EP3488029A1

EP3488029A1 - Aluminium-kupfer-konnektor aufweisend eine heterostruktur und verfahren zur herstellung der heterostruktur

Info

Publication number: EP3488029A1
Application number: EP17742365.4A
Authority: EP
Inventors: Dr. Mark-Daniel GERNGROSS; Melike BAYTEKIN-GERNGROSSE; Dr. Jürgen CARSTENSEN; Prof. Dr. Rainer ADELUNG
Original assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Current assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2017-06-03
Publication date: 2019-05-29
Also published as: US10870924B2; DE102016113641A1; WO2018019321A1; US20190264346A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heterostruktur umfassend wenigstens eine erste Fläche allein aufweisend Kupfer und wenigstens eine zweite, der ersten Fläche gegenüberliegenden Fläche allein aufweisend Aluminium oder eine Aluminium-Legierung mit in der Legierung vorhandenen Mischkristallen, wobei a. eine Verankerungsschicht angeordnet zwischen erster und zweiter Fläche, wobei b. jede senkrecht zur Verankerungsschicht verlaufende Schnittfläche wenigstens eine von Kupfer umschlossene Insel aus Aluminium oder Aluminium-Legierung aufweist und c. höchstens die in der Legierung vorhandenen Mischkristalle der Aluminium-Legierung in der Verankerungsschicht auftreten. Ferner betrifft die Erfindung einen Aluminium-Kupfer-Konnektor sowie ein Heterostrukturherstellungsverfahren.

Description

Aluminium-Kupfer-Konnektor aufweisend eine Heterostruktur und Verfahren zur

Herstellung der Heterostruktur

Die Erfindung betrifft eine Heterostruktur gebildet aus dem Elementmetall Kupfer (Cu) und aus reinem Aluminium (AI) oder einer Aluminium-Legierung. Die Erfindung betrifft auch einen Körper gebildet aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, der auf wenigstens einem Teil seiner Oberfläche eine dicke Schicht aus Kupfer trägt. Die Erfindung betrifft insbesondere einen elektrisch und thermisch leitfähigen, robusten Al-Cu-Konnektor.

In der folgenden Beschreibung soll der Begriff Aluminium abkürzend als Sammelbegriff sowohl für das reine Elementmetall als auch für die technisch gängigen Legierungen von vorwiegend Aluminium mit Mangan, Magnesium, Kupfer, Silizium, Nickel, Zink und Beryllium benutzt werden, sofern eine Unterscheidung im Kontext nicht erforderlich ist. Wenn beispielhaft von einer konkreten Legierung die Rede ist, dann wird diese ausdrücklich benannt.

Aluminium ist dafür bekannt, bei Kontakt mit Luftsauerstoff sehr schnell an seiner Oberfläche zu oxidieren. Demgegenüber ist Kupfer chemisch stabil und ein ausgezeichneter elektrischer Leiter. Allerdings ist Kupfer teuer, so dass für Leitungen zum Stromtransport über große

Strecken heute gern auf Kabel aus Aluminium zurückgegriffen wird. Zwar ist der Leitwert von Aluminium kleiner, aber die Kabel sind selbst bei entsprechend größerem Drahtquerschnitt immer noch günstiger. Die hausinternen Stromnetze bestehen jedoch in aller Regel aus Kupfer, und üblich wird am Abzweig der Hauptleitung zu einem Haus bereits ein Konnektor installiert, der den Strom aus Aluminium in Kupfer überleitet. Dies ist nicht unproblematisch, weil ein verschwindender Kontaktwiderstand nur dann zu erwarten ist, wenn die beiden Elementmetalle permanent in engem flächigen Kontakt miteinander stehen. Aluminium und Kupfer haften jedoch nicht gut aneinander, so dass es bereits bei mäßigen Temperaturschwankungen etwa durch den ohmschen Widerstand des variierenden Stromflusses zur Ablösung voneinander kommen kann. Weitere Probleme liegen in der Interdiffusion von Bimetallverbindungen, die zur Ausbildung von spröden, metallischen Mischphasen im Kontaktbereich führt, s. Schneider et al., Langzeitverhalten von Aluminium-Kupfer-Verbindungen in der Elektroenergietechnik, Metall, Nr. 11 , 2009, S. 591-594.

