DE69213360T2

DE69213360T2 - Verfahren zur Metallbeschichtung von Diamant

Info

Publication number: DE69213360T2
Application number: DE69213360T
Authority: DE
Inventors: Charles Dominic Iacovangelo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Diamond Innovations Inc
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1992-06-24
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2012-06-25
Also published as: EP0520776A2; ATE142283T1; CA2068176C; EP0520776B1; EP0520776A3; JP3333551B2; KR100218026B1; DE69213360D1; KR930000202A; ZA924325B; CA2068176A1; US5190796A; IE922078A1; JPH05201782A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Aufbringen eines Metallüberzuges auf Diamant. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf das stromlose Überziehen von Diamant mit Metall-Legierungen.

Hintergrund der Erfindung

Diamant ist ein Allotrop von Kohlenstoff, der ein kristallographisches Netzwerk aufweist, das ausschließlich kovalent gebundene, aliphatische sp³-hybridisierte Kohlenstoffatome umfaßt, die tetraedrisch mit einem gleichmäßigen Abstand von 1,545 Å zwischen den Atomen angeordnet sind. Diamant ist mit einer Mohs-Härte von 10 außerordentlich hart. Er weist die 4-fache Wärmeleitfähigkeit von Kupfer auf, und er isoliert elektrisch. Seine Härte und Wärmeeigenschaften sind nur zwei der Charakteristika, die Diamant brauchbar machen in einer Vielfalt industrieller Komponenten.
Schleifteilchen, wie Diamant-Teilchen, sind in weitem Rahmen zum Schneiden, Schleifen, Läppen und Polieren in Metall entfernenden Industrien sowie in medizinischen Gebieten, wie der Zahnheilkunde und Chirurgie, eingesetzt worden. Schleifteilchen werden in Schleifwerkzeugen, wie Schleif- und Nachbearbeitungs-Scheiben, -Kronen und -Einpunkt-Werkzeugen benutzt. Es wurde ein beträchtliches Ausmaß an Forschung für die Verbesserung der Bindeeigenschaften von Diamant mit den Matrices dieser Werkzeuge aufgewandt, da eine dürftige Verbindung an der Grenzfläche zwischen Diamant und Matrix zur Entfernung des Diamant-Teilchens aus der Matrix während der Schleifoperation führt. Als ein Ergebnis dieser Forschung ist es im Stande der Technik bekannt, daß der Metallüberzug von Schleifteilchen das Festhalten solcher Teilchen in den Matrices verschiedener Schleifwerkzeuge, wie harzgebundener Scheiben (vergleiche z.B. US-A- 3,924,031), verbessert. Im besonderen ist es bekannt, daß das Festhalten der Diamant-Teilchen durch einen Nickel-Überzug verbessert wird. Durch Aufbringen eines rauh texturierten Nickel- Überzuges mit schartigen Kanten weisen die mit Metall überzogenen Teilchen mechanische Verriegelungs-Einrichtungen auf, um die Schleifteilchen während der Schleifoperation festzuhalten. Der Metallüberzug liefert auch eine Einrichtung zur gleichmäßigen Übertragung von Wärme, die entlang der Oberflächen der Schleifteilchen während des Schleifens erzeugt wird. Metallschichten haben jedoch eine dürftige Haftung an Diamant.
Es ist im Stande der Technik auch bekannt, daß das Festhalten von Diamant in den Schleifwerkzeugen weiter dadurch verbessert wird, daß man die Teilchen mit mehreren Metallschichten, wie Molybdän, Titan, Niob, Zirkonium, Kupfer und Nickel versieht (vergleiche z.B. US-A- 4,435,189).
Das Überziehen der Teilchen mit Metall kann nach einer Vielfalt von Verfahren erfolgen, die von der Natur des Metallüberzuges abhängen. Der Metallüberzug kann bei hoher Temperatur mit bekannten Verfahren aufgebracht werden, wie durch chemisches Bedampfen, Abscheiden mit geschmolzenem Salz und Überziehen durch Pulver-Agglomeration. Der Hauptnachteil solcher Techniken ist es, daß die hohen Verfahrens-Temperaturen die Schleifteilchen signifikant beeinträchtigen können. Das vorerwähnte Problem der Beeinträchtigung kann etwas vermieden werden durch elektrolytisches, stromloses oder Abscheiden des Metallüberzuges auf den Schleifteilchen im Vakuum, doch bleibt noch ds Problem der dürftigen Haftung an Diamant.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Verbesserung der Haftung von Metallüberzügen an den Oberflächen von Diamant-Teilchen gerichtet.
Zusätzlich zu den vorerwähnten Diamant-Teilchen ist die vorliegende Erfindung auch auf einen Gegenstand gerichtet, der die Merkmale eines Wärmeaustauschers und einer Platte für gedruckte Schaltungen kombiniert. Platten für gedruckte Schaltungen wurden der vorherrschende Träger zum Montieren und Verbinden elektronischer Komponenten, die eingesetzt werden für die Herstellung einer erwünschten, elektronischen Schaltung, die eine deutliche Wärmemenge erzeugt. Die Platte für eine gedruckte Schaltung umfaßt üblicherweise eine Folie aus einem dielektrischen Substrat, das aus einem durch chemisches Bedampfen abgeschiedenen Diamantfilm besteht. Das Substrat ist mit einem Muster aus dünner Metallschicht versehen, die auf einer oder beiden Seiten als ein leitender Pfad wirkt. Die Pfade oder "Spuren" werden üblicherweise aus einem leitenden Material, wie Kupfer, Palladium, Nickel oder Gold, gebildet. Gemeinsam bilden die Spuren alle elektrischen Verbindungen zwischen Komponenten auf der Platte, und sie verlaufen zwischen den Stellen auf der Platte.
Diamantfilme sind für Substrate für gedruckte Schaltungen geeignet wegen ihres hohen, elektrischen Widerstandes, Wärmewiderstandes und ihrer Abmessungsstabilität sowie ihrer außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit. Diamantsubstrate werden jedoch nicht leicht mit einer stark haftenden Metallspur versehen. Die gedruckte Schaltung, d.h. der leitende Pfad aus plattiertem Metall, kann während der nachfolgenden Herstellungsstufen oder während des Einsatzes der gedruckten Schaltung beschädigt oder vom Substrat getrennt werden.
Zusätzlich wurden mit Metall überzogene Diamantfilme auch als Wärmesenken für elektrische Komponenten benutzt, die beträchtliche Wärmemengen erzeugen.

