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WO2019086316A1 - Verfahren zur beschichtung einer metallischen oberfläche mit einem metallischen material - Google Patents

Verfahren zur beschichtung einer metallischen oberfläche mit einem metallischen material Download PDF

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Publication number
WO2019086316A1
WO2019086316A1 PCT/EP2018/079238 EP2018079238W WO2019086316A1 WO 2019086316 A1 WO2019086316 A1 WO 2019086316A1 EP 2018079238 W EP2018079238 W EP 2018079238W WO 2019086316 A1 WO2019086316 A1 WO 2019086316A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
coating
gold
energetic
nanoparticles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/079238
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nicole Ritschel
Christian Vedder
Jochen Stollenwerk
Florian Fuchs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of WO2019086316A1 publication Critical patent/WO2019086316A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C23C24/106—Coating with metal alloys or metal elements only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • C23C24/085—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C23C24/087—Coating with metal alloys or metal elements only

Definitions

  • the present invention relates to a method for coating a metallic surface with a metallic material, in particular a
  • Precious metal in which a layer of micro- and / or nanoparticles of the metallic material is applied to one or more areas of the surface to be coated and then processed with energetic radiation to produce the coating.
  • the method is suitable, inter alia, for
  • Coating of electrical contact surfaces with a noble metal such as gold is done so far by means of electroplating, PVD or CVD method, on the one hand to achieve greater electrical contact and Mattergangsleitschreib- opportunities on electrical contact surfaces and on the other hand, a lower corrosion. This is a reduction of power loss and also of
  • PVD coatings require energy-intensive vacuum processes.
  • microparticulate gold layers are influenced by the so-called balling effect during continuous exposure to laser radiation.
  • the gold contracts in the liquid state by the surface tension into balls, whereby the formation of a homogeneous gold layer is prevented.
  • Adhesion between the surface of the substrate and the solidified gold is thus insufficient Measures.
  • the laser-based sintering of microparticulate gold layers in pulsed laser operation in turn, only a slight adhesion between the substrate surface and the gold layer is produced. The resulting gold layer peels off during the laser process from the substrate.
  • Gold coating of a metallic surface is known in which a layer of microparticles of gold is applied to the surface and completely melted with continuous laser radiation to coat the surface with the gold. This method attempts to minimize the balling effect by adjusting the scanning speed and power of the laser beam.
  • KR 10 2013 0023732 A a method for coating a substrate with a metallic material is known, in which the metallic material is applied in nanoparticulate form on the surface and then sintered with a pulsed laser beam to produce the coating.
  • the sintering process does not lead to a complete fusion of the particulate metal layer and also to a fusion with the substrate material.
  • JP 2015-067855 A describes such a method in which a nanoparticulate Gold layer is fixed by laser sintering on a metallic surface.
  • the object of the present invention is to provide a method for coating a metallic surface with a metallic material with which a solid, cohesive
  • connection of the coating is achieved with the surface and in particular for finishing
  • a metallic surface is coated with a metallic material, in particular a noble metal.
  • a metallic material in particular a noble metal.
  • a micro- and / or nanoparticulate layer of the metallic material hereinafter also as Layer with micro- and / or nanoparticles, applied to one or more areas of the surface to be coated.
  • Layer with micro- and / or nanoparticles applied to one or more areas of the surface to be coated.
  • micro- and / or nanoparticulate layer can be applied metallic material.
  • the application of the micro- and / or nanoparticulate layer can be applied metallic material.
  • Dispersing and / or binder they are preferably removed after the application of the layer in a drying step and optionally a subsequent debinding step.
  • Drying of the layer with micro- and / or nanoparticles comprises evaporation of low-boiling fractions of the vehicle or transport medium of the micro- and / or nanoparticles. During debindering, the remaining portions of the vehicle of the micro- and / or nanoparticles are evaporated at higher temperatures.
  • the layer of micro- and / or nanoparticles is then first sintered in a first processing phase with one or more first energetic beams to obtain a sintered layer of the micro- and / or nanoparticles on the surface. Also preferably carried out
  • Drying and / or debinding step can be carried out with energetic rays.
