FI114809B

FI114809B - Alustamateriaali

Info

Publication number: FI114809B
Application number: FI20030507A
Authority: FI
Inventors: Tuomas Renfors; Kalle Haerkki
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-12-31
Also published as: FI20030507A0; TW200508404A; FI20030507A; WO2004087975A1; DE112004000528T5

Description

, 114809

ALUSTAMATERIAALI

Tekniikan ala 5

Keksintö koskee kupariseosta olevaa alustamateriaalia käytettäväksi korkean lämpötilan pinnoitusprosesseissa. Seos soveltuu käytettäväksi erityisesti valmistettaessa tuotteita, joissa alustamateriaalilta vaaditaan hyvää lämmön- tai sähkönjohtavuutta. Tällaisia tuotteita ovat esimerkiksi aurinkopaneelit.

10

Tekniikan tausta

Kuparia käytetään alustamateriaalina erilaisissa pinnoitetuissa tuotteissa, joissa 15 alustamateriaalilta vaaditaan hyvää lämmön- tai sähkönjohtavuutta. Kuparin sähkönjohtavuus ja lämmönjohtavuus ovat käytännöllisesti katsoen verrannolliset toisiinsa. Usein tällaista tuotetta valmistetaan suhteellisen korkeassa lämpötilassa. Näiden operaatioiden vaatimissa lämpötiloissa, esimerkiksi alueella noin 230 - 350 °C, puhdas kupari saattaa jo olla liian pehmeää. Sen vuoksi materiaalina käyte-20 tään usein ns. DHP-kuparia, jossa on seosaineena fosforia esimerkiksi noin 0,02 %. Fosforiseostus kuitenkin huonontaa sähkön-ja lämmönjohtavuutta.

Eräs kohde, joissa kuparia käytetään alustamateriaalina, ovat aurinkopaneelit. Lämmön tuotantoon käytettävää aurinkopaneelia voidaan valmistaa esimerkiksi si-: 25 ten, että kuparinauhaa kelataan tyhjiökammiossa, jossa höyrystetään titaania ja johon samanaikaisesti johdetaan typpeä ja happea. Höyrystynyt titaani reagoi ty-• .·' pen ja hapen kanssa ja näin syntyneet TiNOx-partikkelit tarttuvat nauhan pintaan.

; Pinnoitushetkellä nauhan lämpötila on yli 250 °C, hetkellisesti jopa 350 °C. Tämän ensimmäisen pinnoitusvaiheen jälkeen seuraa toinen vaihe, jossa nauha kelataan 30 takaisin ja sen pintaan höyrystetään kvartsipinnoite. Kupari on tässä tuotteessa hyvä alustamateriaali hyvän lämmönjohtavuutensa mutta myös heikon emissiivi-’ syytensä vuoksi. Lopputuloksena on lämpösäteilyä tehokkaasti absorboiva levy.

T · 35 Keksinnön yhteenveto

Nyt on keksitty patenttivaatimuksen 1 mukainen hapeton kupariseos. Keksinnön eräitä edullisia sovelluksia esitetään muissa vaatimuksissa.

1 1 4809 2

Keksinnön mukaisesti hapettomaan kupariin on seostettu magnesiumia yli 30 ppm seoksen painosta laskettuna. Näin saadaan lämpötilankestävyyttä parannetuksi. Sähkönjohtavuus ja näin myös lämmönjohtavuus säilyy kuitenkin korkealla tasolla.

5

Seos soveltuu käytettäväksi erityisesti tuotteissa, jotka valmistetaan korkeassa lämpötilassa, kuten alueella 230 - 390 °C. Valmistusoperaatioita voivat olla esimerkiksi sputterointi, tyhjiöhöyrystys, terminen ruiskutus ja kuumatinaus.

10

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Keksinnön mukaisen hapettoman kupariseoksen Mg-pitoisuus on yli 30 ppm, parhaiten yli 50 ppm. Mg-pitoisuus on enintään 180 ppm, parhaiten enintään 15 150 ppm. Seoksen happipitoisuus on enintään 10 ppm, parhaiten enintään 5 ppm, kuten 1 - 3 ppm.

Keksinnön mukaisella Mg-seostuksella kuparin lämpötilankestävyys paranee huomattavasti.