Darlegung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf ein Verfahren zum Verbessern der Haftung eines Überzuges aus Nickellegierung an einer Oberfläche eines Diamantgegenstandes, umfassend die Stufen des katalytischen Aktivierens der Oberfläche des Diamant; Eintauchens des Gegenstandes für eine wirksame Zeit in ein Bad zum stromlosen Plattieren, um die Oberfläche des Gegenstandes bis zu einer erwünschten Dicke zu Plattieren, wobei das Bad eine Verbindung von Nickel und eine Verbindung eines Übergangsmetalles umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Titan, Niob und Chrom; graduellen Erhitzens des stromlos plattierten Gegenstandes in einer nicht oxidierenden Atmosphäre von Raumtemperatur bis zu einer Behandlungs-Temperatur von etwa 50 bis 1.000ºC mit einer Rate von weniger als 20ºC/min und Haltens des stromlos plattierten Gegenstandes bei dieser Wärmebehandlungs-Temperatur, bis ein Grad der Haftung zwischen der Oberfläche und dem Überzug aus Metall-Legierung von mindestens 690 kPa (100 psi) erzielt ist.
Typischerweise wird ein Legierungsüberzug aus Nickel/Molybdän durch das vorgenannte Verfahren auf Diamant-Teilchen aufgebracht. Diese Teilchen werden dann gleichmäßig in einer Harzmatrix einer Schleifscheibe dispergiert und eingebettet, um die Schleifwirksamkeit zu verbessern.
Andere Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Ansprüche deutlich.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung ist auf die Verbesserung der Haftung von Metallüberzügen an Diamant-Oberflächen gerichtet. Die Diamant-Oberflächen werden stromlos mit einer Nickel-Legierung plattiert, die ein Übergangsmetall enthält, um die Benetzbarkeit der Diamant-Oberflächen sowie die Bildung einer chemischen Bindung zwischen der Nickel-Legierung und dem Diamant zu verbessern.
Im allgemeinen wird eine haftende Verbindung zwischen der Metallschicht und der Oberfläche des darunter liegenden Substrates durch den molekularen Grenzflächenkontakt zwischen der Metallschicht und der Oberfläche gebildet. Der molekulare Grenzflächenkontakt ist proportional der Benetzbarkeit der Oberfläche. Die Benetzbarkeit der Oberfläche wird als Kontaktwinkel eines Flüssigkeits-Tröpfchens auf einer Oberfläche definiert. Eine benetzbare Oberfläche hat einen spitzen Kontaktwinkel (weniger als 90º), während eine nicht benetzbare Oberfläche einen stumpfen Kontaktwinkel (mehr als 90º) aufweist.
Die Stufen der Erfindung sorgen für ein chemisches Modifizieren einer Oberfläche eines Diamant-Gegenstandes, wie von Diamant-Teilchen, um die Haftung einer Metallschicht darauf zu verbessern. In einem seiner Ausführungsformen sorgt das Verfahren dieser Erfindung für das nacheinander erfolgende Inberührungbringen der Oberfläche mit im folgenden offenbarten Lösungen.
Die Diamant-Oberfläche wird katalytisch aktiviert, um die stromlose Metallabscheidung zu gestatten. Die katalytisch aktivierte Oberfläche wird dann stromlos mit einer Metallschicht einer erwünschten Dicke plattiert. In nachfolgenden Stufen kann die stromlos plattierte Oberfläche elektrolytisch (elektroplattiert) oder stromlos mit einer anderen Schicht aus einem Metall plattiert werden, das dem darunter liegenden ähnlich oder das davon verschieden ist. Zwischen den Stufen werden normalerweise Spülstufen ausgeführt.
Der Begriff "Oberfläche" oder "Diamant-Oberfläche" bedeutet eine Oberfläche eines Diamantsubstrates, das in einem Gegenstand eingesetzt wird, wie Schleifteilchen, die in einer Schleifscheibe eingebettet sind, eine Substratplatte für eine gedruckte Schaltung oder eine Wärmesenke für elektrische Schaltungen. Typischerweise haben die aus Diamant hergestellten Schleifteilchen eine Siebgröße zwischen 320 und 30. Es ist dem Fachmann jedoch klar, daß die vorliegende Erfindung auch für Siebgrößen größer oder kleiner als die oben erwähnten geeignet ist.
