CN101809176A - 硬度、加工性及防污特性优良的铱合金 - Google Patents

Abstract

本发明是一种铱合金，该铱合金以作为添加元素的锆为必要元素，而且还添加有铝和/或铜，适合作为探针用的线材，其特征在于，锆的添加浓度为100～500ppm，铝和铜的总添加浓度为10～500ppm。根据本发明，对于将来要求进一步的微细化且使用环境严酷的探针用材料，能应对上述要求。

Description

硬度、加工性及防污特性优良的铱合金

技术领域

本发明涉及一种铱合金及其制造方法，该铱合金适合作为构成用于检查半导体集成电路等的电特性的探针的线材。

背景技术

半导体集成电路等的电特性的检查通过使探针与半导体集成电路等的多个电极座相接触来进行。对于探针的构成材料，要求用于确保能应对反复进行几百万次的检查的耐磨损性的硬度、用于抑制因氧化皮膜的产生而引起的检查对象物的污染的耐氧化性以及用于改善信号延迟的低比电阻等特性。作为以往使用的探针用材料，有使用铍青铜(Be-Cu)、磷青铜(Cu-Sn-P)、钨(W)的材料和使用在钯(Pd)中添加银(Ag)等而得的合金的材料等。

专利文献1：日本专利特开平10-038922号公报

专利文献2：日本专利特开平05-154719号公报

专利文献3：日本专利特开2004-093355号公报

上述现有材料不具备所要求的全部特性。即，铜合金和钨在机械性质方面足以满足要求，但却是比较容易氧化的材料，另一方面，钯合金在耐氧化特性方面良好，但在硬度等方面较差。

于是，铱作为探针的新的构成材料正受到关注。铱是耐氧化特性、电特性、耐电流性优良的金属，在硬度方面也足以满足要求，所以适合作为反复受到接触的探针的材料。

发明的揭示

但是，铱在某些方面也不足以满足将来探针所要求的特性。例如，近年的半导体集成电路等有因高密度化而导致电极座之间的窄间距化的倾向，所以要求使探针的线径微细。在这一点上，铱的硬度高，难以细线化，加工途中经常会断线，难以满足上述要求。

此外，对于探针，不仅要求上述的高密度化，而且也要求能应对电路的检查速度的提升，但检查速度的高速化使因摩擦而产生的负荷增大，可能会因此时的发热而导致强度下降。铱也会产生该问题，要求提高高温下的机械特性。

本发明是以上述事实为背景而完成的发明，提供一种探针用材料，该材料是将来要求进一步的微细化且使用环境严酷的材料，能应对上述要求。

本发明人为解决上述问题进行了认真研究，研究了通过在上述作为现有材料的纯铱中添加微量的添加元素来改善加工性等的可能性。而且，根据该研究，通过复合添加锆、铝、铜，可使铱具有作为探针用线材的良好特性。

即，本发明是一种铱合金，该铱合金以作为添加元素的锆为必要元素，而且还添加有铝和/或铜，适合作为探针用线材，其特征在于，锆的添加浓度为100～500ppm，铝和铜的总添加浓度为10～500ppm。

这些添加元素的微量添加有助于铱材料的晶粒的微细化，使加工性和高温强度提高。藉此，与纯铱相比，不仅本身的加工性良好，而且高温下的加工变得容易。其结果是，本发明的材料可加工成0.05～0.5mm的极细线，可应对探针的高密度化。此外，高温强度的上升有利于硬度的上升，其表面硬度在刚加工完的状态下为700Hv以上，即使接受了1000℃的热处理也能维持在600Hv以上。而且，即使因反复接触而导致温度上升达到高温，也不会磨损，能维持稳定的接触特性。

如上所述，添加于铱的添加元素是锆、铝、铜的组合。在这一点上，虽然仅以锆作为添加元素也有一定程度的效果，但在本发明中，为了进一步改善特性，添加铝和铜中的至少任一种。作为必要的添加元素优选锆的原因在于，锆不仅具有使晶粒微细化的作用，而且具有提高铱的重结晶温度的作用，因此适用于提升高温强度及确保高温下的加工性。

