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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein aus einer Kupferlegierung gefertigtes Substratmaterial,
wie es in hochtemperierten Beschichtungsverfahren verwendet wird.
Die Legierung ist insbesondere zur Verwendung bei der Herstellung
von Produkten geeignet, für
die eine gute thermische Leitfähigkeit
oder Elektronenleitfähigkeit
des Substratmaterials erforderlich ist. Derartige Produkte betreffen
beispielsweise Solar-Paneele.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Kupfer
wird bei verschiedenen beschichteten Produkten als ein Substrat-Material
verwendet, für
die eine gute thermische Leitfähigkeit
oder Elektronenleitfähigkeit
des Substratmaterials erforderlich ist. Bei Kupfer ist dessen Elektronenleitfähigkeit
praktisch proportional zur thermischen Leitfähigkeit. Oft wird ein solches
Produkt bei relativ hoher Temperatur hergestellt. Bei den für diese
Verfahren erforderlichen Temperaturen von beispielsweise im Bereich
von ca. 230°–350° C kann reines
Kupfer bereits zu weich sein. Das hierfür eingesetzte Material ist
deshalb oft ein so genanntes DHP-Kupfer, das Phosphor als einen
Legierungsbestandteil von beispielsweise ca. 0,02 % enthält. Phosphorlegierungsbestandteile
mindern jedoch die elektrische und thermische Leitfähigkeit.
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Ein
Einsatzgebiet für
die Verwendung von Kupfer als Substratmaterial sind Solarpaneele.
Ein zur Wärmeerzeugung
verwendetes Solarpaneel kann beispielsweise hergestellt werden,
indem ein Kupferstreifen in einer Vakuumkammer gewendelt wird, in
der Titanium verdampft und gleichzeitig Stickstoff und Sauerstoff
eingeleitet werden. Das verdampfte Titan reagiert mit Stickstoff
und Sauerstoff, wobei die gebildeten TiNOx-Partikel
auf der Streifenoberfläche
anhaften. Im Moment der Beschichtung liegt die Streifentemperatur
oberhalb von 250° C,
zeitweise sogar 350° C.
Nach diesem ersten Beschichtungsschritt folgt ein zweiter Schritt,
in dem der Streifen zurückgewickelt
wird und eine Quarzbeschichtung auf dessen Oberfläche gedampft
wird. In diesem Produkt ist Kupfer aufgrund dessen guter thermischer
Leitfähigkeit,
aber auch aufgrund seiner schwachen Emissionskapazität ein gutes
Substratmaterial. Das Endprodukt ist eine Platte, die effizient
Wärmestrahlung absorbiert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Wir
haben nun eine sauerstofffreie Kupferlegierung gemäß Anspruch
1 erfunden. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Gemäß der Erfindung
enthält
das sauerstofffreie Kupfer zugemischtes Magnesium von über 30 ppm – bezogen
auf das Legierungsgewicht. Dadurch ist der Temperaturwiderstand
verbessert. Allerdings verbleiben sowohl die Elektronenleitfähigkeit
wie auch die thermische Leitfähigkeit
auf einem hohen Level.
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Die
Legierung ist insbesondere für
eine Verwendung in Produkten geeignet, die bei hohen Temperaturen
hergestellt werden, beispielsweise im Bereich von 230–390° C. Mögliche Produktionsverfahren
können beispielsweise
ein Sputtern, Vakuumverdampfen, ein thermisches Sprühschweißen oder
Heißlöten sein.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Der
Mg-Gehalt einer sauerstofffreien Kupferlegierung gemäß der Erfindung
liegt über
30 ppm, vorzugsweise über
50 ppm. In vorteilhafter Weise liegt der Mg-Gehalt unter 180 ppm,
vorzugsweise unter 150 ppm. Der Sauerstoffgehalt der Legierung ist
nicht höher
als 10 ppm, vorzugsweise nicht höher
als 5 ppm, beispielsweise 1–3
ppm.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Mg-Legierung
ist der Wärmewiderstand
von Kupfer beträchtlich
verbessert.
