DE202016007550U1

DE202016007550U1 - Galvanisch hergestellte Kupferlegierungen mit hoher Festigkeit und Leitfähigkeit

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Publication number: DE202016007550U1
Application number: DE202016007550.1U
Authority: DE
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2017-03-23
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: JP2017186673A; JP6823891B2; US10472709B2; US20170167007A1

Abstract

Binäre Cu-Legierung, welche Cu und X enthält, wobei X aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Cr, Fe, W, Mo, B, Co, Ag und P enthält, wobei die binäre Kupferlegierung eine Streckfestigkeit von zumindest 600 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 20% IACS aufweist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität unter 35 U.S.C. § 119(e) aus der U.S. Provisional Application No. 62/266,502 mit dem Titel ”High Strength, High Conductivity Electroformed Copper Alloys and Methods of Making”, eingereicht am 11. Dezember 2015, welche hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
GEBIET
Die beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf binäre Kupferlegierungen mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit. Genauer gesagt, beziehen sich verschiedenen Ausführungsformen auf galvanisch hergestellte binäre Cu-X Legierungen (engl.: electroformed binary Cu-X alloys) und durch Kornfeinung und Ausfällung gehärtete binäre Cu-X Legierungen.
HINTERGRUND
Für lange Zeit wurde Kupfer als Hauptmaterial zum Leiten von Strom verwendet. Es wurden verschiedene Kupferlegierungen entwickelt, um Nachteile von elementarem Kupfer zu beheben, wie beispielsweise geringe Festigkeit und Lebensdauer. Hohe Festigkeit und Lebensdauer, im Einklang mit der Beibehaltung einer hohen Leitfähigkeit, sind wichtige Anforderungen für viele Anwendungen.
Während reines Cu und einige Kupferlegierungen eine gute Leitfähigkeit-Leistung (z. B. 100% IACS) haben, besitzen diese Materialien eine geringe Festigkeit (z. B. 400 MPa), wodurch sie für viele Anwendungen ungeeignet sind. Ein Härten von Cu und dessen Legierungen kann über mehrere Verfahren erzielt werden, wie beispielsweise Kornfeinung, Ausfällungshärtung, Kaltumformung oder Mischkristall-Legierung. Diese Ansätze können jedoch zu einer Verringerung der Leitfähigkeit führen. Beispielsweise kann durch Legieren von reinem Cu durch Hinzufügen von Elementen (Si, Al, Fe, Ni, Sn, Cd, Zn, Ag, Sb, Mg, Cr, usw.) die Festigkeit um das Doppelte oder Dreifache erhöht werden, wobei jedoch die elektrische Leitfähigkeit von Cu Legierungen dramatisch absinken kann. Ferner kann durch die Volatilitäten von einigen Legierungselementen, wie beispielsweise Cd, Zn, Sn und Pb, ihre Anwendung in der Elektronikindustrie eingeschränkt werden, insbesondere in Umgebungen mit hoher Temperatur und hohem Vakuum. Daher besteht eine Notwendigkeit, Kupferlegierungen zu entwickeln, welche eine hohe Festigkeit und hohe Leitfähigkeit haben.
ZUSAMMENFASSUNG
Ausführungsformen der Beschreibung sind auf eine galvanisch hergestellte binäre Kupferlegierung gerichtet, welche Kupfer (Cu) und X enthält, wobei X aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Cr, Fe, W, Mo, B, Co, Ag und P enthält, welche eine Streckfestigkeit (engl.: yield strength) von zumindest 600 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 20% IACS hat. In einigen Ausführungsformen ist X aus einer Gruppe ausgewählt, welche Cr, Fe, W und Mo enthält. In weiteren Ausführungsformen kann die Legierung eine Streckfestigkeit von zumindest 900 MPa haben. In einigen Ausführungsformen kann die Legierung eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 30% IACS haben. In weiteren Ausführungsformen kann die Legierung eine Streckfestigkeit zwischen 900 MPa und 1700 MPa haben. In noch weiteren Ausführungsformen kann die Legierung eine elektrische Leitfähigkeit zwischen 30 und 70% IACS haben.
In einigen Ausführungsformen können die binären Cu-X Legierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 80% IACS zusammen mit Streckfestigkeiten zwischen 600–900 MPa haben. Diese Legierungen können zur Herstellung von elektrischen Verbindern hilfreich sein, welche für Schaltplatinen-Verbindungen in elektrischen Vorrichtungen verwendet werden können. In weiteren Ausführungsformen können die binären Cu-X Legierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 80% IACS zusammen mit Streckfestigkeiten zwischen 1000–1200 MPa haben. In weiteren Ausführungsformen können die binären Cu-X Legierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 50% IACS zusammen mit Streckfestigkeiten zwischen 900–1500 MPa haben.
In einigen Ausführungsformen können die Cu und X Ionen unterschiedliche Elektrodenpotenziale (d. h. Reduktionspotenzial) haben. In einigen Ausführungsformen beträgt die Differenz im Elektrodenpotenzial, ΔV, zwischen Cu und X weniger als ±0,25 V. In weiteren Ausführungsformen beträgt die Differenz im Elektrodenpotenzial, ΔV, zwischen Cu und X mehr als ±0,5 V. In weiteren Ausführungsformen kann die Differenz im Elektrodenpotenzial zwischen Cu und X, ΔV, in einem Bereich zwischen –1,0 V bis 1,0 liegen.
In Ausführungsformen der Beschreibung kann die Cu-X Legierung zumindest 0,1 Gewichtsprozent von X enthalten. In weiteren Ausführungsformen der Beschreibung kann die Cu-X Legierung 0,1 Gewichtsprozent bis 0,5% von X enthalten. In weiteren Ausführungsformen der Beschreibung kann die Cu-X Legierung zumindest 1 Gewichtsprozent von X enthalten. In weiteren Ausführungsformen der Beschreibung kann die Cu-X Legierung bis zu 30 Gewichtsprozent von X enthalten. Beispielsweise, in einigen Ausführungsformen, kann X gleich Mo sein und kann der Gewichtsprozent von Mo in einem Bereich von 0,1 Gewichtsprozent bis 0,5 Gewichtsprozent liegen.
Weitere Beispiele der Beschreibung, welche zum besseren Verständnis von der Erfindung dienen, sind auf Verfahren gerichtet zum Herstellen einer binären Cu-X Legierung, welche eine hohe Festigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat. In einigen Bespielen, welche zum besseren Verständnis von der Erfindung dienen, kann das Verfahren zum Herstellen einer galvanisch hergestellten binären Kupferlegierung ein Vorbereiten von einem Elektrolytbad mit Cu- und X-Ionen, wobei X aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Cr, Fe, W, Mo, B, Co, Ag und P enthält; Eintauchen von zumindest einem Abschnitt von einer Kathoden-Vorform in das Elektrolytbad; Anlegen von Strom in das Elektrolytbad; Ablagern der Cu- und X-Ionen auf einen Abschnitt der Kathoden-Vorform, um eine binäre Cu-X Legierung auszubilden; und eine Wärmbehandlung der binären Cu-X Legierung, um X und/oder Cu_yX_z Partikel auszufällen, um einen galvanisch hergestellten Cu-X Artikel herzustellen, enthalten.
In einigen Ausführungsformen enthält das Elektrolytbad zumindest 0,1 Gewichtsprozent von X Ionen. In einigen Ausführungsformen enthält das Elektrolytbad bis zu 30 Gewichtsprozent von X Ionen.
In Ausführungsformen der Beschreibung kann das Elektrolytbad chemische Komplexe enthalten, um das Elektrodenpotenzial der Cu- und X-Ionen kompatibel zu erstellen. In weiteren Ausführungsformen kann das Elektrolytbad chemische Zusätze zur Kornfeinung der Cu-Phase enthalten.
In einigen Beispielen, welche zum besseren Verständnis der Erfindung dienen, kann das Verfahren eine Wärmebehandlung der binären Cu-X Legierung enthalten, um die Härte der binären Cu-X Legierung zu erhöhen. Der Wärmebehandlungsprozess kann ein Erwärmen der binären Cu-X Legierung auf eine Temperatur von zumindest 100°C für eine Zeitdauer enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung auf eine Temperatur von zumindest 200°C erwärmt werden, während die binäre Cu-X Legierung in weiteren Ausführungsformen auf eine Temperatur von zumindest 350°C erwärmt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung auf eine Temperatur von zumindest 400°C erwärmt werden. In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung für zumindest 30 Minuten erwärmt werden, während die Legierung in weiteren Ausführungsformen für zumindest 100 Minuten erwärmt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung innerhalb einer Zeitdauer im Bereich von 30 Minuten bis 300 Minuten erwärmt werden.
In einigen Aspekten kann die Wärmebehandlung ein Erwärmen zur Ausfällungshärtung der binären Cu-X Legierung enthalten. In derartigen Ausführungsformen kann die Wärmebehandlung ein Erwärmen der binären Cu-X Legierung bei einer Temperatur und/oder Zeitdauer enthalten, welche ausreicht, um Intra-Korn-Partikel von X und/oder Cu_yX_z auszufällen, sodass sie zumindest 0,1 Volumenanteil der Legierung enthalten. In weiteren Ausführungsformen können die Intra-Korn-Partikel von X und/oder Cu_yX_z zumindest 0,25% Volumenanteil der Legierung enthalten. In weiteren Beispielen, welche zum besseren Verständnis von der Erfindung dienen, kann das Verfahren eine Wärmebehandlung der binären Cu-X Legierung auf eine Temperatur und/oder Zeitdauer enthalten, welche ausreicht, um Intra-Korn-Partikel von X und/oder Cu_yX_z auszufällen, so dass sie zumindest 1 Volumenanteil der Legierung enthalten; während in weiteren Ausführungsformen die Intra-Korn-Partikel von X und/oder Cu_yX_z zumindest 5% Volumenanteil der Legierung enthalten. In weiteren Beispielen, welche zum besseren Verständnis von der Erfindung dienen, kann das Verfahren eine Wärmebehandlung der binären Cu-X Legierung auf eine Temperatur und/oder Zeitdauer enthalten, welche ausreicht, um Intra-Korn-Partikel von X und/oder Cu_yX_z auszufällen, so dass sie zumindest 30% Volumenanteil der Legierung enthalten.
