CN102782168A - 具有高强度和高传导性的铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜合金，所述铜合金通过适当地混合铜合金的成分而兼具有优于已知产品的拉伸强度和电传导性，由此所述铜合金适用于电气或电子部件，如端子、连接器、开关、继电器和类似物。具有高强度和高传导性的所述铜合金的成分包括：0.05～0.25wt%Fe、0.025～0.15wt%P、0.01～0.25wt%Cr、0.01～0.15wt%Si、0.01～0.25wt%Mg、余量为Cu和不可避免的杂质。此外，本发明涉及一种制备具有高强度和高传导性的铜合金的方法，所述方法包括以下步骤：获得所述成分的熔融金属，铸造熔融金属以获得锭块，将锭块在850～1000℃进行热轧，热轧产物冷却后进行冷轧，在400～600℃下退火1～10小时，以30～70%的压缩比对退火产物进行中间轧制，在500～800℃下热处理中间轧制产物30～600秒，以及以20～40%的压缩比对热处理产物进行最终轧制。

Description

具有高强度和高传导性的铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种适用于半导体引线框架（lead frame）材料、发光二极管（LED）引线框架材料等的铜合金，所述铜合金具有高传导性和高可加工性（workability），同时提高或保持了拉伸强度（tensile strength），并涉及制备所述铜合金的方法。
背景技术
通常，Cu-Fe-P合金被用作引线框架用的铜合金。例如，鉴于优异的强度和传导性，含有0.05~0.15wt%（重量百分比）Fe和0.025~0.04wt%P的铜合金(C19210)以及含有2.1~2.6wt%Fe、0.015~0.15wt%P和0.05~0.20wt%Zn的铜合金(CDA194)通常被用作国际标准铜合金。
然而，随着装置的制造朝高密度集成化的趋势或者制造更小型装置的趋势，除了电传导性和热传导性之外，还更强烈地需要具有诸如高延伸性和高可镀性之类的可加工性所需的优异表面状态的高传导性的铜合金。
尽管Cu-Fe-P合金的优点是高传导性，但为了高强度，也要增加Fe和P的含量，或者还要添加第三种元素，例如Sn、Mg、Ca等等。然而，尽管增加所述元素的含量提高了强度，但传导性不可避免地变差了。因此，对于根据制造具有大容量、小型化和高性能的半导体装置的趋势所要求的具有高传导性和高强度的良好平衡的铜合金，或者上述性质共存的铜合金而言，仅通过控制铜合金的成分来实现所述铜合金具有局限性。
日本公开专利第2001-244400号在实施例1中披露了一种由2.41wt%Fe、0.24wt%Zn、0.03wt%P和余量为Cu组成的铜合金，所述铜合金由以下步骤制成：通过使用上述成分的熔融金属的锭块来进行热加工和溶液处理，在最终通过辊直径大于100mm、辊压速度大于200mm/min以及辊油粘度超过0.05cm2/S的条件下，第一次冷轧，陈化处理（seasoning），最终冷轧（加工率50%），然后退火。
然而，如果Fe的含量超过2.4wt%，那么会发生如下问题：不仅诸如传导性等等之类的材料性质，而且诸如可铸造性之类的生产率方面也明显变差。实际上，上述专利文献的实施例1中的Cu-Fe-P组（group）铜合金具有63%IACS的电导率而不能确保高传导性，尽管所述铜合金具有530Mpa的相对高的拉伸强度。
日本公开专利第2000-178670号中披露了一种由总和为0.05~2.0wt%的Fe或Ni与P、大于5wt%的Zn、0.1~3.30wt%Sn和余量为Cu组成的铜合金，其中Fe或Ni与P(Fe/P、Ni/P、(Fe+Ni)/P的原子重量比为0.2~0.3，颗粒尺寸（grain size）控制在35μm以下，并且尺寸小于0.2μm的Fe-P复合物均匀分散。
然而，尽管由于高含量的Zn和Sn而增加了细小的沉积颗粒，但在实现不可避免地共存的Cu-Fe-P组铜合金方面存在问题。
日本公开专利第S63-161134号披露了一种由0.01~0.3wt%Fe、小于0.4wt%的P、1.5~5.0wt%Zn、0.2~1.5wt%Sn和余量Cu组成的铜合金。近来，随着电子元件变得小型化，电子元件的材料呈变薄的趋势，从而要求高强度。
然而，如果打算从上述专利中获得高强度的铜合金，则需要使冷轧的加工率提高，这造成了可加工性低的问题。
发明内容
技术问题
