Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit einem metallischen Material, insbesondere einem

Edelmetall, bei dem eine Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln des metallischen Materials auf einen oder mehrere zu beschichtende Bereiche der Oberfläche aufgetragen und anschließend mit energetischer Strahlung bearbeitet wird, um die Beschichtung herzustellen.

Das Verfahren eignet sich unter anderem zur

Beschichtung elektrischer Kontaktflächen mit einem Edelmetall wie beispielsweise Gold. Die Vergoldung elektrischer Bauteilkomponenten erfolgt bisher mittels Galvanik-, PVD- oder CVD-Verfahren, um einerseits größere elektrische Kontakt- und Übergangsleitfähig- keiten an elektrischen Kontaktflächen und andererseits eine geringere Korrosion zu erzielen. Damit wird eine Verringerung der Verlustleistung und auch von

Störsignalen erreicht. Die bisherigen Verfahren

ermöglichen eine teilweise oder vollständige Vergoldung der Bauteile, weisen jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf. So ist mit diesen Verfahren eine ortsselektive Beschichtung mit Gold nur an den elektronisch

relevanten Stellen des Bauteils nur eingeschränkt möglich. Daraus resultiert ein erhöhter Verbrauch von Gold und somit erhöhte Herstellungskosten. Der Einsatz der oben genannten Beschichtungsverfahren erfordert teils große Mengen an Chemikalien. Diese müssen

aufwändig zur Verfügung gestellt werden und sind zum Teil umweltschädlich. Für PVD-Beschichtungen werden energieintensive Vakuumprozesse benötigt. Mittels

PVD/CVD oder Galvanik aufgebrachte Gold- oder

Hartgoldschichten zeigen einen geringen

Verschleißschutz. Sie werden durch Steck-Zieh-Vorgänge, wie sie in der Kontaktindustrie notwendig sind, von der Bauteiloberfläche gekratzt und verlieren damit ihre Funktion. Auch eine Inline-Beschichtung der Bauteile mit Gold oder anderen Edelmetallen ist mit den oben beschriebenen Beschichtungsverfahren nicht oder nur eingeschränkt möglich. Dies erfordert eine Unter- brechung der Fertigungslinie durch zusätzliches Ausbzw. Einschleusen der Bauteile und führt somit zu einem erhöhten Produktionsaufwand.

Stand der Technik

Zur Vermeidung der obigen Problematik ist es bekannt, mikro- oder nanopartikuläre Schichten aus Gold auf die metallische Oberfläche aufzubringen und

anschließend durch Bearbeitung mit Laserstrahlung zu sintern oder zu schmelzen. Allerdings werden die mikropartikulären Goldschichten bei der kontinuierlichen Beaufschlagung mit Laserstrahlung durch den sogenannten Balling-Effekt beeinflusst. Das Gold zieht sich im flüssigen Zustand durch die Oberflächenspannung zu Kugeln zusammen, wodurch die Ausbildung einer homogenen Goldschicht verhindert wird. Auch eine

Haftung zwischen der Oberfläche des Substrats und dem erstarrten Gold kommt dadurch nicht in ausreichendem Maße zustande. Bei der laserbasierten Sinterung mikropartikulärer Goldschichten in gepulstem Laserbetrieb entsteht wiederum nur eine geringe Haftung zwischen Substratoberfläche und Goldschicht. Die entstandene Goldschicht blättert während des Laserprozesses vom Substrat ab.

Aus M. Khan et al., „Selective Laser Melting (SLM) of Gold (Au)", Rapid Prototyping Journal, Vol. 18, 2012, Seiten 81 bis 94 ist ein Verfahren zur

Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit Gold bekannt, bei dem eine Schicht mit Mikropartikeln aus Gold auf die Oberfläche aufgebracht und mit kontinuierlicher Laserstrahlung vollständig aufgeschmolzen wird, um die Oberfläche mit dem Gold zu beschichten. Bei diesem Verfahren wurde versucht, durch Anpassung der Scan-Geschwindigkeit und Leistung des Laserstrahls den Balling-Effekt zu minimieren. Eine vollständige

Verhinderung dieses Effekts konnte jedoch nicht gezeigt werden .

