JP6545207B2 - 導電体および導電体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の主題は、概して導電体および導電体の製造方法に関する。

導電体は、接点、端子、バネ接点、ピン、ソケット、ニードルピンの穴、マイクロアクションピン、コンプライアントピン、ワイヤ、ケーブルブレード、トレース、パッド等、多くの形態を有する。このような導電体は、電気コネクター、ケーブル、プリント配線基板等を含む、多くの異なる種類の製品またはデバイスに用いられている。導電体において用いられる金属は、腐食、拡散または他の反応を受けやすく、それらの使用を限定し、または保護被覆を必要とする。例えば、銅または銅合金の導電体が用いられる場合、このような導体は腐食を受けやすい。金層は、一般的に、腐食抑制材として銅に適用される（または塗られる、applied）。しかし、金および銅の材料は拡散を受け、一般的には、ニッケルのような拡散バリアが、銅層と金層との間に配置される。

ベース金属の腐食は、導体の界面およびシグナルインテグリティに悪影響を及ぼす。腐食を軽減するのに用いられる現在のメッキ方法は、しばしば多孔質の表面を残し、その結果、下地表面の酸化および腐食に至る。さらに、いくつかの層状構造体は、摩擦、締め付けおよび他の接触力に伴う問題を受け、導体の用途を制限する。

いくつかの既知の導体は、グラフェンまたは他のカーボン系の構造体を、導体のバリアとして用いている。しかし、導体へのグラフェンの適用には問題がある。導体へグラフェンを適用する１つの知られた方法は、化学真空蒸着（ＣＶＤ）法によってグラフェンを堆積（または蒸着、depositing）させる工程を含む。しかし、このような工程は非常に高い温度を用いる。導体をこのような高温に曝すことは、導体に損傷を与える可能性がある。例えば、一般的な導体は、ＣＶＤ法に求められる温度を下回る融点温度を有する銅合金を用いている。このような導体をＣＶＤ法にさらすことは、粒界、三重点および他の問題を導体に引き起こす。

従来の導電体に関する前述した問題および他の欠点に対処する導電体に対する必要性が依然として残っている。

本発明に係る導電体を製造する方法は、ベース基板を準備する工程と、箔を準備する工程と、箔上にグラフェン層を堆積（または蒸着、depositing）して層状構造体を規定する工程と、ベース基板上に層状構造体を堆積する工程とを含む。

本願発明に係る導電体は、銅、銅合金、ニッケルおよびニッケル合金の少なくとも１つから成るベース基板と、ベース基板に適用された層状構造体とを含む。層状構造体は箔と、箔上に堆積されたグラフェン層とを含む。グラフェン層が箔上に堆積した後、層状構造体はベース基板に適用される。

本発明は、これより例として、添付した図面を参照して説明する。

図１は、例示的な実施形態に係り形成された導電体の一部の断面図を示す。 図２は、図１に示す導電体のような、導電体を形成するのに用いられる、導体形成システムを示す。 図３は、図１に示す導電体のような、導電体の例示的な製造方法を示すフローチャートである。

図１は、例示的な実施形態に係り形成された導電体１００の一部の断面図である。導電体１００は、任意の種類の導電体であってもよく、例えば、接点、端子、バネ接点、ピン、ソケット、ニードルピンの穴、マイクロアクションピン、コンプライアントピン、ワイヤ、ケーブルブレード、トレース、パッド等であってもよい。導電体１００は、電気コネクター、ケーブル、プリント配線基板等の一部を形成してもよい。

例示的な実施形態において、導電体１００は、合わさってワークピース１０５を規定しているベース基板１０２と層状構造体１０４とを有する複層（またはマルチレイヤー、multi-layered）の構造体である。任意で、層状構造体１０４はベース基板１０２の両面に適用されて、ワークピースを形成してもよい。ワークピース１０５は加工されて、導電体１００を形成する。例えば、ワークピース１０５はメッキ、打ち抜き加工（stamped）および成形加工（formed）等を施されてもよい。層状構造体１０４は、導電体１００の外面における表層構造体１０４であってもよい。

