CH669211A5

CH669211A5 - Kupfer-chrom-titan-silizium-legierung und ihre verwendung.

Info

Publication number: CH669211A5
Application number: CH2678/86A
Authority: CH
Inventors: Wolfgang Dr Duerrschnabel; Franz Dr Puckert; Heinrich Dr Stueer; Max Bletschacher
Original assignee: Wieland Werke Ag
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1986-07-03
Publication date: 1989-02-28
Also published as: US4678637A; JPH057450B2; GB2178448A; IT8667613A0; GB2178448B; FR2585727A1; FR2585727B1; GB8615133D0; IT1195108B; SE8603194D0; JPS6260837A; SE8603194L; SE458450B; IT8653710V0

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung sowie ihre Verwendung.

Es besteht ein grosser Bedarf an Kupfer-Legierungen für elektrische Anwendungszwecke. Diese Legierungen werden unter anderem benötigt als Werkstoffe für elektronische Bauteile, insbesondere Halbleiterträger für Transistoren, integrierte Schaltungen od. dgl., und Teile für die Autoelektrik.

Werkstoffe für elektronische Bauteile, insbesondere Halbleiterträger der genannten Art (sogenannte lead frames), müssen besondere Eigenschaftskombinationen aufweisen:

a) die elektrische und thermische Leitfähigkeit sollte möglichst hoch sein (etwa oberhalb 65% IACS);

b) es wird eine hohe mechanische Festigkeit bei gleichzeitig ausreichender Biegbarkeit gefordert;

c) es wird darüber hinaus eine hohe Erweichungsbeständigkeit gefordert. Ein Mass für die Erweichungsbeständigkeit ist dabei die sogenannte Halbhärtetemperatur TH, die aus der Erweichungskurve (Vickershärte HV als Funktion der Glühtemperatur T) gewonnen wird. Dabei ist die Halbhärtetemperatur TH dem Wert

HV - HV •

TTy I AAYmax AX"min rivmin"r" 2

zugeordnet;

d) es werden in zunehmendem Masse homogene Werkstoffe gefordert, d.h. Werkstoffe, deren Gefüge keine groben Ausscheidungen oder Einschlüsse enthält. Damit erreicht man einerseits eine einwandfreie Verbindung zwischen den sogenannten Bonddrähten und dem Halbleiterträger und andererseits, wenn für die weiteren Verarbeitungsschritte notwendig, eine gute galvanische oder chemische Oberflächenveredelbarkeit.

Für den genannten Anwendungsfall werden bisher in grossem Umfang u.a. Eisen-Nickel-Legierungen oder Kupfer-Legierun-gen, wie beispielsweise CuFe2P (C 19400) oder CuFeSnP (C 19520) eingesetzt. Auch bei den genannten Kupferlegierungen lassen insbesondere noch die elektrische Leitfähigkeit und wegen des relativ hohen Legierungsanteils, der teilweise zu unerwünscht groben Ausscheidungen führt, auch die Homogenität der Werkstoffe zu wünschen übrig.

Für Anschlussteile in der Autoelektrik wird wegen der hohen Strombelastung ein Werkstoff mit möglichst hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit und damit ausreichender mechanischer Stabilität sowie gegenüber Messinglegierungen verbesserter Korrosionsbeständigkeit gefordert. Darüber hinaus sollte der Werkstoff kostengünstig herzustellen sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung anzugeben, welche insbesondere für die genannten 5 Anwendungsgebiete besonders günstige Eigenschaften bei einem vergleichsweise niedrigen Preis aufweist.

Die Aufgabe wird erfmdungsgemäss durch eine Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aus

10

0,10 bis 0,5% Chrom,

0,05 bis 0,5% Titan,

0,01 bis 0,1% Silizium,

Rest Kupfer und Verunreinigungen

15

besteht (die Prozentangaben beziehen sich dabei auf das Gewicht).

Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemässen Legierung werden weiter unten anhand eines Ausfuhrungsbei-20 spiels näher erörtert. Die Legierung ist zudem preisgünstig durch den geringen Gehalt an relativ billigen Legierungselementen und durch die einfache Fertigung.

Aus der DE-OS 1.758.055 lässt sich zwar eine Legierung mit 0,3 bis 7% Chrom und/oder Titan und 0,1 bis 3% Silizium herlei-25 ten, der Fachmann erhält jedoch daraus keine Anregung, den Sili-zium-Gehalt unter 0,1 % abzusenken. Solch geringe Silizium-Gehalte galten bislang als nachteilig für die Eigenschaftskombination dieser Legierungsgruppe.