Aus der KR 10 2013 0023732 A ist ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mit einem metallischen Material bekannt, bei dem das metallische Material in nanopartikulärer Form auf die Oberfläche aufgebracht und anschließend mit einem gepulsten Laserstrahl gesintert wird, um die Beschichtung herzustellen. Durch den Sinterprozess kommt es allerdings nicht zu einer vollständigen Verschmelzung der partikulären Metall- schicht und auch nicht zu einer Verschmelzung mit dem Substratmaterial. Auch die JP 2015-067855 A beschreibt ein derartiges Verfahren, bei dem eine nanopartikuläre Goldschicht mittels Lasersintern auf einer metallischen Oberfläche fixiert wird.

Aus der DE 10 2012 223 556 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle bekannt, bei dem zum Aufbringen metallischer Leitbahnen zunächst eine

Leitpaste lokal auf die zu beschichtenden Bereiche der Oberfläche aufgebracht, getrocknet und anschließend durch Laserstrahlung gesintert wird. Auch hier können jedoch die bereits oben angeführten Probleme mangelnder Haftung auftreten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Beschichtung einer metal- lischen Oberfläche mit einem metallischen Material anzugeben, mit dem eine feste, Stoffschlüssige

Verbindung der Beschichtung mit der Oberfläche erreicht wird und das sich insbesondere zur Veredelung

elektrischer Kontakte mit Edelmetallschichten eignet.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß

Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine metallische Oberfläche mit einem metallischen Material, insbesondere einem Edelmetall, beschichtet. Hierzu wird zunächst eine mikro- und/oder nanopartikuläre Schicht des metallischen Materials, im Folgenden auch als Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln bezeichnet, auf einen oder mehrere zu beschichtende Bereiche der Oberfläche aufgetragen. Vorzugsweise wird aus

Kostengründen eine mikropartikuläre Schicht des

metallischen Materials aufgebracht. Das Aufbringen der mikro- und/oder nanopartikulären Schicht kann

beispielsweise mittels Rakeln, Dipcoating, Spincoating, Tampondruck oder formgebender Druckverfahren wie InkJet, Pipejet, Dispenser usw. durchgeführt werden.

Enthält die Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln weitere Bestandteile, insbesondere Lösungs- bzw.

Dispergier- und/oder Bindemittel, so werden diese vorzugsweise nach dem Aufbringen der Schicht in einem Trocknungsschritt und gegebenenfalls einem daran anschließend Entbinderungsschritt entfernt. Die

Trocknung der Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln umfasst dabei das Verdampfen niedrig siedender Anteile des Vehikels bzw. Transportmediums der Mikro- und/oder Nanopartikel . Bei der Entbinderung werden die übrigen Anteile des Vehikels der Mikro- und/oder Nanopartikeln bei größeren Temperaturen verdampft.

Die Schicht mit Mikro- und/oder Nanopartikeln wird dann in einer ersten Bearbeitungsphase zunächst mit einem oder mehreren ersten energetischen Strahlen gesintert, um eine aus den Mikro- und/oder Nanopartikeln gesinterte Schicht auf der Oberfläche zu erhalten. Auch der vorzugsweise durchgeführte

Trocknungs- und/oder Entbinderungsschritt kann mit energetischen Strahlen durchgeführt werden. Die auf diese Weise gesinterte Schicht wird anschließend in einer zweiten Bearbeitungsphase mit einem oder mehreren zweiten energetischen Strahlen vollständig aufgeschmolzen, um eine homogene Schicht aus dem

metallischen Material zu bilden und mit der Oberfläche zu verschmelzen. Die ersten und zweiten energetischen Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, werden in den beiden Bearbeitungsphasen jeweils mit Scanbewegungen über die Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln bzw. die gesinterte Schicht geführt. Die ersten und zweiten energetischen Strahlen können dabei aus der gleichen Strahlquelle oder auch aus unterschiedlichen Strahlquellen stammen. Vorzugsweise wird der Sinter- prozess der ersten Bearbeitungsphase mit gepulster energetischer Strahlung und der Schmelzprozess der zweiten Bearbeitungsphase mit kontinuierlicher

energetischer Strahlung durchgeführt.

Durch den mehrstufigen Bearbeitungsprozess mit der energetischen Strahlung werden die oben angeführten Nachteile bei der Beschichtung einer metallischen

Oberfläche mit einem metallischen Material vermieden.

