SECUENCIA DE CAPAS PARA LA PRODUCCION DE UN MATERIAL COMPUESTO PARA ARTICULOS ELECTROMECANICOS.

Secuencia de capas sobre un sustrato (1) de cobre o de una aleación a base de cobre,

de níquel o de una aleación a base de níquel o de un sustrato cobreado para la producción de un material compuesto, caracterizado por:

- una capa de cobertura (5), constituida por estaño o una aleación a base de estaño, la cual está dispuesta al menos sobre una parte del sustrato (1),

- una capa de barrera (2) que se encuentra entre el sustrato (1) y la capa de cobertura (5), y que se encuentra en contacto inmediato con el sustrato (1), estando constituida la capa de barrera (2) por al menos un elemento del grupo Fe, Co, Nb, Mo o Ta, y

- una capa intermedia (3, 31, 32) que se encuentra entre la capa de barrera (2) y la capa de cobertura (5) y que está en contacto inmediato con la capa de barrera (2), estando constituida la capa intermedia (3, 31, 32) por al menos un elemento del grupo Cu o Ni.

- una capa de reacción (4) que se encuentra entre la capa de cobertura (5) y la capa intermedia (3) y que está constituida por Ag o una aleación de Ag, por Pt o Pd o por sus aleaciones, presentando la capa de reacción (4) un espesor que corresponde entre 1/3 a 1/1 del espesor de la capa de cobertura (5)

Secuencia de capas para la producción de un material compuesto para artículos electromecánicos.

La invención se refiere a una secuencia de capas sobre un sustrato de cobre o de una aleación a base de cobre, de níquel o de una aleación a base de níquel o de un sustrato cobreado para la producción de un material compuesto, así como a un procedimiento para la producción de un material compuesto a partir de la secuencia de capas.

En el caso de una exposición prolongada de materiales a base de Cu y a base de Ni estañados al fuego y estañados galvánicamente, así como de sustratos cobreados, se forman fases intermetálicas (FIM) tales como de Cu₃Sn, Cu₆Sn₅ o Ni₃Sn, condicionadas por procesos de difusión.

Según el espesor de capa del estañado y de la continuidad del proceso en su transcurso tiempo/temperatura durante la exposición pueden aparecer, en función de la composición de la aleación, poros en la superficie límite entre el material de base/recubrimiento. En el caso menos ventajoso, se puede llegar a reventar la capa de Sn, desprendiéndose. Especialmente en el caso del empleo en elementos de construcción electromecánicos, un desprendimiento de la capa de Sn del material de base puede llevar a un fallo total del elemento de construcción.

Esta formación de poros en virtud de procesos de difusión en el cuerpo sólido se conoce como efecto Kirkendall y se basa en la diferente velocidad de difusión de Sn y Cu y de sus elementos de aleación. En este caso, los elementos de aleación contenidos en el material de base pueden acelerar o también retardar este efecto.

En principio, existe la posibilidad de segregar directamente sobre el material de base una capa intermedia que inhiba la difusión, antes de la deposición de la capa de Sn. Esta capa de barrera debe impedir que elementos de aleación procedentes del material de base se difundan en la capa de Sn. Por ello se impide o al menos se frena el crecimiento problemático de la FIM de CuSn o, respectivamente, FIM de NiSn. Se mantienen importantes propiedades de la capa, responsables, por ejemplo, de una buena capacidad de soldeo y otras, por ejemplo una buena capacidad de flexión, pueden empeorar según la capa de barrera y el espesor elegidos.

Aun cuando por la utilización de capas de barrera convencionales se puedan garantizar ciertas propiedades de la capa, sigue existiendo el problema de fondo de una formación de poros por difusión en el caso de exposiciones térmicas prolongadas (por ejemplo 150ºC/3000 h). Sin embargo, en el caso de aleaciones de Cu, el riesgo de un desprendimiento del recubrimiento del material de base no se puede impedir por medio de estas habituales capas intermedias.

En un artículo de Scott, B.C. y Warwick, M, H. (Intern. Tin Res. Inst. Transact of the Inst. of Met. Finishing, (1982), vol. 61, págs. 44 y sig.) se describe el efecto de una capa de barrera de Fe en comparación con una capa de barrera de Cu, en lo referente a la velocidad de crecimiento de la FIM de Cu-Sn.

La capa de barrera de hierro utilizada forma a temperaturas de 170ºC una FIM de FeSn₂. No obstante, el crecimiento del espesor es correspondientemente bajo, por lo que sólo se tiene una barrera eficaz frente a la difusión del Sn mientras que ésta esté exenta de poros. En cuanto haya presencia de poros en la capa de Fe, debajo de la capa de Fe se forma una FIM de Cu₆Sn₅, la cual provoca que la capa de barrera de Fe se desprenda del material de base. Capas estancas a poros sólo se pueden alcanzar a partir de un espesor de capa de aproximadamente 2 µm. Puesto que capas de Fe relativamente gruesas pueden causar problemas en la industria electrónica, debido a sus propiedades magnéticas, por el momento, en la práctica se mantuvo distancia de ello.

Además de esto, a partir de la memoria US 5,916,695 se tuvo conocimiento de una capa intermedia que contiene Ni, dispuesta entre un sustrato que contiene cobre y una capa de cubierta de estaño, la cual debe impedir la difusión del cobre procedente del sustrato a la capa de estaño. La capa intermedia se compone sobre todo de cobre con una proporción de níquel del 20-40% en peso.

Sin embargo, la solución descrita sólo es de duración limitada en el tiempo. Después de que la capa de Cu/Ni haya sido consumida por la formación de una fase intermetálica de (Cu-Ni)Sn, comienza el mecanismo habitual dentro del tiempo de función previsto. En virtud de la condensación de las corrientes de espacios vacíos en el material, por el efecto Kirkendall descrito se liega en la capa límite hacia el sustrato de Cu a la formación no deseada de desprendimientos de superficie.