Es ist zwar ferner aus der US-PS 2.189.198 eine Kupfer-3o Chrom-Titan-Silizium-Legierung mit etwa 0,1 bis 0,6% Chrom, etwa 0,6 bis 1,5% Titan und 0,1 bis 0,6% Silizium bekannt, besonders gute Ergebnisse werden dort jedoch mit einem Titangehalt von etwa 1% erzielt, so dass es insbesondere nicht nahelag, einen Titan-Gehalt unter 0,6% zu wählen.

35 Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäss Anspruch 2 besteht die Kupfer-Legierung aus 0,15 bis 0,4% Chrom; 0,1 bis 0,4% Titan; 0,02 bis 0,07% Silizium; Rest Kupfer.

Nur bei den nach Anspruch 1 und 2 angegebenen Mengenge-4o halten werden durch Kombination der in diesen Ansprüchen genannten Elementen die für Leadframe-Werkstoffe optimalen Eigenschaften erreicht.

Zusätze von Nickel, Zinn, Eisen, Kobalt einzeln oder in Kombination nach Anspruch 3 sind empfehlenswert. 45 Die erfindungsgemässe Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung wird vorzugsweise als Werkstoff für elektronische Bauteile, insbesondere Halbleiterträger für Transistoren, integrierte Schaltungen od. dgl. und Teile für die Autoelektrik verwendet.

Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbei-5o spiels näher erläutert:

Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung zweier erfmdungsge-mässer Legierungen (Nr. 1,2) sowie einer titanfreien Vergleichslegierung (Nr. 3):

55

Tabelle 1

Zusammensetzung der Proben (Angaben in Gew.-%)

Probenbezeichnung

Cr

Ti

Si

Cu

60 j

0,33

0,10

0,05

Rest

2

0,30

0,07

0,05

Rest

3

0,21

n.n.

0,10

Rest

65 n.n. = nicht nachweisbar

Die Legierungen 1, 3 wurden auf folgende Weise labormässig hergestellt:

In einem Tammann-Ofen wurde Kathoden-Kupfer bei etwa 1200° C unter Holzkohlenabdeckung erschmolzen. Anschliessend wurden die Legierungselemente Chrom und Silizium bzw.

Chrom, Silizium und Titan in Form geeigneter Vorlegierungen der Schmelze zugesetzt. Die Vorlegierungen enthielten 9,45% Chrom, 10,05% Silizium und 28,0% Titan in reiner Form. Nach vollständiger Auflösung der Legierungselemente wurde die Schmelze in einer Eisenkokille der Abmessung 25 x 50 x 100 mm vergossen. Anschliessend wurden die Gussblöcke bei 900°C/1 h homogenisiert und kontinuierlich an Luft abgekühlt. Dem Kaltwalzen auf eine Zwischendicke von 0,75 mm folgte eine Glühbehandlung bei 500°C/1 h sowie ein Beizen in verdünnter Schwefelsäure zur Entfernung der Zunderschicht. Nach einer Schlussabwalzung um 60% wurden die Zugfestigkeit, Halbhärtetemperatur, Vickershärte und die elektrische Leitfähigkeit ermittelt.

Ausserdem wurden dieselben Eigenschaften bei betriebsmäs-sig warm- und kaltgewalztem Bandmaterial aus der erfindungsge-mässen Legierung 2 nach einer Schlussabwalzung um 66%

geprüft.

Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Proben sind in Tabelle 2 zusammengestellt, zusammen mit den entsprechenden Werten für Legierungen aus dem Stand der Technik, welche der Literatur entnommen wurden (vgl. beispielsweise die Firmenschrift «Leadframe Materials from Tamagawa» (1983), insbesondere Seite 3, 4, 10, der Firma Tamagawa Metal&Machineiy Co., Ltd.).

Tabelle 2

Elektrische und mechanische Eigenschaften (Zustand hart; um 60% kaltverformt, Banddicke 0,3 mm)

Probenbe

(UNS-

Zugfestig

Halbhärte- Vickers-

elektrische zeichnung

Bezeich-

keit temperaturhärte

Leitfähigkeit

nung)

(N/mm2) Th(°C)

HV

(% IACS)

1

540

440

155

76

2*

590

440

175

75

CuFe2P

(C19400)

480

400

145

65

CuFeSnP

(C19520)

540

450

165

48

CuZnl5

(C23000)

450

380

135

37

3

460

360

140

63

* 66% Kaltverformung; Banddicke: 0,25 mm

Es zeigt sich, dass die erfindungsgemässen Legierungen 1 und

2 eine bedeutend höhere Leitfähigkeit als die Legierungen nach dem Stand der Technik aufweisen, wobei insbesondere die Legierung 2 auch unübertroffene Festigkeits- und Härtewerte erreicht.