Falls erforderlich, kann die Diamant-Oberfläche anfänglich mit einem Entfettungsmittel, wie einem Reinigungsmittel, einem geeigneten, organischen Lösungsmittel oder einer verdünnten Säure, entfettet werden. Typische Oberflächen-Reiniger, die für die Diamant-Oberfläche geeignet sind, sind Lösungsmittel, wie Freon TF 1,1,2-Trichlortrifluorethan, verdünnte Salpetersäure oder verdünnte Chlorwasserstoffsäure. Hinsichtlich der Umwelt sichere Reiniger, wie Shipley Acid Cleaner 1118, Micro, hergestellt durch die International Products Inc., Trenton, New Jersey, oder alkoholische Aminlösungen, wie SP-738, hergestellt durch die Chemical Solvents Inc., Cleveland, Ohio, sind jedoch häufig bevorzugt.
Der hier benutzte Begriff "entfettet" bedeutet ein Diamant-Substrat, dessen Oberfläche frei von Öl, Fingerabdrücken oder äußerlichem Material ist.
Die hier benutzten Begriffe "effektive Zeit, Temperatur und Konzentration" bezeihen sich auf eine Dauer, Temperaturgrade bzw. eine Konzentration, die erforderlich sind, um eine genügendes Ausmaß der Metallabscheidung auf der Oberfläche zu erzielen, das für ein erwünschtes Ergebnis erforderlich ist, und der Fachmann wird leicht realisieren, daß durch Manipulieren der Konzentrationen und der Temperaturen der verschiedenen, vorgenannten Reagenzien, die in der vorliegenden Erfindung benutzt werden, die Kontaktzeit für bestimmte Bearbeitungsbedingungen optimiert werden kann.
Es ist häufig brauchbar, die Aktivierung der Oberfläche durch Behandlung mit einem Zusatz zu beginnen, der die Absorption des Plattierungs-Katalysators unterstützt. Solche Additive sind im Stande der Technik bekannt. Beispielhafte Hilfsmittel zur Katalysator-Absorption schließen Shipley Cuposit 1175A Cleaner-Conditioner, eine Mischung von Ethanolamin und Triethanolamin, hergestellt durch die Shipley Company, sowie Metex 9420, ein Produkt der MacDermid Corporation, ein.
Das Eintauchen in etwa 0,1 bis etwa 5 Vol.-% eines dieser Mittel in Wasser für etwa 1 bis etwa 10 Minuten bei einer Temperatur von etwa 40ºC bis etwa 80ºC genügt üblicherweise. Vorzugsweise wird ein Shipley Cuposit 1175A-Bad, das bei etwa 55ºC gehalten wird und ein vom Hersteller empfohlenes Konzentrationsniveau von etwa 2,5 Vol.-% aufweist, benutzt.
Die Aktivierung der Oberfläche für Plattierungszwecke kann nach bekannten Verfahren des Standes der Technik erzielt werden. So kann, z.B., das Substrat mit einer Säurelösung eines Edelmetalles, wie Platinchlorid in Chlorwasserstoffsäure, für eine genügende Zeit in Kontakt gebracht werden, um die katalytische Aktivierung der Oberfläche zu verursachen.
Eine beispielhafte Aktivierungs-Technik schließt das Eintauchen der Oberfläche in eine Lösung von MacDermid D34C Pd, ein Produkt der MacDermid Corporation, ein. Diese Lösung schafft einen Palladium/Zinn-Plattierungs-Katalysator. Eine Wasserspülung folgt im allgemeinen auf die Aktivierungsstufe.
Nach der Oberflächen-Aktivierung und dem Spülen kann das stromlose Plattieren mit einem Nickellegierungs-Überzug erfolgen. Beispielhafte Bäder zum stromlosen Plattieren für die Erfindung umfassen ein konventionelles Nickel/Phosphor-Bad zum stromlosen Plattieren, wie AK 1000 , das durch die Allied Kelite Coporation vertrieben wird, vermischt mit einer Verbindung eines Übergangselementes. Der pH des Bades wird von etwa 8,5 bis etwa 10, vorzugsweise etwa 9, durch Zugabe eines Alkalimetallhydroxids eingestellt. NaOH ist bevorzugt. Beispielhafte Nickellegierungen, die zur Bildung des Metallüberzuges benutzt werden, schließen Übergangselemente, wie Molybdän, Wolfram, Titan, Niob oder Chrom ein. Molybdän ist bevorzugt. Ein bevorzugtes Bad zum stromlosen Plattieren umfaßt ein konventionelles Nickel/Phosphor-Bad, wie AK 1000 , vermischt mit Natriummolybdat in einer Konzentration von etwa 0,001 M bis etwa 0,100 M, vorzugsweise in einer Konzentration von etwa 0,01 M bis etwa 0,02 M. Ein anderes geeignetes Bad zum stromlosen Plattieren umfaßt ein konventionelles Nickel/Phosphor-Bad, wie AK 1000 , vermischt mit Natriumwolframat in einer Konzentration von etwa 0,01 M bis etwa 0,5 M, vorzugsweise in einer Konzentration von etwa 0,1 M bis etwa 0,3 M. Bäder zum stromlosen Plattieren sind im Stande der Technik bekannt, und sie werden allgemein in der "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Auflage, Band 8, beschrieben.
