DE102017219435A1

DE102017219435A1 - Process for coating a metallic surface with a metallic material

Info

Publication number: DE102017219435A1
Application number: DE102017219435.9A
Authority: DE
Inventors: Nicole Ritschel; Christian Vedder; Jochen Stollenwerk; Florian Fuchs
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2019-05-02
Also published as: WO2019086316A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit einem metallischen Material, insbesondere einem Edelmetall, wird eine Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln des metallischen Materials auf die zu beschichtenden Bereiche der Oberfläche aufgetragen. Die Schicht wird dann in einer ersten Bearbeitungsphase mit einem oder mehreren energetischen Strahlen gesintert. Die gesinterte Schicht wird anschließend in einer zweiten Bearbeitungsphase mit einem oder mehreren energetischen Strahlen vollständig aufgeschmolzen, um eine homogene Schicht 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.In a method for coating a metallic surface with a metallic material, in particular a noble metal, a layer with micro- and / or nanoparticles of the metallic material is applied to the areas of the surface to be coated. The layer is then sintered in a first processing phase with one or more energetic beams. The sintered layer is then completely melted in a second processing phase with one or more energetic jets to form a homogeneous layer of the metallic material and fuse to the surface. The method enables the production of a homogeneous coating with a metallic material firmly bonded to the surface.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

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.The present invention relates to a process for coating a metallic surface with a metallic material, in particular a noble 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 subsequently processed with energy radiation is to make the coating.

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 Übergangsleitfähigkeiten 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 Unterbrechung der Fertigungslinie durch zusätzliches Aus- bzw. Einschleusen der Bauteile und führt somit zu einem erhöhten Produktionsaufwand.The method is suitable inter alia for the coating of electrical contact surfaces with a noble metal such as gold. The gilding of electrical components is done so far by means of electroplating, PVD or CVD method, on the one hand to achieve greater electrical contact and Übergangsleitfähigkeiten on electrical contact surfaces and on the other hand, a lower corrosion. This achieves a reduction of the power loss and also of interference signals. The previous methods allow partial or complete gold plating of the components, but have a number of disadvantages. Thus, with these methods, a location-selective coating with gold only to a limited extent only at the electronically relevant points of the component. This results in increased consumption of gold and thus increased production costs. The use of the abovementioned coating processes sometimes requires large quantities of chemicals. These must be provided consuming and are partly harmful to the environment. PVD coatings require energy-intensive vacuum processes. PVD / CVD or electroplated gold or hard gold layers show low wear protection. They are scratched from the component surface by plug-and-pull processes, as they are necessary in the contact industry, and thus lose their function. An inline coating of the components with gold or other precious metals is not or only partially possible with the coating methods described above. This requires an interruption of the production line by additional removal or introduction of the components and thus leads to an increased production cost.

Stand der TechnikState of the art

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.To avoid the above problem, it is known to apply micro- or nanoparticulate layers of gold on the metallic surface and then to sinter or melt by machining with laser radiation. However, the 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. Also adhesion between the surface of the substrate and the solidified gold does not come about sufficiently. In 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.

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.Out M. Khan et al., "Selective Laser Melting (SLM) of Gold (Au)", Rapid Prototyping Journal, Vol. 18, 2012, pp. 81-94 discloses a method for coating a metallic surface with gold, wherein 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. However, complete prevention of this effect could not be demonstrated.

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 Metallschicht 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.From the KR 10 2013 0023732 A For example, a method of coating a substrate with a metallic material is known in which the metallic material is applied to the surface in nanoparticulate form and then sintered with a pulsed laser beam to produce the coating. The sintering process, however, does not lead to a complete fusion of the particulate metal layer and also to a fusion with the substrate material. Also the JP 2015-067855 A describes such a method in which a nanoparticulate gold layer is fixed on a metallic surface by means of laser sintering.