In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung X als eine Partikelphase im Nanobereich in der Legierung enthalten, welche während einer Warmauslagerung (engl.: aging treatment) aus dem Mischkristall ausgefällt wird. In Ausführungsformen der Beschreibung können die Intra-Korn-Partikel X und/oder Cu_yX_z Partikel enthalten. In einigen Ausführungsformen können die Legierungen zumindest 0,1% Volumenanteil von X- und/oder Cu_yX_z Partikeln als Intra-Korn-Partikel enthalten. In einigen Ausführungsformen können die Legierungen zumindest 0,25% Volumenanteil von X- und/oder Cu_yX_z Partikel als Intra-Korn-Partikel enthalten. In einigen Ausführungsformen können die Legierungen zumindest 1 Volumenanteil von X- und/oder Cu_yX_z Partikeln als Intra-Korn-Partikel enthalten. In einigen Ausführungsformen können die Legierungen zumindest 5% Volumenanteil von X- und/oder Cu_yX_z Partikeln als Intra-Korn-Partikel enthalten. In weiteren Ausführungsformen können die Legierungen bis zu 15% Volumenanteil von X- und/oder Cu_yX_z Partikeln als Intra-Korn-Partikel enthalten.
In einigen Beispielen, welche zum besseren Verständnis der Erfindung dienen, kann das Verfahren ferner einen Schritt zum Trennen des galvanisch hergestellten Cu-X Artikels von der Kathoden-Vorform enthalten.
Weitere Ausführungsformen der Beschreibung sind auf einen Artikel bzw. auf Vorrichtungen gerichtet, welche aus der galvanisch hergestellten binären Cu-X Legierung hergestellt sind. In einigen Ausführungsformen können die Artikel bzw. Vorrichtungen elektrische Verbinder enthalten, welche eine galvanisch hergestellte binäre Kupferlegierung enthalten, welche Kupfer und X enthält, wobei X aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Cr, Fe, W, Mo, B, Co, Ag und P enthält, welche eine Streckfestigkeit von zumindest 800 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 20% IACS aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Beschreibung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen einfach verstanden, in welchen gleiche Bezugszeichen den gleichen Bauteilen zugesprochen sind, und in welchen:
1A eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Streckfestigkeit für verschiedene Cu- und Cu-Legierung-Systeme zeigt.
1B eine weitere grafische Darstellung der Beziehung zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Streckfestigkeit für verschiedene Cu- und Cu-Legierung-Systeme zeigt.
2A die Schritte eines Verfahrens zum galvanischen Herstellen einer binären Cu-X Legierung in Übereinstimmung mit Beispielen der Beschreibung zum besseren Verständnis der Erfindung zeigt.
2B die Schritte einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zum galvanischen Herstellen einer binären Cu-X Legierung in Übereinstimmung mit Beispielen der Beschreibung zum besseren Verständnis der Erfindung zeigt.
3 schematisch eine Kammer zum galvanischen Herstellen einer binären Cu-X Legierung in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Beschreibung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Es wird nun detailliert auf repräsentative Ausführungsformen Bezug genommen, welche in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind. Es ist zu verstehen, dass die folgenden Beschreibungen nicht dazu dienen sollen, um die Ausführungsformen auf eine bevorzugte Ausführungsform einzuschränken. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, dass Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abgedeckt sind, wie sie innerhalb des Geistes und Umfangs der beschriebenen Ausführungsformen, wie durch die anliegenden Ansprüche definiert, enthalten sein können.
Die Beschreibung bezieht sich auf galvanisch hergestellte binäre Kupfer (Cu) Legierungen mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Leitfähigkeit, auf beispielhafte Verfahren zum Herstellen der binären Kupferlegierungen zum besseren Verständnis der Erfindung, und auf Artikel oder Vorrichtungen, welche hieraus hergestellt sind. Ausführungsformen der Beschreibung sind auf galvanisch hergestellte binäre Cu-X Legierungen gerichtet, welche eine hohe Festigkeit (z. B. zumindest 600 MPa) und eine hohe elektrische Leitfähigkeit (z. B. zumindest 20% IACS) haben. In einigen Ausführungsformen können die Cu-X Legierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 900 MPa und eine Leitfähigkeit von zumindest 30% IACS haben. In weiteren Ausführungsformen können die Cu-X Legierungen eine Streckfestigkeit zwischen 900 MPa und 1700 MPa und eine Leitfähigkeit zwischen 30% IACS und 70% IACS haben. In weiteren Ausführungsformen können die Cu-X Legierungen eine Streckfestigkeit zwischen 600 MPa und 1000 MPa und eine Leitfähigkeit zwischen 80% IACS und 95% IACS haben. In weiteren Ausführungsformen können die Cu-X Legierungen eine Streckfestigkeit zwischen 900 MPa und 1200 MPa und eine Leitfähigkeit zwischen 80% IACS und 95% IACS haben. In einigen Ausführungsformen können die binären Cu-X Legierungen ebenso ein verbessertes Schubmodul für eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit-Leistung haben.
Um die Festigkeit von Kuper zu verbessern, können Legierungselemente hinzugefügt werden. Ferner können optional ein Wärmebehandlungs- und/oder Ausfällungshärtung-Prozess weiterhin dazu verwendet werden, um binäre Kupferlegierungen zu erzeugen, welche eine Kombination aus hoher Festigkeit, hoher Leitfähigkeit und einer guten Formbarkeit haben. Obwohl die Hinzufügung von einem Legierungselement zum Kupfer die Streckfestigkeit erhöhen kann, kann es ebenso die elektrische Leitfähigkeit reduzieren. Ohne auf eine bestimmte Theorie oder einen Aktionsmodus eingeschränkt zu werden, gilt in verschiedenen Aspekten, dass, je höher die gelöste Konzentration von X ist, desto mehr X kann in die Cu-Phase von der Legierung eintreten, wodurch die elektrische Leitfähigkeit reduziert werden kann. Im Gegensatz zur Gussblockmetallurgie (engl. „ingot metallurgy”) kann in Ausführungsformen der Beschreibung die Konzentration von X erhöht werden. In der Gussblockmetallurgie kann der Gewichtsprozent von X, welches in Cu lösbar ist, gering sein (z. B. 1 Gewichtsprozent oder weniger), während durch den galvanischen Herstellungsprozess gemäß der Beschreibung der Gewichtsprozentanteil von X, welches in Cu lösbar ist, erhöht werden kann.
1A zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Streckfestigkeit für Kupfer und Kupferlegierungen. Bei einer solchen herkömmlichen Metallurgie stehen die elektrische Leitfähigkeit und Streckfestigkeit zueinander im umgekehrten Verhältnis. Beispielsweise, wie in 1A gezeigt, haben reines, herkömmliches metallurgisches Kupfer (z. B. reines Kupfer) und reines galvanisch hergestelltes Nano-Kupfer (z. B. Nano-Cu) eine elektrische Leitfähigkeit von 80% IACS oder höher, während die Streckfestigkeit von beiden unterhalb von 600 MPa ist. Im Gegensatz dazu haben galvanisch hergestellte Co-P Legierungen (z. B. abgelagert (engl.: as-deposited) und gehärtet) eine Streckfestigkeit von mehr als 1500 MPa, jedoch eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10% IACS.
Jedoch sind Ausführungsformen der Beschreibung auf galvanisch hergestellte binäre Kupferlegierungen (z. B. Cu-X Legierungen) gerichtet, welche sowohl eine hohe elektrische Leitfähigkeit (zumindest 20% IACS) als auch eine hohe Streckfestigkeit (zumindest 600 MPa) haben. In Ausführungsformen der Beschreibung kann die Streckfestigkeit von Kupfer und/oder Kupferlegierungen verbessert werden, indem der Volumenanteil von einem Legierungselement X durch gemeinsame Ablagerung (engl.: codepositing) von Cu und X über einen galvanischen Herstellungsprozess erhöht wird. In einigen Ausführungsformen können binäre Cu-X Legierungen ebenso ein verbessertes Schubmodul für eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit-Leistung haben.
In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 20% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 25% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 30% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 35% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 40% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 45% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 50% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 55% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 60% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 65% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 70% IACS haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 80% IACS haben.
In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 600 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 700 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 800 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 900 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 1000 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 1100 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 1200 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 1300 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 1400 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 1500 MPa haben. In einigen Aspekten können die binären Kupferlegierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 1600 MPa haben.
In verschiedenen Aspekten können die binären Cu-X Legierungen mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit durch einen galvanischen Prozess hergestellt werden. Der galvanische Prozess enthält eine gemeinsame Ablagerung von Cu und einem Legierungselement X. X kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, welche Cr, Fe, W, Mo, B, Co, Ag und P enthält.
Einige Ausführungsformen der Beschreibung sind auf galvanisch hergestellte binäre Cu-X Legierungen gerichtet, welche eine hohe Festigkeit (z. B. zumindest 600 MPa) und eine hohe elektrische Leitfähigkeit (z. B. zumindest 20% IACS) haben. In weiteren Ausführungsformen können die binären Cu-X Legierungen eine Streckfestigkeit von zumindest 900 MPa und eine Leitfähigkeit von ungefähr 30% IACS haben. In weiteren Ausführungsformen können die binären Cu-X Legierungen eine Streckfestigkeit zwischen 600 MPa und 900 MPa und eine Leitfähigkeit zwischen 80% IACS und 95% IACS haben, während die binären Cu-X Legierungen in weiteren Ausführungsformen eine Streckfestigkeit zwischen 1000 MPa und 1200 MPa und eine Leitfähigkeit zwischen 80% IACS und 95% IACS haben können. In weiteren Ausführungsformen können die binären Cu-X Legierungen eine Streckfestigkeit zwischen 900 MPa und 1700 MPa und eine Leitfähigkeit zwischen 30% IACS und 70% IACS haben.
1B zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Streckfestigkeit bei herkömmlichen metallurgischen Kupfer und Kupferlegierungen im Vergleich mit galvanisch hergestellten binären Kupferlegierungen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Beschreibung. Wie in 1B gezeigt, neigen herkömmliches metallurgisches reines Cu und Cu Legierungen dazu, eine umgekehrt proportionale Beziehung zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Streckfestigkeit aufzuweisen. Beispielsweise, wenn die Streckfestigkeit bei einer Cu-Ni-Sn Legierung auf 1200 MPa ansteigt, beträgt die elektrische Leitfähigkeit weniger als 10% IACS, im Vergleich mit reinem Cu, welches eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 90% IACS bei einer Streckfestigkeit von weniger als 400 MPa hat.