为了解决上述问题，本发明的目的是通过适当地混合铜合金的成分来提供一种铜合金，所述铜合金兼具有优于已知产品的拉伸强度和电传导性，由此所述铜合金适用于电气或电子部件，如端子、连接器、开关、继电器和类似物。
技术方案
为了实现这些目的以及其他的优点，根据本发明的意图，如本文所具体和概括描述的那样，一种用于电气和电子元件的高传导性和高强度的铜合金，按100wt%成分计，所述铜合金由0.05~0.25wt%Fe、0.025~0.15wt％P、0.01~0.25wt%Cr、0.01~0.15wt%Si、0.01~0.24wt%Mg以及余量Cu和不可避免的杂质组成。
并且，所述成分还可包括小于1.0wt%的Zn、Sn、Mn、Al和Ni中的至少一种。
本发明的具有上述成分的铜合金通过Fe颗粒分布和Fe与P的耦连（coupling），形成了在Cu基体中的Fe-P组沉积物，其中，如果Fe低于0.05%，则由于分布效果和沉积物形成的不足难以确保强度，而如果Fe超过0.25wt%，则由于过量含量的添加元素造成了超过合适量的沉积物，故难以确保作为引线框架要求的水平的70%IACS，从而导致不良的电传导性。
本发明的铜合金通过在Cu基体中耦连Cr和Si而形成Cr-Si组沉积物，改善了电传导性和强度，其中如果Cr的含量低于0.01wt%，则由于沉积物形成的不足难以确保强度和提高可加工性，而如果Cr的含量超过0.25wt%，则由于粗粒的Cr-Si组沉积物导致不良的传导性。
图3示出显示了铜基体中Cr-Si组沉积物的扫描电子显微镜照片。
本发明的铜合金通过在Cu基体中耦连Mg和P而形成Mg-P组沉积物，改善了电传导性和强度，其中如果Mg的含量低于0.01wt%，则由于沉积物形成的不足难以确保强度，而如果Mg的含量超过0.25wt%，则导致明显降低的电传导性或者不良的挠曲加工性并且生产成本提高。
图4示出了显示铜基体中Mg-P组沉积的扫描电子显微镜照片。
如果Si的含量低于0.01wt%，则由于在熔融、铸造和加热锭块步骤之后的步骤中沉积物形成的不足，本发明的铜合金不能有益于强度，而如果Si的含量超过0.15wt%，则本发明的铜合金也不表现出上述效果的改善，以及传导性的明显下降。
图2示出显示了铜基体中Mg-Si组沉积的扫描电子显微镜照片。
P是具有氧化作用的主要元素，与Fe和Mg形成沉积物，并且改善铜合金的强度或耐热性，其中，如果P的含量低于0.025wt%，则由于所述沉积物形成不足，不能获得足够的强度或耐热性，而如果P的含量超过0.15wt%，不仅传导性，而且耐热性、热可加工性以及压制可加工性都变差。
Fe、Mg和P的比为(Mg+Fe)/P=0.4~50，优选地，Fe、Mg和P的比为(Mg+Fe)/P=2~10。
Cr、Mg和Si的比为(Cr+Mg)/Si=0.1~50，优选地，Cr、Mg和Si的比为(Cr+Mg)/Si=1~10。
所述成分可包括小于1.0wt%的Zn、Sn、Mn、Al和Ni中的至少一种，其中所述元素影响电传导性和强度，并且如果所述元素添加超过1.0wt%，尽管强度提高，但电传导性下降。
并且，参见图1，本发明提供了一种制备高强度和高传导性的铜合金的方法，所述方法包括以下步骤：获得所述成分的熔融金属，铸造所述熔融金属以获得锭块（ingot），将所述锭块在850~1000℃进行热轧，冷却后进行冷轧，在400~600℃下退火（第一次退火）1~10小时，以30~70%的压缩比进行中间轧制（第二次冷轧），在500~800℃下热处理（第二次退火）30~600秒，再最终轧制（最终冷轧）缩至20~40%。
如果热轧中温度超过1000℃，则沉积物的形成反而变差，在温度低于800℃时也同样。
并且，尽管冷轧时的压缩比上限并没有特别的规定，但通常，在低于85%的范围内的加工率下会获得良好的结果。高加工率提高了轧机的负载。
第一次退火时的合适条件是400~600℃下历时1~10小时，其中，如果超过600℃，并且超过10小时，则温度和退火时间直接影响强度，并且高温和长退火时间反而显示出电传导性的降低，而如果温度低于400℃，并且退火时间低于1小时，则不足以确保沉积物或者再结晶。
在第二次冷轧中，如果冷加工率高于70%，则变形的材料量增加，并且挠曲加工性变差。与此相反，如果冷加工率低于20%，则不能获得足够的强度改善的效果。
第二次退火是去除变形退火，其中，如果在低于500℃退火的温度下进行退火并且退火时间小于30秒，则由压制造成的变形不能被充分去除，而如果在超过750℃的温度下进行退火并且退火时间超过600秒，则材料逐渐软化，不能获得预期的材料性质。
有益效果