  • the thus sintered layer is then in a second processing phase with one or more second energetic rays completely melted to form a homogeneous layer out of the
  • the first and second energy beams are guided in the two processing phases in each case with scanning movements over the layer with the microparticles and / or nanoparticles or the sintered layer.
  • the first and second energetic beams can originate from the same beam source or from different beam sources.
  • a homogeneous layer i. a layer in which a particulate structure is no longer present due to complete fusion of the particles, and a fusion-metallurgical bonding of the layer to the surface material is achieved. This leads to a firm connection of the coating with the
  • the layer containing the microparticles and / or nanoparticles of the metallic material is preferably applied to the surface as a paste, in particular by means of a printing process by which the paste is applied in a location-selective manner only to the areas of the surface to be coated.
  • the method makes it possible to coat a metallic surface with a noble metal layer, for example for finishing electrical contacts.
  • a noble metal layer for example for finishing electrical contacts.
  • microparticulate form so that costs compared to procedures are saved, the one
  • Sintering step in the first processing phase pulsed laser radiation and for the melting step in the second processing phase continuous (continuous wave: cw) laser radiation used.
  • continuous wave: cw continuous wave
  • the techniques of selective laser sintering and selective laser melting are used.
  • other energetic beams for example electron beams or ion beams, can be used for the two processing phases.
  • the process can be carried out in different variants.
  • the entire functionalization process of the applied Layer with the micro and / or nanoparticles with energetic rays, in particular laser beams are performed.
  • the applied layer is first dried and debinded with at least one energetic beam of a beam source, and then sintered with at least one energetic beam of a beam source and melted with at least one energetic beam of a beam source.
  • the beam sources used may or may not be the same.
  • the drying of the initially applied layer with the microparticles and / or nanoparticles is effected by a process interposed between the application, for example printing, and the subsequent further functionalization process, for example by means of VCSEL module, IR radiator, flash lamp, plasma treatment, Hot air jet, oven or induction heater.
  • Subsequent machining process with the energetic rays then involves debinding and sintering and melting of the layer. Also, this same or different beam sources can be used.
  • drying and debinding are carried out by a process interposed between the application and the subsequent further functionalization process. This can in turn be done, for example, by means of a VCSEL module, IR radiator, oven, or induction heater.
  • the subsequent processing process with the energetic rays then includes sintering and melting applied layer using one or more beam sources.
  • the layer geometries can be from
  • the method is particularly suitable for
  • Application field thus provides the location-selective Contact refinement of electronic components as well as the selective finishing of objects with noble metal layers, in particular gold layers, dar.
  • noble metal layers in particular gold layers, dar.
  • Such layers can also be used for site-selective or surface corrosion or wear protection.
  • the method can be used for coating two-dimensional as well as three-dimensional components. If necessary, non-noble metal layers can also be applied by the method.
  • Fig. 1 is a schematic flow diagram of a
  • a metallic contact layer for example made of nickel-plated copper, of an electronic component with a gold coating is finished, in order to have the same
  • the proposed multi-stage process here comprises the application of a microparticulate gold layer, the drying and debindering of this layer, the laser sintering of the applied layer and the final laser melting of the sintered layer, as shown schematically in the flowchart of FIG. FIG. 2 a shows a highly schematic representation of an electronic component having a substrate 1 and a metallic layer 2 applied thereto, which serves as an electrical contact layer.
  • the first step of the proposed method is in the present
  • Example 2 on the surface of the metallic layer 2 a gold paste 3 printed (Fig. 2b), the microparticles of gold and other ingredients such as
  • Solvent and binder contains. In the present
  • Gold paste 3 is illuminated with IR radiation 11 to allow these other components of the gold paste
  • This step can also be done with others
  • Means for example, with the help of one or more laser beams as in the subsequent steps take place.
  • a multi-stage laser functionalization process of the printed gold layer takes place. This includes the use of pulsed and continuous wave Laser radiation (cw) and the targeted guiding (scanning) of the laser beam over the layer - preferably in a line or meander shape. This achieves functionalization of the printed microparticulate gold layer.
  • the printed layer is processed by means of a pulsed laser beam 5 of a laser beam source 6, which is guided over the layer with a suitable beam guidance system 10, for example a galvano scanner (FIG. 2d).