而且，以锆为必要的添加元素的同时添加铝和铜中的至少任一种的本发明中，将锆浓度设为100～500ppm，将铝浓度和铜浓度设为10～500ppm(铝和铜两者的总浓度)。另外，选择铝和铜中的至少任一种，是指添加铝和铜中的任一种或同时添加铝和铜。

上述各添加元素的下限值是用于发挥显著的加工性改善效果的最低限度的添加量。另一方面，之所以将添加元素(锆、铝、铜)的总添加量的上限设为1000ppm，是因为如果超过1000ppm，则加工性变差，在细线加工中可能会发生断线，而且即使可以细线化，在后续加工时也可能会发生开裂等。此外也是因为添加元素的过量添加会使比电阻提高，使电特性变差。添加元素的总添加量的更优选的上限值为600ppm，更好是400ppm。

适合作为本发明的探针用线材的铱合金通过下述方法制造：制造由添加有锆、铝、铜的规定组成的铱合金构成的锭、棒材，对其进行线材加工。具体而言，较好是由以下工序构成的方法。

(a)铸造由添加元素和剩余量的铱构成的合金，将铸造品制成棒材的工序，所述添加元素包括锆、铝和/或铜。

(b)对所述棒材进行热加工，制成线径0.5～1.0mm的线材的工序。

(c)对所述线材进行至少1次组合加工的工序，该组合加工是1000～1200℃下的退火和1道次以上的通电加热拉丝加工的组合。

(d)对通电加热拉丝后的线材进行至少1次组合加工的工序，该组合加工是900～1200℃下的退火和1道次以上的冷拉丝加工的组合。

上述制造工序中，对于铸造合金及锻造成棒材、以及将其制成线径0.5～1.0mm的线材(以下称为粗线材)，可采用公知的方法。本发明中，对于粗线材，通过组合进行通电加热拉丝和冷加工，可在确保材料硬度和抑制缺陷的同时加工出0.5mm以下的线材。下面对本发明的加工方法进行详细说明。

在合金的铸造中，由于铱的熔点高，因此采用电弧熔化、高频感应加热熔化等高能量密度的铸造法。锆浓度在铸造时进行调整，作为此时的原料的形态，可采用粉末状、小块状的原料。作为用于将合金铸造后的锭制成棒材的加工，可采用热锻和热轧，也可反复进行上述加工。作为截面为方形的棒材，该工序中的加工尺寸的标准为3～10mm左右见方(上面的工序(a))。

将棒材制成粗线材的工序(工序(b))中的加工是在将棒材退火后通过热加工将其制成线径0.5～1.0mm的线材。退火温度为1100℃～1300℃，较好是在非氧化性气体气氛中进行。作为热加工，优选镦锻(swaging)加工、拉拔(draw bench)加工，更优选它们的组合。此时，各加工可进行多道次。此外，该工序中可进行多次退火。例如，可以在退火后进行镦锻加工、拉拔加工，再次退火后进行拉拔加工，从而制成目标线径的线材。

工序(c)中进行的通电加热拉丝是指使被加工线材通过模具、加工辊的拉丝加工，从外部对被加工线材通电，将此时的电阻热作为用于确保加工性的热源。通电加热拉丝可通过调整所施加的电流来实现高温且均匀的加热，即使是高温强度高的含锆的铱合金，也能比较容易地进行加工。

作为本发明中进行的通电拉丝加工的条件，较好是将施加电流设为8.0～12.0mA。此外，作为加工构件，优选使用模具，加工率根据模具的孔径设定。较好是将每1道次的加工率设定为15～20％。此外，该拉丝加工中，较好是使用用于减小模具与被加工线材之间的摩擦的润滑剂，作为用于抑制断线和缺陷的润滑剂，优选使用碳粉末。

为了确保加工性，在通电加热拉丝前必须进行1000℃～1200℃下的退火，将退火和1道次以上的加工的组合作为1套，进行1套以上的加工处理。该通电加热拉丝工序中达到的线径的标准为0.2～0.8mm，特别是在最终要制造0.15mm以下的极细线的情况下，较好是将标准设为0.2～0.3mm。