Die Auswahl eines speziellen Bades oder eines speziellen Verfahrens zum stromlosen Plattieren ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Der Inhalt des Bades und die speziellen Plattierungs-Parameter, z.B., Temperatur, pH und Eintauchzeit, hängen natürlich von der abgeschiedenen, speziellen Metall-Legierung ab. Eintauchzeiten, Badtemperaturen und andere Betriebsparameter können gemäß den Vorschlägen der Hersteller bestimmt und kontrolliert werden. Typischerweise kann das Bad durch Ultraschall oder eine Rühreinrichtung während des Plattierens der Diamant-Teilchen bewegt werden, um ein Überbrücken zwischen den einzelnen Teilchen zu verhindern. Es kann auch ein Fließbett benutzt werden, um das vorgenannte Überbrücken zu verhindern. Der Fachmann wird in der Lage sein, das geeignetste Plattierungs-Verfahren für eine spezielle Situation zu bestimmen.
Nach dem stromlosen Abscheiden der Metall-Legierung wird die mit Metall überzogene Diamant-Oberfläche dann einer Wärmebehandlung unterworfen. Während der Wärmebehandlung wird die Temperatur graduell in einer stationären, vorbestimmten Rate von einer ersten Temperatur bis zu einer Wärmebehandlungs-Temperatur erhöht, um ein Zusammenballen der Metallschicht zu verhindern. Der Begriff "Zusammenballen" ist definiert als ein Ablösen eines Metallüberzuges von einer darunter liegenden Oberfläche, wobei der Metallüberzug sich von der Oberfläche weg zusammenrollt unter Bildung einer ballartigen Gestalt. Die Temperatur wird in einer Rate von weniger als 20ºC/min, vorzugsweise in einer Rate von etwa 10ºC/min erhöht. Die erste Temperatur ist typischerweise eine Raumtemperatur von etwa 24ºC. Die Wärmebehandlung wird in einer nichtoxidierenden Atmosphäre ausgeführt, die einem Inertgas, vermischt mit etwa 5 bis etwa 10 Vol.-% Wasserstoff. Das Inertgas kann ausgewählt sein aus den Edelgasen der Gruppe XVIII des Periodensystems. Argon ist bevorzugt. Es sollte klar sein, daß Stickstoff wegen seiner Neigung zur Bildung von Nitrid mit den Übergangselementen, wie Molybdän, kein geeignetes Inertgas ist. Das Erhitzen des gesamten Gegenstandes, d.h. des Substrates mit dem Metall darauf, im Ofen genügt, obwohl irgendein Heizverfahren geeignet ist. Typischerweise wird diese Wärmebehandlung bei einer Wärmebehandlungs-Temperatur im Bereich von etwa 500ºC bis etwa 1.100ºC, vorzugsweise etwa 800ºC bis etwa 1.000ºC, für etwa 25 bis etwa 120 Minuten ausgeführt, wobei höhere Temperaturen innerhalb des obigen Bereiches im allgemeinen eine kürzere Dauer kompensieren und umgekehrt. Obwohl der Mechanismus nicht voll verstanden ist, scheint die Wärmebehandlung die Bildung der chemischen Bindung zwischen der Diamant-Oberfläche und der Metallschicht zu verbessern.
Soll eine andere Metallschicht auf die stromlos mit Metall überzogene Oberfläche aufgebracht werden, z.B. durch Elektroplattieren, dann kann die vorbeschriebene Wärmebehandlung in einigen Fällen weggelassen werden, wenn diese Wärmebehandlung nach der endgültigen Plattierungsstufe ausgeführt wird, wie unten beschrieben. Bevorzugte Ausführungsformen schließen jedoch eine Wärmebehandlung vor der Abscheidung der zusätzlichen Metallschichten ein.
Obwohl ein stromloses Plattieren das bevorzugte Aufbringverfahren für die zweite Metallschicht ist, kann auch ein Elektroplattieren benutzt werden. Das Substrat wird vor dem Eintauchen in das Elektroplattierungs-Bad üblicherweise gereinigt. Das Reinigen kann erfolgen durch Spülen des Substrates mit einer verdünnten Lösung einer starken Säure, wie 10 Vol.-% Chlorwasserstoffsäure in Wasser.