Im Gegensatz hierzu sind Ausführungsformen der Beschreibung auf galvanisch hergestellte binäre Cu-X Legierungen gerichtet, welche sowohl eine hohe elektrische Leitfähigkeit (von zumindest 20% IACS) als auch eine hohe Streckfestigkeit (von zumindest 600 MPa) haben. In einigen Ausführungsformen, wie gezeigt, können die binären Cu-X Legierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 80% IACS zusammen mit Streckfestigkeiten zwischen 600–900 MPa haben. Diese Legierungen können zum Herstellen von elektrischen Verbindern hilfreich sein, welche für Schaltplatinen-Verbindungen in elektrischen Vorrichtungen (z. B. B2B Power Pins) verwendet werden können. In weiteren Ausführungsformen, wie gezeigt, können die binären Cu-X Legierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 80% IACS zusammen mit Streckfestigkeiten zwischen 1.000–1200 MPa haben. Diese Legierungen können zum Herstellen von elektrischen Verbindern hilfreich sein, welche für Batteriestifte in elektrischen Vorrichtungen verwendet werden können. In weiteren Ausführungsformen können die binären Cu-X Legierungen eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 50% IACS zusammen mit Streckfestigkeiten zwischen 900–1500 MPa für weitere Typen von elektrischen Verbindern haben.
In verschiedenen Aspekten können die Legierungen der Beschreibung durch einen galvanischen Prozess hergestellt werden. Ein ”galvanischer” Prozess, ebenso manchmal als ”Galvanotechnik” oder ”Galvanisieren” bezeichnet, ist ein elektrochemischer Prozess, welcher einen elektrischen Strom zwischen einer Anode und einer Kathode über eine wässrige oder nicht-wässrige Lösung, welche Metallionen enthält, leitet. Die Ionen werden reduziert und auf der Kathode abgelagert. Die Kathode kann eine Vorform, ein Modell oder ein Dorn sein. Die galvanische Herstellung unterscheidet sich von herkömmlichen Galvanotechnik- oder Galvanik-Beschichtungen dahingehend, dass Galvanoformen als separate Strukturen anstelle von Beschichtungen verwendet werden, um dekorative Effekte, eine Korrosionsbeständigkeit oder dergleichen bereitzustellen.
Die grundlegenden Schritte eines galvanischen Prozesses können enthalten: Vorbereiten von einem Elektrolytbad (welches ebenso als ein Galvanisierbad oder Lösung bezeichnet werden kann), welches die abzulagernden Metallionen enthält, Platzieren einer Kathoden-Vorform, eines Formteils oder eines Dorns in dem Elektrolytbad, und Anlegen eines Stroms an das Elektrolytbad. Die Metallionen in dem Elektrolytbad werden aus dem Elektrolytbad ausgelöst und auf die Kathoden-Vorform, das Formteil oder den Dorn durch Elektrolyse abgelagert. Sobald die erforderliche Metalldicke angelegt ist, kann die mit Metall überzogene Vorform, das Formteil oder der Dorn aus dem Elektrolytbad entnommen werden, und wird das galvanisierte Metall von der Vorform, dem Formteil oder dem Dorn getrennt, um eine Galvanoform zu erzeugen, welche ein separater, eigenständiger Artikel ist, welcher gänzlich das galvanisierte Metall enthält. Der Galvanisierungsprozess kann ein gemeinsames Ablagern von Cu und einem Legierungselement X enthalten. X kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, welche Cr, Fe, W, Mo, B, Co, Ag, P, Sn und Zn enthält. In einigen Ausführungsformen kann X aus einer Gruppe ausgewählt sein, welche Cr, Fe, W und Mo enthält.
In einigen Ausführungsformen ist die Vorform, das Formteil oder der Dorn aus Metall, beispielsweise, jedoch nicht eingeschränkt auf Messing oder rostfreier Stahl. In einigen Ausführungsformen kann mit dem gemeinsamen Ablagern von Cu und einem Legierungselement X fortgefahren werden, bis zumindest eine 50 μm dicke Schicht der binären Cu-X Legierung auf der Kathoden-Vorform abgelagert ist. In weiteren Ausführungsformen kann mit dem gemeinsamen Ablagern von Cu und einem Legierungselement X fortgefahren werden, bis zumindest eine 100 μm dicke Schicht der binären Cu-X Legierung auf der Kathoden-Vorform abgelagert ist. In weiteren Ausführungsformen kann mit dem gemeinsamen Ablagern von Cu und einem Legierungselement X fortgefahren werden, bis zumindest eine 200 μm dicke Schicht der binären Cu-X Legierung auf der Kathoden-Vorform abgelagert ist.
Die galvanisch hergestellten binären Kupferlegierungen können zur Herstellung von Artikeln bzw. Vorrichtungen verwendet werden, wie beispielsweise elektrische Verbinder (z. B. Zwischenverbinder). Die Artikel bzw. Vorrichtungen, welche aus den galvanisch hergestellten binären Kupferlegierungen hergestellt sind, können eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit, verbesserte Streckfestigkeit und/oder eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit-Leistung im Vergleich mit herkömmlichen gussblockmetalurgischen Kupferlegierungen (engl. „ingot metalurgical copper alloys) aufweisen.
Zusätzlich haben die verbesserte elektrische Leitfähigkeit und die verbesserte Streckfestigkeit der galvanisch hergestellten binären Cu-X Legierungen eine Anzahl von Herstellungsvorteilen im Vergleich mit Herstellungsvorteilen von herkömmlichen gussblockmetalurgischen Kupferlegierungen. Beispielsweise kann die verbesserte Streckfestigkeit eine Reduktion der Größen von den elektrischen Verbindern erzielen, während immer noch die mechanische Integrität beibehalten wird. In einigen Ausführungsformen können die elektrischen Verbinder, welche gemäß Ausführungsformen der binären Cu-X Legierungen hergestellt sind, eine um zumindest 10% reduzierte Größe im Vergleich mit elektrischen Verbindern von herkömmlichen Legierungen haben. Beispielsweise kann ein B2B-Stift, welcher aus binären Cu-X Legierungen hergestellt ist, eine reduzierte Höhe, Länge oder beides hiervon haben, wodurch, verglichen mit herkömmlichen legierten elektrischen Verbindern, die Gesamtgröße reduziert werden kann. Diese Reduktion in der Größe der elektrischen Verbinder kann den Raum reduzieren, welchen die Verbinder in elektrischen Vorrichtungen einnehmen, wodurch kleinere Vorrichtungen und/oder ein zusätzlicher Innenraum für weitere Bauteile innerhalb der elektrischen Vorrichtungen ermöglicht werden. Zusätzlich kann durch die verbesserte Streckfestigkeit der elektrischen Verbinder ebenso die Notwendigkeit nach zusätzlichen Bauteilen reduziert werden, welche eine mechanische Verstärkung bereitstellen. Mittels Beispiel, ohne Beabsichtigung einer Einschränkung hierauf, kann es beispielsweise bei einer Board-zu-Board Anzeige-Steckerbuchse möglich sein, die Notwendigkeit nach einem Halteclip zu beseitigen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der binären Cu-X Legierungen gemäß der Beschreibung eine schnellere Aufladung über die elektrischen Verbinder ermöglicht werden kann. Zusätzlich kann der galvanische Prozess die Herstellung von netzförmigen Artikeln bzw. Vorrichtungen ermöglichen, welche eine nur geringe oder gar keine zusätzliche Bearbeitung, Veredelung und/oder Politur benötigen.
In Ausführungsformen der Beschreibung können dem Elektrolytbad Cu- und X-Ionen hinzugefügt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Konzentration der Cu- und X-Ionen in dem Elektrolytbad derart sein, dass X zumindest 0,1 Gewichtsprozent oder mehr beträgt. In weiteren Ausführungsformen ist die Konzentration der Cu- und X-Ionen in dem Elektrolytbad derart, dass X zumindest 1 Gewichtsprozent oder mehr beträgt. In weiteren Ausführungsformen ist die Konzentration der Cu- und X-Ionen in dem Elektrolytbad derart, dass X zumindest 5 Gewichtsprozent oder mehr beträgt. In weiteren Ausführungsformen kann die Konzentration von X bis zu 30 Gewichtsprozent betragen. In einigen Ausführungsformen kann die Konzentration der Cu- und X-Ionen in dem Elektrolytbad derart sein, dass X in einem Bereich zwischen 0,1 Gewichtsprozent und 0,5 Gewichtsprozent liegt. In weiteren Ausführungsformen ist die Konzentration der Cu- und X-Ionen in dem Elektrolytbad derart, dass X in einem Bereich zwischen 0,1 Gewichtsprozent und 1 Gewichtsprozent liegt.
In einigen Ausführungsformen kann das Elektrolytbad eine wässrige Lösung sein, während das Elektrolytbad in weiteren Ausführungsformen nicht-wässrig sein kann.
In einigen Ausführungsformen kann das Elektrolytbad ebenso zusätzliche chemische Komplexe oder Kornfeinung-Zusätze enthalten.
In Ausführungsformen der Beschreibung können die Cu- und X-Ionen in dem Elektrolytbad auf einer Kathoden-Vorform, einem Formteil oder einem Dorn durch Anlegen eines Stroms an das Elektrolytbad galvanisch abgelagert werden, um netzförmige Artikel herzustellen. In einigen Ausführungsformen können die netzförmigen Artikel dazu hergestellt werden, um elektrische Bauteile herzustellen, welche einen elektrischen Verbinder enthalten. In weiteren Ausführungsformen kann die galvanisch abgelagerte binäre Cu-X Legierung dazu verwendet werden, um elektrische Verbinder herzustellen. In einigen Ausführungsformen können die Cu-Ionen auf einem Formteil, einer Vorform oder einem Dorn galvanisch abgelagert werden und dann geglüht werden, um eine Partikelphase auszufällen, um die Festigkeit der primären Cu-X Legierungen zu erhöhen.
Im Gegensatz zur Gussblockmetallurgie, kann die Konzentration von X in Ausführungsformen der Beschreibung erhöht werden. In der Gussblockmetallurgie kann der Gewichtsprozentanteil von X, welches in Cu löslich ist, gering sein (z. B. weniger als ein Gewichtsprozent), während durch den galvanischen Prozess der Beschreibung der Gewichtsprozentanteil von X, welches in Cu lösbar ist, erhöht werden kann. Beispielsweise, ohne dass eine Einschränkung beabsichtigt ist, wenn X gleich P ist, kann es durch die Gussblockmetallurgie eine Lösbarkeit von 1,7 Gewichtsprozent in Cu haben. Jedoch, in Übereinstimmung mit Ausführungsformen des offenbarten galvanischen Prozesses, kann die Lösbarkeit von P in Cu erhöht werden (z. B. 5 Gewichtsprozent). In einem weiteren Beispiel, wenn X gleich Mo ist, hat es durch die Gussblockmetallurgie eine Lösbarkeit von 0 Gewichtsprozent in Cu (d. h. unauflöslich). Jedoch, in Übereinstimmung mit Ausführungsformen des offenbarten galvanischen Prozesses, kann die Lösbarkeit von Mo erhöht werden und in einem Bereich zwischen 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent liegen.