20

Kuparin lämpötilankestävyys ilmaistaan tavallisesti niin sanotulla puoliksipehmene-mislämpötilalla (T1/2). Τ1Λ> riippuu kuitenkin huomattavasti muokkausasteesta. Ver- • * · . tailukelpoisten arvojen saamiseksi TVz määritetään tavallisesti 40 %:n ja 94%:n . ; muokkausasteella.

: / 25 ’ ' Kuparin sähkönjohtavuus ilmaistaan tavallisesti niin sanotulla IACS-arvolla (Inter- : national Anneal Copper Standard). Se ilmaisee sähkönjohtavuuden prosentteina standardin mukaisen seostamattoman kuparin johtavuudesta. Hapettoman kupari-laadun sähkönjohtavuus on vähintään 100 % IACS. Tyypillisen DHP-kuparin, jon-30 ka muokkausaste on 40 %, puoliksipehmenemislämpötila on noin 355 °C ja säh- : könjohtavuus noin 82 %IACS.

: Keksinnön mukaisen kupariseoksen puoliksipehmenemislämpötila T1/2 on vähin- ·’ tään 340 °C, parhaiten vähintään 380 °C. 94 %:n muokkausasteella T1/2 on vähin- 35 tään 300 °C, parhaiten vähintään 335 °C. Seostuksesta huolimatta sähkönjohta- : vuus pysyy kuitenkin korkealla tasolla (yli 100 % IACS). Parhaiten johtavuus on vähintään 101 % IACS.

114809 3

Yli 180 pprrv.n pitoisuuksilla lämpötilankestävyyden paraneminen suhteessa Mg:n määrään heikkenee olennaisesti. Myös sähkönjohtavuus ja valettavuus heikkene-vät. Alle 30 ppm:n Mg-pitoisuuksilla ei käytännössä saavuteta enää olennaista parannusta lämpötilankestävyyteen.

5

Magnesium kohottaa tässä puhtaan kuparin rekristallisaatiolämpötilaa. Mg-atomit ovat suurempia kuin Cu-atomit, ja näin hilarakenne vääristyy ja muodostuu jännityksiä. Näin dislokaatioiden liike vaikeutuu.

10 Keksinnön ansiosta lopputuotteelle saadaan korkeampi sähkön- ja lämmönjohta-vuus, kuin DHP-kuparia käytettäessä.

Mg-seostettua kuparia voidaan valmistaa samoilla valmistusmenetelmillä kuin muitakin hapettomia kuparilaatuja eli laatta- tai pötkyvalulla joko vaaka- tai pystyvalu-15 na. Sulaan lisätään sopivassa vaiheessa, esimerkiksi valu-uuniin, tarvittava määrä magnesiumia. Koska magnesium reagoi herkästi hapen kanssa, on ilmalta suojaukseen kiinnitettävä erityistä huomiota. Myös sulan kanssa kosketukseen joutuvissa laitteissa on edullista käyttää sellaisia oksidittomia materiaaleja, joista magnesium ei voi sitoa happea. Pienen seosaineen määrän vuoksi voidaan seostustek-20 nilkka muuten valita varsin vapaasti.

Valua seuraa yleensä lämpökäsittely ja muokkaus. Tyypillinen valmistusreitti voisi < I · olla laattavalu alaspäin ja muokkaus kuuma- ja kylmävalssauksella.

; : 25 Magnesium voi näissä pitoisuuksissa aiheuttaa sekundaarista raerakennetta, mikä ' ‘ tulee muokkauslämpötilaa valittaessa ottaa huomioon.

Fosfori, pii ja rikki voivat reagoida magnesiumin kanssa heikentäen lämpötilankestävyyden paranemista. Sen vuoksi näiden epäpuhtauksien pitoisuus on enintään * 30 10ppm.

Keksinnön mukaista kuparia voidaan käyttää alustamateriaalina erityisesti pinnoi- * tuskohteisiin, joissa vaaditaan hyvää lämpötilankestävyyttä. Tällaisia ovat esimer- * kiksi sputterointi, tyhjiöhöyrystys, terminen ruiskutus ja kuumatinaus. Vaikkapa 35 kuumatinauksessa lämpötila voi olla esimerkiksi 230 - 320 °C ja tyhjiöhöyrystyk-• _; sessä esimerkiksi noin 350 °C.