  • a suitable beam guidance system 10 for example a galvano scanner
  • the corresponding sintered layer 4 is then in a second processing phase with a cw laser beam 7 of a cw laser. 8
  • a laser system with a wavelength of ⁇ 1062 ⁇ 3nm for the
  • Laser processing used. This laser system is used in the present example for both processing phases of the process.
  • the particle size is 1.48 ⁇ m (median).
  • the drying process is carried out in an IR line or, an IR oven at 280 ° for ten minutes.
  • Pulse duration of t p 7ns.
  • a laser beam intensity of I 4.4 MW / cm 2 at a
  • the wavelength of the laser radiation is selected so that it is completely or partially from the substrate or
  • Components of the applied metal paste is absorbed. It can therefore be chosen in a very wide wavelength range, for example between 100 and 11000 nm or even higher.
  • the particle size of the metal particles used is not critical.
  • the primary particle sizes are in the Range ⁇ 10 ⁇ m.
  • the layer thickness of the applied metal paste is preferably ⁇ 100 microns.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit einem metallischen Material, insbesondere einem Edelmetall, wird eine Schicht (3) mit Mikro- und/oder Nanopartikeln des metallischen Materials auf die zu beschichtenden Bereiche der Oberfläche aufgetragen. Die Schicht (3) wird dann in einer ersten Bearbeitungsphase mit einem oder mehreren energetischen Strahlen (5) gesintert. Die gesinterte Schicht (4) wird anschließend in einer zweiten Bearbeitungsphase mit einem oder mehreren energetischen Strahlen (7) vollständig aufgeschmolzen, um eine homogene Schicht (9) aus dem metallischen Material zu bilden und mit der Oberfläche zu verschmelzen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung einer homogenen Beschichtung mit einem metallischen Material, die fest mit der Oberfläche verbunden ist.

Description

Verfahren zur Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit einem metallischen Material
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit einem metallischen Material, insbesondere einem
Edelmetall, bei dem eine Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln des metallischen Materials auf einen oder mehrere zu beschichtende Bereiche der Oberfläche aufgetragen und anschließend mit energetischer Strahlung bearbeitet wird, um die Beschichtung herzustellen.
Das Verfahren eignet sich unter anderem zur
Beschichtung elektrischer Kontaktflächen mit einem Edelmetall wie beispielsweise Gold. Die Vergoldung elektrischer Bauteilkomponenten erfolgt bisher mittels Galvanik-, PVD- oder CVD-Verfahren, um einerseits größere elektrische Kontakt- und Übergangsleitfähig- keiten an elektrischen Kontaktflächen und andererseits eine geringere Korrosion zu erzielen. Damit wird eine Verringerung der Verlustleistung und auch von
Störsignalen erreicht. Die bisherigen Verfahren
ermöglichen eine teilweise oder vollständige Vergoldung der Bauteile, weisen jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf. So ist mit diesen Verfahren eine ortsselektive Beschichtung mit Gold nur an den elektronisch
relevanten Stellen des Bauteils nur eingeschränkt möglich. Daraus resultiert ein erhöhter Verbrauch von Gold und somit erhöhte Herstellungskosten. Der Einsatz der oben genannten Beschichtungsverfahren erfordert teils große Mengen an Chemikalien. Diese müssen
aufwändig zur Verfügung gestellt werden und sind zum Teil umweltschädlich. Für PVD-Beschichtungen werden energieintensive Vakuumprozesse benötigt. Mittels
PVD/CVD oder Galvanik aufgebrachte Gold- oder
Hartgoldschichten zeigen einen geringen
Verschleißschutz. Sie werden durch Steck-Zieh-Vorgänge, wie sie in der Kontaktindustrie notwendig sind, von der Bauteiloberfläche gekratzt und verlieren damit ihre Funktion. Auch eine Inline-Beschichtung der Bauteile mit Gold oder anderen Edelmetallen ist mit den oben beschriebenen Beschichtungsverfahren nicht oder nur eingeschränkt möglich. Dies erfordert eine Unter- brechung der Fertigungslinie durch zusätzliches Ausbzw. Einschleusen der Bauteile und führt somit zu einem erhöhten Produktionsaufwand.
