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Substrat-Material einer Kupfer-Magnesium-Legierung - Dokument DE112004000528T5
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE112004000528T5 19.01.2006
Titel Substrat-Material einer Kupfer-Magnesium-Legierung
Anmelder Outokumpu Copper Products Oy, Espoo, FI
Erfinder Härkki, Kalle, Pori, FI;
Renfors, Tuomas, Pori, FI
Vertreter Zipse & Habersack, 80639 München
DE-Aktenzeichen 112004000528
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, EP, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG
WO-Anmeldetag 01.04.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/FI2004/000198
WO-Veröffentlichungsnummer 2004087975
WO-Veröffentlichungsdatum 14.10.2004
Date of publication of WO application in German translation 19.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.01.2006
IPC-Hauptklasse C22C 9/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein aus einer Kupferlegierung gefertigtes Substratmaterial, wie es in hochtemperierten Beschichtungsverfahren verwendet wird. Die Legierung ist insbesondere zur Verwendung bei der Herstellung von Produkten geeignet, für die eine gute thermische Leitfähigkeit oder Elektronenleitfähigkeit des Substratmaterials erforderlich ist. Derartige Produkte betreffen beispielsweise Solar-Paneele.

Beschreibung des Standes der Technik

Kupfer wird bei verschiedenen beschichteten Produkten als ein Substrat-Material verwendet, für die eine gute thermische Leitfähigkeit oder Elektronenleitfähigkeit des Substratmaterials erforderlich ist. Bei Kupfer ist dessen Elektronenleitfähigkeit praktisch proportional zur thermischen Leitfähigkeit. Oft wird ein solches Produkt bei relativ hoher Temperatur hergestellt. Bei den für diese Verfahren erforderlichen Temperaturen von beispielsweise im Bereich von ca. 230°–350° C kann reines Kupfer bereits zu weich sein. Das hierfür eingesetzte Material ist deshalb oft ein so genanntes DHP-Kupfer, das Phosphor als einen Legierungsbestandteil von beispielsweise ca. 0,02 % enthält. Phosphorlegierungsbestandteile mindern jedoch die elektrische und thermische Leitfähigkeit.

Ein Einsatzgebiet für die Verwendung von Kupfer als Substratmaterial sind Solarpaneele. Ein zur Wärmeerzeugung verwendetes Solarpaneel kann beispielsweise hergestellt werden, indem ein Kupferstreifen in einer Vakuumkammer gewendelt wird, in der Titanium verdampft und gleichzeitig Stickstoff und Sauerstoff eingeleitet werden. Das verdampfte Titan reagiert mit Stickstoff und Sauerstoff, wobei die gebildeten TiNOx-Partikel auf der Streifenoberfläche anhaften. Im Moment der Beschichtung liegt die Streifentemperatur oberhalb von 250° C, zeitweise sogar 350° C. Nach diesem ersten Beschichtungsschritt folgt ein zweiter Schritt, in dem der Streifen zurückgewickelt wird und eine Quarzbeschichtung auf dessen Oberfläche gedampft wird. In diesem Produkt ist Kupfer aufgrund dessen guter thermischer Leitfähigkeit, aber auch aufgrund seiner schwachen Emissionskapazität ein gutes Substratmaterial. Das Endprodukt ist eine Platte, die effizient Wärmestrahlung absorbiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Wir haben nun eine sauerstofffreie Kupferlegierung gemäß Anspruch 1 erfunden. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.

Gemäß der Erfindung enthält das sauerstofffreie Kupfer zugemischtes Magnesium von über 30 ppm – bezogen auf das Legierungsgewicht. Dadurch ist der Temperaturwiderstand verbessert. Allerdings verbleiben sowohl die Elektronenleitfähigkeit wie auch die thermische Leitfähigkeit auf einem hohen Level.

Die Legierung ist insbesondere für eine Verwendung in Produkten geeignet, die bei hohen Temperaturen hergestellt werden, beispielsweise im Bereich von 230–390° C. Mögliche Produktionsverfahren können beispielsweise ein Sputtern, Vakuumverdampfen, ein thermisches Sprühschweißen oder Heißlöten sein.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Der Mg-Gehalt einer sauerstofffreien Kupferlegierung gemäß der Erfindung liegt über 30 ppm, vorzugsweise über 50 ppm. In vorteilhafter Weise liegt der Mg-Gehalt unter 180 ppm, vorzugsweise unter 150 ppm. Der Sauerstoffgehalt der Legierung ist nicht höher als 10 ppm, vorzugsweise nicht höher als 5 ppm, beispielsweise 1–3 ppm.