Ebenso kann das Legierungselement X durch die galvanischen Prozesse der Beschreibung gleichförmig über die Cu-Phase aufgelöst werden. Somit, wenn die Legierung einer Wärmebehandlung zur Ausfällung-Härtung unterworfen wird, kann die Ausfällung-Phase gleichförmiger verteilt werden. In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Beschreibung kann der Wärmebehandlungsprozess Intra-Korn-Partikel des Legierungselements X und/oder Intra-Korn-Partikel von Cu_yX_z ausfällen, um die Härte und/oder Streckfestigkeit der binären Cu-Legierung zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen können die Intra-Korn-Partikel das gesamte oder nahezu das gesamte Legierungselement X aufbrauchen. Daher sollte das Legierungselement X derart ausgewählt werden, dass es eine niedrige Lösbarkeit hat, um die Ausfällung im Verlaufe der Wärmebehandlung zu unterstützen. In einigen Ausführungsformen können die X-Ionen eine Lösbarkeit von zumindest 0,1 Gewichtsprozent in Cu haben. In einigen Ausführungsformen können die X-Ionen eine Lösbarkeit von zumindest 1 Gewichtsprozent in Cu haben. In einigen Ausführungsformen können die X-Ionen eine Lösbarkeit zwischen 0,1 Gewichtsprozent und 1 Gewichtsprozent in Cu haben. In weiteren Ausführungsformen kann das X-Ion eine Lösbarkeit von zumindest 5 Gewichtsprozent in Cu haben. In weiteren Ausführungsformen kann das X-Ion eine Lösbarkeit von bis zu 30 Gewichtsprozent in Cu haben.
Mittels eines darstellhaften Beispiels, ohne dass eine Einschränkung hierauf beabsichtigt ist, kann X in Übereinstimmung mit Ausführungsformen des offenbarten galvanischen Prozesses gleich Mo sein. In der Ingot-Metallurgie hat Mo eine Lösbarkeit von 0 Gewichtsprozent in Cu. Jedoch kann in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Beschreibung durch den galvanischen Prozess der supergesättigte, gelöste Inhalt von Mo in Cu in einem Bereich zwischen 0,1 und 1,0 Gewichtsprozent erhöht werden. Der galvanische Prozess erlaubt erhöhte Mengen von Mo im supergesättigten Feststoff in Cu und ermöglicht die Ausbildung von Mischkristall Mo innerhalb der Cu-Phase. Durch die Hinzufügung von Mo als Mischkristall innerhalb der Cu-Phase wird die Festigkeit der Legierung erhöht; wobei jedoch, da die Lösbarkeit des Mo relativ gering ist, die hohe Leitfähigkeit des Cu beibehalten wird. In einigen Ausführungsformen kann bzw. können die Streckfestigkeit und/oder Härte der Cu-X Legierung (beispielsweise ist X gleich Mo) durch eine Alterungsbehandlung und/oder einen Ausfällung-Härtungsprozess weiter erhöht werden, wie im Folgenden detaillierter beschrieben.
Beispielsweise wird durch das Vorliegen von Mo in einigen Ausführungsformen, eingeführt über galvanische Prozesse in Übereinstimmung mit der Beschreibung, die Steuerung der Korngröße ermöglicht. In der herkömmlichen Gussblockmetallurgie, bei welcher Legierungsschmelzen verwendet werden, ist ein Mischkristall von Mo in Cu nicht erreichbar, da Mo eine Gleichgewicht-Lösbarkeit in Cu von 0 hat; wodurch das Mo eine Grobphase ausbildet, wenn sich die Legierungsschmelze verfestigt. Wenn jedoch Mo in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Beschreibung mit Cu galvanisiert wird, kann ein Mischkristall von Mo in Cu erzielt werden. In solchen Ausführungsformen kann das Mo ein Korn-Formierer im Nanobereich sein. In weiteren Ausführungsformen kann X gleich W sein, welches ebenso ein Korn-Formierer im Nanobereich sein kann. Gleich dem Mo wird durch das Vorhandensein von W in einigen Ausführungsformen, eingeführt über galvanische Prozesse, in Übereinstimmung mit der Beschreibung, eine Steuerung der Korngröße ermöglicht.
In einigen Ausführungsformen kann die Streckfestigkeit der binären Cu-X Legierungen ebenso durch eine Kornfeinung (d. h. ein Steuern der Größe der Cu-Phase Körner) erhöht werden. Durch die Hinzufügung der X-Phase über den galvanischen Prozess kann in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Beschreibung eine Stabilisierung der Korngröße im Nanobereich ermöglicht werden, woraus Legierungen mit hoher Festigkeit in Kombination mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit resultieren. Bei der herkömmlichen Metallurgie (d. h. Gießen, Walzen, usw.) kann die Cu-Phase grobe Körner haben, während, in Ausführungsformen der Beschreibung, durch den galvanischen Prozess feine (d. h. im Nanobereich) Körner für die Cu-Phase erzeugt werden können. Der grundsätzliche Kornfeinung-Effekt beruht auf der Hinzufügung von einem gelösten Stoff. Mittels eines veranschaulichenden Beispiels, ohne dass eine Einschränkung hierauf beabsichtigt ist, in Ausführungsformen, in welchen X gleich Mo ist, hat sich gezeigt, dass durch das gelöste Mo sich die mittlere Korngröße (d. h. der mittlere Korn-Durchmesser) auf ungefähr 25 nm in Mo-Proben mit 0,5 Gewichtsprozent in der gebildeten binären Legierung stabilisiert hat.
Die hergestellten Cu-X Legierungen können ferner durch eine Alterungsbehandlung und/oder einen Ausfällungshärtung-Prozess gestärkt werden. Beispielsweise kann bei den Legierungen, welche durch Ablagerung der Cu- und X-Ionen über den galvanischen Prozess hergestellt wurden, die mittlere Korngröße 25 nm (d. h. der mittlere Korn-Durchmesser) betragen, und kann die mittlere Korngröße der Legierung über eine Alterungsbehandlung und/oder einen Ausfällungshärtung-Prozess erhöht werden, während etwas von dem X ausgefällt werden kann, um als verstärkende Intra-Korn-Partikel zu wirken. Beispielsweise können die Korn-Durchmesser von 25 nm auf bis zu 800 nm anwachsen, während die Intra-Korn-Partikel, welche X enthalten, eine Größe von weniger als 10 nm (d. h. Durchmesser) haben können. Hierdurch kann die Streckfestigkeit und/oder Härte der binären Cu-Legierung im Vergleich mit der Legierung, welche über den galvanischen Prozess hergestellt ist, erhöht werden.
Die Kornfeinung kann dazu verwendet werden, um die Kupfer-Binärlegierung zu stärken, indem die Korngröße der Cu-Phase reduziert wird, um mehr Korngrenzen einzuführen, um eine Hindernis-Verlagerungsbewegung zu erzeugen, wie durch die Hall-Petch (H-P) Gleichung beschrieben: σ_y = σ₀ + d^–1/2
Jedoch nimmt die Stärke mit Abnahme der Korngröße nicht monoton zu.
In einigen Ausführungsformen der Beschreibung kann die Verfeinerung der Korngröße der Cu-Phase durch die Einbeziehung von Kornfeinung-Zusätzen zum Elektrolytbad unterstützt werden. In weiteren Ausführungsformen können Zusätze, welche ein Cu-Kornwachstum unterstützen (manchmal als Beschleuniger bezeichnet) verwendet werden. Beispielsweise, ohne dass eine Einschränkung hierauf beabsichtigt ist, ist ein Zusatz zum Unterstützen des Cu Kornwachstums gleich di(Natrium 3-Sulfonat-1-Propyl) Sulfid [NaSO₃-(CH₂)₃-S-S-(CH₂)₃-SO₃Na]. Dieser Zusatz kann die Galvanisierungsrate beschleunigen, indem eine Cu Ablagerung auf einer geeigneten kristallinen Stelle auf der Oberfläche von einer Kathoden-Vorform, einem Dorn oder einem Formstück unterstützt wird. In weiteren Ausführungsformen können Verlaufsmittel dazu verwendet werden, um die Verteilung der Cu-Dicke zu verbessern. Ein nicht einschränkendes Beispiel von einem Verlaufsmittel ist Polyethylen Glykol. Dieses Verlaufsmittel kann in Bereichen der Kathoden-Vorform-, Dorn- oder Formstück-Fläche mit einer hoher Stromdichte aufgefunden werden. Somit kann es die Dickendifferenz an dem Bereich mit hoher Stromdichte und dem Bereich mit geringer Stromdichte reduzieren. In weiteren Ausführungsformen kann das Verlaufsmittel ein Reaktionsprodukt aus einem heterozyklischen Amin mit einem Epihalogenhydrin, ein Reaktionsprodukt aus einer Verbindung, welche ein Heteroatom enthält, ausgewählt aus Stickstoff, Schwefel und einer Mischung aus Stickstoff und Schwefel, mit einer Polyepoxid-Verbindung, welche eine Ether-Verbindung enthält, ein 1:0,6 Reaktionsprodukt aus Imidazol mit BDE, oder ein jegliches weiteres geeignetes Verlaufsmittel, welches im Stand der Technik bekannt ist, sein.
In Ausführungsformen der Beschreibung können die Cu- und Legierungselement-X-Ionen gleichzeitig abgelagert werden (d. h. gemeinsam abgelagert). In einigen Ausführungsformen können die Cu- und X-Ionen bei gleichen oder ähnlichen Raten abgelagert werden.
Da das edlere Element zwischen Cu und X eine stärkere Neigung dazu hat mit einer schnelleren Rate aus der Elektrolytlösung auszufällen, können das Cu und X derart gemeinsam abgelagert werden, indem ein Elektrodenpotenzial von X derart ausgewählt wird, dass es mit Cu kompatibel ist, oder durch die Hinzufügung von chemischen Komplexen in der Elektrolytlösung (d. h. Galvanisierungsbad).
Beispielsweise kann X in einigen Ausführungsformen ein ähnliches Elektrodenpotenzial wie Cu haben. Mit anderen Worten, ist die Elektrodenpotenzial-Differenz zwischen Cu und X, ebenfalls bekannt als ΔV, relativ gering. In einigen Ausführungsformen kann ΔV = ±0,20 V sein, so dass Cu und X aus der Elektrolytlösung mit einer ähnlichen Rate abgelagert (oder galvanisiert) werden. In weiteren Ausführungsformen kann ΔV geringer als ±0,25 V sein. In weiteren Ausführungsformen kann ΔV geringer als ±0,3 V sein. In weiteren Ausführungsformen kann ΔV kleiner als ±0,5 V sein. In solchen Ausführungsformen kann die Elektrodenpotenzial-Differenz durch die Konzentration der Cu und X-Ionen einfach gesteuert werden.