Stand der Technik
Zur Vermeidung der obigen Problematik ist es bekannt, mikro- oder nanopartikuläre Schichten aus Gold auf die metallische Oberfläche aufzubringen und
anschließend durch Bearbeitung mit Laserstrahlung zu sintern oder zu schmelzen. Allerdings werden die mikropartikulären Goldschichten bei der kontinuierlichen Beaufschlagung mit Laserstrahlung durch den sogenannten Balling-Effekt beeinflusst. Das Gold zieht sich im flüssigen Zustand durch die Oberflächenspannung zu Kugeln zusammen, wodurch die Ausbildung einer homogenen Goldschicht verhindert wird. Auch eine
Haftung zwischen der Oberfläche des Substrats und dem erstarrten Gold kommt dadurch nicht in ausreichendem Maße zustande. Bei der laserbasierten Sinterung mikropartikulärer Goldschichten in gepulstem Laserbetrieb entsteht wiederum nur eine geringe Haftung zwischen Substratoberfläche und Goldschicht. Die entstandene Goldschicht blättert während des Laserprozesses vom Substrat ab.
Aus M. Khan et al., „Selective Laser Melting (SLM) of Gold (Au)", Rapid Prototyping Journal, Vol. 18, 2012, Seiten 81 bis 94 ist ein Verfahren zur
Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit Gold bekannt, bei dem eine Schicht mit Mikropartikeln aus Gold auf die Oberfläche aufgebracht und mit kontinuierlicher Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen wird, um die Oberfläche mit dem Gold zu beschichten. Bei diesem Verfahren wurde versucht, durch Anpassung der Scan-Geschwindigkeit und Leistung des Laserstrahls den Balling-Effekt zu minimieren. Eine vollständige
Verhinderung dieses Effekts konnte jedoch nicht gezeigt werden .
Aus der KR 10 2013 0023732 A ist ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mit einem metallischen Material bekannt, bei dem das metallische Material in nanopartikulärer Form auf die Oberfläche aufgebracht und anschließend mit einem gepulsten Laserstrahl gesintert wird, um die Beschichtung herzustellen. Durch den Sinterprozess kommt es allerdings nicht zu einer vollständigen Verschmelzung der partikulären Metall- schicht und auch nicht zu einer Verschmelzung mit dem Substratmaterial. Auch die JP 2015-067855 A beschreibt ein derartiges Verfahren, bei dem eine nanopartikuläre Goldschicht mittels Lasersintern auf einer metallischen Oberfläche fixiert wird.
Aus der DE 10 2012 223 556 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle bekannt, bei dem zum Aufbringen metallischer Leitbahnen zunächst eine
Leitpaste lokal auf die zu beschichtenden Bereiche der Oberfläche aufgebracht, getrocknet und anschließend durch Laserstrahlung gesintert wird. Auch hier können jedoch die bereits oben angeführten Probleme mangelnder Haftung auftreten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Beschichtung einer metal- lischen Oberfläche mit einem metallischen Material anzugeben, mit dem eine feste, Stoffschlüssige
Verbindung der Beschichtung mit der Oberfläche erreicht wird und das sich insbesondere zur Veredelung
elektrischer Kontakte mit Edelmetallschichten eignet.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine metallische Oberfläche mit einem metallischen Material, insbesondere einem Edelmetall, beschichtet. Hierzu wird zunächst eine mikro- und/oder nanopartikuläre Schicht des metallischen Materials, im Folgenden auch als Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln bezeichnet, auf einen oder mehrere zu beschichtende Bereiche der Oberfläche aufgetragen. Vorzugsweise wird aus
Kostengründen eine mikropartikuläre Schicht des
metallischen Materials aufgebracht. Das Aufbringen der mikro- und/oder nanopartikulären Schicht kann
beispielsweise mittels Rakeln, Dipcoating, Spincoating, Tampondruck oder formgebender Druckverfahren wie InkJet, Pipejet, Dispenser usw. durchgeführt werden.
Enthält die Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln weitere Bestandteile, insbesondere Lösungs- bzw.