So wird durch das vollständige Aufschmelzen der Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln in der zweiten Bearbeitungsphase eine homogene Schicht, d.h. eine Schicht, in der durch ein vollständiges Verschmelzen der Partikel keine partikuläre Struktur mehr vorliegt, sowie ein schmelzmetallurgisches Verbinden der Schicht mit dem Oberflächenmaterial erreicht. Dies führt zu einer festen Verbindung der Beschichtung mit der

Oberfläche. Die bei einer derartigen Bearbeitung auftretenden Probleme des Ballings werden dadurch vermieden, dass in der vorangehenden ersten

Bearbeitungsphase eine Sinterung der Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln erfolgt, wodurch diese zueinander und zu der Oberfläche fixiert werden.

Die Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln des metallischen Materials wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise als Paste auf die Oberfläche aufgetragen, insbesondere mit einem Druckprozess , durch den die Paste ortsselektiv nur an den zu beschichtenden Bereichen der Oberfläche aufgebracht wird.

Das Verfahren ermöglicht die Beschichtung einer metallischen Oberfläche mit einer Edelmetallschicht, beispielsweise zur Veredelung elektrischer Kontakte. Insbesondere besteht bei einer derartigen Anwendung die Möglichkeit, das Edelmetall in kostengünstiger

mikropartikulärer Form aufzubringen, so dass Kosten gegenüber Verfahren eingespart werden, die eine

Aufbringung in nanopartikulärer Form erfordern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird für den

Sinterschritt in der ersten Bearbeitungsphase gepulste Laserstrahlung und für den Schmelzschritt in der zweiten Bearbeitungsphase kontinuierliche (continuous wave : cw) Laserstrahlung eingesetzt. Hierbei werden somit die Techniken des selektiven Lasersinterns sowie des selektiven Laserschmelzens eingesetzt. Alternativ können auch andere energetische Strahlen, beispielsweise Elektronen- oder Ionenstrahlen, für die beiden Bearbeitungsphasen eingesetzt werden.

Das Verfahren kann in unterschiedlichen Varianten durchgeführt werden. So kann in einer Variante der gesamte Funktionalisierungsprozess der aufgebrachten Schicht mit den Mikro- und/oder Nanopartikeln mit energetischen Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, durchgeführt werden. Die aufgebrachte Schicht wird hierzu mit wenigstens einem energetischen Strahl einer Strahlquelle zunächst getrocknet und entbindert, und anschließend mit wenigstens einem energetischen Strahl einer Strahlquelle gesintert und mit wenigstens einem energetischen Strahl einer Strahlquelle geschmolzen. Die verwendeten Strahlquellen können, müssen aber nicht dieselben sein.

In einer zweiten Variante erfolgt die Trocknung der zunächst aufgebrachten Schicht mit den Mikro- und/ oder Nanopartikeln durch eine zwischen das Aufbringen, beispielsweise Aufdrucken, und den anschließenden weiteren Funktionalisierungsprozess zwischengeschaltetes Verfahren, beispielsweise mittels VCSEL- Modul, IR-Strahler, Blitzlampe, Plasmabehandlung, Heißluftstrahl, Ofen oder Induktionsheizer. Der

nachfolgende Bearbeitungsprozess mit den energetischen Strahlen umfasst dann die Entbinderung und das Sintern und Schmelzen der Schicht. Auch hierzu können gleiche oder auch unterschiedliche Strahlquellen eingesetzt werden .

In einer dritten Variante werden die Trocknung und die Entbinderung durch ein zwischen das Aufbringen und den anschließenden weiteren Funktionalisierungsprozess zwischengeschaltetes Verfahren durchgeführt. Dies kann wiederum beispielsweise mittels VCSEL-Modul, IR- Strahler, Ofen, oder Induktionsheizer erfolgen. Der nachfolgende Bearbeitungsprozess mit den energetischen Strahlen umfasst dann das Sintern und Schmelzen der aufgebrachten Schicht unter Nutzung einer oder mehrerer Strahlquellen .