Bäder zum Elektroplattieren sind im Stande der Technik bekannt, und sie sind, z.B., in der US-PS 4,555,315 beschrieben, obwohl das im Einzelfalle benutzte Bad zum Elektroplattieren für die vorliegende Erfindung nicht kritisch ist. Die Auswahl hängt natürich zum Teil von dem speziell abgeschiedenen Metall ab. Geeignete Metalle schließen Nickel, Kupfer, Cobalt, Silber, Palladium, Platin und Gold ein. Weiter wird der Fachmann erkennen, daß der spezielle Badinhalt von einigen der Faktoren abhängen wird, die für das stromlose Abscheiden von Metall, das oben beschrieben wurde, in Betracht gezogen wurden. Typischerweise wird das Bad zum Elektroplattieren von Kupfer bei einer Temperatur im Bereich von etwa 16ºC bis etwa 38ºC, mit einer Kathoden-Stromdichte im Bereich von etwa 11 A/m² (1 A/foot²) (ASF) bis etwa 889 A/m² (80 ASF) betrieben. Eine Beschreibung von Bädern zum Plattieren von Kupfer oder verschiedenen anderen Metallen ist in der oben angegebenen Enzyklopädie von Kirk-Othmer in Band 8, beginnend auf Seite 826, beschrieben. Zum Aufbringen einer Schicht benutzte Bäder schließen typischerweise einen wässerigen, sauren Kupferelektrolyten, wie solchen des sauren Kupfersulfat- oder sauren Kupferfluorborat-Typs, Halogenid-Ionen, wie Chlorid- und/oder Bromid-Ionen und verschiedene andere Komponenten, die im Stande der Technik bekannt sind, ein. Die Dicke dieser zweiten Metallschicht hängt natürlich vom erwünschten Endeinsatz des metallüberzogenen Substrates ab.
Die aus einer elektrolytischen Lösung ohne chemische Zusätze, wie Verlaufmittel und Aufheller, aufgebrachte Metallschicht hat üblicherweise ein knötchenförmiges und etwas rauhes Aussehen. Eine solche Oberflächentextur ist auf Diamant-Teilchen, die in Schleifwerkzeugen eingesetzt werden, erwünscht, weil eine solche rauhe Oberflächentextur das Festhalten der Diamant- Teilchen in der Matrix des Schleifwerkzeuges verbessert. Während eine solche Oberfläche für den vorerwähnten Einsatz geeignet sein mag, ist eine glatte Oberfläche für andere Einsatzzwecke, wie eine Platte für eine gedruckte Schaltung, erwünscht.
Ein glatte Oberfläche kann durch die Abscheidung einer zweiten elektrolytischen Schicht, die chemische Zusätze enthält, auf der ersten rauhen, elektrolytischen Schicht erzielt werden. Das zum Aufbringen dieser Schicht benutzte Bad wird hier manchmal als ein "Additiv"-Bad bezeichnet. Wenn eine glatte Oberfläche erwünscht ist, ist es bevorzugt, das Additiv-Bad für die erste elektrolytische Schicht zu benutzen.
Ein Ätzmittel wird häufig vor dem Abscheiden dieser zweiten elektrolytischen Schicht benutzt. Ein typisches Beispiel des Ätzmittels ist eine verdünnte Lösung einer starken Säure wie Chlorwasserstoffsäure in Wasser bei einer Konzentration von 50 Vol.-%. Das Substrat wird in das vorgenannte Ätzmittel für etwa 10 bis etwa 120 Sekunden eingetaucht. Auf die Ätzstufe folgt üblicherweise ein Spülen mit entionisiertem Wasser. Das Substrat ist nun fertig für das weitere Plattieren. Das elektolytische Bad für die zweite elektrolytische Schicht kann eines der im Stande der Technik bekannten, konventionellen Bäder sein.
Diese Bäder enthalten wirksame Mengen von Aufhellern und Verlaufmitteln, sowie andere Zusätze, die im Stande der Technik bekannt sind, und, z.B., in "Decorating Plastics", herausgegeben von James M. Margolis, Hanser Publishers, 1986; von J.D. Reid und A.P. David in "Plating and Surface Finishing", Januar 1987, Seiten 66-70; in "Modern Electroplating", herausgegeben von Frederick A. Lowenheim, 3. Auflage, John Wiley and Sons, Inc. und in der GB-A-2 123 036 von D. Morrissey et al. beschrieben sind.