Dispergier- und/oder Bindemittel, so werden diese vorzugsweise nach dem Aufbringen der Schicht in einem Trocknungsschritt und gegebenenfalls einem daran anschließend Entbinderungsschritt entfernt. Die
Trocknung der Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln umfasst dabei das Verdampfen niedrig siedender Anteile des Vehikels bzw. Transportmediums der Mikro- und/oder Nanopartikel . Bei der Entbinderung werden die übrigen Anteile des Vehikels der Mikro- und/oder Nanopartikeln bei größeren Temperaturen verdampft.
Die Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln wird dann in einer ersten Bearbeitungsphase zunächst mit einem oder mehreren ersten energetischen Strahlen gesintert, um eine aus den Mikro- und/oder Nanopartikeln gesinterte Schicht auf der Oberfläche zu erhalten. Auch der vorzugsweise durchgeführte
Trocknungs- und/oder Entbinderungsschritt kann mit energetischen Strahlen durchgeführt werden. Die auf diese Weise gesinterte Schicht wird anschließend in einer zweiten Bearbeitungsphase mit einem oder mehreren zweiten energetischen Strahlen vollständig aufgeschmolzen, um eine homogene Schicht aus dem
metallischen Material zu bilden und mit der Oberfläche zu verschmelzen. Die ersten und zweiten energetischen Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, werden in den beiden Bearbeitungsphasen jeweils mit Scanbewegungen über die Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln bzw. die gesinterte Schicht geführt. Die ersten und zweiten energetischen Strahlen können dabei aus der gleichen Strahlquelle oder auch aus unterschiedlichen Strahlquellen stammen. Vorzugsweise wird der Sinter- prozess der ersten Bearbeitungsphase mit gepulster energetischer Strahlung und der Schmelzprozess der zweiten Bearbeitungsphase mit kontinuierlicher
energetischer Strahlung durchgeführt.
Durch den mehrstufigen Bearbeitungsprozess mit der energetischen Strahlung werden die oben angeführten Nachteile bei der Beschichtung einer metallischen
Oberfläche mit einem metallischen Material vermieden.
So wird durch das vollständige Aufschmelzen der Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln in der zweiten Bearbeitungsphase eine homogene Schicht, d.h. eine Schicht, in der durch ein vollständiges Verschmelzen der Partikel keine partikuläre Struktur mehr vorliegt, sowie ein schmelzmetallurgisches Verbinden der Schicht mit dem Oberflächenmaterial erreicht. Dies führt zu einer festen Verbindung der Beschichtung mit der
Oberfläche. Die bei einer derartigen Bearbeitung auftretenden Probleme des Ballings werden dadurch vermieden, dass in der vorangehenden ersten
Bearbeitungsphase eine Sinterung der Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln erfolgt, wodurch diese zueinander und zu der Oberfläche fixiert werden.
Die Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln des metallischen Materials wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise als Paste auf die Oberfläche aufgetragen, insbesondere mit einem Druckprozess , durch den die Paste ortsselektiv nur an den zu beschichtenden Bereichen der Oberfläche aufgebracht wird.
Das Verfahren ermöglicht die Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit einer Edelmetallschicht, beispielsweise zur Veredelung elektrischer Kontakte. Insbesondere besteht bei einer derartigen Anwendung die Möglichkeit, das Edelmetall in kostengünstiger
mikropartikulärer Form aufzubringen, so dass Kosten gegenüber Verfahren eingespart werden, die eine
Aufbringung in nanopartikulärer Form erfordern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird für den
Sinterschritt in der ersten Bearbeitungsphase gepulste Laserstrahlung und für den Schmelzschritt in der zweiten Bearbeitungsphase kontinuierliche (continuous wave : cw) Laserstrahlung eingesetzt. Hierbei werden somit die Techniken des selektiven Lasersinterns sowie des selektiven Laserschmelzens eingesetzt. Alternativ können auch andere energetische Strahlen, beispielsweise Elektronen- oder Ionenstrahlen, für die beiden Bearbeitungsphasen eingesetzt werden.