冷拉丝工序(工序(d))是为了调整最终的线径和通过冷加工来赋予强度而进行的工序。该拉丝加工中，较好是将每1道次的加工率设定为4～10％。此外，该冷拉丝中，较好是使用菜籽油作为润滑剂。另外，为了确保加工性，在该拉丝加工前也必须进行900℃～1200℃下的退火处理。通过上述冷拉丝加工，可加工成线径0.05～0.5mm的线材。

附图的简单说明

图1是说明第一实施方式中的探针用线材的制造工序的图。

图2是说明用于耐污染特性评价的模拟试验装置的结构的图。

实施发明的最佳方式

下面对本发明的优选实施方式进行说明。本实施方式中，对适当地改变锆、铝、铜的添加量来制造铱合金并将其制成线材的加工的可行性进行研究。

图1所示为本实施方式中的探针用线材的制造工序。该制造工序大致分为熔化(铸造)工序、热加工工序、粗线材加工工序、通电加热拉丝工序、冷拉丝工序。下面对各工序进行说明。

<熔化工序>：按照规定组成称量纯铱粉末和添加元素(锆、铝、铜)的粉末并混合，将其电弧熔化，制成棒状的铱合金锭。

<热加工工序>：将上述棒状锭于1400℃热锻造，制成8mm见方的棒材。然后，用带沟的轧辊进行热轧制(温度1400℃)，制成5mm见方的线材。

<粗线材加工工序>：在加工前于1200℃在氮气气氛下进行30分钟的退火处理，进行热镦锻加工、拉拔加工。热镦锻加工是在对线材进行燃烧器加热的同时使其通过锻造机，进行10道次的上述操作，使线径达到3.04mm。接着，在对该线材进行燃烧器加热的同时通过拉拔机进行加工，进行20道次的上述操作，使线径达到1.90mm。然后，再次进行退火，进行20道次的拉拔加工，制成线径0.51mm的粗线材。

<通电加热拉丝工序>：用通电加热拉丝装置对经过以上工序加工而成的粗线材进行拉丝加工。在该通电加热拉丝装置中，一边从输送辊输送粗线材，一边使其通过模具来进行拉丝。此时的通电加热是将输送辊和模具作为电极通电，藉此对粗线材进行通电加热。另外，对模具单独加热。本实施方式中的加工条件是：电流9.5mA、输送速度2.72m/分钟。此外，在经过输送辊后立即在线材上涂布碳粉末。

在通电加热拉丝前，于1100℃在氮气气氛下进行30分钟的退火处理。然后在上述条件下进行4道次的拉丝加工。进行2次该退火和通电加热拉丝的组合，制成线径0.27mm的线材。

<冷拉丝工序>：于1100℃在氮气气氛下进行30分钟的退火处理，进行冷拉丝。进行10次热处理和冷拉丝的组合，最终制成线径0.1mm的线材。

本实施方式中，在以上的制造工序中，记录在为获得1批(全长300m)线材(线径0.1mm)而进行的加工中发生断线的次数。然后，对所制成的线材进行弯曲试验。该弯曲试验是进行将线材弯成90°然后恢复的动作直至断线，测定发生断裂的弯曲次数。然后，对于所制成的线材，用维氏硬度计测定刚制造完成时的表面硬度以及于1000℃进行30分钟的热处理后的表面硬度。上述研究结果示于表1～4。

[表1]

*单独添加Al、Cu、Zr

*1加工性评价：断线次数 线材加工中发生断线的次数

              弯曲次数 所制成的线材到发生断裂为止的弯曲次数

[表2]

*添加选自Al、Cu、Zr的两种元素

*1加工性评价：断线次数 线材加工中发生断线的次数

              弯曲次数 所制成的线材到发生断裂为止的弯曲次数

[表3]

*添加Al、Cu、Zr三种元素

*1加工性评价：断线次数 线材加工中发生断线的次数

              弯曲次数 所制成的线材到发生断裂为止的弯曲次数

[表4]

*Al、Cu、Zr的添加浓度在合适的范围外

*1加工性评价：断线次数 线材加工中发生断线的次数

              弯曲次数 所制成的线材到发生断裂为止的弯曲次数

由表1～表3的结果可知，例如表1的参考例1～12所述，添加有锆、铝、铜中的任一种的铱在加工途中的断线少，且线材在加工后也耐弯曲。此外，其硬度在刚加工完成时超过700Hv，即使受到了1000℃的热处理也能维持在600Hv以上。因此可以确认，这些添加元素的单独添加具有提高加工性和强度的效果。