Wenn die Cu- und X-Ionen in einem Elektrolytbad ähnliche Elektrodenpotenziale haben, neigt das Gewichtungsverhältnis von Cu und X, als eine Legierung abgelagert, dazu, ähnlich dem Konzentrationsverhältnis der Cu- und X-Ionen in dem Elektrolytbad zu sein. Diese Eigenschaft führt selber zur Vorhersagbarkeit und Steuerung der abgelagerten Legierungs-Zusammensetzung innerhalb des abgelagerten Merkmals.
Im Gegensatz hierzu, wenn das Legierungselement X kein ähnliches Elektrodenpotenzial hat, werden die Vorhersagbarkeit und Steuerung der Legierungs-Zusammensetzung innerhalb des abgelagerten Merkmals zu einer größeren Herausforderung. In solchen Ausführungsformen kann ΔV groß sein (z. B. ±0,50 V). In einigen Ausführungsformen kann ΔV größer als ±0,3 V sein. In weiteren Ausführungsformen kann ΔV größer als ±0,5 V sein. In weiteren Ausführungsformen kann ΔV größer als ±1,35 V sein. In solchen Ausführungsformen, wenn ΔV groß ist, können dem Elektrolytbad chemische Komplexe hinzugefügt werden. Die Hinzufügung der chemischen Komplexe kann zu einem effektiven ΔV führen, welches kleiner ist, so dass Cu und X mit einer ähnlichen Galvanisierungsrate gemeinsam abgelagert werden können. Einige Beispiele von chemischen Komplexen, welche verwendet werden können, enthalten EDTA, HEDTA, DTPA, GLDA, NTA, EDG, PDTA, Oxalsäure, Zitronensäure, Propansäure, Apfelsäure, Nitrilotriessigsäure, Weinsäure, als auch weitere geeignete chemische Komplexe, welche dem Fachmann bekannt sind.
Ferner zu der Hinzufügung von chemischen Komplexen (wie beispielsweise Komplexbildner), kann in einigen Ausführungsformen der Strom, welcher zum Galvanisieren verwendet wird, dazu verwendet werden, um die Elektrodenpotenzial-Differenz zu reduzieren, indem ein Impulsstrom verwendet wird. Der Impulsstrom kann in einigen Ausführungsformen mit chemischen Komplexen verwendet werden, während der Impulsstrom in weiteren Ausführungsformen ohne die Hinzufügung von chemischen Komplexen verwendet werden kann.
Die Differenz im elektrochemischen Potenzial der Cu- und X-Ionen kann den thermodynamischen Anteil des Galvanisierungsprozesses beschreiben. Der kinetische Anteil des Galvanisierungsprozesses bezieht die Geschwindigkeit der Ionen in der Nähe der Oberfläche ein, welche auf der Oberfläche abzulagern sind, welcher die Konzentration von Ionen an der Oberfläche vermindert. Im Übrigen bewegen sich die Ionen in der Lösungsmenge zum Bereich der nahen Oberflächen, wodurch die Ionen-Konzentrationen im Bereich der nahen Oberfläche aufgefrischt wird. Beispielsweise, ohne dass eine Einschränkung hierauf beabsichtigt ist, liegen bei einer binären Cu-Cr Legierung die Cu- und Cr-Ionen in dem Elektrolytbad vor. Das Cu hat eine niedrigere Spannung zur Ablagerung als die Cr-Ionen, und somit besitzt Cu eine Präferenz zur Ablagerung über den Cr-Ionen. Somit, wenn der angelegte Strom hoch genug ist, können Cu-Ionen, welche sich in der Nähe des Oberflächenbereichs befinden, mit einer schnelleren Rate verbraucht werden als die Cu-Ionen aus der Elektrolytlösungsmenge aufgefrischt werden können. Somit können die Cr-Ionen ab einem bestimmten Punkt damit beginnen, sich mit den Cu-Ionen gemeinsam abzulagern.
Wenn jedoch ein hoher Strom kontinuierlich angelegt wird, können nicht ausreichend Ionen in der Nähe der Oberfläche vorliegen, um mit der Ablagerung von Cu-Ionen fortzufahren. In solchen Fällen kann die Galvanisierungsschicht dendritisch werden. Um die Fähigkeit zu verbessern, mit welcher die Cu- und Cr-Ionen gemeinsam abgelagert werden, und um die Wahrscheinlichkeit zu begrenzen, dass die Galvanisierungsschicht dendritisch wird, kann ein Impuls (oder komplexe Wellenform) Galvanisierungs-Ansatz verwendet werden. In Ausführungsformen, welche einen Impuls (oder eine komplexe Wellenform) verwenden, um den Strom anzulegen, kann der Strom innerhalb einer Zeitperiode (d. h. ein Impuls) angelegt werden und dann für eine Zeitperiode ausgeschaltet werden. Im Betrieb, wenn der Strom für die Impulsperiode angelegt wird, werden sowohl Cu- als auch X-(z. B. Cr)Ionen in der Nähe des Oberflächenbereichs von der Kathoden-Vorform, dem Dorn oder dem Formstück auf der Oberfläche gemeinsam abgelagert. Nachdem die Impulsperiode beendet ist, wird der Strom abgeschaltet, wodurch es den Ionen in der Elektrolytmenge ermöglicht wird, sich in Richtung des Oberflächenbereichs zu bewegen. Hierdurch wird es ermöglicht, dass Metalle mit einer höheren Differenz im elektrochemischen Potenzial zusammen abgelagert werden.
In einigen Ausführungsformen kann eine komplexe Wellenform dazu verwendet werden, um die Stromimpulse bereitzustellen. Ein Beispiel, ohne dass eine Einschränkung beabsichtigt ist, von einer Wellenform, welche verwendet werden kann, ist wie folgt:

(1) 20 ASD (Ampere pro Quadratdezimeter) für 20 Millisekunden (wodurch eine gemeinsame Ablagerung von Cu und Cr ermöglicht wird)
(2) –50 ASD für 3 Millisekunden (hierdurch werden eine Verteilung und Entnahme von schwach ausgebildeten Sorten unterstützt)
(3) Kein Strom für 5 Millisekunden (hierdurch wird ermöglicht, dass sich Ionen zum Oberflächenbereich bewegen)
(4) 2 ASD für 20 Millisekunden (dies ermöglicht eine Ablagerung von Cu)
(5) –50 ASD für 3 Millisekunden (hierdurch werden eine Verteilung und Entnahme von schwach ausgebildeten Sorten unterstützt)
(6) kein Strom für 5 Millisekunden (hierdurch wird ermöglicht, dass sich Ionen zum Oberflächenbereich bewegen).

Dieser Ablauf kann aufeinanderfolgend wiederholt werden, bis eine gewünschte Menge an Cu- und X-Ionen abgelagert ist und/oder bis die Galvanisierungsschicht eine gewünschte Dicke annimmt. In weiteren Ausführungsformen können die Zeit und die Stromdichte der zwei Impulse eingestellt werden, wodurch eine Steuerung des X-/Cu-Verhältnisses bei der Ablagerung unterstützt wird.
In weiteren Ausführungsformen kann das Cu eine höhere Spannung zur Ablagerung als X haben, so dass ΔV positiv ist. Beispielsweise, ohne dass eine Einschränkung hierauf beabsichtigt ist, kann X für eine binäre Cu-X Legierung gleich Mo sein. Das Cu hat eine höhere Spannung zur Ablagerung als die Mo Ionen. Somit ist ΔV positiv und hat das Mo eine niedrigere Spannung zur Ablagerung als die Cu-Ionen, und somit hat Mo eine Präferenz zur Ablagerung über das Cu. Somit, wenn der angelegte Strom hoch genug ist, können sich die Cu-Ionen mit den Mo-Ionen gemeinsam Ablagern.
Zusätzlich zu dem Elektrodenpotenzial von den Cu- und X-Ionen, können weitere Faktoren die Galvanisierungs-(Ablagerungs-)rate von den Cu- und X-Ionen beeinflussen. Weitere Faktoren können die Kathoden-Effizienz, die Stromdichte, die Hinzufügung von chemischen Komplexen und/oder Kornfeinung-Zusätzen in das Elektrolytbad, das Umrühren des Elektrolytbades, den pH-Wert des Elektrolytbades, die Temperatur des Elektrolytbades, als auch die Konzentration von Cu- und X-Ionen und die Konzentration von chemischen Komplexen und/oder Kornfeinung-Zusätzen enthalten. Der Kathodenstrom ist eine Funktion des angelegten Stroms, des zum Galvanisieren der Cu- und X-Ionen erforderlichen Stroms, des im Elektrolytbad geleiteten Stroms, des Stroms aufgrund der Erzeugung von Wasserstoff, und des Stroms aufgrund weiterer elektrochemischer Reaktionen.
In einigen Ausführungsformen kann die gemeinsame Ablagerung von Cu und einem Legierungselement X fortfahren, bis eine 50 μm dicke Schicht der binären Cu-X Legierung auf der Kathoden-Vorform abgelagert ist. In weiteren Ausführungsformen kann die gemeinsame Ablagerung von Cu und einem Legierungselement X fortfahren, bis zumindest eine 100 μm dicke Schicht der binären Cu-X Legierung auf der Kathoden-Vorform abgelagert ist. In weiteren Ausführungsformen kann die gemeinsame Ablagerung von Cu und einem Legierungselement X fortfahren, bis zumindest eine 200 μm dicke Schicht der binären Cu-X Legierung auf der Kathoden-Vorform abgelagert ist. Sobald die erforderliche Legierungsdicke abgelagert ist, kann die mit der Legierung überzogene Vorform, das Formstück oder der Dorn aus dem Elektrolytbad entnommen werden, und kann das galvanisch abgelagerte Metall von der Vorform, dem Formstück oder dem Dorn getrennt werden, um eine galvanische Form zu erzeugen, welche ein separater, eigenständiger Artikel ist, welcher gänzlich aus dem galvanisch abgelagerten Metall besteht.
In einigen Ausführungsformen, nachdem die binäre Cu-X Legierung auf die Kathoden-Vorform, das Formstück oder den Dorn galvanisiert ist, kann die binäre Cu-X Legierung optional einem Wärmebehandlungs-Prozess unterzogen werden, um die Härte der galvanisch hergestellten binären Cu-X Legierung weiter zu erhöhen. Mittels Darstellung, ohne dass eine Einschränkung hierauf beabsichtigt ist, kann eine beispielhafte binäre Cu-Mo Legierung nach der galvanischen Ablagerung eine Härte von 260 HV haben und dann wärmebehandelt werden, um die Härte auf über 300 HV zu erhöhen. In Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch den Wärmebehandlungs-Prozess um zumindest 20% erhöhte werden. In einigen Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch den Wärmebehandlungs-Prozess um zumindest 25% erhöhte werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch den Wärmebehandlungs-Prozess um zumindest 30% erhöhte werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch den Wärmebehandlungs-Prozess um 20% bis 50% erhöhte werden.