In der Silizium-Mikroelektronik ist Aluminium das bevorzugte Material für die elektrische

Kontaktierung, während Kupfer aufgrund seiner hohen Löslichkeit und schnellen Diffusion in Silizium leicht zur Bildung von unerwünschten Mischkristallen mit Silizium neigt. Besonders im Bereich der integrierten Schaltungen (IC) für Leistungsanwendung gibt es deshalb häufig den Bedarf, Kupferpads gut leitend und mechanisch stabil an den Aluminium-Anschlusspads der ICs zu befestigen. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts ist bekannt, die Metalle Kupfer und Aluminium zur stabileren elektrischen Kontaktierung miteinander zu verzahnen, beispielsweise durch galvanische Abscheidung von Kupfer nach vorheriger Aufrauhung der Aluminiumfläche mittels

Schleifmitteln, z.B. Sandstrahlen, oder mittels Ätzen, etwa aus den Druckschriften

US 1 ,457, 149 A (1923), US 1 ,947,981 A (1934), US 2,495,941 A (1950), US 3,684,666 A (1972), EP 0375179 A2 (1989). Die Druckschriften betreffen Herstellverfahren für

kupferbeschichtetes Aluminium; es wird jedoch meist nur wenig zur mechanischen und thermischen Belastbarkeit der Erzeugnisse ausgesagt. Zudem ist bemerkenswert, dass dieselbe Zielsetzung über die Jahrzehnte hinweg immer wieder verfolgt worden ist. Dies dürfte einerseits an mit der Zeit neu aufgekommenen Technologien und neu verfügbaren

Hilfssubstanzen („agents") liegen, deutet aber andererseits auch darauf hin, dass über lange Zeit keine voll befriedigende Möglichkeit zur Herstellung eines stabilen Al-Cu-Konnektors gefunden wurde.

Aus der US 3,335,072 ist ein Verfahren zur Herstellung lithografischer Platten bekannt, bei dem Kupfer auf eine Aluminiumfläche abgeschieden wird, wobei eine festhaftende Verbindung entstehen soll.

Aus der Herstellung von Elektrolytkondensatoren sind Ätzverfahren bekannt, die in erster Linie der effektiven Oberflächenvergrößerung von Aluminium und seinen technischen Legierungen dienen, beispielsweise offenbart in den Druckschriften DE 14 96 956 A1 , EP 0003125 A1 , US 4,588,486, US 6,238,810 B1 , US 6,858, 126 B1 , US 2009 027 38 85 A1 , US 2013 026 41 96 A1. Die erzielbaren Strukturen auf der Oberfläche eines Körpers aus Aluminium bilden eine zerklüftete, von tiefen Poren mit Stufen und Hinterschneidungen durchsetzte Landschaft aus Aluminium-Säulen, die typisch wie nachlässig aufeinander gestapelte Päckchen erscheinen und an ihren unteren Enden noch fest mit dem Körper verbunden sind, beispielsweise wie gezeigt in Fig. 1 in zwei Vergrößerungen.

Die Erfinder haben sich näher mit der wissenschaftlichen Untersuchung der in Fig. 1 gezeigten Aluminiumstrukturen befasst, und sie haben Aluminium mit solchen Strukturen aufgrund des Auftretens der vertikal alles andere als glatt ausgebildeten Säulen das Attribut„sculptured" verliehen.

Natürlich überziehen sich auch diese Strukturen in kürzester Zeit an der Luft mit einem

Aluminiumoxidfilm.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, eine Heterostruktur aus Kupfer und Aluminium zu bilden, die sehr gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist und diese auch unter hoher mechanischer Belastung beibehält. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Heterostruktur umfassend wenigstens eine erste Fläche allein aufweisend Kupfer und wenigstens eine zweite, der ersten Fläche gegenüberliegenden Fläche allein aufweisend Aluminium oder eine Aluminium-Legierung, gekennzeichnet durch a. eine Verankerungsschicht angeordnet zwischen erster und zweiter Fläche, wobei b. jede senkrecht zur Verankerungsschicht verlaufende Schnittfläche wenigstens eine von

Kupfer umschlossene Insel aus Aluminium oder Aluminium-Legierung aufweist und c. höchstens die vorbekannten Mischkristalle der Aluminium-Legierung in der

Verankerungsschicht auftreten.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an. Weiterhin ist ein An-spruch auf ein Herstellungsverfahren für die Heterostruktur gerichtet.