Mittels der erfindungsgemäßen Mg-Legierung ist der Wärmewiderstand von Kupfer beträchtlich verbessert.

Der Wärmewiderstand von Kupfer wird im Allgemeinen durch die so genannte Halberweichungstemperatur (T½) ausgedrückt. T½ ist jedoch beträchtlich vom Maß der Deformation abhängig. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wird T½ allgemein mit einem Deformationsmaß von 40 % und 94 % definiert.

Die Elektronenleitfähigkeit von Kupfer wird normalerweise durch den sogenannten IACS-Wert (International Anneal Copper Standard) ausgedrückt. Er gibt die Elektronenleitfähigkeit in Prozent der Elektronenleitfähigkeit von unlegiertem Standard-Kupfer wieder. Die Elektronenleitfähigkeit einer sauerstofffreien Kupfer-Qualitätsausführung ist mindestens 100 % IACS. Die Halberweichungstemperatur eines typischen DHP-Kupfers mit einem Deformationsmaß von 40 % liegt bei ca. 355° C, wobei die Elektronenleitfähigkeit ca. 82 % IACS beträgt.

Die Halberweichungstemperatur T½ einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung liegt bei mindestens 340° C, vorzugsweise bei mindestens 380° C. Mit einem Deformationsmaß von 94 % beträgt T½ mindestens 300° C, vorzugsweise mindestens 335° C. Ungeachtet des Legierungsverfahrens bleibt die Elektronenleitfähigkeit nach wie vor auf einem hohen Level (über 100 % IACS). Vorzugsweise beträgt die Leitfähigkeit mindestens 101 % IACS.

Mit Gehalten von über 180 ppm ist die Verbesserung des Wärmewiderstands bezüglich der Mg-Quantität wesentlich gemindert. Ebenso ist die Elektronenleitfähigkeit und die Gießfähigkeit vermindert. Mit Mg-Gehalten von unter 30 ppm werden wesentliche Verbesserungen im Wärmewiderstand im Grunde genommen nicht erreicht.

Das Magnesium hebt hier die Rekristallisationstemperatur von reinem Kupfer. Mg-Atome sind größer als Cu-Atome, womit die Gitterstruktur verzerrt ist und Spannungen hervorgerufen sind. Demzufolge wird die Verschiebung von Dislokationen schwieriger.

Dank der Erfindung wird eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit für das Endprodukt im Vergleich zur Verwendung von DHP-Kupfer erhalten.

Mg-legiertes Kupfer kann mit denselben Herstellungsverfahren wie andere sauerstofffreie Kupferqualitätsausführungen hergestellt werden, d.h. durch Platten- oder Stangenabguss, wie auch durch horizontales oder vertikales Gießverfahren. In einer geeigneten Phase, beispielsweise im Gussofen wird der Schmelze eine erforderliche Menge von Magnesium zugesetzt. Weil das Magnesium für eine Reaktion mit Sauerstoff empfänglich ist, gilt dem Luftabschluss besondere Aufmerksamkeit. Es ist auch bei Vorrichtungen, die mit der Schmelze in Kontakt geraten, vorteilhaft, solche oxidfreien Materialien zu verwenden, bei denen das Magnesium keinen Sauerstoff binden kann. Wegen der geringen Menge des Legierungsbestandteils kann die Legierungstechnik auch ganz und gar anders frei gewählt sein.

Dem Guss folgt normalerweise eine thermische Behandlung und eine Bearbeitung. Eine typische Herstellungslinie kann in einem nach unten gerichteten Stangenguss mit nachfolgender Bearbeitung mittels Heiß- und Kaltwalzen liegen.

Mit diesen Gehalten kann das Magnesium in die zweite Kornstruktur überführt werden, was beim Auswählen der Arbeitstemperatur in Betracht zu ziehen ist.

Phosphor, Silizium und Schwefel können mit Magnesium reagieren, womit die Verbesserung des Wärmewiderstands vermindert ist. Der Gesamtgehalt dieser Verunreinigungen beträgt deshalb vorzugsweise nicht mehr als 10 ppm.

Das erfindungsgemäße Kupfer kann als Substratmaterial insbesondere für Beschichtungsrohlinge verwendet werden, bei denen ein guter Wärmewiderstand erforderlich ist. Das trifft beispielsweise für ein Sputtern, Vakuumverdampfen, thermisches Spritzen (Sprühschweißen) und Heißlöten zu. Beim Heißlöten kann beispielsweise die Temperatur 230–320° C und beim Vakuumverdampfen beispielsweise ca. 350° C betragen.