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Der
Wärmewiderstand
von Kupfer wird im Allgemeinen durch die so genannte Halberweichungstemperatur
(T½)
ausgedrückt.
T½ ist
jedoch beträchtlich
vom Maß der
Deformation abhängig.
Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wird T½ allgemein mit einem Deformationsmaß von 40
% und 94 % definiert.
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Die
Elektronenleitfähigkeit
von Kupfer wird normalerweise durch den sogenannten IACS-Wert (International
Anneal Copper Standard) ausgedrückt.
Er gibt die Elektronenleitfähigkeit
in Prozent der Elektronenleitfähigkeit
von unlegiertem Standard-Kupfer wieder. Die Elektronenleitfähigkeit
einer sauerstofffreien Kupfer-Qualitätsausführung ist mindestens 100 %
IACS. Die Halberweichungstemperatur eines typischen DHP-Kupfers
mit einem Deformationsmaß von
40 % liegt bei ca. 355° C,
wobei die Elektronenleitfähigkeit
ca. 82 % IACS beträgt.
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Die
Halberweichungstemperatur T½ einer
erfindungsgemäßen Kupferlegierung
liegt bei mindestens 340° C,
vorzugsweise bei mindestens 380° C.
Mit einem Deformationsmaß von
94 % beträgt
T½ mindestens 300° C, vorzugsweise
mindestens 335° C.
Ungeachtet des Legierungsverfahrens bleibt die Elektronenleitfähigkeit
nach wie vor auf einem hohen Level (über 100 % IACS). Vorzugsweise
beträgt
die Leitfähigkeit
mindestens 101 % IACS.
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Mit
Gehalten von über
180 ppm ist die Verbesserung des Wärmewiderstands bezüglich der
Mg-Quantität
wesentlich gemindert. Ebenso ist die Elektronenleitfähigkeit
und die Gießfähigkeit
vermindert. Mit Mg-Gehalten von unter 30 ppm werden wesentliche
Verbesserungen im Wärmewiderstand
im Grunde genommen nicht erreicht.
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Das
Magnesium hebt hier die Rekristallisationstemperatur von reinem
Kupfer. Mg-Atome sind größer als
Cu-Atome, womit die Gitterstruktur verzerrt ist und Spannungen hervorgerufen
sind. Demzufolge wird die Verschiebung von Dislokationen schwieriger.
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Dank
der Erfindung wird eine höhere
elektrische und thermische Leitfähigkeit
für das
Endprodukt im Vergleich zur Verwendung von DHP-Kupfer erhalten.
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Mg-legiertes
Kupfer kann mit denselben Herstellungsverfahren wie andere sauerstofffreie
Kupferqualitätsausführungen
hergestellt werden, d.h. durch Platten- oder Stangenabguss, wie
auch durch horizontales oder vertikales Gießverfahren. In einer geeigneten
Phase, beispielsweise im Gussofen wird der Schmelze eine erforderliche
Menge von Magnesium zugesetzt. Weil das Magnesium für eine Reaktion
mit Sauerstoff empfänglich
ist, gilt dem Luftabschluss besondere Aufmerksamkeit. Es ist auch
bei Vorrichtungen, die mit der Schmelze in Kontakt geraten, vorteilhaft,
solche oxidfreien Materialien zu verwenden, bei denen das Magnesium
keinen Sauerstoff binden kann. Wegen der geringen Menge des Legierungsbestandteils
kann die Legierungstechnik auch ganz und gar anders frei gewählt sein.
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Dem
Guss folgt normalerweise eine thermische Behandlung und eine Bearbeitung.
Eine typische Herstellungslinie kann in einem nach unten gerichteten
Stangenguss mit nachfolgender Bearbeitung mittels Heiß- und Kaltwalzen
liegen.
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Mit
diesen Gehalten kann das Magnesium in die zweite Kornstruktur überführt werden,
was beim Auswählen
der Arbeitstemperatur in Betracht zu ziehen ist.