Der Wärmebehandlungs-Prozess enthält ein Erwärmen der binären Cu-X Legierung für eine Zeitdauer auf eine Temperatur von zumindest 100°C. In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung auf eine Temperatur von zumindest 200°C erwärmt werden, während die binäre Cu-X Legierung in weiteren Ausführungsformen auf eine Temperatur von zumindest 350°C erwärmt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung auf eine Temperatur von zumindest 400°C erwärmt werden. In weiteren Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung auf eine Temperatur zwischen 100°C und 600°C erwärmt werden. In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung für zumindest 30 Minuten erwärmt werden, während die Legierung in weiteren Ausführungsformen für zumindest 100 Minuten erwärmt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung für eine Zeit im Bereich zwischen 30 Minuten und 300 Minuten erwärmt werden.
In weiteren Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung einem Wärmebehandlungs-Prozess unterzogen werden, um die Legierung durch Ausfällung zu verstärken. Im Verlaufe des Wärmebehandlung-Prozesses kann die Cu-X Legierung auf eine Temperatur erwärmt werden, welche ausreicht, um X und/oder Cu_yX_z als Intra-Korn-Partikel innerhalb der Cu-Phase Körner auszufällen, um die Legierung zu verstärken. In einigen Ausführungsformen kann die Cu-X Legierung innerhalb eine Zeitdauer erwärmt werden, welche ausreicht, um etwas von der X Phase in Intra-Korn-Partikel auszufällen. In einigen Ausführungsformen können die Intra-Korn-Partikel gleich X Partikel sein, während in weiteren Ausführungsformen die Intra-Korn-Partikel gleich Cu_yX_z Partikel sein können. In weiteren Ausführungsformen können die Intra-Korn-Partikel eine Kombination aus X Partikeln und Cu_yX_z Partikeln sein.
In einigen Ausführungsformen kann der Volumenanteil der Intra-Korn-Partikel zumindest 0,1 Volumenprozent betragen. In weiteren Ausführungsformen kann der Volumenanteil der Intra-Korn-Partikel zumindest 0,25 Volumenprozent betragen. In weiteren Ausführungsformen kann der Volumenteil der Intra-Korn-Partikel zumindest Volumenprozent betragen, während er in weiteren Ausführungsformen 5 Volumenprozent betragen kann. In weiteren Ausführungsformen kann der Volumenanteil der Intra-Korn-Partikel bis zu 15 Volumenprozent betragen.
In Ausführungsformen der Beschreibung werden Artikel und/oder Vorrichtungen hergestellt, welche aus einer binären Cu-X Legierung galvanisch hergestellt wurden, wobei Cu und X auf einem Formstück, einer Vorform oder einem Dorn gemeinsam abgelagert werden. X ist aus der Gruppe ausgewählt, welche Cr, Fe, W, Mo, B, Co, Ag und P enthält. In einigen Ausführungsformen kann X aus einer Gruppe ausgewählt werden, welche Cr, Fe, W und Mo enthält. In weiteren Ausführungsformen werden die Artikel und/oder Vorrichtungen durch Galvanisieren von geeignet dimensionierten, lasttragenden Substraten und/oder Substrat-Dornen mit den binären Cu-X Legierungen der Beschreibung hergestellt.
Wie in 2A gezeigt, enthält der galvanische Herstellungsprozess 200A gemäß einigen Ausführungsformen der Beschreibung einen Schritt 210 zum Vorbereiten eines Elektrolytbades mit Cu- und X-Ionen, einen Schritt 220 zum Eintauchen von zumindest einem Abschnitt von einer Kathoden-Vorform in das Elektrolytbad, einen Schritt 230 zum Anlegen eines Stroms an das Elektrolytbad, und einen Schritt 240 zum Ablagern der Cu- und X-Ionen auf einem Abschnitt der Kathoden-Vorform, um eine binäre Cu-X Legierung auszubilden. In einigen Ausführungsformen kann der galvanische Herstellungsprozess ebenso ein Trennen des galvanisch hergestellten Cu-X Artikels von der Kathoden-Vorform enthalten.
In einigen Ausführungsformen kann das Elektrolytbad eine wässrige Lösung sein, während das Elektrolytbad in weiteren Ausführungsformen nicht-wässrig sein kann. In einigen Ausführungsformen kann das Elektrolytbad ein Kupfersäurebad sein, welches Kupfer-Ionen, X-Ionen und Sulfat- oder Fluorborat-Ionen zusammen mit den entsprechenden Säuren enthält. Geeignete Quellen von Kupfer-Ionen enthalten Kupfersulfat, Kupferchlorid, Kupferacetat, Kupfernitrat, Kupferfluorborat, Kupfermethansulfonat, Kupferphenylsulfonat, Kupferphenolsulfonat und Kupfer p-Toluolsulfonat, ohne hierauf eingeschränkt zu sein. In einigen Ausführungsformen kann das Kupfersäurebad optional Zusätze enthalten. Beispielsweise kann das Säurebad Cu-Sulfat, H₂SO₄, di(Natrium 3-Sulfonat-1-Propyl) Sulfid und Polyethylenglykol enthalten, ohne hierauf eingeschränkt zu sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Elektrolytbad eine Kupfer-Pyrophosphatlösung als eine Quelle für die Cu-Ionen enthalten. In weiteren Ausführungsformen kann das Elektrolytbad eine ionische Flüssigkeit enthalten.
Wie zuvor beschrieben, wird die Galvanisierungs-(d. h. Ablagerungs-)rate der Cu- und X-Ionen nicht nur durch das Elektrodenpotenzial der Ionen, sondern auch durch weitere Faktoren beeinflusst, welche die Kathodeneffizienz, die Stromdichte, die Hinzufügung von chemischen Komplexen und/oder Kornfeinung-Additiven in das Elektrolytbad, die Mischung des Elektrolytbades, den pH-Wert des Elektrolytbades, die Temperatur des Elektrolytbades als auch die Konzentration von Cu- und X-Ionen und die Konzentration von chemischen Komplexen und/oder Kornfeinung-Additiven enthalten.
In einigen Ausführungsformen können Komplexbildner (z. B. chemische Komplexe) dazu verwendet werden, um die Metalle zu stabilisieren, während es ermöglicht wird, dass ein hoher Stromimpuls die Metalle ablagert. Mögliche Komplexbildner betreffen EDTA, HEDTA, DTPA, GLDA, NTA, EDG, PDTA, Oxalsäure, Zitronensäure, Propionsäure, Apfelsäure, Nitrilotriessigsäure, Weinsäure.
In einem weiteren Aspekt können Katalysereaktionen der X-Verbindung durch die Komplexbildner unterstützt werden, um X-Ionen in dem Elektrolytbad zu erzeugen. Ohne Einschränkung auf einen bestimmten Mechanismus oder Aktionsmodus, kann die Quelle für die Komplexbildner in Lösung dem Elektrolytbad hinzugefügt werden oder kann die Kathoden-Vorform eine Quelle für den Komplexbildner bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen können die Komplexbildner Zink (Zn), Cadmium (Cd) oder ein weiteres geeignetes Mittel sein, wobei sie nicht hierauf eingeschränkt sind. In einigen Ausführungsformen können die Komplexbildner, wie beispielsweise Zink, in einer jeglichen Form sein, wie im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise, in einigen Ausführungsformen, kann der Komplexbildner, wie beispielsweise Zink, dem Elektrolytbad als ein Metallsalz bereitgestellt werden. In solchen Ausführungsformen kann das Zinksalz ein Zinknitrat Zn(NO₃)₂, Zinkchlorat Zn(ClO₃)₂, Zinksulfat (ZnSO₄), Zinkphosphat (Zn₃(PO₄)₂), Zinkmolybdat (ZnMoO₄), Zinkchromat ZnCrO₄, Zinkarsenit Zn(AsO₂)₂, Zinkarsenat-Oktahydrat (Zn(AsO₄)₂·8H₂O) oder eine jegliche weitere bekannte geeignete Zinkquelle sein.
In weiteren Ausführungsformen kann die Kathoden-Vorform eine Quelle zum Bereitstellen der Komplexbildner sein. Beispielsweise, jedoch nicht hierauf eingeschränkt, kann die Kathoden-Vorform aus Messing sein, welches Zink enthält und eine Quelle für einen Zink-Komplexbildner ist.
Ein weiteres Beispiel des Verfahrens zum galvanischen Herstellen einer binären Cu-X Legierung ist zum besseren Verständnis der Erfindung in 2B gezeigt. Der galvanische Herstellungsprozess 200B gemäß einigen Ausführungsformen der Beschreibung enthält einen Schritt 210 zum Vorbereiten von einem Elektrolytbad mit Cu- und X-Ionen, einen Schritt 220 zum Eintauchen von zumindest einem Abschnitt von einer Kathoden-Vorform in das Elektrolytbad, einen Schritt 230 zum Anlegen eines Stroms an das Elektrolytbad, einen Schritt 240 zum Ablagern der Cu- und X-Ionen an einen Abschnitt der Kathoden-Vorform, um eine binäre Cu-X Legierung auszubilden, und einen zusätzlich optionalen Schritt 250 zur Wärmebehandlung der binären Cu-X Legierung zum Aushärten der Legierung. In einigen Ausführungsformen kann der galvanische Herstellungsprozess ebenso einen Schritt 260 zum Trennen des galvanisch hergestellten Cu-X Artikels von der Kathoden-Vorform enthalten.
In solchen Beispielen sind die Schritte 210–240 des Verfahrens 200B zum besseren Verständnis der Erfindung ähnlich den entsprechenden Schritten des Verfahrens 200A. Das Verfahren 200B kann jedoch den Schritt 250 enthalten, bei welchem, nachdem die binäre Cu-X Legierung auf die Kathoden-Vorform, das Formstück oder den Dorn galvanisiert ist, die binäre Cu-X Legierung einem Wärmebehandlungs-Prozess unterzogen werden kann, um die Härte der galvanisch hergestellten binären Cu-X Legierung weiter zu erhöhen. Der Ablauf des Erwärmungsschritts 250 enthält ein Erwärmen der binären Cu-X Legierung auf eine Temperatur für eine Zeitdauer, um die Härte der binären Cu-X Legierung zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung auf eine Temperatur von zumindest 100°C für eine Zeitdauer erwärmt werden. In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung auf eine Temperatur von zumindest 200°C erwärmt werden, während die binäre Cu-X Legierung in weiteren Ausführungsformen auf eine Temperatur von zumindest 350°C erwärmt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung auf eine Temperatur von zumindest 400°C erwärmt werden. In weiteren Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung auf eine Temperatur zwischen 100°C und 600°C erwärmt werden. In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung für zumindest 30 Minuten erwärmt werden, während die Legierung in weiteren Ausführungsformen für zumindest 100 Minuten erwärmt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung für eine Zeit in einem Bereich zwischen 30 Minuten und 300 Minuten erwärmt werden.
