CN102140594A

CN102140594A - 一种高强高导高韧铜合金及其制备方法

Info

Publication number: CN102140594A
Application number: CN 201110058012
Authority: CN
Inventors: 晏弘
Original assignee: WUXI RIYUE ALLOY MATERIALS CO Ltd
Current assignee: WUXI RIYUE ALLOY MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: CN102140594B

Abstract

本发明涉及一种高强高导高韧铜合金及其制备方法。所述高强高导高韧铜合金，按重量百分比计，包括成分为：Ni(镍)，1.5-4.5％；Si(硅)，0.5-0.8％；Ce(铈)，0.01-0.3％；Hf(铪)，0.05-0.5％；余量为铜和不可避免的杂质。该铜合金组分合理，制备获得的铜合金具有强度高、导电性好、韧性强等优点，铜合金可用于集成电路，特别是大规模和超大规模集成电路框架以及各种电子产品接插件。所述铜合金的制备方法包括配料、真空熔炼、浇铸、冷轧和时效处理步骤。该制备方法排除了热轧工序，使加工工序更为简单。

Description

一种高强高导高韧铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体是涉及一种高强高导高韧铜合金及其制备方法。

背景技术

国内外用于集成电路和半导体的引线框架材料分为铁镍合金(Fe42Ni)和铜合金两大类。铁镍合金的强度和软化温度很高，但电导率和热导率很低，主要用于陶瓷和玻璃封装。铜合金由于优良的导电性和低廉的价格，进入二十一世纪以来，铜合金引线框架的消耗已占总量的90％。

对引线框架，电子设备的各种端子，连接件等所使用的铜合金除了要求具备高强度和高导电性外，更由于各种端子，连接器上引线数量的增加，小节距化的进展较快，要求电子部件具有高密度组装性和高可靠性。因此对电子部件所使用的材料也提出了加工性优良的要求。

在这些合金中，CuNiSi时效硬化型合金是典型的代表性合金，例如：C70250合金(Cu-3Ni-0.65Si-0.1Mg)、KLF1合金(Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn)、KLF125合金(Cu-3.2Ni-0.7Si-1.25Sn)等。这些合金典型的工艺一般为：铸锭-热轧-固溶处理-冷轧-时效处理，其加工工艺比较复杂，加工工艺的好坏直接影响产品的性能。

为了提高产品的性能，不少专利提出添加不同微量元素的方法：如WO2008123433A提出在CuNiSi合金基体上加入0.003-0.3％Cr；WO 2009123140Al提出在CuNiSi合金基体上加入＜0.2％Mg，0.2-1％Sn，0.2-1％Zn，1-1.5％Co，0.05-0.2％Cr。WO 2006101172A1提出在CuNiSi合金基体上加入0.5-2％Co；WO2008099892A1提出在CuNiSi合金基体中加入至少下列元素中的一种元素：0.1-0.3％Sn，0.085-0.2％Mg，0.01-5％Zn，0.01-0.5％Mn，0.001-0.3％Cr；US2010037996提出在CuNiSi合金基体中加入1-5％Zn，0.1-0.5％Sn，0.003-0.3％P；WO 2009123159提出在CuNiSi合金基体中加入0.01-0.2％Mg；0.05-1.5％Sn，0.2-1.5％Zn。这些微量元素的加入虽然在一定程度上改进了含金的性能，但由于没有改变合金的加工工艺，尚不足以使合金的性能有质的飞跃，无法在强度、导电性和韧性三个方面都达到足够的程度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种强度高、导电性好、韧性强的铜合金及其制备方法，该铜合金主要用于集成电路，特别是大规模和超大规模集成电路框架以及各种电子产品接插件。

按照本发明提供的技术方案：

一种高强高导高韧铜合金，其特征在于：按重量百分比计，所述铜合金包括成分为：Ni(镍)，1.5-4.5％；Si(硅)，0.5-0.8％；Ce(铈)，0.01-0.3％；Hf(铪)，0.05-0.5％；余量为铜和不可避免的杂质。

作为本发明的进一步改进，按重量百分比计，所述铜合金包括成分为：Ni(镍)，2-4％；Si(硅)，0.4-0.6％；Ce(铈)，0.02-0.15％；Hf(铪)，0.1-0.2％；余量为铜和不可避免的杂质。