層状構造体１０４は、ベース基板１０２上に、耐食性を有する導電層を提供する。例示的な実施形態において、層状構造体１０４は、導体箔層（または導電箔層、conductive foil layer）１１０（以下、導体箔１１０または単に箔１１０と言うことがある）と、グラフェン層１１２と、導電表面層１１４とを含む。いくつかの実施形態において、層状構造体１０４は、表面層１１４を有さず、箔１１０とグラフェン層１１２だけを含んでもよい。箔１１０は、ストリップまたは他の金属素材（stock metal）の部品であってもよい。箔１１０は、銅もしくは銅合金、ニッケルもしくはニッケル合金または他の適した金属であってよい。箔１１０は、例えば、後の工程の間、ベース基板１０２への適用のために、グラフェン層１１２を支持するのに用いられる。グラフェン層１１２は、グラフェンの堆積物または他のカーボン系のバリアを含んでもよく、それにより腐食を抑制し、および／または導電体１００の他の特性（摩擦係数、導電率など）を向上させることができる。表面層１１４は、（１つまたは複数の）非カーボン系の層であり、例えば、金、銀、スズ、パラジウム、ニッケル、パラジウム−ニッケル、白金などの金属メッキである。表面層１１４は、腐食を抑制し、または導電体１００の他の特性（耐摩耗性、摩擦係数など）を向上させるのに用いられてもよい。

層状構造体１０４は、ベース基板１０２と比べると、概して、薄層である。層状構造体１０４は、被覆加工（またはクラッディング）、積層成形、接着、ボンディング、または他の適した方法などの、任意の知られた方法により、ベース基板１０２上に堆積されてもよい。任意で、層状構造体１０４は、下地のベース基板１０２上に直接堆積されてもよい。あるいは、１つ以上の他の層が、層状構造体１０４とベース基板１０２との間に提供されてもよい。例示的な実施形態において、グラフェン層１１２は箔１１０上に堆積されて層状構造体１０４を規定し、層状構造体１０４は異なる工程の間にベース基板１０２に適用される。層状構造体１０４がベース基板１０２に適用された後に、表面層１１４は層状構造体１０４に適用されてもよい。

ベース基板１０２は、複層の構造体であってもよい。図に示された実施形態において、ベース基板１０２は、ベース１０６および／またはベース１０６上に堆積したバリア１０８を含む。任意で、ベース１０６および／またはバリア１０８は、複層の構造体であってもよい。層状構造体１０４とベース基板１０２とは、合わせて積層（stackup of layer）を規定する。ベース基板１０２は、バリア１０８を含まずに、ベース１０６のみを含んでもよく、層状構造体１０４は、バリア１０８ではなくベース１０６に直接適用される。

例示的な実施形態において、ベース１０６は導電性であり、銅または銅合金のような金属化合物を含む。ベース１０６のための他の金属化合物は、ニッケル、ニッケル合金、鋼鉄、合金鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、パラジウム−ニッケル、スズ、スズ合金、コバルト、カーボン、グラファイト、グラフェン、カーボン系織布または他の任意の導電性材料を含んでもよい。バリア１０８は、導電性であり、かつニッケルまたはニッケル合金などの金属化合物を含む。バリア１０８のための他の金属化合物は、銅、金、銀、コバルト、タングステン、白金、パラジウム、またはそれらの合金等の、他の金属または導電性材料を含む。拡散の問題（diffusion problems）を有する銅および金または他の金属化合物が用いられる場合等に、バリア１０８は、ベース１０６と層状構造体１０４との間に、拡散バリアを提供してもよい。バリア１０８は、層状構造体１０４を適用するための、機械的な裏地（backing）を提供し、比較的に薄くてもよく、その耐摩耗性を向上させる。バリア１０８は、層状構造体１０４内に存在する場合には、孔や腐食の問題の影響を低減することができる。バリア１０８は、メッキのような、任意の知られた方法によりベース１０６上に堆積されてもよい。任意で、バリア１０８は、下地のベース１０６上に直接堆積されてもよい。あるいは、１つ以上の他の層（例えば、グラフェン層など）が、バリア１０８とベース１０６との間に提供されてもよい。