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.From the DE 10 2012 223 556 A1 a method for producing a solar cell is known in which applied for applying metallic interconnects first a conductive paste locally on the areas of the surface to be coated, dried and then sintered by laser radiation. Again, however, the above-mentioned problems of lack of adhesion can occur.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Beschichtung einer metallischen 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.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 which is particularly suitable for refining electrical contacts with noble metal layers.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

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.The object is achieved by the method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiment.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine metallische Oberfläche mit einem metallischen Material, insbesondere einem Edelmetall, beschichtet. Hierzu wird zunächst eine Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln des metallischen Materials 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 Ink-Jet, 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.In the proposed method, a metallic surface is coated with a metallic material, in particular a noble metal. For this purpose, a layer with micro- and / or nanoparticles of the metallic material is first applied to one or more regions of the surface to be coated. Preferably, for cost reasons, a microparticulate layer of the metallic material is applied. The application of the micro- and / or nanoparticulate layer can be carried out, for example, by means of doctoring, dipcoating, spin coating, pad printing or shaping printing processes such as ink-jet, pipejet, dispensers, etc. If the layer containing microparticles and / or nanoparticles contains further constituents, in particular solvents or dispersants and / or binders, these are preferably removed after application of the layer in a drying step and, if appropriate, a subsequent debinding step. The drying of the layer with micro- and / or nanoparticles comprises the 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.

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 Sinterprozess der ersten Bearbeitungsphase mit gepulster energetischer Strahlung und der Schmelzprozess der zweiten Bearbeitungsphase mit kontinuierlicher energetischer Strahlung durchgeführt.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. The preferably carried out drying and / or debinding step can be carried out with energetic rays. The thus sintered layer is then completely melted in a second processing phase with one or more second energetic jets to form a homogeneous layer of the metallic material and fuse to the surface. The first and second energy beams, in particular laser 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. The sintering process of the first processing phase with pulsed energetic radiation and the melting process of the second processing phase with continuous energetic radiation are preferably carried out.

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.The multi-stage machining process with the energetic radiation avoids the above-mentioned disadvantages when coating a metallic surface with a metallic material. Thus, by completely melting the layer with the microparticles and / or nanoparticles in the second processing phase, 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 surface. The problems of balling occurring in such a processing are avoided by sintering the layer with the microparticles and / or nanoparticles in the preceding first processing phase, whereby these are fixed to one another and to the surface.

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.In the proposed method, 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.

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.The method makes it possible to coat a metallic surface with a noble metal layer, for example for finishing electrical contacts. In particular, in such an application there is the possibility of applying the noble metal in a cost-effective microparticulate form, so that costs are saved compared to methods which require application in nanoparticulate form.

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.In a preferred embodiment, pulsed laser radiation is used for the sintering step in the first processing phase and continuous (continuous wave: cw) laser radiation is used for the melting step in the second processing phase. Thus, the techniques of selective laser sintering and selective laser melting are used. Alternatively, other energetic beams, for example electron beams or ion beams, can be used for the two processing phases.

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.The process can be carried out in different variants. Thus, in one variant, the entire functionalization process of the applied layer with the micro- and / or nanoparticles can be carried out with energetic beams, in particular laser beams. The applied layer is for this purpose with at least one first dried and debinded 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.

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 a second variant, the drying of the initially applied layer with the microparticles and / or nanoparticles takes place by means of a process interposed between the application, for example printing, and the subsequent further functionalization process, for example by means of a VCSEL module, IR radiator, flash lamp, plasma treatment, Hot air jet, oven or induction heater. The subsequent treatment process with the energetic rays then includes debindering and sintering and melting of the layer. Also, this same or different beam sources can be used.

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.In a third variant, 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 VCSEL module, IR radiator, oven, or induction heater. The subsequent energetic beam machining process then includes sintering and melting the deposited layer using one or more beam sources.

