a significant impact on today's widely used electrical and mechanical connections and creates a need for alternatives. In particular, chemical interactions occurring in connections should, where possible, be at least partially replaced by mechanical interactions.
Während Kupfer ein gut lötbares Metall ist, gilt dies für Kupferlegierungen wie beispielsweise Messing, das einen hohen Zink-Anteil aufweist, nur bedingt. Auf beide Materialklassen werden häufig Polymerfilme, insbesondere als Korrosionsschutz, aufgebracht. Die Polymerfilme haften jedoch nicht besonders gut und können so nur mit zumeist chemisch aggressiven Haftvermittlern eingesetzt werden, von denen zukünftig wahrscheinlich ein Großteil durch die REACH-Regularien verboten sein werden.While copper is a readily solderable metal, this is only partially true for copper alloys such as brass, which has a high zinc content. Polymer films are often applied to both classes of materials, particularly for corrosion protection. However, these polymer films do not adhere particularly well and can therefore only be used with chemically aggressive adhesion promoters, many of which will likely be banned in the future under REACH regulations.
Im Bereich der Verbindungen mit Metall ist es für einige Materialien, wie beispielsweise Titan oder auch Aluminium, heutzutage möglich einen Teil der auftretenden Probleme zu lösen, indem Metalloberflächen durch umweltfreundliches elektrochemisches Ätzen im Nanobereich modelliert werden. Bis heute ist es nicht möglich die bei diesen Materialien gewonnenen Erkenntnisse auf Kupfer oder Kupferlegierungen zu übertragen, da das für den Strukturierungsprozess notwendige Dielektrikum Kupferoxid chemisch nicht stabil genug ist.In the area of metal bonding, it is now possible to solve some of the problems encountered for some materials, such as titanium or aluminum, by modeling metal surfaces at the nanoscale using environmentally friendly electrochemical etching. To date, it has not been possible to transfer the knowledge gained from these materials to copper or copper alloys because the dielectric required for the structuring process, copper oxide, is not chemically stable enough.
Nach dem Stand der Technik existieren elektrochemische Ätzverfahren zur Modellierung von Metalloberflächen im Nanobereich für verschiedene Metalle.State-of-the-art electrochemical etching processes exist for modeling metal surfaces at the nanoscale for various metals.
Die Druckschrift
Zudem offenbart die Druckschrift
In der Druckschrift
Die Oberflächen von Kupfer und/oder Kupferlegierungen werden nach dem Stand der Technik insbesondere nicht elektrochemisch, sondern mittels anderer Verfahren wie beispielsweise dem Schleifen oder Bürsten oder auch Lasern modelliert.According to the state of the art, the surfaces of copper and/or copper alloys are not modeled electrochemically, but by means of other processes such as grinding or brushing or even lasers.
Eine elektrochemische Entlegierung kann zur Erzeugung von Kupferbauteilen mit Poren in den entlegierten Bereichen genutzt werden.Electrochemical dealloying can be used to produce copper components with pores in the dealloyed areas.
Auch offenbaren A. Amanov et al. in der Druckschrift „
Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass das für den elektrochemischen Strukturierungsprozess von Kupfer und/oder Kupferlegierungen notwendige Dielektrikum Kupferoxid oder bei Messing zusätzlich auch Zinkoxid chemisch nicht stabil genug für den Ätzvorgang ist. Ohne ein chemisch stabiles Dielektrikum ist es jedoch nicht möglich die für das Ätzen von Poren als Startpunkt der auszubildenden Oberflächenstrukturen notwendige Selektivität über die Passivierungskinetik von Oberflächen und Porenwänden zu erreichen.The problems with the prior art are essentially that the dielectric required for the electrochemical structuring process of copper and/or copper alloys, copper oxide or, in the case of brass, zinc oxide, is not chemically stable enough for the etching process. However, without a chemically stable dielectric, it is not possible to achieve the selectivity required for etching pores as the starting point for the surface structures to be formed via the passivation kinetics of surfaces and pore walls.