本发明所述铜合金的特点在于：在CuNiSi合金基体上加入微量的Ce和Hf，Ce在合金中作用是：Ce进入铜液后能与合金中的部分元素反应，形成高熔点化合物，并以极细小的高熔点化合物颗粒悬浮于熔体之中，形成弥散的结晶核心，使晶粒变多、变小，从而细化晶粒；由于Ce的原子半径比铜原子大，比较容易填补铜或铜合金生长过程中晶粒新相的表面缺陷，生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而起细化晶粒的作用。同时Ce与铜中的杂质也会起反应，生产高熔点稀土化合物，进一步达到净化晶体和晶界的作用。Hf的作用与Ce类似，但两者共同作用的结果更为显著，从而可以大大改善了铜合金的整体性能，使其具有高的强度、良好的导电性和韧性。

一种高强高导高韧铜合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)配料：称取原材料，所述原材料中含有的化学成分及其重量百分比如下：Ni，1.5-4.5％；Si，0.5-0.8％；Ce，0.01-0.3％；Hf，0.05-0.5％；余量为铜；

(2)真空熔炼：将步骤(1)中称取的原材料放入真空熔炼设备中，在真空度为10-10-2Pa，温度为1250-1300℃的条件下真空熔炼，形成铜合金熔体；

(3)浇铸：将步骤(2)中获得的铜合金熔体浇注成扁锭，并快速冷却(水冷)到室温，以达到固溶处理的目的；

(4)冷轧：将步骤(3)中获得的扁锭冷轧成厚度为0.2-0.4mm的带材；

(5)、时效处理：将步骤(4)中获得的带材在400-500℃的温度下时效处理1-5小时。

作为本发明的进一步改进，所述配料步骤中的原材料包括：电解镍，其提供Ni元素；多晶硅，其提供Si元素；中间合金CuCe，其提供Ce元素和部分铜元素；中间合金CuHf，其提供Hf元素和部分铜元素；电解铜，其提供其余的铜元素。

作为本发明的进一步改进，所述真空熔炼步骤中的真空熔炼设备是真空感应炉。

作为本发明的进一步改进，所述真空熔炼步骤详细操作如下：将电解铜、电解镍和多晶硅加入真空熔炼设备中，调节真空熔炼设备的真空度至10-10-2Pa，然后加热至1250℃-1300℃下保温20-30分钟，使电解铜、电解镍和多晶硅完全熔融；然后加入中间合金CuCe和CuHf，继续保温8～12分钟，形成铜合金熔体。

本发明与现有技术相比，优点在于：合金组分合理，制备获得的铜合金具有强度高、导电性好、韧性强等优点，铜合金可用于集成电路，特别是大规模和超大规模集成电路框架以及各种电子产品接插件。本发明铜合金的制备方法排除了热轧工序，使加工工序更为简单。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种铜合金，按重量百分比计，包括的化学成分如下：Ni，3％；Si，0.6％；Ce，0.04％；Hf，0.1％；余量为铜和不可避免的杂质。

所述铜合金的制备方法如下：

(1)配料：根据上述的各化学成分的重量百分比，经计算，称取相应重量的电解铜、电解镍、多晶硅、中间合金CuCe(85Cu-15Ce)和中间合金CuHf(90Cu-10Hf)；

(2)真空熔炼：将称取的电解铜、电解镍和多晶硅加入真空感应炉中，调节真空感应炉的真空度至0.5Pa，然后加热至1250℃下保温25分钟，使电解铜、电解镍和多晶硅完全熔融；然后加入中间合金CuCe和CuHf，继续保温10分钟，形成铜合金熔体；

(3)浇注：将上一步骤获得的铜合金熔体浇铸在铸膜内，快速冷却(水冷)到室温，以达到固溶处理的目的，获得厚度为40mm，宽度为105mm铸锭；

(4)冷轧：将上一步骤获得的铸锭冷轧成厚度为0.3mm的带材；

(5)时效处理：将冷轧后的带材在450℃下时效处理150分钟，获得最终的铜合金。

对上述制备获得的铜合金进行测试，其性能如下：抗拉强度σ_b为720-750MPa，屈服强度σ_s为620-660MPa，延伸率δ为12-13％，弹性模量E为135-139KN/mm²，导电率为54.2％IACS。