114809 4

Magnesiumia on aikaisemmin käytetty mikroseosaineena yleensä hyvin pieninä pitoisuuksina. Tyypillisesti on samalla käytetty muita seosaineita. Esimerkiksi julkaisuissa US-5118470, JP-A-62080241 ja JP-A-03291340 on esitetty tällaisia seoksia, joista on muodostettu puolijohdetekniikassa käytettävää liitäntälankaa. Lan-5 gasta saadaan sulattamalla tarkasti pallon muotoisia pisaroita. Materiaalilla on myös hyvä murtolujuus. Magnesiumia on ehdotettu muiden aineiden ohella seos-aineeksi myös esimerkiksi julkaisussa JP-A-63140052. Tässä magnesium pitoisuudessa 3-10 ppm alentaa kuparin pehnemenislämpötilaa.

10 Keksinnön mukaisessa seoksessa voidaan käyttää myös muita seosaineita. Tällaisia ovat erityisesti Ag ja P. Ag tunnetusti kohottaa puoliksipehmenemislämpöti-laa. Sen pitoisuus on edullisesti enintään 500 ppm. Muita mahdollisia seosaineita ovat esimerkiksi S, Sn, Zn, Ni, Si ja Te. Pitoisuus on edullisesti enintään 50 ppm. Myös Sn kohottaa puoliksipehmenemislämpötilaa, mutta se ei ole yhtä tehokas 15 kuin Mg ja lisäksi se laskee johtavuutta enemmän.

Esimerkki 20 Valmistettiin Mg-seostetut hapettomat kupariseokset, joihin oli seostettu Mg:tä 50, 100 ja 150 ppm seoksen painosta. Seosten lämpötilankestävyys ja sähkönjohtavuus mitattiin.

** Kustakin materiaalista valmistettiin hehkutettu 8 mm.n lanka. Langan sähköjohta- i 25 vuus mitattiin. Sen jälkeen langat vedettiin 6,2 mm:n (muokkausaste 40 %) tai 2 mm:n (muokkausaste 94 %) paksuuteen. Langat hehkutettiin suolakylvyssä (1 h) : alueella 250 - 500 °C. Tulokset esitetään oheisessa taulukossa.

Seos Sähkönjohtavuus 1V2 40 % 1V2 94% : .__f%iAcsi rci rci , . Mg50ppm__101,95__363 310

MglOOppm 101,40__379 335

Mg150ppm__100,84__386 340 I f 30 Kuten nähdään, 50 - 150 ppm:n Mg-pitoisuuksilla saavutetaan erittäin hyvä säh- * < . ". könjohtavuus (ja siten myös lämmönjohtavuus) mutta myös korkea pehmenemis- lämpötila.

Claims

1. Kupariseosta oleva alustamateriaali käytettäväksi korkean lämpötilan pinnoi-tusprosesseissa, tunnettu siitä, että seos sisältää happea enintään 10 ppm, magnesiumia yli 30 ppm ja enintään 180 ppm sekä fosforia, piitä ja rikkiä yhteensä 5 enintään 10 ppm.

1 1 4809

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen seos, tunnettu siitä, että se sisältää magnesiumia yli 50 ppm.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen seos, tunnettu siitä, että se sisältää magnesiumia enintään 150 ppm.

4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että se sisältää happea enintään 5 ppm, edullisesti 1 - 3 ppm.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että sen puoliksipehmenemislämpötila 40 %:n muokkausasteella on vähintään 340 °C, parhaiten vähintään 380 °C.

6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että sen puoliksipehmenemislämpötila 94 %:n muokkausasteella on vähintään 300 °C, parhaiten vähintään 335 °C.

: 7. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että sen sähkönjohtavuus on vähintään 100 % IACS, parhaiten vähintään 101 % IACS. * 20

8. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen seos, tunnettu siitä, että se on tarkoitettu käytettäväksi alustamateriaalina aurinkopaneelissa, joka valmiste-:· taan siten, että alustamateriaalille muodostetaan yksi tai useampi ainekerros. •

9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukaisen seoksen käyttö alustamate-/ riaalina korkean lämpötilan pinnoitusprosessissa, jossa alustamateriaalille muo- ·' 25 dostetaan yksi tai useampi ainekerros. ^« * • I • · • · 1 1 4809