Das Verfahren kann in unterschiedlichen Varianten durchgeführt werden. So kann in einer Variante der gesamte Funktionalisierungsprozess der aufgebrachten Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln mit energetischen Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, durchgeführt werden. Die aufgebrachte Schicht wird hierzu mit wenigstens einem energetischen Strahl einer Strahlquelle zunächst getrocknet und entbindert, und anschließend mit wenigstens einem energetischen Strahl einer Strahlquelle gesintert und mit wenigstens einem energetischen Strahl einer Strahlquelle geschmolzen. Die verwendeten Strahlquellen können, müssen aber nicht dieselben sein.
In einer zweiten Variante erfolgt die Trocknung der zunächst aufgebrachten Schicht mit den Mikro- und/ oder Nanopartikeln durch eine zwischen das Aufbringen, beispielsweise Aufdrucken, und den anschließenden weiteren Funktionalisierungsprozess zwischengeschaltetes Verfahren, beispielsweise mittels VCSEL- Modul, IR-Strahler, Blitzlampe, Plasmabehandlung, Heißluftstrahl, Ofen oder Induktionsheizer. Der
nachfolgende Bearbeitungsprozess mit den energetischen Strahlen umfasst dann die Entbinderung und das Sintern und Schmelzen der Schicht. Auch hierzu können gleiche oder auch unterschiedliche Strahlquellen eingesetzt werden .
In einer dritten Variante werden die Trocknung und die Entbinderung durch ein zwischen das Aufbringen und den anschließenden weiteren Funktionalisierungsprozess zwischengeschaltetes Verfahren durchgeführt. Dies kann wiederum beispielsweise mittels VCSEL-Modul, IR- Strahler, Ofen, oder Induktionsheizer erfolgen. Der nachfolgende Bearbeitungsprozess mit den energetischen Strahlen umfasst dann das Sintern und Schmelzen der aufgebrachten Schicht unter Nutzung einer oder mehrerer Strahlquellen .
Mit dem vorgeschlagenen mehrstufigen Verfahren wird eine homogen mit der Oberfläche verschmolzene Schicht aus dem metallischen Material und damit eine ausreichende Haftung zwischen dieser Schicht und dem Oberflächenmaterial erreicht. Der unerwünschte Effekt des Ballings wird durch den Schritt des Sinterns der Schicht in der ersten Bearbeitungsphase umgangen. Das Verfahren ist inline-fähig . Ein Aus- und Einschleusen von zu beschichtenden Bauteilen aus der Fertigungslinie ist nicht erforderlich. Der Einsatz von Chemikalien wird im Vergleich zu CVD-Verfahren deutlich reduziert. Umweltschädliche Galvanikverfahren werden vermieden. Energieintensive Vakuumbeschichtungsprozesse werden ebenfalls vermieden. Durch die Selektivität des
Verfahrens wird bei der Beschichtung mit Edelmetallen der Einsatz von übermäßigen Edelmetallressourcen verhindert. Insgesamt werden somit die Produktionskosten gesenkt. Die Schichtgeometrien können von
Bauteil zu Bauteil angepasst werden. Dies ist
insbesondere in der zunehmenden Variantenvielfalt der Produkte oder Halbzeuge bei immer kleiner werdenden Losgrößen von Vorteil. Die Rüstzeiten in der Produktion werden verkürzt und individualisierte Massenprodukte können On-Demand produziert werden.