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.With the proposed multi-stage process, a homogeneously fused with the surface layer of the metallic material and thus a sufficient adhesion between this layer and the surface material is achieved. The undesirable effect of balling is bypassed by the step of sintering the layer in the first processing phase. The procedure is inline-capable. It is not necessary to remove and insert components to be coated from the production line. The use of chemicals is significantly reduced compared to CVD processes. Environmentally harmful electroplating processes are avoided. Energy-intensive vacuum coating processes are also avoided. The selectivity of the process prevents the use of excess precious metal resources when coating with precious metals. Overall, the production costs are thus reduced. The layer geometries can be adapted from component to component. This is particularly advantageous in the increasing variety of products or semi-finished products with ever smaller batch sizes. The set-up times in the production are shortened and individualized mass-produced products can be produced on-demand.

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.The method is particularly suitable for the production of noble metal layers on surfaces of other metals, for example for the selective contact gold plating. A preferred technical field of application is thus the site-selective contact refinement of electronic components as well as the selective finishing of objects with noble metal layers, in particular gold layers. Such layers can also be used for site-selective or areal 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.

Figurenlistelist of figures

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens; und
2 ein Beispiel für die Durchführung der unterschiedlichen Verfahrensschritte gemäß einem Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens.

The proposed method will be explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 a schematic flow diagram of an embodiment of the proposed method; and
2 an example of the implementation of the different process steps according to an embodiment of the proposed method.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

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 1 dargestellt ist.In the embodiment described below, a metallic contact layer, for example made of nickel-plated copper, of an electronic component is finished with a gold coating in order to increase its electrical contact and transition conductivity and to achieve a lower corrosion of the contact surface. 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 1 is shown.

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 (2b), die Mikropartikel 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 2c schematisch dargestellt. Dieser Schritt kann auch mit anderen Mitteln, beispielsweise mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen wie bei den nachfolgenden Schritten erfolgen. 2a For this purpose, very schematically shows an electronic component with a substrate 1 and a metallic layer applied thereto 2 which serves as an electrical contact layer. In the first step of the proposed method is in the present example on the surface of the metallic layer 2 a gold paste 3 printed ( 2 B) containing gold microparticles and other ingredients such as solvents and binders. In the present example, followed by a drying and debinding step, in which the printed gold paste 3 with IR radiation 11 is lit to evaporate these other components of the gold paste. This is in 2c shown schematically. This step can also be carried out by other means, for example by means of one or more laser beams as in the subsequent steps.

Nach dem Aufdrucken der Goldpaste 3 sowie dem vorangeschalteten Trocknungs- und/oder Entbinderungsschritt erfolgt ein mehrstufiger Laserfunktionalisierungsprozess 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 (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 (2e), die mit dem metallischen Material der metallischen Schicht 2 schmelzmetallurgisch verbunden wird. Diese Bearbeitung erfolgt wiederum mit einem in 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.After printing the gold paste 3 as well as the preceding drying and / or debinding step, 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. In the first processing phase, the processing of the printed layer takes place by means of a pulsed laser beam 5 a laser beam source 6 that with a suitable beam guidance system 10 , for example a galvanoscanner, is passed over the layer ( 2d) , Through this process, the applied gold layer is sintered and thus the microparticles mutually fixed. By sintering a melting of the microparticles is achieved at the surface, so that they merge together on the surface. The corresponding sintered layer 4 is then in a second processing phase with a cw laser beam 7 a cw laser 8th completely melted, leaving the gold particles to a homogeneous layer 9 merge 2e) that with the metallic material of the metallic layer 2 is melt metallurgically connected. This processing is again done with an in 2e schematically illustrated scanner 10 , As a result, one becomes as described above with the substrate 1 or the metallic layer 2 on the substrate 1 connected gold layer 9 receive.