还可知，与本发明相关的实施例、即以100ppm以上的锆为必要元素、复合添加有10ppm以上的铝和铜中的至少任一种的铱合金具有超越上述参考例的铱合金的特性，是极好的材料(表2、3)。但是，各元素的添加量低于下限值(锆100ppm，铝、铜10ppm)的铱合金(参考例13～20)中，其效果变弱。

相对地，由表4的比较例可知，添加元素量不足1ppm的铱合金不仅加工性差，而且在硬度方面也有所不足，通过热处理可见明显的硬度下降。此外，添加元素的总浓度如果超过1000ppm，则即使硬度得到了改善，加工性也仍然很差。

另外，为了与本实施方式进行对比，不添加添加元素来制造纯铱锭，尝试通过与本实施方式相同的工序来制造细线。其结果是，到粗线材制造工序为止尚能进行加工，可使线径达到1.0mm。但是，在随后进行的用于通电加热拉丝的1000℃×30分钟的退火时，晶粒粗大化，形成组织，在随后的加工中频繁发生断线，无法加工成细线。

接着，对从上述实施例和比较例中任意选择的细线进行切割和前端加工，制成探针，对反复接触下的耐污染特性进行研究。如上所述，对探针来说，由于存在反复使用下探针本身的氧化皮膜形成、来自接触对象的异物的附着这样的污染问题，因此对污染的耐性也成为重要的特性。

该耐污染特性的评价采用图2所示的模拟试验装置进行。该试验中，将制成的探针设置于装置中，在下述条件下反复接触并同时测定电阻。试验中，电阻随着接触次数的增加而上升，将超过5Ω的时刻作为因污染而需要清洗的时刻，测定到此时为止的接触次数。接触电阻超过5Ω为止的接触次数的测定结果示于表5。另外，表5中也一并示出了作为现有材料的钨的试验结果。

试验条件

·接触对象，铝垫

·接触压力：8g/1个探针

·施加电流：100mmA/1个探针

[表5]

*2接触次数：接触电阻超过5Ω为止的接触次数

由表5可以确认，由各实施例的材料构成的探针相对于作为现有材料的钨，到需要清洗为止的接触次数在150倍以上，具有极高的耐污染特性。在这一点上，可知虽然在比较例1、5中也可见耐污染特性改善的效果，但与各实施例相比较差。由该模拟试验结果可以确认本发明的探针的高耐污染特性，这即使是在实际的试验装置中也可实现探针的免清洗化(清洗频度的现象)，有利于总检查时间的大幅缩短。

产业上利用的可能性

如上所述，作为本发明的探针用线材，通过采用以锆、铝、铜为添加元素的铱合金，可实现高温强度的提升，确保加工性，实现在纯铱中无法实现的细线化和高强度化。利用本发明，可制造窄间距化的探针，而且即使在受到反复摩擦的使用环境中也能维持稳定的特性。

Claims (4)

1.一种铱合金，该铱合金以作为添加元素的锆为必要元素，而且还添加有铝和/或铜，适合作为探针用线材，其特征在于，

锆的添加浓度为100～500ppm，铝和铜的总添加浓度为10～500ppm。

2.如权利要求1所述的铱合金，其特征在于，添加元素的总浓度在600ppm以下。

3.一种探针，其特征在于，由权利要求1或2所述的铱合金构成。

4.权利要求1或2所述的探针用线材的制造方法，其特征在于，由下述工序构成：

(a)铸造由添加元素和剩余量的铱构成的合金，将铸造品制成棒材的工序，所述添加元素包括锆、铝和/或铜；

(b)对所述棒材进行热加工，制成线径0.5～1.0mm的线材的工序；

(c)对所述线材进行至少1次组合加工的工序，该组合加工是1000～1200℃下的退火和1道次以上的通电加热拉丝加工的组合；

(d)对通电加热拉丝后的线材进行至少1次组合加工的工序，该组合加工是900～1200℃下的退火和1道次以上的冷拉丝加工的组合。

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