Beispiele anderer chemischer Zusätze sind Entspannungsmittel, Depolarisatoren, Plattierungs-Suppressoren und Benetzungsmittel sowie Mittel zum Härten, Kornverfeinern, Vermindern von "Bäumen" und zum Begrenzen der Stromdichte. Der hier benutzte Begriff "chemische Zusätze bzw. Additive" soll daher jedes der oben erwähnten Mittel einschließen.
Nach dem Abscheiden der zweiten elektrolytischen Schicht wird die Oberfläche wieder mit Wasser gespült, und sie kann einer zweiten Wärmebehandlung zur weiteren Verbesserung der Adhäsion der Metallschichten am Substrat unterworfen werden. Eine typische Wärmebehandlung für diese Stufe schließt Temperaturen im Bereich von etwa 100ºC bis etwa 500ºC für eine Zeitdauer im Bereich von etwa 5 Minuten bis etwa 20 Stunden ein.
Das Ergebnis der zweiten elektrolytischen Abscheidung kann eine glatte, glänzende Metallschicht sein, die durch ein hohes Ausmaß der Haftung an der Diamant-Oberfläche charakterisiert ist.
In den bevorzugten Ausführungsformen hat ein durch das Verfahren dieser Erfindung hergestellter Gegenstand einen ersten stromlos aufgebrachten Metallüberzug von etwa 0,25 µm bis etwa 3 µm Dicke, eine zweite stromlos aufgebrachte Metallschicht von etwa 5 µm und eine dritte, falls erwünscht, stromlos aufgebrachte Metallschicht von etwa 5 µm Dicke. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Schichten verschiedener Metalle in Betracht zieht, und es ist nicht davon auszugehen, daß die Erfindung auf gerade drei oder weniger Metallschichten beschränkt ist.
Ein nach dem Verfahren dieser Erfindung hergestellter Gegenstand umfaßt eine Diamant- Oberfläche, die eine Metallschicht aufweist, die mit einem auf einer solchen Oberfläche angeordneten Übergangsmetall legiert ist. Die Metallschicht umfaßt einen stromlos aufgebrachten ersten Metallüberzug auf der Diamant-Oberfläche. Zusätzliche, sekundäre Metallschichten können stromlos oder elektrolytisch auf den ersten Metallüberzug aufgebracht werden, bis eine erwünschte Dicke erzielt ist. Die vorliegende Erfindung umfaßt verschiedene Kombinationen von Metallschichten, wie eine einzelne Nickel/Molybdän-Legierungsschicht, eine primäre Nickel/Molybdän-Legierungsschicht, gefolgt von einer sekundären Nickel/Phosphor-Schicht oder eine primäre Nickel/Molybdän- Legierungsschicht, gefolgt von einer sekundären Kupferschicht und einer tertiären Goldschicht.
Ein Gegenstand der bevorzugten Ausführungsform ist ein Gegenstand, wie metallüberzogene Diamant-Schleifteilchen, die in eine Harzmatrix eines Schleifwerkzeuges, wie einer Schleifscheibe, eingebettet sind, wobei die Teilchen-Oberflächen stromlos mit einem ersten Nickel/Molybdän-Legierungsüberzug nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung versehen sind. Eine zweite Metallschicht, vorzugsweise aus Nickel/Phosphor, kann auf den ersten Metallüberzug aufgebracht werden, wobei die zweite Schicht stromlos oder elektrolytisch auf die erste Schicht aufgebracht wird. Wie oben bemerkt, wird die zweite Schicht vorzugsweise durch stromlose Metallabscheidung aufgebracht. Die kombinierte Dicke der Metallschichten wird auf eine erwünschte Dicke eingestellt, die genügt, um der Schleifwirkung zu widerstehen.
Andere Gegenstände sind metallüberzogenes Diamant-Substrat, das als eine Wärmesenke für elektrische Komponenten benutzt wird, oder eine Platte für eine gedruckte Schaltung mit einem durch chemisches Bedampfen aufgebrachten Diamantfilm als Substrat. Das Substrat ist mit leitenden Metallspuren versehen, die auf dem Substrat abgeschieden sind, um elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Komponenten, die auf der gedruckten Schaltungsplatte angeordnet sind und äußeren, elektrischen Einrichtungen zu bilden. Die Oberflächen der vorgenannten Gegenstände haben metallische Schichten, die durch das hier offenbarte Verfahren abgeschieden sind.
Die vorliegende Erfindung wird durch die Veranschaulichung mittels der folgenden spezifischen Beispiele weiter verstanden werden.