Mit dem vorgeschlagenen mehrstufigen Verfahren wird eine homogen mit der Oberfläche verschmolzene Schicht aus dem metallischen Material und damit eine ausreichende Haftung zwischen dieser Schicht und dem Oberflächenmaterial erreicht. Der unerwünschte Effekt des Ballings wird durch den Schritt des Sinterns der Schicht in der ersten Bearbeitungsphase umgangen. Das Verfahren ist inline-fähig . Ein Aus- und Einschleusen von zu beschichtenden Bauteilen aus der Fertigungslinie ist nicht erforderlich. Der Einsatz von Chemikalien wird im Vergleich zu CVD-Verfahren deutlich reduziert. Umweltschädliche Galvanikverfahren werden vermieden. Energieintensive Vakuumbeschichtungsprozesse werden ebenfalls vermieden. Durch die Selektivität des

Verfahrens wird bei der Beschichtung mit Edelmetallen der Einsatz von übermäßigen Edelmetallressourcen verhindert. Insgesamt werden somit die Produktionskosten gesenkt. Die Schichtgeometrien können von

Bauteil zu Bauteil angepasst werden. Dies ist

insbesondere in der zunehmenden Variantenvielfalt der Produkte oder Halbzeuge bei immer kleiner werdenden Losgrößen von Vorteil. Die Rüstzeiten in der Produktion werden verkürzt und individualisierte Massenprodukte können On-Demand produziert werden.

Das Verfahren eignet sich besonders für die

Herstellung von Edelmetallschichten auf Oberflächen aus anderen Metallen, beispielsweise für die selektive Kontaktvergoldung. Ein bevorzugtes technisches

Anwendungsgebiet stellt damit die ortsselektive Kontaktveredelung von Elektronikbauteilen sowie die selektive Veredelung von Objekten mit Edelmetallschichten, insbesondere Goldschichten, dar. Derartige Schichten können auch für den ortsselektiven oder flächigen Korrosions- oder Verschleißschutz eingesetzt werden. Das Verfahren kann zur Beschichtung zweidimensionaler wie auch dreidimensionaler Bauteile eingesetzt werden. Bei Bedarf können mit dem Verfahren auch nicht-edelmetallische Schichten aufgebracht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend nhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den eichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines

Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens; und

Fig.2 ein Beispiel für die Durchführung der unterschiedlichen Verfahrensschritte gemäß einem Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine metallische Kontaktschicht, beispielsweise aus vernickeltem Kupfer, eines elektronischen Bauteils mit einer Gold-Beschichtung veredelt, um deren

elektrische Kontakt- und Übergangsleitfähigkeit zu erhöhen und eine geringere Korrosion der Kontaktfläche zu erzielen. Das vorgeschlagenen mehrstufige Verfahren umfasst hierbei das Auftragen einer mikropartikulären Goldschicht, die Trocknung und Entbinderung dieser Schicht, das Lasersintern der aufgetragenen Schicht sowie das abschließende Laserschmelzen der gesinterten Schicht, wie dies schematisch im Ablaufdiagramm der Figur 1 dargestellt ist. Figur 2a zeigt hierzu stark schematisiert ein elektronisches Bauteil mit einem Substrat 1 und einer darauf aufgebrachten metallischen Schicht 2, die als elektrische Kontaktschicht dient. Im ersten Schritt des vorgeschlagenen Verfahrens wird im vorliegenden

Beispiel auf die Oberfläche der metallischen Schicht 2 eine Goldpaste 3 aufgedruckt (Fig. 2b), die Mikro- partikel aus Gold sowie weitere Bestandteile wie

Lösungs- und Bindemittel enthält. Im vorliegenden

Beispiel erfolgt anschließend ein Trocknungs- und

Entbinderungsschritt , bei dem die aufgedruckte

Goldpaste 3 mit IR-Strahlung 11 beleuchtet wird, um diese weiteren Bestandteile der Goldpaste zu

verdampfen. Dies ist in Fig. 2c schematisch

dargestellt. Dieser Schritt kann auch mit anderen

Mitteln, beispielsweise mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen wie bei den nachfolgenden Schritten erfolgen .

