СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДНОГО ПОКРЫТИЯ НА КЕРАМИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ НАПЫЛЕНИЕМ
METHOD FOR OBTAINING OF COPPER COATING ON CERAMIC SURFACE BY GAS-DYNAMIC SPUTTERING

Изобретение относится к способу получения адгезионно-прочных медных покрытий на поверхности оксида алюминия с использованием газодинамического напыления. Способ может быть использован для медной металлизации керамических подложек.
Известен способ нанесения металлических покрытий на крупноразмерные подложки в вакууме (патент RU №2062818, МПК 6 С23С 14/34, С03С 17/06), которые используется для радиочастотного и оптического диапазона. По этому способу напыление осуществляется в вакуумной камере с использованием источника металлической плазмы. Этот способ не позволяет формировать покрытия на деталях, имеющих размеры более чем габариты вакуумной камеры, имеет низкую производительность и сложен в автоматизации процесса.
Известен способ нанесения покрытий плазменным напылением (Кудинов В.В., Иванов В.И. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. - М.: Машиностроение, 1981. - с.159-165). По этому способу материал покрытия в виде порошка либо проволоки вводится в высокотемпературную плазменную струю, где он интенсивно нагревается, плавится, распыляется и при взаимодействии с поверхностью обрабатываемой детали образует покрытие.
Основными недостатками являются температурные напряжения в покрытии и подложке, приводящие к температурным поводкам и искажению профиля, а также невозможность использовать высокодисперсные наноструктурные композиты, интенсивное взаимодействие частиц с окружающей средой, приводящее к окислению и испарению высокодисперсных порошков.
Известен способ нанесения медного покрытия с использованием газодинамического напыления меди на поверхность из оксида алюминия (Kerstin-Raffaela Donner, Frank Gaertner, and Thomas Klassen "Metallization of Thin A1203 Layers in Power Electronics Using Cold Gas Spraying" Journal of Thermal Spray Technology 2011, Volume 20, Numbers 1-2, Pages 299-306). Согласно этому способу напыление меди проводят в струе азота при давлении 3,0 МПа и температуре 600°С. В качестве подслоя на поверхность оксида алюминия напылялся алюминий газодинамическим способом при температуре 420°С и давлении азота 3,5 МПа. Для увеличения адгезии медного покрытия использовали нагрев подложек в процессе напыления при температуре 280°С.
Основным недостатком указанного способа является повышенные температуры напыления меди 600°С, что приводит к частичному окислению меди за счет кислорода, находящегося в азоте в качестве примеси, а также высокие значения давления азота, что усложняет приборное оформление способа напыления.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения медных покрытий (В. Wielage, Т. Grund, С. Rupprecht, S. Kuemmel «New method for producing power electronic circuit boards by cold-gas spraying and investigation of adhesion mechanisms» Surface & Coatings Technology 205 (2010) p.1115-1118), в котором процесс газодинамического напыления подслоя алюминия и слоя меди проводят при давлении азота 2,8 МПа и температуре азота 300°С. Последующая термическая обработка подложек проводилась при 300°С в азоте в течение 10 час., что обеспечивало среднее усилие на отрыв (адгезию) медного покрытия равное 15±3 МПа.
Данный способ не позволяет получить прочность на отрыв (адгезию) медных покрытий больше, чем 20 МПа, что делает этот способ невостребованным в технологии для медной металлизации керамических покрытий, для которой требуется прочность на отрыв не хуже 50МПа. Использование азота в качестве рабочего газа не позволяет снизить затраты на производство медных покрытий по сравнению с использованием воздуха в качестве рабочего газа.
Предлагаемым изобретением решается задача создания способа, обеспечивающего получение медных покрытий газодинамическим напылением с использованием воздуха в качестве рабочего газа, для которых прочность на отрыв (адгезия) не хуже 50 МПа.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения медного покрытия газодинамическим напылением предварительно напыляется подслой оксида меди(I), при этом в качестве рабочего газа используется воздух. Повышенные значения адгезии медного покрытия достигается термообработкой в инертном газе.
2
Для получения заявляемого технического результата в предлагаемом способе напыления медных покрытий, включающем напыление подслоя материала на поверхность оксида алюминия и обеспечивающего адгезию медного покрытия к поверхности оксида алюминия, используется предварительное напыление подслоя из материала, отличного от алюминия. Новым является то, что в качестве подслоя используется оксид меди(I), который напыляется в интервале давлений 0,5-1,0 МПа в интервале температур 500-600°С. Для получения адгезии более 50 МПа используют термообработку медного покрытия в инертной атмосфере в интервале температур 1065-1070°С. Увеличение прочности на отрыв (адгезии) медного покрытия за счет термообработки в инертном газе в интервале температур 1065-1070°С обусловлено образованием эвтектического расплава в системе Cu-CuO при температуре 1064°С.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень. Пример.
Навеску оксида меди(I) 5 г помещают в дозатор известного устройства и проводят известным способом (патент RU №2399695 МПК 6 С23С 24/04, В05В 7/14) газодинамическое напыление материала на поверхность из оксида алюминия при давлении воздуха в пределах 0,5-1,0 МПа и нагретого до температуры в пределах 500-600°С. В результате получают равномерное покрытие оксида меди(I) на поверхности оксида алюминия с толщиной в пределах 5-10 мкм. Далее в дозатор помещают навеску меди 5 г и в таком же режиме напыляют медь поверх напыленного оксида меди(I) при давление воздуха в пределах 0,5-1,0 МПа и температуры воздуха в пределах 300-400°С. В результате процесса напыления получают равномерное медное покрытие на поверхности оксида меди(1) с толщиной в пределах до 400 мкм.
Далее проводят термическую обработку медного покрытия в инертной атмосфере при температуре в пределах 1065-1070°С в течение 1-3 часов. В результате термообработки медное покрытие обладает прочностью на отрыв не хуже 50 МПа. Таким образом, в условиях заявленного способа можно получить медное покрытие на поверхности оксида алюминия, для которого прочность на отрыв (адгезия) в 4 раза больше по сравнению с прототипом. Измерение прочности на отрыв (адгезии) медных покрытий проводили на отрывной машине Zwick/Roell 005 методом нормального отрыва по ГОСТ 28089.
Источники информации:
1. Патент RU №2062818, МПК 6 С23С 14/34, С03С 17/06
2. Кудинов В.В., Иванов В.И. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. - М.: Машиностроение, 1981. - с.159-165;
3. Kerstin-Raffaela Donner, Frank Gaertner, and Thomas Klassen "Metallization of Thin A1203 Layers in Power Electronics Using Cold Gas Spraying" Journal of Thermal Spray Technology 2011, Volume 20, Numbers 1-2, Pages 299-306;
4. В. Wielage, T. Grund, С. Rupprecht, S. Kuemmel «New method for producing power electronic circuit boards by cold-gas spraying and investigation of adhesion mechanisms» Surface & Coatings Technology 205 (2010) p.1115-1118 - прототип;
5. Патент RU №2399695, МПК 6 С23С 24/04, В05В 7/14