BEISPIEL 1

200 ml eines Lösundsbades zum stromlosen Abscheiden von Ni/Mo wurden hergestellt durch Hinzugeben von 0,015 M Natriummolybdat zu einem Standard AK 1000 Ni/P-Bad zum stromlosen Abscheiden, das durch die Allied Kelite Corporation vertrieben wird. Der pH des Bades wurde unter Einsatz von NaOH auf 9,0 eingestellt. Das Bad wurde während des Plattierens bei 85ºC gehalten.
Drei Substrate von 2,54 cm x 2,54 cm (1" x 1") von durch chemisches Bedampfen aufgebrachten Diamantfilmen wurden erst durch Anordnen derselben in einer Lösung von MacDermid D34C Pd für 4 Minuten bei 25ºC aktiviert, gefolgt vom Waschen in entionisiertem Wasser und dann Trocknen in Luft.
Das erste Diamant-Substrat wurde dann im Plattierungsbad angeordnet. Die Plattierungszeit betrug 20 Minuten. Der Ni/Mo-Überzug auf dem ersten Diamant-Substrat hatte eine Dicke von 2,0 µm. Die Substratprobe wurde graduell in einer nicht oxidierenden Atmosphäre aus 7% Wasserstoff/93% Argon mit einer Geschwindigkeit von 10ºC/min auf 975ºC erhitzt und dann 1 Stunde wärmebehandelt.
Die Haftung wurde mit einem Sebastian-Adhäsionstester Modell I, vertrieben durch die Quad Group, Santa Barbara, California, gemessen. Der Adhäsionstester mißt die Kraft in kPa (pounds per square inch) (psi), die erforderlich ist, um einen standardisierten, mit Epoxyharz überzogenen Stift von der Testoberfläche wegzuziehen. Der standardisierte, mit Epoxyharz überzogene Stift wird durch die Quad Group, Spokane, Washington, vertrieben. Die Epoxyoberfläche des Stiftes wurde gegen die Testoberfläche gehalten und dann gemäß dem Standard-Testverfahren erhitzt, um das Härten des Epoxyharzes bis zu einem Standard-Adhäsionsniveau zu gestatten. Das Standardverfahren spezifiziert das Erhitzen des Stiftes mit einer daran angebrachten Testprobe für 1 Stunde bei 150ºC. Die Adhäsionskraft, die erforderlich ist, um den Ni/Mo-Überzug vom Stift abzutrennen, betrug mehr als 25.530 kPa (3.700 psi). Bei diesem Kraftniveau trennte sich der Stift von der Epoxyseite der Ni/Mo-Schicht, die an der Substratseite verblieb. Die Ni/Mo-Schicht auf dem ersten Substrat zeigte bei der Untersuchung unter einem Raster-Elektronenmikroskop eine glatte, gut benetzte Oberfläche. Der Ni/Mo-Überzug wurde von dem Diamant-Substrat abgelaugt und durch Atomabsorptions-Spektroskopie analysiert, um seine Zusammensetzung zu bestimmen. Der Ni/Mo- Überzug hatte eine Zusammensetzung von 15,8% Mo, 83,4% Ni, 0,8% P.
Zum Vergleich wurde das dritte Diamant-Substrat mittels des AK 1000 Ni/P-Bades ohne hinzugegebenes Mo oder W mit Nickel überzogen. Dieser Überzug zeigte ein vollständiges Zusammenballen des Nickels von der Diamant-Oberfläche nach der Wärmebehandlung und unter dem vorerwähnten Adhäsionstest, dieser Überzug trennte sich bei weniger als 690 kPa (100 psi) von der Diamant-Oberfläche des dritten Substrates.

BEISPIEL 2

200 ml eines Lösungsbades zum stromlosen Plattieren von Ni/Mo wurde hergestellt durch Hinzugeben von 0,20 M Natriumwolframat zu einem Standard AK 1000 Ni/P-Bad zum stromlosen Plattieren, vertrieben durch die Allied Kelite Corporation. Der pH des Bades wurde mittels NaOH auf 9,0 eingestellt. Das Bad wurde während des Plattierens bei 85ºC gehalten. Das zweite aktivierte Diamant-Substrat, das durch die in Beispiel 1 beschriebenen Stufen aktiviert worden war, wurde dann in dem Plattierungsbad angeordnet. Die Plattierungszeit betrug 5 Minuten.
Der Ni/W-Überzug auf dem zweiten Diamant-Substrat war 3,0 µm dick. Die Substratprobe wurde graduell in einer nicht oxidierenden Atmosphäre von 7% Wasserstoff/93% Argon mit einer Geschwindigkeit von 10ºC/min auf 975ºC erhitzt und dann 1 Stunde lang wärmebehandelt.
Die Haftung wurde dann mit dem Sebastian-Adhäsionstester Modell I, der in Beispiel 1 beschrieben ist, gemessen. Die Adhäsionskraft, die erforderlich war, um den Ni/W-Überzug vom Stift abzutrennen, betrug mehr als 6.900 kPa (1.000 psi). Der Ni/W-Überzug zeigte gewisse Anzeichen des Zusammenballens. Der Überzug wurde vom Diamant-Substrat abgelaugt und durch Atomabsorptions-Spektroskopie analysiert, um seine Zusammensetzung zu bestimmen. Der Ni/W-Überzug hatte eine Zusammensetzung von 3,8% W, 92,0% Ni, 4,2% P.
Zum Vergleich wurde das dritte Diamant-Substrat mittels des AK 1000 Ni/P-Bades ohne Zugabe von Mo oder W mit Nickel überzugen. Dieser Überzug zeigte nach der Wärmebehandlung und unter dem vorerwähnten Adhäsionstest ein vollständiges Zusammenballen des Nickels von der Diamant-Oberfläche, dieser Überzug trennte sich bei weniger als 690 kPa (100 psi) von der Diamant-Oberfläche des dritten Substrates.