Nach dem Aufdrucken der Goldpaste 3 sowie dem vorangeschalteten Trocknungs- und/oder Entbinderungsschritt erfolgt ein mehrstufiger Laserfunktionali- sierungsprozess der gedruckten Goldschicht. Dieser umfasst den Einsatz von gepulster und Dauerstrich- Laserstrahlung (cw) und das gezielte Führen (Scannen) des Laserstrahls über die Schicht - bevorzugt linien- oder mäanderförmig . Dadurch wird das Funktionalisieren der gedruckten mikropartikulären Goldschicht erreicht. In der ersten Bearbeitungsphase erfolgt hierbei die Bearbeitung der aufgedruckten Schicht mittels eines gepulsten Laserstrahls 5 einer Laserstrahlquelle 6, der mit einem geeigneten Strahlführungssystem 10, bspw. einem Galvanoscanner, über die Schicht geführt wird (Fig. 2d) . Durch diesen Prozess wird die aufgebrachte Goldschicht gesintert und damit die Mikropartikel gegenseitig fixiert. Durch das Sintern wird ein

Aufschmelzen der Mikropartikel an deren Oberfläche erreicht, so dass diese an der Oberfläche miteinander verschmelzen. Die entsprechend gesinterte Schicht 4 wird anschließend in einer zweiten Bearbeitungsphase mit einem cw-Laserstrahl 7 eines cw-Lasers 8

vollständig aufgeschmolzen, so dass die Goldpartikel zu einer homogenen Schicht 9 verschmelzen (Fig. 2e) , die mit dem metallischen Material der metallischen Schicht 2 schmelzmetallurgisch verbunden wird. Diese

Bearbeitung erfolgt wiederum mit einem in Fig. 2e schematisch dargestellten Scanner 10. Als Ergebnis wird eine wie oben beschriebene mit dem Substrat 1 bzw. der metallischen Schicht 2 auf dem Substrat 1 verbundene Goldschicht 9 erhalten.

In einem Ausführungsbeispiel wird eine Laseranlage mit einer Wellenlänge von λ = 1062 ± 3nm für die

Laserbearbeitung eingesetzt. Diese Laseranlage wird im vorliegenden Beispiel für beide Bearbeitungsphasen des Verfahrens eingesetzt. Die Goldpaste wird hierzu mit einer Schichtdicke (Goldpartikel auf Substrat) in getrocknetem Zustand von d _s = 12,4 ± 1,6μm auf die

Oberfläche aufgebracht. Die Partikelgröße beträgt 1,48 μm (Median) . Der Trocknungsprozess wird in einer IR- Strecke oder, einem IR-Ofen bei 280° für zehn Minuten durchgeführt. Das Endbindern erfolgt bereits mit gepulster Laserstrahlung, wobei folgende Bearbeitungsparameter eingesetzt werden: Energiedichte E _P = 3,4 J/cm ² , Pulsdauer t _p = 7ns. Für das anschließende Sintern mit einem gepulsten

Laserstrahl wurden folgende Prozessparameter gewählt. Die Energiedichte betrug E _P = 5,5 J/cm ² bei einer

Pulsdauer von t _p = 7ns. Für die zweite Bearbeitungsphase des Schmelzens mit einem cw-Laserstrahl wurde eine Laserstrahlintensität von I = 4,4 MW/cm ² bei einer

Scangeschwindigkeit von V _SCAN = 2000 mm/s gewählt. Die vorgenannten Werte stellen nur ein konkretes

Ausführungsbeispiel dar und werden je nach Eigenschaften der beteiligten Materialien sowie der Dicke der zu erzeugenden Schichten gewählt. Dies gilt

insbesondere für die Laser- und Scanparameter. Die Wellenlänge der Laserstrahlung wird so gewählt, dass sie vollständig oder teilweise vom Substrat oder

Bestandteilen der aufgebrachten Metallpaste absorbiert wird. Sie kann also in einem sehr weiten Wellenlängenbereich, beispielsweise zwischen 100 und 11000 nm oder auch darüber gewählt werden. Auch die Partikelgröße der eingesetzten Metallpartikel ist nicht kritisch.

Vorzugsweise liegen die Primärpartikelgrößen jedoch im Bereich < 10 μm. Die Schichtdicke der aufgebrachten Metallpaste liegt vorzugsweise bei < 100 μm.

Bezugs zeichenliste

1 Substrat

2 metallische Kontaktschicht 3 aufgedruckte Goldpaste

4 gesinterte Goldschicht

5 gepulster Laserstrahl

6 gepulste Laserstrahlquelle 7 cw Laserstrahl

8 cw Laserstrahlquelle

9 homogene Goldschicht

10 Strahltührungseinrichtung

11 IR-Strahlung