In einigen Ausführungsformen kann der Erwärmungsschritt 250 ein Ausfällen zur Verstärkung der Legierung enthalten. In solchen Ausführungsformen kann die Cu-X Legierung im Verlaufe des Wärmebehandlungs-Prozesses auf eine Temperatur erwärmt werden, welche ausreicht, um X und/oder Cu_yX_z Intra-Korn-Partikel innerhalb der Cu-Phase Körner auszufällen. In einigen Ausführungsformen kann die Cu-X Legierung für eine Zeitdauer erwärmt werden, welche ausreicht, um die gesamte oder nahezu gesamte X-Phase in Intra-Korn-Partikel auszufällen. In einigen Ausführungsformen können die Intra-Korn-Partikel X-Partikel sein, während die Intra-Korn-Partikel in weiteren Ausführungsformen Cu_yX_z-Partikel sein können, während die Intra-Korn-Partikel in weiteren Ausführungsformen eine Kombination aus X- und Cu_yX_z-Partikeln sein können.
In solchen Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch die Ausfällung-Härtung um zumindest 20% erhöht werden. In einigen Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch die Ausfällung-Härtung um zumindest 25% erhöht werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch die Ausfällung-Härtung um zumindest 30% erhöht werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch die Ausfällung-Härtung um zumindest 40% erhöht werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch die Ausfällung-Härtung um zumindest 50% erhöht werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Härte der binären Cu-X Legierung durch die Ausfällung-Härtung zwischen 20% und 50% erhöht werden.
Mittels eines veranschaulichenden Beispiels, ohne dass eine Einschränkung hierauf beabsichtigt ist, bei beispielhaften Cu-Mo Legierungen mit 0,1 Gewichtsprozent bis 0,5 Gewichtsprozent von Mo, kann etwas von dem Mo als Intra-Korn-Partikel ausgefällt werden. In einigen Ausführungsformen können die Intra-Korn-Partikel Mo-Partikel sein, während die Intra-Korn-Partikel in weiteren Ausführungsformen Cu_yMo_z Partikel sein können, während die Intra-Korn-Partikel in weiteren Ausführungsformen eine Kombination aus Mo-Partikeln und Cu_yMo_z Partikeln sein können.
In einigen Ausführungsformen kann der Volumenanteil der Intra-Korn-Partikel zumindest 0,1 Volumenprozent betragen. In weiteren Ausführungsformen kann der Volumenanteil der Intra-Korn-Partikel zumindest 0,25 Volumenprozent betragen. In weiteren Ausführungsformen kann der Volumenanteil der Intra-Korn-Partikel zumindest 1 Volumenprozent betragen, während er in weiteren Ausführungsformen 5 Volumenprozent betragen kann. In weiteren Ausführungsformen kann der Volumenanteil der Intra-Korn-Partikel zwischen 0,2 und 1,5 Volumenprozent betragen
In einigen Ausführungsformen, wie in 3 dargestellt, kann der galvanische Herstellungsprozess in einer Kammer 300 zum galvanischen Ablagern der Cu- und X-Ionen durchgeführt werden, welche einen Reaktor 310 und ein Elektrolytbad mit Cu- und X-Ionen 320, eine Elektrode 330, beispielsweise eine Anode, eine Energieversorgung 340 und eine Steuerung 350 enthält. Ferner wird eine Kathoden-Vorform 360 (ebenso als ein Formstück oder Dorn bezeichnet) zumindest teilweise in das Elektrolytbad 320 eingetaucht. Das Elektrolytbad 320 enthält eine Quelle der Cu- und X-Metallionen, welche auf die Oberfläche der Kathoden-Vorform abzulagern sind. In einigen Ausführungsformen kann das Elektrolytbad chemische Komplexe enthalten, so dass das Cu und X bei einer ähnlichen Rate abgelagert werden. In einigen Ausführungsformen kann das Elektrolytbad Zusätze zur Unterstützung einer Kornfeinung der Cu-Phase enthalten.
Im Betrieb steht die Elektrode 330 (z. B. Anode) mit dem Elektrolytbad in elektrischen Kontakt. Die Energieversorgung 340 legt einen elektrischen Strom (z. B. Energie) zwischen die Kathoden-Vorform 360 und die Elektrode 330 an, wodurch die galvanische Ablagerung der Cu- und X-Ionen auf die Kathoden-Vorform gefördert wird.
In einigen Ausführungsformen kann die Anode lösbar sein, während die Anode in weiteren Ausführungsformen nicht-lösbar sein kann. In Ausführungsformen mit einer verbrauchbaren Anode enthält die Anode die Ionen (Cu oder X), welche abgelagert werden, und sie löst sich auf, um die Cu- und/oder X-Ionen in Lösung aufzufüllen. Wenn eine nicht-lösbare Anode verwendet wird, können in einigen Ausführungsformen periodische Zugaben von Metallsalzen in die Lösung vorgenommen werden, um den Gehalt der Cu- und/oder X-Ionen beizubehalten.
Der Strom, welcher zum galvanischen Ablagern der Ionen verwendet wird, muss nicht immer als ein durchgängiger Strom angelegt werden. Beispielsweise kann eine Impuls-Galvanisierung oder eine umgekehrte Impuls-Galvanisierung verwendet werden. Bei der Impuls-Galvanisierung oder umgekehrten Impuls-Galvanisierung wird der Strom in kurzen Stößen einer hohen Intensität angelegt, gefolgt durch eine Zeitperiode, innerhalb welcher kein Strom angelegt wird. Die Zyklen spiegeln das Verhältnis zwischen Einschalt-Zeit und Ausschalt-Zeit (d. h. die relative Einschaltdauer) und die Frequenz wider. Indem die relative Einschaltdauer und die Frequenz verändert werden, können gewünschte Änderungen in den Charakteristiken der Ablagerungen erzielt werden. Somit kann der galvanische Herstellungsprozess beispielsweise durch ein Modellieren von entweder dem Potenzial oder der Galvanisierungs-Stromdichte gesteuert werden. In weiteren Ausführungsformen kann der Impuls eine komplexe Wellenform haben, welche zwei oder mehrere Ströme enthält. Beispielsweise kann eine komplexe Wellenform einen ersten Stromimpuls mit einer ersten Spannung zum gemeinsamen Ablagern der Cu- und X-Ionen und einen zweiten Stromimpuls mit einer zweiten Spannung zum Ablagern der Cu-Ionen enthalten. Ferner werden Eigenschaften der abgelagerten Cu- und X-Ionen durch Faktoren bestimmt, wie beispielsweise Elektrolyt-Zusammensetzung, pH-Wert, Temperatur, Mischung, Potenzial und Stromdichte.
Nicht einschränkende beispielhafte Legierungen
Cu-Cr Legierungen
In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung eine Cu-Cr Legierung sein. In solchen Ausführungsformen kann ein Säurekupferbad, Kupferpyrophosphatbad oder eine ionische Flüssigkeit in Übereinstimmung mit zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, welches Cr(II) oder Cr(III) Sulfat enthält. Geeignete Kupferionen-Quellen enthalten Kupfersulfat, Kupferchlorid, Kupferacetat, Kupfernitrat, Kupferfluorborat, Kupfermethansulfonat, Kupferphenylsulfonat, Kupferphenolsulfonat und Kupfer p-Toluolsulfonat, wobei sie nicht hierauf eingeschränkt sind. Um die Cu- und Cr-Ionen zu galvanisieren, kann eine komplexe Wellenform dazu verwendet werden, um einen Strom an das Elektrolytbad anzulegen. In einigen Ausführungsformen kann die komplexe Wellenform einen ersten Impuls mit einer Stromsteuerung, bei welcher eine Spannung angelegt wird, durch welche eine gemeinsame Ablagerung der Cr-Ionen mit Cu ermöglicht wird, und einen zweiten Impuls mit einer Stromsteuerung enthalten, bei welcher eine Ablagerung der Cu-Ionen ermöglicht wird. In einigen Ausführungsformen können dem Elektrolytbad zusätzliche Komplexbildner hinzugefügt werden, um das Verhältnis zwischen abgelagertem Cr und Cu zu beeinflussen. In einigen Ausführungsformen können die Komplexbildner Zink (Zn), Cadmium (Cd) oder ein weiteres geeignetes Mittel zum Unterstützen von Katalysereaktionen der Cr-Verbindung, um in dem Elektrolytbad Cr-Ionen zu erzeugen, enthalten, wobei nicht hierauf eingeschränkt.
Cu-W Legierungen
In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung eine Cu-W Legierung sein. In solchen Ausführungsformen kann ein Säurekupferbad, Kupferpyrophosphatbad oder eine ionische Flüssigkeit in Übereinstimmung mit zuvor beschriebenen Ausführungsformen als die Kupferionen-Quelle verwendet werden, welche W-Ionen enthält, welche durch Zitronensäure stabilisiert sind. Geeignete Kupferionen-Quellen enthalten Kupfersulfat, Kupferchlorid, Kupferacetat, Kupfernitrat, Kupferfluorborat, Kupfermethansulfonat, Kupferphenylsulfonat, Kupferphenolsulfonat, Kupfer p-Toluolsulfonat und Kupferpyrophosphat, wobei nicht hierauf eingeschränkt. In einigen Ausführungsformen können die W-Ionen mit Zitronensäure aus Ammonium-Wolframat oder Natrium-Wolframat, durch Zitronensäure entwässert, erlangt werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Zitronensäure durch Sulfobenzolsäureimid ersetzt werden. Um die Cu- und W-Ionen zu galvanisieren, kann eine komplexe Wellenform dazu verwendet werden, um einen Strom an das Elektrolytbad anzulegen. In einigen Ausführungsformen kann die komplexe Wellenform einen ersten Impuls mit einer Stromsteuerung, bei welcher eine Spannung angelegt wird, durch welche eine gemeinsame Ablagerung der W-Ionen mit Cu ermöglicht wird, und einen zweiten Impuls mit einer Stromsteuerung enthalten, bei welcher eine Ablagerung der Cu-Ionen ermöglicht wird. Die Cu- und W-Ionen können auf einer metallischen Kathoden-Vorform gemeinsam abgelagert werden. In einigen Ausführungsformen können dem Elektrolytbad zusätzliche Komplexbildner hinzugefügt werden, um das Verhältnis zwischen abgelagertem Cu und W zu beeinflussen. In einigen Ausführungsformen können die Komplexbildner Zink (Zn), Cadmium (Cd) oder ein weiteres geeignetes Mittel zum Unterstützen von Katalysereaktionen der W-Verbindung, um in dem Elektrolytbad W-Ionen zu erzeugen, enthalten, wobei nicht hierauf eingeschränkt.