Zudem tritt bei Kupferlegierungen wie beispielsweise Messing bei Korrosion zusätzlich die Problematik auf, dass der Legierungspartner zunächst aufgelöst wird, während das Kupfer zurückbleibt.In addition, with copper alloys such as brass, corrosion presents the additional problem that the alloy partner is initially dissolved, while the copper remains.
Eine Aufgabe der hier offenbarten Erfindung ist es ein Ätz-Herstellungsverfahren bereitzustellen, mit dem es möglich wird, Kupfer und/oder Kupferlegierungen mit Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche herzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe ein umweltfreundliches Ätz-Herstellungsverfahren hierfür bereitzustellen.One object of the invention disclosed here is to provide an etching manufacturing process that makes it possible to produce copper and/or copper alloys with interlocking structures on the surface. In particular, one object is to provide an environmentally friendly etching manufacturing process for this purpose.
Eine weitere Aufgabe ist es Kupfer und/oder Kupferlegierungen mit Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche bereitzustellen. Zudem ist es Aufgabe Kupfer und/oder Kupferlegierungen mit Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche und gleichzeitig verbesserter Benetzbarkeit mit wässrigen Medien bereitzustellen.A further objective is to provide copper and/or copper alloys with interlocking structures on the surface. Furthermore, the objective is to provide copper and/or copper alloys with interlocking structures on the surface and simultaneously improved wettability with aqueous media.
Zudem ist es eine weitere Aufgabe ein Verbundsystem aufweisend Kupfer und/oder Kupferlegierungen mit Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche bereitzustellen, das kostengünstig, einfach und umweltfreundlich herstellbar ist.In addition, a further object is to provide a composite system comprising copper and/or copper alloys with toothed structures on the surface, which can be produced cost-effectively, simply and in an environmentally friendly manner.
Auch ist es eine Aufgabe solch ein Verbundsystem mit verbesserten Klebeigenschaften gegenüber einem System nach dem Stand der Technik herzustellen.It is also an object to produce such a composite system with improved adhesive properties compared to a state-of-the-art system.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem gepulstes anodisches Ätz-Herstellungsverfahren von Verzahnungsstrukturen auf Oberflächen von Kupfer und/oder Kupferlegierungen gemäß Hauptanspruch und Kupfer und/oder Kupferlegierungen mit Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche und einem Verbundsystem mit Kupfer und/oder Kupferlegierungen gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.This object is achieved by a pulsed anodic etching production method of toothed structures on surfaces of copper and/or copper alloys according to the main claim and copper and/or copper alloys with toothed structures on the surface and a composite system with copper and/or copper alloys according to the independent claims.
Das Gepulstes anodisches Ätz-Herstellungsverfahren von Verzahnungsstrukturen im Mikro- und/oder Nanometerbereich auf Oberflächen von Kupfer und/oder Kupferlegierungen ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrochemische Zelle mit einem Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil als Anode mit einem wässrigen niedrig konzentrierten chlorhaltigen Elektrolyten gepulst beschaltet wird,
wobei
- - auf der Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil-Oberfläche in Phasen mit Stromfluss Kupferoxid gebildet wird,
- - das auf der Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil-Oberfläche befindliche Kupferoxid in Phasen ohne Stromfluss zu Kupferchlorid umgewandelt wird und
- - die Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil-Oberfläche in Phasen mit Stromfluss mit dem gebildeten Kupferchlorid als Dielektrikum dem anodischen Ätzprozess unterliegt,
where
- - copper oxide is formed on the copper and/or copper alloy component surface in phases with current flow,
- - the copper oxide on the copper and/or copper alloy component surface is converted to copper chloride in phases without current flow and
- - the copper and/or copper alloy component surface is subjected to the anodic etching process in phases with current flow with the formed copper chloride as a dielectric,
Der wässrige Elektrolyt kann insbesondere eine HCl-Konzentration von 0,5 bis 1,5 wt.% und/oder 0,75 wt.% oder eine äquivalente Konzentration an Chlor-Ionen in Wasser aufweisen.The aqueous electrolyte may in particular have an HCl concentration of 0.5 to 1.5 wt.% and/or 0.75 wt.% or an equivalent concentration of chlorine ions in water.