Vormals wurde Magnesium als Mikrolegierungs-Bestandteil verwendet, normalerweise in sehr geringen Mengen. Andere Legierungs-Bestandteile wurden im Allgemeinen zur gleichen Zeit verwendet. Beispielsweise sind in den Veröffentlichungen US-5118470, JP-A-62080241 und JP-A-03291340 diese Legierungstypen beschrieben, die zur Herstellung von Anschlussdraht verwendet wurden, wie sie in der Halbleitertechnologie eingesetzt sind. Beim Schmelzen wird der Draht in Tropfen mit einer perfekten Kugelform geformt. Dieses Material hat auch eine gute Zugfestigkeit. Neben anderen Materialien wird Magnesium als ein Legierungsbestandteil auch in der Veröffentlichung JP-A-63140052 als Beispiel vorgeschlagen. Hier verringert das Magnesium mit dem Gehalt von 3–10 ppm die Erweichungstemperatur von Kupfer.

Bei einer erfindungsgemäßen Legierung können auch andere Legierungsbestandteile verwendet werden. Dies sind insbesondere Ag und P. Es ist wohlbekannt, dass Ag die Halberweichungstemperatur anhebt. Sein Gehalt beträgt vorzugsweise nicht mehr als 500 ppm. Andere mögliche Legierungsbestandteile sind beispielsweise S, Sn, Zn, Ni, Si und Te. Vorteilhafterweise liegt der Gehalt nicht über 50 ppm. Auch Sn hebt die Halberweichungstemperatur, ist jedoch nicht so wirkungsvoll wie Mg, und viel wesentlicher vermindert es die Leitfähigkeit in einem größeren Maß.

Beispiel

Es wurden sauerstofffreie Kupferlegierungen mit Mg hergestellt, in denen Mg mit 50, 100 und 150 ppm bezogen auf das Legierungsgewicht zugemischt wurde. Der Wärmewiderstand und die Elektronenleitfähigkeit der Legierungen wurde gemessen.

Ein weichgeglühter Draht von 8 mm wurde aus jedem jeweiligen Material hergestellt. Die Elektronenleitfähigkeit des Drahtes wurde gemessen. Nachfolgend wurden die Drähte auf eine Dicke von 6,2 mm (Deformationsmaß 40 %) oder 2 mm (Deformationsmaß 94 %) gezogen. Die Drähte wurden in einem Salzbad (1 h) im Bereich von 250–500° C weichgeglüht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben.

Es ist ersichtlich, dass mit Mg-Gehalten von 50–150 ppm eine extrem gute Elektronenleitfähigkeit (und daher auch eine thermische Leitfähigkeit), aber auch eine hohe Erweichungstemperatur erreicht werden.

Zusammenfassung

Die Erfindung betrifft ein aus einer Kupferlegierung gefertigtes Substrat-Material, wie es in hochtemperierten Beschichtungsverfahren Verwendung findet. Die Legierung enthält nicht mehr als 10 ppm Sauerstoff, und Magnesium von über 30 ppm. Das Substrat-Material kann beispielsweise in Solar-Paneelen verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. Substratmaterial, das aus einer Kupferlegierung gefertigt ist, zur Verwendung in hochtemperierten Beschichtungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nicht mehr als 10 ppm Sauerstoff, und Magnesium von über 30 ppm enthält.
  2. Legierung nach Anspruch 1, die Magnesium von über 50 ppm enthält.
  3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die Magnesium von nicht mehr als 180 ppm, vorzugsweise nicht mehr als 150 ppm enthält.
  4. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die nicht mehr Sauerstoff als 5 ppm, vorzugsweise 1–3 ppm enthält.
  5. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halberweichungstemperatur bei einem Deformationsmaß von 40 % mindestens 340° C, vorzugsweise mindestens 380° C beträgt.
  6. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halberweichungstemperatur bei einem Deformationsmaß von 94 % mindestens 300° C, vorzugsweise mindestens 335° C beträgt.
  7. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektronenleitfähigkeit mindestens 100 % IACS, vorzugsweise mindestens 101 % IACS beträgt.
  8. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend Phosphor, Silizium und Schwefel, deren Gesamtgehalt 10 ppm nicht übersteigt.
  9. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Verwendung als ein Substratmaterial in einem Solarpaneel, das hergestellt ist, indem auf das Substratmaterial eine oder mehrere Materialschichten gebildet sind.
  10. Verwendung einer Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche als ein Substratmaterial in einem hochtemperierten Beschichtungsverfahren, bei dem eine oder mehrere Materialschichten auf dem Substratmaterial gebildet sind.
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