Zur Klarstellung sei gesagt, dass die oben genannten Flächen ganz allgemein beliebig geformte endliche Flächen auch innerhalb eines Körpers bezeichnen können. Es wird nur davon ausgegangen, dass in jedem Punkt der ersten Fläche Kupfer und in jedem Punkt der zweiten Fläche Aluminium oder Aluminium-Legierung vorliegt. Gewöhnlich sind die beiden Flächen ebene Flächen, aber dies ist nicht notwendig. Üblicherweise fällt wenigstens eine der Flächen, gewöhnlich die erste Fläche, mit der Oberfläche eines Körpers zusammen. Wenn

beispielsweise ein Körper aus Aluminium auf einem Teil seiner Oberfläche Kupfer tragen soll, dann können diese verkupferte Teiloberfläche die erste Fläche und eine Ebene im Innern des Körpers die zweite Fläche sein.

Weiterhin sei klargestellt, dass Merkmal c. so zu verstehen ist, dass eine erfindungs-gemäße Heterostruktur aus Kupfer und reinem Aluminium gar keine Mischkristalle aufweist, während Heterostrukturen aus Kupfer und einer Aluminium-Legierung lediglich die ohnehin in der Legierung vorhandenen Mischkristalle zeigt. In anderen Worten: die Heterostruktur bildet selbst keine neuen Mischkristalle aus, weder bei ihrer Herstellung noch zu einem späteren Zeitpunkt. Die erfindungsgemäße Heterostruktur kann in beliebigen Körpern aus Aluminium erzeugt werden. Ihre Herstellung kann durch einen Ätzangriff zur Erzeugung von„sculptured" Aluminium und anschließender galvanischer Abscheidung von Kupfer aus einer wässrigen Lösung auf den geätzten Bereich erfolgen. Erfindungsgemäß wird ein zweistufiges Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Herstellung der geätzten Strukturen getrennt ist von der Beschichtung der „sculptured" Aluminiumoberfläche mit Kupfer. Dies ist von Vorteil für die Reproduzierbarkeit und die Wirtschaftlichkeit des Erzeugungsprozesses. Die Dicke der abgeschiedenen Kupferschicht kann frei gewählt werden.

Insbesondere kann so ein Aluminiumkörper auf einem Teil seiner Oberfläche mit einer dicken Kupferschicht versehen werden, die sich weder durch mechanische Deformation noch durch thermisches Zyklieren ablösen lässt. Ein Aluminium-Körper mit Kupfer-Beschichtung aufweisend die erfindungsgemäße Heterostruktur ist ein ausgezeichneter Al-Cu-Konnektor. Die Kupferschicht kann genauso elektrisch und thermisch kontaktiert werden wie ein

Vollkupferkörper oder -draht.

Die erfindungsgemäße Heterostruktur umfasst eine Verankerungsschicht zwischen der ersten Fläche (Kupferschicht) und der zweiten Fläche (im Aluminiumkörper) mit einer Schichtdicke bevorzugt zwischen 0.5 und 100 Mikrometer, besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 Mikrometer. Die Verankerungsschicht leistet selbst nur einen vernachlässigbaren Beitrag zum ohmschen Widerstand, weil sich Kupfer und Aluminium überall in der Verankerungsschicht in perfektem Kontakt befinden.