Zudem kann die einzelne Pulsdauer 0,1 bis 5 Sekunden oder bevorzugt 0,3 bis 3 Sekunden betragen und die Zeit zwischen den einzelnen Pulsen kann 0,5 bis 2,5 Sekunden oder bevorzugt 1 Sekunde betragen und die elektrochemische Zelle kann mit einer Anzahl von 2 bis 5 Pulsen oder bevorzugt 3 Pulsen beschaltet werden und die elektrochemische Zelle kann mit einer Spannung von 5 V bis 50 V oder bevorzugt von 20 V bis 30 V beschaltet werden.In addition, the individual pulse duration can be 0.1 to 5 seconds or preferably 0.3 to 3 seconds and the time between the individual pulses can be 0.5 to 2.5 seconds or preferably 1 second and the electrochemical cell can be connected with a number of 2 to 5 pulses or preferably 3 pulses and the electrochemical cell can be connected with a voltage of 5 V to 50 V or preferably 20 V to 30 V.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die Stromquelle im Stromdichtenbereich von 1 bis 6 A/cm2 oder 2 bis 4 A/cm2 konstant oder abfallend auf 0,1 bis 1 A/cm2 oder 0,2 A/cm2 gefahren werden.In a preferred embodiment, the current source can be in the current density range of 1 up to 6 A/cm 2 or 2 to 4 A/cm 2 constant or decreasing to 0.1 to 1 A/cm 2 or 0.2 A/cm 2 .
Das bei Durchführung des erfindungsgemäßen Ätz-Herstellungsverfahrens gebildete Kupferchlorid kann insbesondere als Kupfer(I)-chlorid ausgebildet sein.The copper chloride formed during the etching production process according to the invention can in particular be formed as copper(I) chloride.
Auch kann das Ätz-Herstellungsverfahren mit einer Elektrolyttemperatur von 5°C bis 50°C, vorzugsweise um Raumtemperatur durchgeführt werden und/oder im Anschluss an den Ätzprozess das gebildete Kupferchlorid mechanisch von dem Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil entfernt werden und/oder im Anschluss an den Ätzprozess das Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil mit, insbesondere destilliertem Wasser, gespült und nachfolgend getrocknet werden und/oder es kann eine aktive Elektrolytumwälzung während der Strukturierung erfolgen.The etching production process can also be carried out with an electrolyte temperature of 5°C to 50°C, preferably around room temperature and/or following the etching process, the copper chloride formed can be mechanically removed from the copper and/or copper alloy component and/or following the etching process, the copper and/or copper alloy component can be rinsed with, in particular, distilled water and subsequently dried and/or an active electrolyte circulation can take place during the structuring.
Das Kupfer und/oder die Kupferlegierungen aufweisend Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche hergestellt mit dem gepulstes anodisches Ätz-Herstellungsverfahren von Verzahnungsstrukturen auf Oberflächen von Kupfer und/oder Kupferlegierungen ist/sind dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungsstrukturen Strukturen im Mikro- und/oder Nanometerbereich und Hinterschnitte umfassen.The copper and/or copper alloys having toothing structures on the surface produced by the pulsed anodic etching production process of toothing structures on surfaces of copper and/or copper alloys is/are characterized in that the toothing structures comprise structures in the micro- and/or nanometer range and undercuts.
Die Oberfläche des Kupfers und/oder der Kupferlegierungen kann insbesondere eine gute Benetzbarkeit mit einem Lötmittel, ausgebildet mit oder ohne Flussmittel, aufweisen. Bei bleihaltigen Loten mit Flussmittel beträgt der Kontaktwinkel weniger als 10°, bei bleifreien mit Flussmittel unter 45° und bei bleifreien ohne Flussmittel 70-90°. Bei jeder untersuchten Lot/Flussmittel Kombination ist der Kontaktwinkel auf der strukturierten Oberfläche deutlich kleiner als auf der klassisch mechanisch präparierten.The surface of the copper and/or copper alloys can, in particular, exhibit good wettability with a solder, whether formed with or without flux. For lead-containing solders with flux, the contact angle is less than 10°, for lead-free solders with flux, it is less than 45°, and for lead-free solders without flux, it is 70-90°. For every solder/flux combination tested, the contact angle on the structured surface is significantly smaller than on the conventionally mechanically prepared surface.