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 d_S = 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 E_P = 3,4 J/cm², Pulsdauer t_p = 7ns.In one exemplary embodiment, a laser system with a wavelength of λ = 1062 ± 3 nm is used for laser processing. This laser system is used in the present example for both processing phases of the process. For this purpose, the gold paste is applied to the surface with a layer thickness (gold particle on substrate) in the dried state of d _S = 12.4 ± 1.6 μm. The particle size is 1.48 μm (median). The drying process is done in an IR stretch or. an IR oven at 280 ° for ten minutes. The final binder already takes place with pulsed laser radiation, the following processing parameters being used: energy density E _P = 3.4 J / cm ² , pulse duration t _p = 7 ns.

Für das anschließende Sintern mit einem gepulsten Laserstrahl wurden folgende Prozessparameter gewählt. Die Energiedichte betrug E_P = 5,5 J/cm² bei einer Pulsdauer von t_p = 7ns.The following process parameters were selected for the subsequent sintering with a pulsed laser beam. The energy density was E _P = 5.5 J / cm ² with a pulse duration of t _p = 7 ns.

Für die zweite Bearbeitungsphase des Schmelzens mit einem cw-Laserstrahl wurde eine Laserstrahlintensität von I = 4,4 MW/cm² bei einer Scangeschwindigkeit von V_SCAN = 2000 mm/s gewählt.For the second processing phase of the cw laser beam melting, a laser beam intensity of I = 4.4 MW / cm ^{2 was selected} at a scan speed of V _SCAN = 2000 mm / s.

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.The above values represent only a concrete embodiment and are selected depending on the properties of the materials involved and the thickness of the layers to be produced. This applies in particular to the laser and scan parameters. The wavelength of the laser radiation is chosen so that it is completely or partially absorbed by the substrate or constituents of the applied metal paste. 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. Preferably, however, the primary particle sizes are in the range <10 microns. The layer thickness of the applied metal paste is preferably <100 microns.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Substratsubstratum
22: metallische Kontaktschichtmetallic contact layer
33: aufgedruckte Goldpasteprinted gold paste
44: gesinterte Goldschichtsintered gold layer
55: gepulster Laserstrahlpulsed laser beam
66: gepulste Laserstrahlquellepulsed laser beam source
77: cw Laserstrahlcw laser beam
88th: cw Laserstrahlquellecw laser beam source
99: homogene Goldschichthomogeneous gold layer
1010: StrahlführungseinrichtungBeam guiding device
1111: IR-StrahlungIR radiation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

KR 1020130023732 A [0005]
JP 2015067855 A [0005]
DE 102012223556 A1 [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

M.Khan et al., "Selective Laser Melting (SLM) of Gold (Au)", Rapid Prototyping Journal, Vol. 18, 2012, pages 81 to 94 [0004]

Claims

Process for coating a metallic surface with a metallic material, in particular a noble metal, in which a layer (3) with micro- and / or nanoparticles of the metallic material is applied to one or more areas of the surface to be coated, - The layer (3) is sintered with micro- and / or nanoparticles in a first processing phase, first with one or more first energetic beams (5) to obtain a sintered from the micro- and / or nanoparticles layer (4), and - The sintered layer (4) is then completely melted in a second processing phase with one or more second energetic beams (7) to form a homogeneous layer (9) of the metallic material and to fuse with the surface.

Method according to Claim 1 , characterized in that the layer (3) with micro- and / or nanoparticles of the metallic material applied as a paste, powder or dispersion, in particular is printed.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the first and the second processing phase with one or more laser beams as the first and second energy beams (5, 7) are performed.

Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the first processing phase is carried out with pulsed energetic radiation and the second processing phase with continuous energetic radiation.

Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that before the first processing phase, at least one drying step is performed.

Method according to Claim 5 , characterized in that before the first processing phase and after the drying step, a debinding step is performed.

Method according to Claim 6 , characterized in that the debinding step is performed with one or more third energetic beams.

Method according to one of Claims 5 to 7 , characterized in that the drying step is performed with one or more fourth energy beams.

Method according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the layer (3) with micro and / or nanoparticles and the sintered layer (4) with the energetic beams (5, 7) is scanned.