Es bilden sich weder durch Strombeaufschlagung noch durch thermisches Zyklieren

intermetallische Phasen in der Verankerungsschicht. Ein Grund dafür wird darin gesehen, dass „sculptured" Aluminium bereits durch den Ätzprozess der Strukturierung seinen elektrochemisch stabilsten Oberflächenzustand erreicht hat und keine große Neigung zu Diffusionsprozessen mehr besitzt. Überdies besteht keine Möglichkeit für Spaltkorrosion an der Grenzfläche zwischen dem Aluminiumkörper und der Kupferschicht, da die„sculptured"

Aluminiumoberfläche auf Grund ihrer in drei Dimensionen verzahnten Oberflächenstruktur auch bei mechanischer Beschädigung der Kupferschicht keine Ausweitung des Spaltes erlaubt. Somit ist eine der Hauptursachen für Korrosion beseitigt.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung werden Figuren herangezogen. Dabei zeigt:

Fig. 1 Aufnahmen von„sculptured" Aluminium in zwei Vergrößerungen (Stand der

Technik);

Fig. 2 eine Aufnahme einer Schnittfläche senkrecht zur Verankerungsschicht;

Fig. 3 eine Aufnahme einer Schnittfläche senkrecht zur Verankerungsschicht;

Fig. 4. eine Aufnahme einer Schnittfläche senkrecht zur Verankerungsschicht;

Fig. 5 ein Röntgendiffraktogramm der Verankerungsschicht;

Fig. 6 Fotographien von Kupferabscheidungen auf Aluminiumstreifen nach

verschiedenen Vorbehandlungen der Streifen;

Fig. 7 Fotographien der Kupferabscheidungen aus Fig. 6 nach dem mechanischen

Dehnen der Streifen.

In den Figuren 2 bis 4 sind verschiedene Schnittflächen durch Heterostrukturen aufgenommen mit einem Elektronenmikroskop gezeigt. Die Heterostrukturen bestehen hier beispielsweise aus rechteckigen Streifen aus der technischen Legierung AIMg3 (> 94 % AI-Gehalt) und

kreisrunden, auf dem Aluminium abgeschiedenen Kupfer-Dickschichten. Die Schnittbilder zeigen jeweils die Umgebung der Kupfer tragenden Fläche und stellen Kupfer hell (oberer Bildteil) und AIMg3 dunkel (unterer Bildteil) dar. Man erkennt die Verankerungsschicht daran, dass sie sowohl helle als auch dunkle Bildanteile aufweist und dabei dem Verlauf der verkupferten Teiloberfläche des Aluminium-Streifens folgt. Dabei fällt besonders auf, dass in jedem der Schnitte von Kupfer vollständig umschlossene Inseln aus Aluminium (hier: AIMg3) zu sehen sind - in den Bildern hervorgehoben durch gestrichelte Umrandungen. Dies erweckt zunächst den Eindruck, als ob Aluminium-Fragmente, z.B. Körner, irgendwie in das Kupfer hineingemischt worden wären. Doch alles in den Fig. 2 bis 4 sichtbare Aluminium ist - zumindest vor dem Erzeugen der Schnittfläche - definitiv mit dem Aluminium-Streifen unten im Bild verbunden, insbesondere elektrisch leitend verbunden. Die extrem verschachtelte und auch seitwärts auskragende Struktur des„sculptured" Aluminium macht es aber praktisch unmöglich, eine Schnittfläche senkrecht zur Verankerungsschicht zu finden, in der nicht zumindest eine Aluminium-Insel umgeben von Kupfer zu sehen ist. Diese Eigenschaft der Heterostruktur eignet sich insofern sehr gut als eines ihrer Kennzeichen.

Ein weiteres Kennzeichen der Heterostruktur ist einem Röntgendiffraktogramm der

Verankerungsschicht zu entnehmen, das in Fig. 5 gezeigt ist. Alle auftretenden Peaks der Röntgenstreuung lassen sich eindeutig den üblichen, auch im Bulk vorhandenen Kristalliten von reinem Kupfer und reinem Aluminium bzw. hier der Legierung AIMg3 zuordnen. Dies ist auch nach Bestromung und nach Behandlung in einem Alterungsschrank unter zyklischen

Temperaturschwankungen der Fall. Es bilden sich zu keiner Zeit neue Mischkristalle.

Die beiden vorgenannten Eigenschaften der Heterostruktur haben zur Folge, dass Kupfer und Aluminium durch ein Schlüssel-Schloß-Prinzip („interlocking") mechanisch robust und beständig verbunden sind und auch bleiben, weil Korrosion, Alterung und die Bildung spröder

intermetallischer Phasen vermieden werden.