Die mit Hinterschnitten strukturierten Oberflächen sind deutlich besser geschützt gegenüber Spaltkorrosion, da die komplexe dreidimensionale Struktur das Bilden eines Spaltes und dessen Ausbreitung verhindert und damit den typischen Mechanismus aushebelt, dass Korrosion an der Spitze des Spaltes zu einer weiteren Aufweitung des Spaltes und somit zu einem selbstverstärkenden Korrosionsprozess führt.Surfaces structured with undercuts are significantly better protected against crevice corrosion, as the complex three-dimensional structure prevents the formation and propagation of a crevice, thus counteracting the typical mechanism whereby corrosion at the tip of the crevice leads to further widening of the crevice and thus to a self-reinforcing corrosion process.
Die Kupferlegierungen können Messing und/oder Bronze umfassen.The copper alloys may include brass and/or bronze.
Das Verbundsystem mit Kupfer und/oder Kupferlegierungen umfassend
- - zumindest zwei Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteile oder
- - zumindest ein Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteil und zumindest ein weiteres elektrisch leitfähiges Bauteil
- - at least two copper and/or copper alloy components or
- - at least one copper and/or copper alloy component and at least one further electrically conductive component
Kupfer und/oder Kupferlegierungen aufweisend Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche können beispielsweise Verwendung finden
- - als Bestandteil eines Verbundsystems Metall/Metall oder Metall/Polymer mit einem Klebstoff oder einem Lötmittel als Verbindungskomponente und/oder
- - als leitfähiges Verbundsystem Metall/Metall mit einem leitfähigen oder nicht leitfähigen Klebstoff als Verbindungskomponente.
- - as part of a metal/metal or metal/polymer composite system with an adhesive or a solder as a joining component and/or
- - as a conductive metal/metal composite system with a conductive or non-conductive adhesive as the connecting component.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind. Es zeigen:
-
REM-Aufnahmen einer beispielhaften Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung in Form von Messing aufweisend Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche; -
REM-Aufnahmen einer beispielhaften Ausführungsvariante von erfindungsgemäßem Kupfer aufweisend Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche; -
Fotographien der Ergebnisse eines beispielhaften Versuches zur Darstellung der verbesserten Benetzbarkeit einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung gegenüber einer Kupferlegierung nach dem Stand der Technik in Form von Messing; -
REM-Aufnahmen einer beispielhaft partiell entfernten Kupferchlorid-Schicht auf einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung; -
REM-EDX-Analyse einer partiell entfernten Kupferchlorid-Schicht beispielhaft auf einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung in Form von Messing; -
REM-EDX-Analyse einer partiell entfernten Kupferchlorid-Schicht beispielhaft auf erfindungsgemäßem Kupfer; -
Fotographien der Ergebnisse eines beispielhaften Klebeversuches zur Darstellung der Klebefestigkeit von verklebten konventionellen Messingstreifen im Vergleich zu verklebten erfindungsgemäßen Messingstreifen und -
eine beispielhafte schematische Darstellung eines leitfähigen Verbundsystems Metall/Metall mit einem nicht leitfähigen Klebstoff als Verbindungskomponente.
-
SEM images of an exemplary embodiment of a copper alloy according to the invention in the form of brass having toothed structures on the surface; -
SEM images of an exemplary embodiment of copper according to the invention having toothed structures on the surface; -
Photographs of the results of an exemplary test to demonstrate the improved wettability of a copper alloy according to the invention compared to a prior art copper alloy in the form of brass; -
SEM images of an exemplary partially removed copper chloride layer on a copper alloy according to the invention; -
SEM-EDX analysis of a partially removed copper chloride layer, for example on a copper alloy according to the invention in the form of brass; -
SEM-EDX analysis of a partially removed copper chloride layer, for example on copper according to the invention; -
Photographs of the results of an exemplary bonding test to illustrate the bonding strength of bonded conventional brass strips in comparison to bonded brass strips according to the invention and -
an exemplary schematic representation of a conductive metal/metal composite system with a non-conductive adhesive as a connecting component.