Ein Vergleich der Werte der erfindungsgemässen Legierungen 1 und 2 mit denen der titanfreien Legierung 3 zeigt ferner den

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günstigen Einfluss des Titanzusatzes zu einer Kupfer-Chrom-Sili-zium-Legierung.

Die ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften der erfindungsgemässen Legierung ergeben sich durch extrem feine und homogen in der Kupfermatrix verteilte Ausscheidungen der beteiligten Legierungselemente Chrom, Titan und Silizium. Das Bild zeigt das Gefiige der erfindungsgemässen Legierung 2 im angelassenen Zustand bei einer Vergrösserung von 1000:1. Daraus ist ersichtlich, dass die sehr kleinen festigkeits- und leitfähigkeitsteigernden Ausscheidungsteilchen in der Grössenordnung von 1 um und darunter vorliegen.

Diese günstige Ausscheidungscharakteristik wird ohne die bei ausscheidungsbildenden Legierungen übliche spezielle Wärmebehandlung mit Wasserabschreckung und anschliessendem Anlassen erreicht. Sie bildet sich bei der für naturharte Kupferlegierungen üblichen Festigungsweise aus, die durch die Schritte Anwärmen, Warmumformen, Abkühlen an Luft, Kaltwalzen und Zwischenglühen im Wechsel gekennzeichnet ist. Die Legierung besitzt daher wesentliche fertigungstechnische Vorteile gegenüber den bisher bekannten Kupfer-Chrom-Silizium- bzw. Kupfer-Chrom-Titan-Legierungen.

Ohne Eigenschaftsverluste ist diese vereinfachte und damit billigere Fertigungsweise (ohne Abschreckbehandlung) nur mit der in den erfindungsgemässen Legierungen vorhandenen Kombination der Legierungselemente und deren niedrigen Gehalten zu erreichen. Bei höheren Anteilen der Legierungselemente Chrom, Titan und Silizium als den der erfindungsgemässen Legierung verschlechtert sich mindestens eine der genannten Eigenschaften, üblicherweise jedoch mehrere Eigenschaften gleichzeitig.

Eine besonders hervorzuhebende Eigenschaft der erfindungsgemässen Legierung ist die gute Biegbarkeit. Auch im walzharten Zustand sind bei höchsten Festigkeiten und Härten noch scharfkantige 90°-Biegungen sowohl senkrecht als auch parallel zur Walzrichtung ohne Rissbildung möglich. Dagegen weisen Kupfer-Chrom-Silizium- und Kupfer-Chrom-Titan-Legierungen der früher bekannten Zusammensetzung ein deutlich schlechteres Biegeverhalten auf. Für die ausgezeichnete Biegbarkeit der erfindungsgemässen Legierungen sind ebenfalls die feinen und homogen verteilten Ausscheidungsteilchen verantwortlich, da diese eine Rissfortpflanzung ins Bandinnere offensichtlich verzögern bzw. verhindern. Metallographische Untersuchungen ergaben, dass ein sich bildender Anriss nicht senkrecht zur Bandoberfläche weiterläuft, sondern etwa parallel zur Bandoberfläche umgelenkt wird, so dass lediglich eine gewisse Narbigkeit aber kein echter Riss entsteht. Dieses Biegeverhalten ist besonders bei sogenannten oberflächenmontierten Bauelementen (SMD) = surface-mounted devices von grosser Bedeutung, da die Anschlussbeinchen scharfkantig umgebogen werden und danach möglichst keine Rückfederung mehr zeigen sollen.

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

G

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Kupfer-Chrom-Titan-Silizium-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus 0,1 bis 0,5% Chrom; 0,05 bis 0,5% Titan; 0,01 bis 0,1% Silizium; Rest Kupfer und Verunreinigungen besteht.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus 0,15 bis 0,4% Chrom; 0,1 bis 0,4% Titan; 0,02 bis 0,07% Silizium; Rest Kupfer und Verunreinigungen besteht

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie insgesamt 0,1 bis 0,5% Nickel, Zinn, Eisen und/oder Kobalt enthält.

4. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Werkstoff für elektronische Bauteile.

5. Verwendung nach Anspruch 4 als Halbleiterträger für Transistoren und integrierte Schaltungen.

6. Verwendung einer Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Werkstoff für Teile für die Autoelektrik.