Wie gut die Anhaftung im Vergleich zu verkupfertem Aluminium nach dem Stand der Technik ist, zeigt das folgende Experiment:

Je ein Streifen aus AIMg3 wird zunächst vorbehandelt und danach mit einer galvanisch abgeschiedenen Kupferschicht belegt. Die Proben sind in Fig. 6 zu sehen, wobei die

Aluminium-Streifen in a) poliert, b) sandgestrahlt in Anlehnung an US 1457149 und c) erfindungsgemäß„sculptured" geätzt worden sind. In Fig. 6 d) ist eine Beschichtung von Kupfer auf Aluminium nach der Lehre der US 2495941 zu sehen.

Die verkupferten Aluminium-Streifen werden danach über den elastischen Bereich hinaus maschinell gedehnt. Fig. 7 zeigt die Versuchsergebnisse.

Bei den Dehnungen der polierten und sandgestrahlten Aluminium-Streifen platzen die

Kupferschichten einfach als Ganzes ab. Sie sind in den Fig. 7 a) und b) jeweils für die Fotos noch einmal auf die Streifen gelegt worden. In den unteren Bildbereichen sind die Stellen erkennbar, wo sie zuvor mit dem Streifen kontaktiert waren.

Der Streifen mit der erfindungsgemäßen Heterostruktur in Fig. 7 c) behält auch bei der Dehnung eine perfekt haftende Kupferschicht; diese wird zusammen mit dem Aluminium gedehnt. Es sind keine Schäden an der Schichtintegrität erkennbar.

In Fig. 7 d) dehnt sich die Kupferschicht ebenfalls mit dem Streifen, allerdings zerreißt die Schicht dabei. Man kann daraus schließen, dass der Kraftangriff des sich ausdehnenden Aluminiums an die Kupferschicht nicht überall gleichmäßig erfolgt ist, d.h. es gab Bereiche besserer und schlechterer Haftung unter der Kupferschicht. Dafür spricht auch die sichtbare Delamination von Teilen der Kupferschicht. In den Rissen der Kupferschicht ist der Aluminium- Untergrund sichtbar, d.h. es fand eine teilweise Ablösung statt.

Die erfindungsgemäße Heterostruktur vermeidet bei mechanischer, elektrischer und

thermischer Beanspruchung die Delamination und die Degradation der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit.

Bevorzugt wird daher ein Aluminium-Kupfer-Konnektor geschaffen, indem man einen Körper aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung mit wenigstens einer verkupferten

Teiloberfläche aufweisend eine erfindungsgemäße Heterostruktur erzeugt. Dabei soll die Verankerungsschicht dem Verlauf der verkupferten Teiloberfläche folgend in einer

vorbestimmten Tiefe unter der verkupferten Teiloberfläche vorliegen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung für elektrische Leitung ist der Al-Cu-Konnektor ausgebildet als ein Aluminium-Kabel - mit beliebigem Querschnitt, ggf. umgeben von Isolierung - mit wenigstens einem verkupferten Kabelende. Deckt eine Isolierung alle nicht verkupferten Aluminiumflächen vollständig ab, verhält sich das Kabel praktisch wie ein Vollkupferkabel und kann genauso verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines Al-Cu-Konnektors ist die Ausstattung eines kommerziell erhältlichen Aluminium-Kühlkörpers, vorzugsweise eines mit Wasser oder einer anderen Kühlflüssigkeit befüllten Kühlkörpers, mit wenigstens einer verkupferten Teiloberfläche. Reines Kupfer ist als Kühlkörper zu schwer und zu teuer, aber der schnelle Abtransport der Wärme vom Ort des Entstehens in den Kühlkörper wird so befördert.

Abschließend soll noch ein zweistufiges Verfahren zur Erzeugung der Heterostruktur vorgestellt werden.