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Phosphor,
Silizium und Schwefel können
mit Magnesium reagieren, womit die Verbesserung des Wärmewiderstands
vermindert ist. Der Gesamtgehalt dieser Verunreinigungen beträgt deshalb
vorzugsweise nicht mehr als 10 ppm.
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Das
erfindungsgemäße Kupfer
kann als Substratmaterial insbesondere für Beschichtungsrohlinge verwendet
werden, bei denen ein guter Wärmewiderstand
erforderlich ist. Das trifft beispielsweise für ein Sputtern, Vakuumverdampfen,
thermisches Spritzen (Sprühschweißen) und
Heißlöten zu.
Beim Heißlöten kann beispielsweise
die Temperatur 230–320° C und beim
Vakuumverdampfen beispielsweise ca. 350° C betragen.
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Vormals
wurde Magnesium als Mikrolegierungs-Bestandteil verwendet, normalerweise
in sehr geringen Mengen. Andere Legierungs-Bestandteile wurden im
Allgemeinen zur gleichen Zeit verwendet. Beispielsweise sind in
den Veröffentlichungen
US-5118470, JP-A-62080241
und JP-A-03291340 diese Legierungstypen beschrieben, die zur Herstellung
von Anschlussdraht verwendet wurden, wie sie in der Halbleitertechnologie
eingesetzt sind. Beim Schmelzen wird der Draht in Tropfen mit einer
perfekten Kugelform geformt. Dieses Material hat auch eine gute
Zugfestigkeit. Neben anderen Materialien wird Magnesium als ein
Legierungsbestandteil auch in der Veröffentlichung JP-A-63140052
als Beispiel vorgeschlagen. Hier verringert das Magnesium mit dem
Gehalt von 3–10
ppm die Erweichungstemperatur von Kupfer.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Legierung
können
auch andere Legierungsbestandteile verwendet werden. Dies sind insbesondere
Ag und P. Es ist wohlbekannt, dass Ag die Halberweichungstemperatur
anhebt. Sein Gehalt beträgt
vorzugsweise nicht mehr als 500 ppm. Andere mögliche Legierungsbestandteile
sind beispielsweise S, Sn, Zn, Ni, Si und Te. Vorteilhafterweise
liegt der Gehalt nicht über
50 ppm. Auch Sn hebt die Halberweichungstemperatur, ist jedoch nicht
so wirkungsvoll wie Mg, und viel wesentlicher vermindert es die Leitfähigkeit
in einem größeren Maß.
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Beispiel
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Es
wurden sauerstofffreie Kupferlegierungen mit Mg hergestellt, in
denen Mg mit 50, 100 und 150 ppm bezogen auf das Legierungsgewicht
zugemischt wurde. Der Wärmewiderstand
und die Elektronenleitfähigkeit der
Legierungen wurde gemessen.
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Ein
weichgeglühter
Draht von 8 mm wurde aus jedem jeweiligen Material hergestellt.
Die Elektronenleitfähigkeit
des Drahtes wurde gemessen. Nachfolgend wurden die Drähte auf
eine Dicke von 6,2 mm (Deformationsmaß 40 %) oder 2 mm (Deformationsmaß 94 %)
gezogen. Die Drähte
wurden in einem Salzbad (1 h) im Bereich von 250–500° C weichgeglüht. Die Ergebnisse sind in
der folgenden Tabelle wiedergegeben.
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Es
ist ersichtlich, dass mit Mg-Gehalten von 50–150 ppm eine extrem gute Elektronenleitfähigkeit
(und daher auch eine thermische Leitfähigkeit), aber auch eine hohe
Erweichungstemperatur erreicht werden.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft ein aus einer Kupferlegierung gefertigtes Substrat-Material,
wie es in hochtemperierten Beschichtungsverfahren Verwendung findet.
Die Legierung enthält
nicht mehr als 10 ppm Sauerstoff, und Magnesium von über 30 ppm.
Das Substrat-Material
kann beispielsweise in Solar-Paneelen verwendet werden.