１つの例示的な実施形態において、グラフェン層１１２は腐食を抑制するのに用いられる。グラフェン層１１２は導電性であってもよい。グラフェン層１１２は、箔１１０上に堆積されている。１つの例示的な実施形態において、グラフェン層１１２は、箔１１０の露出した部分の上で成長する。例えば、グラフェン層１１２を箔１１０の１つ以上の面上において（または、箔１１０上の選択された位置において）成長させるように、箔１１０は加工される。グラフェン層１１２は、箔１１０の上面の全体を覆ってもよい。

１つの例示的な実施形態において、グラフェン層１１２は、有機化合物（ガス状のメタン等）の存在下であって、例えば約８００℃以上の高温において、化学真空蒸着（ＣＶＤ）法の間に形成されてもよい。堆積（または蒸着、deposition）の方法は、蒸気がある環境内で、電子ビーム、マイクロウェーブまたは他の方法を含んでもよい。グラフェン層１１２を堆積するのに、レーザー堆積、プラズマ堆積または他の技術もしくは方法等、他の方法が用いられてもよい。任意で、グラフェン層１１２は、箔１１０上において、１原子層の厚さであってよい。あるいは、グラフェン層１１２は、より厚くてもよい。グラフェン層１１２は、耐食性を提供する。

グラフェン層１１２は、箔１１０の露出部分上にのみ堆積されてよい。例えば、箔１１０の金属化合物は、ＣＶＤ法（または他の方法）の間、触媒として用いられてもよく、箔１１０との界面におけるグラフェンの成長を促進する。任意で、このような界面におけるグラフェンの成長を促進するように、ＣＶＤ法を制御してもよく、例えば、箔１１０の化学組成（例えば、金属または金属合金）に応じて、グラフェンの成長を促進させるのに適切は有機前駆体を用いて、かつ適切な温度で加工することにより、ＣＶＤ法を制御してもよい。例えば、用いられる有機化合物またはガス前駆体の種類、用いられるガス前駆体の圧力、ガス前駆体の流量、加工の温度、または他の因子が、他の複数の金属と比べて、１つの金属上でのグラフェンの成長を促進してもよい。

グラフェン層１１２は、ベース１０６と周囲環境との間にバリアを供給することにより、導電体１００のための腐食バリアとして機能し、酸素原子とベース１０６の金属化合物とが相互作用するのを抑制する。グラフェン層１１２は、ベース１０６と表面層１１４との間の拡散を抑制するように、拡散バリアとして機能してもよい。任意で、グラフェン層１１２は、バリア１０８と置き換えられてもよく、ベース１０６と表面層１１４との間の拡散バリアとして機能する。

任意で、グラフェン層１１２は、導電体１００の最外層であってもよい。グラフェン層１１２は、導電体１００の最も外側の面の摩擦を低減してもよく、導電体１００のはめ込みを容易にすることが出来る。グラフェン層１１２は、層状構造体１０４の静摩擦力（またはスティクション、stiction）を低減させてもよい。静摩擦力の低減は、例えば、金層である最外層を有する導電体のような、静摩擦力および／または冷間溶接に付随した問題を有する導電体１００が、以前は適さなかった分野または装置において、導電体１００の使用を可能にすることができる。例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のスイッチにおいて、金層が導電体の最外層である場合は、静摩擦力は問題である。

前の工程においてグラフェン層を箔上に既に堆積させていることは、箔上へグラフェン層を堆積する工程に伴う高温にベース基板をさらすことなく、導電体を製造することを可能にする。例えば、ベース基板は、箔上でのグラフェンの成長を効果的に促進するのに必要な温度と同じくらいの融点か、またはそれよりも低い融点を有する、銅合金から作られてもよい。ベース基板ではなく、箔のみを、グラフェンを堆積する被覆ステーションまたは他のステーションを通して移動させることは、例えば、ベース基板内に粒界、三重点または孔を形成するリスクを低減させるといった利得を導電体１００に与える。さらに、被覆ステーションを通してベース基板を加工しないことによって、ベース基板を被覆ステーションに通すとした場合よりも高温で、被覆ステーションを運転することができる。