Für das elektrochemische Ätzen der "sculptured" Aluminiumoberflächen mit Stufen und

Hinterschneidungen wird eine Salzwasserlösung als Ätzelektrolyt verwendet, die Kochsalz (NaCI) mit einer Konzentrationen aus dem Intervall von 200 mmol/l bis 800 mmol/l und Natriumsulfat (Na2S04) mit einer Konzentration von 5 mmol/1 bis 100 mmol/l enthält. Für Silizium-haltige Aluminiumlegierungen wie z.B. AA4018 kann zusätzlich noch Natriumfluorid (NaF) mit einer Konzentration im Intervall von 5 mmol/l bis 100 mmol/l zum Ätzelektrolyten gegeben werden.

Als ein Vorteil sei hervorgehoben, dass der Ätzelektrolyt eine chemische Zusammensetzung ähnlich der von Meerwasser besitzt und keine kritischen Umweltgifte enthält. Er kann einfach und kostengünstig hergestellt und auch wieder entsorgt werden.

Bei der elektrochemischen Ätzung von Porenstrukturen in Halbleitern und Metallen ist es grundsätzlich so, dass die Form der erzielten Strukturen durch die Passivierung von

Oberflächen gegen den Ätzangriff bestimmt wird. Die Passivierung erfolgt dabei durch die Anlagerung wenigstens einer Passivierungsspezies an die angreifbare Oberfläche, was die Ätzung im Bereich der Anlagerung verlangsamt oder sogar unterbindet. Die

Passivierungsspezies kann sehr unterschiedlich sein, beispielsweise können Chlor-Ionen haltige Moleküle oder Phosphat- oder Sulfat-Ionen passivierend wirken. Die Druckschrift US 2013/0264196 A1 schlägt u. a. die Zugabe von Natriumnitrat (NaN03) als Passivierungsspezies vor und verwendet dabei hohe Konzentrationen, die die Porenwände stabilisieren. Zugleich werden dort Ätzstromdichten von 100 bis zu 1000 mA/cm2 verwendet, so dass immer noch Ätzung an den Porenspitzen stattfindet, weil die Passivierungsspezies durch

Diffusionslimitierung nicht in aus-reichender Menge bis an die Porenspitzen gelangt. Dies führt dann zum Bohren („drilling") tiefer, tunnelartiger Poren in Aluminium.

Der Ätzelektrolyt der vorliegenden Erfindung verlässt sich in erster Linie auf Chlor-Ionen haltige Moleküle als Passivierungsspezies. Durch eine erfindungsgemäß geringe Ätzstromdichte im Bereich zwischen 10 mA/cm² und 100 mA/cm² und eine Ätzbadtemperatur zwischen 10°C und 40°C kann mit dem Ätzelektrolyten eine vorteilhafte Reaktionskinetik erreicht werden, d.h. dass ein für die Strukturierung günstiges Verhältnis zwischen Passivierung und Auflösung der

Aluminium-Oberfläche eingerichtet wird. Insbesondere findet nirgends eine Diffusionslimitierung der Passivierungsspezies statt, sonders es wird überall gleichmäßig langsam geätzt.

Außerhalb des benannten Temperaturbereiches wird die Reaktionskinetik erkennbar beeinträchtigt. Zudem setzt bei einer zu großen oder zu kleinen Ätzstromdichte entweder Diffusionslimitierung der Passivierungsspezies ein oder die Passivierung kann nicht

durchbrochen werden, sodass es in beiden Fällen nicht zur Ausbildung der gewünschten Strukturen kommt.

Für die Kupferabscheidung wird ein Galvanik-Elektrolyt bereitgestellt, der eine wässrige Lösung enthaltend Kupfersulfat (CuS04) mit einer Konzentration im Intervall von 40 mmol/l bis 120 mmol/l, Borsäure (H3B03) mit einer Konzentration im Intervall von 10 mmol/l bis 30 mmol/l und Polyethylenglykol (PEG) mit einer Konzentration im Intervall von 0.15 mmol/l bis 0.55 mmol/l. Jede der drei Komponenten hat eine spezielle Funktion innerhalb des Elektrolyten. Kupfersulfat dient als Quelle der Kupferionen, Borsäure und Polyethylenglykol sind notwendig, um die Kupfer-Abscheidekinetik dahingehend zu steuern, dass die "sculptured"