实施例2

一种铜合金，按重量百分比计，包括的化学成分如下：Ni，2.6％；Si，0.75％；Ce，0.07％；Hf，0.15％；余量为铜和不可避免的杂质。

所述铜合金的制备方法如下：

(2)真空熔炼：将称取的电解铜、电解镍和多晶硅加入真空感应炉中，调节真空感应炉的真空度至10Pa，然后加热至1250℃下保温30分钟，使电解铜、电解镍和多晶硅完全熔融；然后加入中间合金CuCe和CuHf，继续保温10分钟，形成铜合金熔体；

(4)冷轧：将上一步骤获得的铸锭冷轧成厚度为0.4mm的带材；

(5)时效处理：将冷轧后的带材在420℃下时效处理300分钟，获得最终的铜合金。

对上述制备获得的铜合金进行测试，其性能如下：抗拉强度σ_b为730-750MPa，屈服强度σ_s为650-680MPa，延伸率δ为11.5-12.5％，弹性模量E为135KN/mm²，导电率为56％IACS。

实施例3

一种铜合金，按重量百分比计，包括的化学成分如下：Ni，3.3％；Si，0.55％；Ce，0.1％；Hf，0.12％；余量为铜和不可避免的杂质。

所述铜合金的制备方法如下：

(2)真空熔炼：将称取的电解铜、电解镍和多晶硅加入真空感应炉中，调节真空感应炉的真空度至0.01Pa，然后加热至1300℃下保温20分钟，使电解铜、电解镍和多晶硅完全熔融；然后加入中间合金CuCe和CuHf，继续保温10分钟，形成铜合金熔体；

(4)冷轧：将上一步骤获得的铸锭冷轧成厚度为0.2mm的带材；

(5)时效处理：将冷轧后的带材在500℃下时效处理60分钟，获得最终的铜合金。

对上述制备获得的铜合金进行测试，其性能如下：抗拉强度σ_b为700-730MPa，屈服强度σ_s为630-660MPa，延伸率δ为12-14％，弹性模量E为140KN KN/mm²，导电率为56％IACS。

上述实施例1～3获得铜合金与现有的C70250铜合金(抗拉强度σ_b＞655Mpa；屈服强度σ_s＞580Mpa；弹性模量E＝132KN/mm²；延伸率δ＞7％；导电率＞40％IACS)相比，已达到C70250铜合金的强度和导电性能，在加工工艺过程方面，取消了热轧和固溶处理，使加工工艺更为简便。

Claims

1.一种高强高导高韧铜合金，其特征在于：按重量百分比计，所述铜合金包括成分为：Ni，1.5-4.5％；Si，0.5-0.8％；Ce，0.01-0.3％；Hf，0.05-0.5％；余量为铜和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强高导高韧铜合金，其特征在于：按重量百分比计，所述铜合金包括成分为：Ni，2-4％；Si，0.4-0.6％；Ce，0.02-0.15％；Hf，0.1-0.2％；余量为铜和不可避免的杂质。

3.一种高强高导高韧铜合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(3)浇铸：将步骤(2)中获得的铜合金熔体浇注成扁锭，并快速冷却到室温，以达到固溶处理的目的；

(5)、时效处理：将步骤(4)中获得的带材在420-500℃的温度下时效处理1-5小时。

4.如权利要求3所述的高强高导高韧铜合金的制备方法，其特征在于：所述配料步骤中的原材料包括：电解镍，其提供Ni元素；多晶硅，其提供Si元素；中间合金CuCe，其提供Ce元素和部分铜元素；中间合金CuHf，其提供Hf元素和部分铜元素；电解铜，其提供其余的铜元素。

5.如权利要求3所述的高强高导高韧铜合金的制备方法，其特征在于：所述真空熔炼步骤中的真空熔炼设备是真空感应炉。

6.如权利要求3所述的高强高导高韧铜合金的制备方法，其特征在于：所述真空熔炼步骤详细操作如下：将电解铜、电解镍和多晶硅加入真空熔炼设备中，调节真空熔炼设备的真空度至10-10-2Pa，然后加热至1250℃-1300℃下保温20-30分钟，使电解铜、电解镍和多晶硅完全熔融；然后加入中间合金CuCe和CuHf，继续保温8～12分钟，形成铜合金熔体。