例示的な実施形態において、箔は、ベース基板より高い融点を有する材料から作られる。箔は、その構造を損傷することなく、ベース基板よりも高い温度に耐えることができる。箔は、グラフェンの成長および／または堆積に必要とされる温度よりも、高い融点を有する材料から作られてもよい。ベース基板は、異なる融点以外にも、箔とは異なる特性を有してもよく、箔と同じ材料、または被覆ステーションおよびグラフェンの成長に耐えるのに十分に高い融点温度を有する材料から成るベース基板とは違い、このようなベース基板を使用することを好ましくする。例えば、ベース基板は、箔の材料よりも優れたバネ特性を有してもよい。ベース基板は、箔の材料よりも強くて丈夫であってもよい。ベース基板は、箔の材料よりも細かい粒を有してもよい。ベース基板は、箔の材料よりも低コストであってよい。ベース基板は、箔の材料よりも延性があってよく、または箔の材料よりも優れた成形特性を有してよい。ベース基板は、箔の材料よりも優れた導電性を有してもよい。より低い融点温度を有する特定のベース基板の選択にとって、他の特性が重要であってもよい。ベース基板から離れた箔の上へのグラフェンの成長を別にすることは、グラフェンの堆積および／または成長を用途に合わせることを可能にする。

図２は、導電体１００のような導電体を形成するのに用いられる導体形成システム１５０を示す。システム１５０は、材料に操作または作用（operations or functions）を行う複数のステーションを含み、導電体１００を形成する。例示された実施形態において、システム１５０は、材料を加工して導電体１００を形成するステーションを通して、生成物（例えば、材料のストリップまたはリール）を漸進的（または進行的に、progressively）に送り込む直列（または一列、in-line）のシステムである。例えば、生産物は連続的に加工のためのステーションに送られてもよい。例示的な実施形態において、システム１５０は、材料を巻き付ける、および／またはリールから材料を引き出す（unwind）リールシステムであり、システム１５０を通して、導電体１００を漸進的に加工する。

システム１５０は、箔１１０がストリップの形態で巻き付られているストリップリール１５４を含む。箔１１０は、連続的に引き出され、システム１５０を通して、ストリップリール１５４から引っ張られる。導電箔１１０は、箔１１０（図１に示す）を形成するのに用いられる。銅箔の幅は、導電体１００の幅および形状によって決まってよく、打ち抜き加工、曲げ加工または成形加工されて、最終生成物を形成する。

システム１５０は、被覆ステーション１５６を含む。被覆ステーション１５６は、グラフェン層１１２を導電箔１１０に適用（または塗布）する。被覆ステーション１５６を抜けた生成物は、層状構造体１０４を規定する。グラフェン層１１２は、例えば、ＣＶＤ法などの、適した方法で適用されてもよい。グラフェン層１１２は、箔１１０が被覆ステーション１５６を通過する時につれて、箔１１０上に成長してもよい。グラフェン層１１２は、他の被覆方法または被覆以外の方法によって適用されてもよい。

移動装置１５８は、システム１５０を通して、層状構造体１０４を前進させるのに用いられる。任意で、移動装置１５８は、層状構造体１０４が巻き付けられ、および／また引き出される、１つ以上のリールであってもよい。移動装置１５８は、コンベヤーベルトまたはロールのような、コンベヤーであってよい。箔１１０は、システム１５０を通して、グラフェン層１１２を前に進めるために、グラフェン層１１２を支持するのに用いられる。グラフェン層１１２は箔１１０に適用されたままであり、箔１１０は基板１０２に取り付けられ、最終生成物の一部を形成する。あるいは、箔１１０は、後で層状構造体１０４から取り除かれてもよく、グラフェン層１１２が基板１０２に直接取り付けられるようにしてもよい。

層状構造体１０４は、基板適用ステーション１７０を通って漸進的に移動される。基板１０２は、基板リール１７１上に供給される。基板１０２はリールから引き出され、基板１０２を層状構造体１０４に取り付けるための、基板適用ステーション１７０に漸進的に送られる。他の実施形態において、基板１０２は、リール以外の装置によって前進させられてもよい。一度、層状構造体１０４が基板１０２に取り付けられると、層状構造体１０４は、基板１０２の上で、システム１５０を通って前進させられてもよい。