Aluminiumoberflächenstrukturen vollständig von Kupfer umschlossen werden und bei der Kupfer-Abscheidung keine Hohlräume in der Heterostruktur entstehen. Für die

Kupferabscheidung auf der "sculptured" Aluminiumoberfläche ist es weiterhin bedeutsam, dass die natürlich gebildete Aluminiumoxidschicht im Kupferelektrolyten aufgelöst wird, während zugleich die geätzten Aluminiumoberflächenstrukturen nicht durch chemische Auflösung zerstört werden. Die Abscheidestromdichte ist im Bereich zwischen 1 mA/cm² und 30 mA/cm² einzurichten. Bei einer größeren Stromdichte können Hohlräume in der Heterostruktur entstehen, während bei einer zu kleineren Stromdichte die Kupferabscheidung zu langsam abläuft.

Das im Bereich der geätzten Aluminiumoberflächenstrukturen abgeschiedene Kupfer bildet zusammen mit den besagten Strukturen durch mechanischen Formschluss die

Verankerungsschicht, die das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen Heterostruktur aus Kupfer und Aluminium ist.

Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Heterostruktur soll zusammenfassend wenigstens die folgenden Schritte aufweisen:

a. Bereitstellen eines Ätzbades mit einem wässrigen Ätzelektrolyten enthaltend zwischen 200 mmol/l und 800 mmol/l Natriumchlorid und zwischen 5 mmol/l und 100 mmol/l Natriumsulphat;

b. Bereitstellen eines Galvanik-Bades mit einem wässrigen Galvanik-Elektrolyten

enthaltend zwischen 40 mmol/l und 120 mmol/l Kupfersulfat und zwischen 10 mmol/l und 30 mmol/l Borsäure und zwischen 0.15 mmol/l und 0.55 mmol/l Polyethylenglykol;

c. Einbringen eines elektrisch kontaktierten Objektes aus Aluminium oder einer Aluminium- Legierung und einer Gegenelektrode in das Ätzbad;

d. Anlegen und Konstant halten einer Ätzstromdichte aus dem Intervall von 10 mA/cm2 bis 100 mA/cm2 für eine vorbestimmte Ätzdauer bei einer vorbestimmten Temperatur; e. Einbringen des geätzten Objekts und einer Gegenelektrode in das Galvanik-Bad;

f. Anlegen und Konstant halten einer Abscheidestromdichte aus dem Intervall von 1

mA/cm2 bis 30 mA/cm2.

Als ein konkretes Ausführungsbeispiel für das Verfahren zur Erzeugung einer Heterostruktur vergleichbar mit jener aus Fig. 6 c) wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird ein polykristalliner, gewalzter Streifen aus einer Aluminiumlegierung (z.B.

AA5754) auf seiner Oberfläche durch elektrochemisches Ätzen strukturiert. Der Ätzelektrolyt hierfür ist Wasser enthaltend 500 mmol/1 NaCI und 56 mmol/1 Na2S04. Die

Aluminiumstrukturierung wird galvanostatisch durchgeführt bei einer konstanten Stromdichte von etwa 50 mA/cm².

Die Ätzdauer ist abhängig von der gewählten Ätzstromdichte, von der Zusammensetzung und Temperatur des Ätzelektrolyten und von der angestrebten Strukturtiefe im Aluminium; sie beträgt hier beispielsweise 30 min. Dem Fachmann der Elektrochemie ist geläufig, dass er bei Änderung eines Ätzparameters die Ätzdauer den neuen Gegebenheiten anzupassen hat, was er leicht im Wege einfacher Vorversuche bewerkstelligen kann.

Die galvanische Kupferabscheidung, mit der die Aluminium-Kupfer Heterostruktur erzeugt wird, erfolgt in einem wässrigen Galvanik-Elektrolyten enthaltend 72.1 mmol/l Kupfersulfat, 17.8 mmol/l Borsäure und 0.33 mmol/l Polyethylenglykol 3350. Die Abscheidung erfolgt

galvanostatisch bei einer Stromdichte von 15 mA/cm². Die Abscheidedauer ist frei wählbar in Anbetracht der gewählten Abscheidestromdichte und der angestrebten Kupferschichtdicke. Die Elektrolyttemperatur beträgt hier 20°C in beiden Bädern.