Die
Die erfindungsgemäßen Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteile mit Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche sind ungewöhnlich leicht mit verschiedenen Loten, hierzu zählen bleihaltige und bleifreie Lote, mit und auch nahezu ohne Flussmittel benetzbar. Hierdurch wird es möglich mit sehr dünnen Lötfilmen zu arbeiten und die Lötverbindungen zeigen eine extreme mechanische Belastbarkeit.The copper and/or copper alloy components according to the invention with interlocking structures on the surface are unusually easily wettable with various solders, including lead-containing and lead-free solders, with and almost without flux. This makes it possible to work with very thin solder films, and the solder joints exhibit extreme mechanical strength.
Optisch sichtbar ist eine dünne, weißliche, mattdurchscheinende Schicht auf der erfindungsgemäßen Kupferlegierung direkt nach dem Ätzvorgang. Diese Schicht ist nicht mit Wasser, Isopropanol, Ethanol oder Aceton abspülbar, sondern nur mechanisch (beispielsweise Airjet, Abheben mittels Klebefilm, Bürsten) entfernbar.A thin, whitish, opaque layer is visible on the copper alloy of the invention immediately after the etching process. This layer cannot be rinsed off with water, isopropanol, ethanol, or acetone, but can only be removed mechanically (e.g., by airjet, removal using adhesive film, or brushing).
Die REM-Aufnahmen der nur partiell entfernten Kupferchlorid-Schicht zeigen, dass die Schicht aus kleinen Körnern besteht und eine Schichtdicke von ungefähr 1 µm aufweist.The SEM images of the only partially removed copper chloride layer show that the layer consists of small grains and has a layer thickness of approximately 1 µm.
In
Mittels REM-EDX-Analysen wird eindeutig dargestellt, dass es sich bei der partiell entfernten Schicht um Kupferchlorid handelt. Durch Kombination der Farbwahrnehmung und mit der Nichtlöslichkeit in gängigen Lösemitteln kann das Kupferchlorid auf Kupfer-I-Chlorid spezifiziert werden.SEM-EDX analysis clearly shows that the partially removed layer is copper chloride. Combining color perception with the insolubility in common solvents, the copper chloride can be specified as copper I chloride.
Zudem zeigt
Es wurden vier identische Messingstreifen (Maße: 65 mm × 15 mm × 1 mm) verwendet. Zwei der Messingstreifen wurden konventionell mittels Dremel angeschliffen und mit einer Schleifbürste mit 220er Körnung bearbeitet. Die anderen beiden Messingstreifen wurden mittels des erfindungsgemäßen Ätz-Herstellungsverfahrens (Parameter: 3 × 1 s Puls, 30 V) behandelt, so dass auf der Oberfläche Verzahnungsstrukturen im Mikro- und/oder Nanometerbereich vorlagen (
Für den nachfolgenden Biegetest im Schraubstock wurden die verbundenen Messingstreifen jeweils ungefähr 3 mm unterhalb der Klebung geklemmt und anschließend am oberen Ende bis zum Versagen der Klebeverbindung horizontal gedrückt (
Die
Dieser Effekt ist im Wesentlichen durch die Kombination von guter Benetzbarkeit und mechanischer Verzahnung (Interlocking) zu erklären und wurde beispielsweise schon bei ähnlich strukturierten Aluminium- und Stahloberflächen beobachtet. Eine genaue Betrachtung der Klebefläche der strukturierten Probe zeigt, dass beim Versagen der Klebestelle, diese bereits plastisch verformt ist. Der entstehende Peeling-Effekt führt dabei zu einer deutlich höheren „effektiven“ Belastung der Klebung, als die reine mechanische Verbiegung des außerhalb der Klebung liegenden Bereiches indiziert. Dies ist ein weiteres Zeichen der deutlich verbesserten Klebeigenschaften der erfindungsgemäßen Kupferlegierung aufweisend Verzahnungsstrukturen auf der Oberfläche.This effect is essentially explained by the combination of good wettability and mechanical interlocking, and has already been observed, for example, on similarly structured aluminum and steel surfaces. A close examination of the bonded surface of the structured sample shows that at the time of bond failure, it is already plastically deformed. The resulting peeling effect leads to a significantly higher "effective" load on the bond than the mere mechanical deflection of the area outside the bond indicates. This is a further indication of the significantly improved bonding properties of the inventive copper alloy with interlocking structures on the surface.