基板適用ステーション１７０において、層状構造体１０４は基板１０２に適用される。層状構造体１０４は、箔１１０と基板１０２をクラッディングすることにより、基板１０２に適用されてもよい。層状構造体１０４は、他の方法（例えば、圧着、圧延、冷間溶接、レーザーボンディング、はんだ付けまたは他の方法等）により、基板１０２に適用されてもよい。

生成物は、導電体１００が加工されてもよい加工ステーション１７２に移動し、例えば、導電体１００の特定の特性を向上させられる。例えば、加工ステーション１７２は、層状構造体１０４が表面層１１４でめっきされる、めっき加工サブステーションを含んでもよい。加工ステーション１７２は、導電体１００が成形および／または単体化（またはダイシング、singulated）される、打ち抜き加工（stamping）サブステーション含んでもよい。加工ステーション１７２は、導電体１００が曲げられ、かつ最終形状に成形される、成形加工サブステーションを含んでもよい。

図３は、導電体１００のような、導電体の例示的な製造方法を示すフローチャートである。方法は、箔１１０のような、箔を供給する工程２００を含む。箔は、銅または銅合金の層であってもよい。

方法は、グラフェン層１１２のような、グラフェン層を箔上に形成する工程２０２を含み、層状構造体を形成する。グラフェン層は、ＣＶＤ法または他の方法により形成されてもよい。グラフェン層は、箔を完全に覆ってもよく、または箔の一部を選択的に覆ってもよい。箔上に、１つ以上のグラフェン層を成長または堆積させることにより、グラフェン層を形成してもよい。箔の金属は触媒として機能してもよく、その上でのグラフェンの選択的な成長を促進してもよい。

方法は、ベース基板１０２のような、ベース基板を供給する工程２０４を含む。ベース基板は、層状構造体であってもよい。ベース基板は、ベースと、メッキなどによってベースの上に堆積したバリアとを含んでもよい。

方法は、層状構造体１０４のような層状構造体を、ベース基板の上に堆積させる工程２０６を含む。層状構造体は、ベース基板上に直接堆積されてもよい。例えば、箔は、ベース基板に被覆（またはクラッド、clad）されてもよく、または別の方法で、接合（jointed）されてもよい。前工程で箔の上に既に堆積されたグラフェン層を有することは、ベース基板を、箔上へグラフェン層を堆積する工程に伴う高温にさらすことなく、導電体が製造されるのを可能にする。

Claims (8)

1. 導電体（１００）を製造する方法であって、前記製造方法が、
   銅、銅合金、ニッケルおよびニッケル合金の少なくとも１つから成るベース基板（１０２）を準備する工程、
   金属を含有する箔（１１０）を準備する工程、
   前記箔上にグラフェン層（１１２）を堆積して層状構造体を形成する工程；および
   前記ベース基板上に層状構造体の箔側を堆積する工程
   を包含する導電体（１００）の製造方法。
2. 前記グラフェン層（１１２）は、前記箔（１１０）上に直接堆積している請求項１に記載の製造方法。
3. 前記箔（１１０）は、前記ベース基板（１０２）上に直接堆積している請求項１に記載の製造方法。
4. 前記箔（１１０）は、前記ベース基板（１０２）を被覆している請求項１に記載の製造方法。
5. 前記グラフェン層（１１２）に対して前記箔（１１０）とは反対側の前記グラフェン層（１１２）上に、表面層をさらに含む請求項１に記載の製造方法。
6. 前記表面層が、メッキで形成される、請求項５に記載の製造方法。
7. 前記ベース基板（１０２）は、ベース（１０６）とバリア（１０８）とを含み、前記層状構造体（１０４）は前記バリアの上に堆積している、請求項１に記載の製造方法。
8. 前記グラフェン層（１１２）は、有機化合物前駆体と熱とを用いて、ＣＶＤにより前記箔（１１０）の１つ以上の面に堆積しており、前記箔が前記ベース基板（１０２）上に適用されるよりも前に、前記グラフェン層は前記箔上に堆積されている、請求項１に記載の製造方法。

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