Ein weiterer Vorteil des vorbeschriebenen zweistufigen Prozesses in zwei getrennten

Elektrolytbädern liegt darin, dass das Galvanik-Elektrolytbad für die Kupferabscheidung nicht mit Aluminiumätzprodukten kontaminiert wird. Damit wird sichergestellt, dass die

Reproduzierbarkeit des Abscheideprozesses und die Reinheit der abgeschiedenen

Kupferschicht hoch sind, was auch die Kontrolle des elektrischen Wderstands der

Heterostrukturen vereinfacht. Die Aufteilung in ein Ätzbad und in ein Abscheidebad erhöht überdies vorteilhaft die Standzeiten der Elektrolyte. Wenn der Galvanik-Elektrolyt an Kupfer verarmt, kann dieser leicht wieder mit Kupfer in-situ - z.B. mittels Gegenelektrode aus Kupfer - oder auch ex-situ angereichert werden.

Claims

A N S P R Ü C H E

Heterostruktur umfassend wenigstens eine erste Fläche allein aufweisend Kupfer und wenigstens eine zweite, der ersten Fläche gegenüberliegenden Fläche allein aufweisend Aluminium oder eine Aluminium-Legierung mit in der Legierung vorhandenen

Mischkristallen,

gekennzeichnet durch

a. eine Verankerungsschicht angeordnet zwischen erster und zweiter Fläche, wobei b. jede senkrecht zur Verankerungsschicht verlaufende Schnittfläche wenigstens eine von Kupfer umschlossene Insel aus Aluminium oder Aluminium-Legierung aufweist und

c. höchstens die in der Legierung vorhandenen Mischkristalle der Aluminium-Legierung in der Verankerungsschicht auftreten.

Heterostruktur nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Dicke der Verankerungsschicht zwischen 0.5 und 100 Mikrometer und / oder die Dicke der Verankerungsschicht zwischen 10 und 50 Mikrometer beträgt.

Heterostruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Röntgendiffraktogramm der Verankerungsschicht nur Kristallite aus Kupfer und Aluminium oder Aluminium-Legierung zeigt, die auch in den Bulkmaterialien auftreten.

Aluminium-Kupfer-Konnektor umfassend einen Körper aus Aluminium oder einer

Aluminium-Legierung mit wenigstens einer verkupferten Teiloberfläche aufweisend eine Heterostruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Verankerungsschicht dem Verlauf der verkupferten Teiloberfläche folgend in einer vorbestimmten Tiefe unter der verkupferten Teiloberfläche vorliegt.

Aluminium-Kupfer-Konnektor nach Anspruch 4,

gekennzeichnet durch

die Ausgestaltung als Aluminium-Kabel mit wenigstens einem verkupfertem Kabelende. Aluminium-Kupfer-Konnektor nach Anspruch 4,

gekennzeichnet durch

die Ausgestaltung als Aluminium-Kühlkörper mit wenigstens einer verkupferten

Teiloberfläche.

Heterostrukturherstellungsverfahren für die Heterostruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

gekennzeichnet durch die Schritte:

enthaltend zwischen 40 mmol/l und 120 mmol/l Kupfersulfat und zwischen 10 mmol/l und 30 mmol/l Borsäure und zwischen 0.15 mmol/l und 0.55 mmol/l Polyethylenglykol; c. Einbringen eines elektrisch kontaktierten Objektes aus Aluminium oder einer

Aluminium-Legierung und einer Gegenelektrode in das Ätzbad;

d. Anlegen und Konstant halten einer Ätzstromdichte aus dem Intervall von 10 mA/cm² bis 100 mA/cm² für eine vorbestimmte Ätzdauer bei einer vorbestimmten Temperatur; e. Einbringen des geätzten Objekts und einer Gegenelektrode in das Galvanik-Bad;

f. Anlegen und Konstant halten einer Abscheidestromdichte aus dem Intervall von

1 mA/cm² bis 30 mA/cm².

Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Ätzelektrolyt weiterhin zwischen 5 mol/l und 100 mol/l Natriumfluorid enthält.