Cu-Fe Legierungen
In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung eine Cu-Fe Legierung sein. In solchen Ausführungsformen kann ein Säurekupferbad, Kupferpyrophosphatbad oder eine ionische Flüssigkeit in Übereinstimmung mit zuvor beschriebenen Ausführungsformen als die Kupferionen-Quelle verwendet werden, welche Fe-Ionen (z. B. Fe₃ ⁺) enthält. Geeignete Kupferionen-Quellen enthalten Kupfersulfat, Kupferchlorid, Kupferacetat, Kupfernitrat, Kupferfluorborat, Kupfermethansulfonat, Kupferphenylsulfonat, Kupferphenolsulfonat und Kupfer p-Toluolsulfonat, wobei sie nicht hierauf eingeschränkt sind. Um die Cu- und Fe-Ionen zu galvanisieren, kann eine komplexe Wellenform dazu verwendet werden, um einen Strom an das Elektrolytbad anzulegen. In einigen Ausführungsformen kann die komplexe Wellenform einen ersten Impuls mit einer Stromsteuerung, bei welcher eine Spannung angelegt wird, durch welche eine gemeinsame Ablagerung der Fe-Ionen mit Cu ermöglicht wird, und einen zweiten Impuls mit einer Stromsteuerung enthalten, bei welcher eine Ablagerung der Cu-Ionen ermöglicht wird. Die Cu- und Fe-Ionen können auf einer Kathoden-Vorform gemeinsam abgelagert werden. Die Kathoden-Vorform kann ein Metall sein, welches Messing, rostfreien Stahl oder ein jegliches weiteres geeignetes Metall enthält. In einigen Ausführungsformen können dem Elektrolytbad zusätzliche Komplexbildner hinzugefügt werden, um das Verhältnis zwischen abgelagertem Cu und Fe zu beeinflussen. In einigen Ausführungsformen können die Komplexbildner Zink (Zn), Cadmium (Cd) oder ein weiteres geeignetes Mittel zum Unterstützen von Katalysereaktionen der Fe-Verbindung enthalten, wobei nicht hierauf eingeschränkt, um in dem Elektrolytbad Fe-Ionen zu erzeugen.
Cu-Mo Legierungen
In einigen Ausführungsformen kann die binäre Cu-X Legierung eine Cu-Mo Legierung sein. In solchen Ausführungsformen kann in Übereinstimmung mit zuvor beschriebenen Ausführungsformen ein Säurekupferbad verwendet werden, welches Mo-Ionen enthält, welche durch Zitronensäure stabilisiert sind. Geeignete Kupferionen-Quellen enthalten Kupfersulfat, Kupferchlorid, Kupferacetat, Kupfernitrat, Kupferfluorborat, Kupfermethansulfonat, Kupferphenylsulfonat, Kupferphenolsulfonat und Kupfer p-Toluolsulfonat, wobei sie nicht hierauf eingeschränkt sind. In einigen Ausführungsformen können die Mo-Ionen durch ein Molybdat, ein Molybdänchlorid, ein Molybdänfluorid, ein Molybdänoxid oder eine weitere geeignete Molybdän-Verbindung bereitgestellt werden. In weiteren Ausführungsformen kann ein Kupferpyrophosphatbad als die Kupferionen-Quelle verwendet werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Kupferionen-Quelle eine ionische Flüssigkeit sein.
Um die Cu- und Mo-Ionen zu galvanisieren, kann eine komplexe Wellenform dazu verwendet werden, um einen Strom an das Elektrolytbad anzulegen. In einigen Ausführungsformen kann die komplexe Wellenform einen ersten Impuls mit einer Stromsteuerung, bei welcher eine Spannung angelegt wird, durch welche eine gemeinsame Ablagerung der Mo-Ionen mit Cu ermöglicht wird, und einen zweiten Impuls mit einer Stromsteuerung enthalten, bei welcher eine Ablagerung der Cu-Ionen ermöglicht wird. Die Cu- und Mo-Ionen können auf einer Kathoden-Vorform gemeinsam abgelagert werden. Die Kathoden-Vorform kann Metall enthalten, beispielsweise, wobei nicht hierauf eingeschränkt, Messing, rostfreier Stahl oder ein jegliches weiteres geeignetes Metall.
In einigen Ausführungsformen können dem Elektrolytbad zusätzliche Komplexbildner hinzugefügt werden, um das Verhältnis der Ablagerung zwischen Cu und Mo zu beeinflussen. In einigen Ausführungsformen können die Komplexbildner Zink (Zn), Cadmium (Cd) oder ein weiteres geeignetes Mittel zum Unterstützen von Katalysereaktionen der Molybdän-Verbindung, um in dem Elektrolytbad Mo-Ionen zu erzeugen, enthalten, wobei nicht hierauf eingeschränkt.
In einigen Ausführungsformen können die Komplexbildner, wie beispielsweise Zink, in einer jeglichen im Stand der Technik bekannten Form vorliegen. Beispielsweise, in einigen Ausführungsformen, kann der Komplexbildner, wie beispielsweise Zink, in dem Elektrolytbad als ein Metallsalz bereitgestellt werden. In solchen Ausführungsformen kann das Zinksalz ein Zinknitrat Zn(NO₃)₂, Zinkchlorat Zn(ClO₃)₂, Zinksulfat (ZnSO₄), Zinkphosphat (Zn₃(PO₄)₂), Zinkmolybdat (ZnMoO₄), Zinkchromat ZnCrO₄, Zinkarsenit Zn(AsO₂)₂, Zinkarsenat-Oktahydrat (Zn(AsO₄)₂·8H₂O) oder eine jegliche weitere bekannte geeignete Zinkquelle sein. In weiteren Ausführungsformen kann die Kathoden-Vorform Zink enthalten und kann eine Quelle für Zink-Komplexbildner sein.
Die hier beschriebenen Legierungen und Ausführungsformen können in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen und insbesondere ihren hierin angeordneten elektrischen Verbindern enthalten sein. Die elektrischen Verbinder können Board-zu-Board (B2B) Stifte, Batteriestifte, usw. enthalten. Diese elektronischen Vorrichtungen können jegliche im Stand der Technik bekannte elektronische Vorrichtungen sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung ein Telefon, wie beispielsweise ein Mobiltelefon und ein Festnetztelefon, oder eine jegliche Kommunikationsvorrichtung, wie beispielsweise ein Smartphone, welches beispielsweise ein iPhone^® umfasst, und eine elektronische Email Sende-/Empfangsvorrichtung sein. Die Legierungen können in elektrischen Verbindern in einer Anzeige verwendet werden, wie beispielsweise eine digitale Anzeige, ein TV Monitor, ein elektronisches Buch Lesegerät, ein tragbarer Webbrowser (z. B. iPad^®), eine Armbanduhr (z. B. Apple Watch) oder ein Computermonitor. Die Vorrichtungen können ebenso Entertainment-Vorrichtungen sein, welche ein tragbares DVD Abspielgerät, ein herkömmliches DVD Abspielgerät, ein Blue-Ray-Disc Abspielgerät, eine Videospielkonsole, ein Musik Abspielgerät, wie beispielsweise ein tragbares Musik Abspielgerät (z. B. iPod^®), usw. enthalten. Die Vorrichtungen enthalten Steuervorrichtungen, wie beispielsweise jene, welche das Streamen von Bildern, Videos, Sound (z. B. Apple TV^®) steuern, oder eine Fernsteuerung für eine separate elektronische Vorrichtung. Die Vorrichtung kann ein Teil von einem Computer oder seiner Zubehörteile, Laptop-Tastatur, Laptop-Trackpad, Desktop-Tastatur, Maus und Lautsprecher sein.
Die vorhergehende Beschreibung verwendete zum Zwecke der Erklärung eine bestimmte Nomenklatur, um ein sorgfältiges Verständnis der beschriebenen Ausführungsformen bereitzustellen. Es wird jedoch für den Fachmann ersichtlich sein, dass die spezifischen Details nicht benötigt werden, um die beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Somit werden die vorhergehenden Beschreibungen der hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt. Sie haben nicht zum Ziel, erschöpfend zu sein oder die Ausführungsformen auf die genauen offenbarten Formen zu begrenzen. Es wird für den Fachmann ersichtlich sein, dass viele Modifikationen und Variationen im Lichte der obigen Lehren möglich sind.

Claims

Binäre Cu-Legierung, welche Cu und X enthält, wobei X aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Cr, Fe, W, Mo, B, Co, Ag und P enthält, wobei die binäre Kupferlegierung eine Streckfestigkeit von zumindest 600 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 20% IACS aufweist.
Legierung nach Anspruch 1, wobei X gleich Mo ist.
Legierung nach Anspruch 2, wobei Mo in einem Bereich zwischen 0,1 Gewichtsprozent und 2,5 Gewichtsprozent vorliegt, und wobei die binäre Cu Legierung eine mittlere Korngröße von weniger als 100 nm hat, wenn der Durchmesser der Körner von der ausgebildeten Legierung gemessen wird.
Legierung nach Anspruch 1, wobei die Streckfestigkeit zumindest 800 MPa beträgt.
Legierung nach Anspruch 1, wobei die elektrische Leitfähigkeit zumindest 30% IACS beträgt.
Legierung nach Anspruch 1, wobei die Streckfestigkeit zwischen 900 MPa und 1.700 MPa beträgt.
Legierung nach Anspruch 1, wobei die elektrische Leitfähigkeit zwischen 30 und 70 IACS beträgt.
Legierung nach Anspruch 1, wobei X eine partikuläre Phase in der Legierung enthält.
Legierung nach Anspruch 6, wobei die Intra-Korn-Partikel einen Volumenanteil von zumindest 0,1% von der Legierung enthalten.
Legierung nach Anspruch 6, wobei die Intra-Korn-Partikel einen Volumenanteil von zumindest 1% von der Legierung enthalten.
Legierung nach Anspruch 1, wobei X zumindest 0,1 Gewichtsprozent von der Legierung enthält.
Legierung nach Anspruch 1, wobei X zumindest 1 Gewichtsprozent von der Legierung enthält.
Elektrischer Verbinder, welcher eine galvanisch hergestellte binäre Cu-Legierung enthält, welche Cu und X enthält, wobei X aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Cr, Fe, W, Mo, B, Co, Ag und P enthält, welche eine Streckfestigkeit von zumindest 600 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von zumindest 20% IACS aufweist.