Das Verfahren eignet sich besonders für die
Herstellung von Edelmetallschichten auf Oberflächen aus anderen Metallen, beispielsweise für die selektive Kontaktvergoldung. Ein bevorzugtes technisches
Anwendungsgebiet stellt damit die ortsselektive Kontaktveredelung von Elektronikbauteilen sowie die selektive Veredelung von Objekten mit Edelmetallschichten, insbesondere Goldschichten, dar. Derartige Schichten können auch für den ortsselektiven oder flächigen Korrosions- oder Verschleißschutz eingesetzt werden. Das Verfahren kann zur Beschichtung zweidimensionaler wie auch dreidimensionaler Bauteile eingesetzt werden. Bei Bedarf können mit dem Verfahren auch nicht-edelmetallische Schichten aufgebracht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend nhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den eichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines
Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens; und
Fig.2 ein Beispiel für die Durchführung der unterschiedlichen Verfahrensschritte gemäß einem Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine metallische Kontaktschicht, beispielsweise aus vernickeltem Kupfer, eines elektronischen Bauteils mit einer Gold-Beschichtung veredelt, um deren
elektrische Kontakt- und Übergangsleitfähigkeit zu erhöhen und eine geringere Korrosion der Kontaktfläche zu erzielen. Das vorgeschlagenen mehrstufige Verfahren umfasst hierbei das Auftragen einer mikropartikulären Goldschicht, die Trocknung und Entbinderung dieser Schicht, das Lasersintern der aufgetragenen Schicht sowie das abschließende Laserschmelzen der gesinterten Schicht, wie dies schematisch im Ablaufdiagramm der Figur 1 dargestellt ist. Figur 2a zeigt hierzu stark schematisiert ein elektronisches Bauteil mit einem Substrat 1 und einer darauf aufgebrachten metallischen Schicht 2, die als elektrische Kontaktschicht dient. Im ersten Schritt des vorgeschlagenen Verfahrens wird im vorliegenden
Beispiel auf die Oberfläche der metallischen Schicht 2 eine Goldpaste 3 aufgedruckt (Fig. 2b), die Mikro- partikel aus Gold sowie weitere Bestandteile wie
Lösungs- und Bindemittel enthält. Im vorliegenden
Beispiel erfolgt anschließend ein Trocknungs- und
Entbinderungsschritt , bei dem die aufgedruckte
Goldpaste 3 mit IR-Strahlung 11 beleuchtet wird, um diese weiteren Bestandteile der Goldpaste zu
verdampfen. Dies ist in Fig. 2c schematisch
dargestellt. Dieser Schritt kann auch mit anderen
Mitteln, beispielsweise mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen wie bei den nachfolgenden Schritten erfolgen .
Nach dem Aufdrucken der Goldpaste 3 sowie dem vorangeschalteten Trocknungs- und/oder Entbinderungsschritt erfolgt ein mehrstufiger Laserfunktionali- sierungsprozess der gedruckten Goldschicht. Dieser umfasst den Einsatz von gepulster und Dauerstrich- Laserstrahlung (cw) und das gezielte Führen (Scannen) des Laserstrahls über die Schicht - bevorzugt linien- oder mäanderförmig . Dadurch wird das Funktionalisieren der gedruckten mikropartikulären Goldschicht erreicht. In der ersten Bearbeitungsphase erfolgt hierbei die Bearbeitung der aufgedruckten Schicht mittels eines gepulsten Laserstrahls 5 einer Laserstrahlquelle 6, der mit einem geeigneten Strahlführungssystem 10, bspw. einem Galvanoscanner, über die Schicht geführt wird (Fig. 2d) . Durch diesen Prozess wird die aufgebrachte Goldschicht gesintert und damit die Mikropartikel gegenseitig fixiert. Durch das Sintern wird ein
Aufschmelzen der Mikropartikel an deren Oberfläche erreicht, so dass diese an der Oberfläche miteinander verschmelzen. Die entsprechend gesinterte Schicht 4 wird anschließend in einer zweiten Bearbeitungsphase mit einem cw-Laserstrahl 7 eines cw-Lasers 8
vollständig aufgeschmolzen, so dass die Goldpartikel zu einer homogenen Schicht 9 verschmelzen (Fig. 2e) , die mit dem metallischen Material der metallischen Schicht 2 schmelzmetallurgisch verbunden wird. Diese
Bearbeitung erfolgt wiederum mit einem in Fig. 2e schematisch dargestellten Scanner 10. Als Ergebnis wird eine wie oben beschriebene mit dem Substrat 1 bzw. der metallischen Schicht 2 auf dem Substrat 1 verbundene Goldschicht 9 erhalten.