En la memoria US 2003/0091855 A1 se describe una construcción en capas a base de dos capas intermedias y una capa de cobertura, con objeto de impedir la transformación completa de la capa de cobertura de Sn en FIM y garantizar, por ello, a temperaturas elevadas una capa de Sn en la superficie. Sin embargo, la solución de una capa intermedia de Cu como única capa de reacción fomenta precisamente a temperaturas elevadas el efecto Kirkendall y conduce por ello a un desprendimiento de la capa de Sn de la capa intermedia que se encuentra debajo.

A partir de la memoria DE 37 12 691 C1 se conoce un pivote de conexión eléctrica como conexión para la soldadura de conducciones eléctricas. Sobre un material para pivotes constituido por una aleación de cobre-estaño se dispone primeramente una capa de barrera de níquel, sobre la cual se dispone una capa exterior de soldeo a base de una mezcla de plomo-estaño, la cual sirve para la conexión de la conducción eléctrica. Para garantizar la capacidad de soldeo se propone disponer por galvanizado, entre la capa de barrera interior de níquel y la capa de estaño exterior para soldeo, una capa intermedia de plata y, por tratamiento térmico, crear con la capa de estaño exterior para soldeo una aleación por difusión.

Por consiguiente, la invención se fundamenta en la misión, especialmente para recubrimientos de estaño, de mejorar la adherencia de la capa de forma duradera también frente a exposiciones térmicas de larga duración y estabilizar las propiedades de la capa.

La invención se refleja en lo referente a la secuencia de las capas para la producción de un material compuesto por las características de la reivindicación 1 y en lo referente al procedimiento de producción del material compuesto, por las características de la reivindicación 8. Las demás reivindicaciones reproducen ejecuciones y desarrollos ventajosos de la invención.

La invención encierra la enseñanza técnica referente a una secuencia de capas sobre un sustrato de cobre o de una aleación a base de cobre, de níquel o de una aleación a base de níquel o de un sustrato cobreado para la producción de un material compuesto, la cual se compone de una capa de cobertura constituida por estaño o por una aleación a base de estaño que está dispuesta sobre al menos una parte del sustrato, una capa de barrera que se encuentra entre el sustrato y la capa de cobertura y la cual se encuentra en contacto inmediato con el sustrato, estando constituida la capa de barrera por al menos un elemento del grupo Fe, Co, Nb, Mo o Ta, y una capa intermedia que se encuentra entre la capa de barrera y la capa de cobertura y que se encuentra en contacto inmediato con la capa de barrera, estando constituida la capa intermedia por al menos un elemento del grupo Cu o Ni y una capa de reacción, que se encuentra entre la capa de cobertura y la capa intermedia y que se compone de Ag o de una aleación de Ag, de Pt o Pd o de sus aleaciones.

En este caso, la invención parte de la consideración de que entre la capa de cobertura y el sustrato se introducen más capas. La capa más externa del conjunto de capas es Sn puro o una aleación de Sn, la cual se elige según la finalidad de su aplicación. Por ejemplo, una aleación a base de Sn puede estar constituida por 0-50% en peso de Sn y de uno o varios de los elementos Ag, Cu, Ni, In, Co, Bi, Pb y SB. Debajo se encuentra una capa de reacción de Ag, Pd, Pt o de sus aleaciones y, debajo, la capa intermedia de Cu y Ni y, debajo, nuevamente una capa de barrera. Los elementos citados de la capa de barrera se pueden emplear también en forma de una aleación. También se puede pensar en una secuencia de capas de varias capas, por ejemplo de una combinación de Fe y Co o Ta y Co. Las capas están depositadas sobre cobre o sobre una aleación de Cu, un elemento de construcción cobreado, como sustrato. La capa de barrera se compone de los citados...

1. Secuencia de capas sobre un sustrato (1) de cobre o de una aleación a base de cobre, de níquel o de una aleación a base de níquel o de un sustrato cobreado para la producción de un material compuesto, caracterizado por:

2. Secuencia de capas según la reivindicación 1, caracterizada porque la capa de barrera (2) posee un espesor de 0,2-1,0 µm.

3. Secuencia de capas según la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque la capa intermedia (3, 31, 32) es una aleación de Cu-Ni o una secuencia de capas de una capa de Ni y una capa de Sn.

4. Secuencia de capas según la reivindicación 3, caracterizada porque la capa intermedia (3, 31, 32) presenta un espesor de 0,2-2,0 µm.

5. Secuencia de capas según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la capa de reacción (4) presenta un espesor mayor que la capa de barrera (2) y la capa intermedia (3, 31, 32).

6. Secuencia de capas según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el espesor total de la capa sobre el sustrato (1) es menor a 12 µm, preferentemente menor a 3 µm.

7. Secuencia de capas según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque en el caso de al menos una capa se trata de una capa galvanizada, de una capa PVD o una capa CVD.

8. Procedimiento para la producción de un material compuesto a partir de la secuencia de capas según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por un tratamiento térmico de la secuencia de capas por encima de la temperatura de fusión de la capa de cobertura (5).

9. Procedimiento para la producción de un material compuesto a partir de la secuencia de capas según la reivindicación 8, caracterizado porque el tratamiento térmico se lleva a cabo en aceite, especialmente en aceite de parafina o aceite-éster.

10. Utilización del material compuesto producido según el procedimiento según la reivindicación 8 o 9 para elementos de construcción electromecánicos, circuitos impresos y placas conductoras rígidas y flexibles.