Ein solche Klebverbindung eines elektrisch leitfähigen Verbundsystems kann zukünftig beispielsweise als Ersatz für nach den REACH-Regularien nicht mehr erlaubte chemisch aggressive Komponenten insbesondere für Lötverbindungen in korrosiven Umgebungen Einsatz finden.Such an adhesive bond of an electrically conductive composite system can be used in the future, for example, as a replacement for chemically aggressive components that are no longer permitted under REACH regulations, particularly for soldered joints in corrosive environments.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Ätz-Herstellungsverfahren wird Kupferchlorid, insbesondere Kupfer(I)-chlorid, als Ersatz für ein chemisch stabiles Oxid verwendet, das für die elektrochemische Strukturierung von der Oberfläche von Kupfer und/oder Kupferlegierungen benötigt wird.According to the etching production method according to the invention, copper chloride, in particular copper(I) chloride, is used as a substitute for a chemically stable oxide required for the electrochemical structuring of the surface of copper and/or copper alloys.
Wenn derart oberflächenstrukturierte Kupfer- und/oder Kupferlegierungs-Bauteile Verwendung finden, wird es möglich chemische Bindungen nach dem Stand der Technik durch mechanische Verriegelungen zu ersetzen. Hierbei wird es möglich schädliche, möglicherweise bald verbotene, Chemikalien durch die Nutzung umweltfreundlicher Elektrochemie zu ersetzen.If such surface-structured copper and/or copper alloy components are used, it will be possible to replace state-of-the-art chemical bonds with mechanical interlocks. This will make it possible to replace harmful, possibly soon-to-be-banned, chemicals with the use of environmentally friendly electrochemistry.
In dem Verbundsystem sind durch die in den Bauteilen vorliegenden Verzahnungsstrukturen die chemischen Eigenschaften von Lötmittel oder Klebstoff weniger relevant, was eine erhöhte Optimierbarkeit in Richtung elektrischer und mechanischer Eigenschaften bedingt.In the composite system, the chemical properties of solder or adhesive are less relevant due to the interlocking structures present in the components, which results in increased optimization potential in terms of electrical and mechanical properties.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10 2021 111 147 A1 [0006]DE 10 2021 111 147 A1 [0006]
- DE 10 2021 111 149 A1 [0007]DE 10 2021 111 149 A1 [0007]
- DE 102 35 020 B4 [0008]DE 102 35 020 B4 [0008]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- S. Vollmer et al. offenbaren in der Druckschrift „Nanostrukturierung von Kupferoberflächen durch Sauerstoff-induzierte Rekonstruktionen“, Materials Science and Engineering Technology 2000, 31(9), 845-849 [0011]S. Vollmer et al. disclose in the publication “Nanostructuring of copper surfaces by oxygen-induced reconstructions”, Materials Science and Engineering Technology 2000, 31(9), 845-849 [0011]
- Zudem offenbaren S. Rung et al. in der Druckschrift „Time Dependence of Wetting Behavior Upon Applying Hierarchic Nano-Micro Periodic Surface Structures on Brass Using Ultra Short Laser Pulses“, Appl. Sc. 2018, 8(5), 700 [0012]In addition, S. Rung et al. in the publication “Time Dependence of Wetting Behavior Upon Applying Hierarchic Nano-Micro Periodic Surface Structures on Brass Using Ultra Short Laser Pulses”, Appl. Sc. 2018, 8(5), 700 [0012]
- Microstructural evolution and surface properties of nanostructured Cu-based alloy by ultrasonic nanocrystalline surface modification technique“, Applied Surface Science 2016 [0013]Microstructural evolution and surface properties of nanostructured Cu-based alloy by ultrasonic nanocrystalline surface modification technique", Applied Surface Science 2016 [0013]
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