In einem Ausführungsbeispiel wird eine Laseranlage mit einer Wellenlänge von λ = 1062 ± 3nm für die
Laserbearbeitung eingesetzt. Diese Laseranlage wird im vorliegenden Beispiel für beide Bearbeitungsphasen des Verfahrens eingesetzt. Die Goldpaste wird hierzu mit einer Schichtdicke (Goldpartikel auf Substrat) in getrocknetem Zustand von ds = 12,4 ± 1,6μm auf die
Oberfläche aufgebracht. Die Partikelgröße beträgt 1,48 μm (Median) . Der Trocknungsprozess wird in einer IR- Strecke oder, einem IR-Ofen bei 280° für zehn Minuten durchgeführt. Das Endbindern erfolgt bereits mit gepulster Laserstrahlung, wobei folgende Bearbeitungsparameter eingesetzt werden: Energiedichte EP = 3,4 J/cm2, Pulsdauer tp = 7ns. Für das anschließende Sintern mit einem gepulsten
Laserstrahl wurden folgende Prozessparameter gewählt. Die Energiedichte betrug EP = 5,5 J/cm2 bei einer
Pulsdauer von tp = 7ns. Für die zweite Bearbeitungsphase des Schmelzens mit einem cw-Laserstrahl wurde eine Laserstrahlintensität von I = 4,4 MW/cm2 bei einer
Scangeschwindigkeit von VSCAN = 2000 mm/s gewählt. Die vorgenannten Werte stellen nur ein konkretes
Ausführungsbeispiel dar und werden je nach Eigenschaften der beteiligten Materialien sowie der Dicke der zu erzeugenden Schichten gewählt. Dies gilt
insbesondere für die Laser- und Scanparameter. Die Wellenlänge der Laserstrahlung wird so gewählt, dass sie vollständig oder teilweise vom Substrat oder
Bestandteilen der aufgebrachten Metallpaste absorbiert wird. Sie kann also in einem sehr weiten Wellenlängenbereich, beispielsweise zwischen 100 und 11000 nm oder auch darüber gewählt werden. Auch die Partikelgröße der eingesetzten Metallpartikel ist nicht kritisch.
Vorzugsweise liegen die Primärpartikelgrößen jedoch im Bereich < 10 μm. Die Schichtdicke der aufgebrachten Metallpaste liegt vorzugsweise bei < 100 μm.
Bezugs zeichenliste
1 Substrat
2 metallische Kontaktschicht 3 aufgedruckte Goldpaste
4 gesinterte Goldschicht
5 gepulster Laserstrahl
6 gepulste Laserstrahlquelle 7 cw Laserstrahl
8 cw Laserstrahlquelle
9 homogene Goldschicht
10 Strahltührungseinrichtung
11 IR-Strahlung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beschichtung einer metallischen
Oberfläche mit einem metallischen Material, insbesondere einem Edelmetall, bei dem
- eine Schicht (3) mit Mikro- und/oder Nanopartikeln des metallischen Materials auf einen oder mehrere zu beschichtende Bereiche der
Oberfläche aufgetragen wird,
- die Schicht (3) mit Mikro- und/oder Nanopartikeln in einer ersten Bearbeitungsphase zunächst mit einem oder mehreren ersten
energetischen Strahlen (5) gesintert wird, um eine aus den Mikro- und/oder Nanopartikeln gesinterte Schicht (4) zu erhalten, und
- die gesinterte Schicht (4) anschließend in einer zweiten Bearbeitungsphase mit einem oder mehreren zweiten energetischen Strahlen (7) vollständig aufgeschmolzen wird, um eine homogene Schicht (9) aus dem metallischen Material zu bilden und mit der Oberfläche zu verschmelzen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schicht (3) mit Mikro- und/oder
Nanopartikeln des metallischen Materials als Paste, Pulver oder Dispersion aufgetragen, insbesondere aufgedruckt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Bearbeitungsphase mit einem oder mehreren Laserstrahlen als erste und zweite energetische Strahlen (5, 7)
durchgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Bearbeitungsphase mit gepulster energetischer Strahlung und die zweite
Bearbeitungsphase mit kontinuierlicher
energetischer Strahlung durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor der ersten Bearbeitungsphase wenigstens ein Trocknungsschritt durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor der ersten Bearbeitungsphase und nach dem Trocknungsschritt ein Entbinderungsschritt durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Entbinderungsschritt mit einem oder mehreren dritten energetischen Strahlen durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Trocknungsschritt mit einem oder mehreren vierten energetischen Strahlen durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schicht (3) mit Mikro- und/oder
Nanopartikeln und die gesinterte Schicht (4) mit den energetischen Strahlen (5, 7) abgescannt wird
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