BEISPIEL 3

Ein Ansatz von 20 g Diamant-Pulver mit einer Maschengröße 120/140 wurde 4 Minuten bei 25ºC in MacDermid D34C Pd Katalysator suspendiert, dann in entionisiertem Waser gespült und luftgetrocknet. Die Diamant-Teilchen wurden in 1500 ml des in Beispiel 1 beschriebenen Ni/Mo-Bades angeordnet. Das Diamant-Pulver wurde nach dem stromlosen Plattieren mit dem Ni/Mo-Bad in entionisiertem Wasser gespült, dann filtriert und luftgetrocknet. Das stromlos plattierte Diamant- Pulver wurde dann 1 Stunde in 7% Wasserstoff/93% Argon wärmebehandelt. Die Temperatur wurde graduell mit einer stationären Geschwindigkeit von 10ºC/min auf 975ºC erhöht. Das wärmebehandelte Diamant-Pulver wurde dann unter einem Raster-Elektronenmikroskop untersucht. Die Untersuchung zeigte Diamant-Pulverteilchen mit einem gleichmäßigen, gut benetzten Überzug. Der Ni/Mo-Überzug wurde in einem konventionellen Säurebad von dem Diamant-Pulver entfernt und durch Atomabsorptions-Spektroskopie auf seine Zusammensetzung untersucht. Die Ni/Mo- Zusammensetzung war identisch der von Beispiel 1. Die Dicke des Ni/Mo-Überzuges wurde aufgrund der Gewichtszunahme unter Annahme gleichmäßiger Bedeckung errechnet. Sie wurde zu 0,9 µm bestimmt. Die mit Ni/Mo überzogenen Diamant-Teilchen wurden dann stromlos mit einer zweiten Schicht in AK 1000 Ni/P-Bad für eine genügende Zeit plattiert, um 56 Gew.-% eines Nickelüberzuges zu erhalten. Dieses Diamant-Pulver wurde dann in einer Schleifscheibe benutzt. Die Teilchen des Diamant-Pulvers zeigten eine gute Haftung an dem Ni/Mo-Bindeüberzug und dem Ni/P-Decküberzug.

Claims

1. Verfahren zum Verbessern der Haftung eines Überzuges aus Nickellegierung an einer Oberfläche eines Diamantgegenstandes, umfassend die Stufen:

katalytisches Aktivieren der Oberfläche des Diamant;

Eintauchen des Gegenstandes für eine wirksame Zeit in ein Bad zum stromlosen Plattieren, um die Oberfläche des Gegenstandes bis zu einer erwünschten Dicke zu Plattieren, wobei das Bad eine Verbindung von Nickel und eine Verbindung eines Übergangsmetalles umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Titan, Niob und Chrom;

graduelles Erhitzen des stromlos plattierten Gegenstandes in einer nicht oxidierenden Atmosphäre von Raumtemperatur bis zu einer Behandlungs-Temperatur von etwa 50 bis 1.000ºC mit einer Rate von weniger als 20ºC/min und

Halten des stromlos plattierten Gegenstandes bei dieser Wärmebehandlungs-Temperatur, bis ein Grad der Haftung zwischen der Oberfläche und dem Überzug aus Metall-Legierung von mindestens 690 kPa (100 psi) erzielt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Nickel mit Phosphor legiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend das Abscheiden einer stromlos oder elektrolytisch aufgebrachten, zweiten Metallschicht auf dem Metall-Legierungsüberzug.

4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin das Bad bei einem pH von etwa 8,5 bis etwa 10 gehalten wird.

5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die Wärmebehandlungs-Temperatur etwa 800 bis etwa 1.000ºC beträgt.

6. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die vorbestimmte Rate etwa 10ºC/min beträgt.

7. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin der Diamantgegenstand eine Schleifscheibe ist, die weiter gleichmäßig dispergierte und eingebettete Diamant-Schleifteilchen, die den Metallüberzug tragen, in einer harzartigen Matrix umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Diamantgegenstand ein Substrat einer gedruckten Schaltung ist, das den Metallüberzug in Form von Leiterbahnen aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Diamantgegenstand ein Substrat einer Wärmesenke für elektrische Komponenten ist, das den Metallüberzug trägt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 zum Verbessern der Haftung eines Überzuges einer erwünschten Dicke aus Nickellegierung an Oberflächen von Diamantteilchen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin das Bad zum stromlosen Plattieren während des Plattierens der Oberflächen gerührt wird, um ein Überbrücken der Teilchen zu verhindern.

12. Platte für gedruckte Schaltung, umfassend:

ein Substrat, hergestellt aus einem Film von durch chemisches Bedampfen abgeschiedenem Diamant;

einen stromlos aufgebrachten Überzug aus Nickellegierung, der auf einer aktivierten Oberfläche des Substrates angeordnet ist, wobei der Nickellegierungs-Überzug Nickel umfaßt, das mit einem Übergangsmatell, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Titan, Niob und Chrom, legiert ist und

eine elektrolytisch oder stromlos aufgebrachte zweite Metallschicht, die auf dem Nickellegierungs-Überzug angeordnet ist, wobei der Nickellegierungs-Überzug und die zweite Metallschicht ein Muster von Bahnen bilden, die elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Komponenten, die auf der gedruckten Schaltung angeordnet sind, und äußeren elektrischen Einrichtungen schaffen.