因此，通过在Cu-Fe-P组合金中添加Mg、Cr和Si，获得了具有高传导性同时具有优于已知产品的高强度和高可加工性的铜合金，而不会使作为合金决定性特征的传导性有实质性变差，所述铜合金也没有表面缺陷，从而能够用作半导体引线框架材料和晶体管材料，并且能够用作具有高强度、高传导性和高可加工性材料的连接端子元件。
附图简要说明
图1示出显示了根据本发明优选实施方式制备铜合金的方法步骤的流程图。
图2示出显示了铜基体中Mg-Si组沉积的扫描电子显微镜照片。
图3示出显示了铜基体中Cr-Si组沉积的扫描电子显微镜照片。
图4示出显示了铜基体中Mg-P组沉积的扫描电子显微镜照片。
实施本发明的最佳方式
现在将详细参考描述本发明的具体实施方式，其中一些例子在附图中示出。
将表1中的合金在高频熔炉中熔融以形成厚度为22mm、宽度为40mm、长度为180mm的锭块。将锭块在950℃的温度下加热1小时，热轧缩至厚度为10mm，各个面表面加工1mm，然后冷轧缩至1.5mm。将冷轧后的材料在480℃的温度下进行热处理3小时，冷轧缩至0.4mm，在650℃的温度下进行去除变形退火，然后最终轧制缩至0.25mm，从而获得表2所示的冷轧材料。
此外，为了表面清洗，将冷轧后的材料进行选择性的陈化处理（seasoning）、酸清洁和抛光、第二次热处理、以及用拉伸矫直机（tensionleveler）进行校正处理。
根据本发明优选实施方式的方法不限于此，但可以根据客户需要组合选自以下步骤的步骤：热轧、冷轧、陈化处理、表面清洁（酸清洁和抛光）、张力退火、拉伸矫直等等，这些步骤与铜拉伸车间所做的正常操作相同，用以满足客户的不同质量需求。
表1
Figure BDA00001989268800061
将由所述成分并通过所述制备工艺获得的每个测试工件切割，并进行拉伸强度（TS）测试和电导率（EC）测试，从而获得如表2所示的测试结果。
根据KS B0802测量拉伸强度，根据KS D0240测量电导率。
通过将测试工件切割成距轧带宽度方向和长度方向二者的中心部分宽30mm、长10mm，来评价表面缺陷，用肉眼计数工件两面尺寸长于1mm的缺陷。但计数中要去掉与合金本身的完整基本上不相关的轧痕、凹印、刮痕等等。
表2
Figure BDA00001989268800062
Figure BDA00001989268800071
实施本发明的方式
从表1和表2可知，本发明的样本1到10被评价为优异的合金，所述合金与比较例1~13以及现有技术C19210和CDA194相比表现出强度和电传导性的良好协调性。
在回顾上述性质的基础上，尽管根据本发明的样本1到10的每一个的电传导性多少要差于现有技术C19210（85%IACS），但由于本发明的样本1到10的每一个的拉伸强度都超过了52N/mm2，这相比C19210的38N/mm2来说非常优异，故本发明的样本1到10被评价为表现出强度和电传导性的良好协调性的合金。
相比CDA194，本发明的样本1到10的每一个也被评价为具有优异的强度和电传导性，以及所述强度和所述电传导性良好协调性的合金。
工业应用性
本发明可以被广泛地使用作为半导体引线框架材料、LED引线框架材料、连接端子等等，所述合金具有高传导性和高可加工性同时提高或保持了拉伸强度。

Claims (9)

1.一种高强度和高传导性的铜合金，以100wt%成分计，所述铜合金由0.05~0.25wt%Fe、0.025~0.15wt%P、0.01~0.25wt%Cr、0.01~0.15wt%Si、0.01~0.24wt%Mg以及余量为Cu和不可避免的杂质组成。
2.如权利要求1所要求的铜合金，其中所述成分还包括小于1.0wt%的Zn、Sn、Mn、Al和Ni中的至少一种。
3.如权利要求1所要求的铜合金，其中所述Fe、Mg和P的比为(Mg+Fe)/P=0.4~50。
4.如权利要求3所要求的铜合金，其中所述Fe、Mg和P的比为(Mg+Fe)/P=2~10。
5.如权利要求1所要求的铜合金，其中所述Cr、Mg和Si的比为(Cr+Mg)/Si=0.1~50。
6.如权利要求5所要求的铜合金，其中所述Cr、Mg和Si的比为(Cr+Mg)/Si=1~10。
7.一种制备高强度和高传导性的铜合金的方法，包括以下步骤：
获得由以下成分组成的高强度和高传导性的铜合金的熔融金属：以100wt%成分计，0.05~0.25wt%Fe、0.025~0.15wt%P、0.01~0.25wt%Cr、0.01~0.15wt%Si、0.01~0.24wt%Mg以及余量为Cu和不可避免的杂质；
铸造所述熔融金属以获得锭块；以及
将所述锭块在850~1000℃进行热轧，冷却后进行冷轧，在400~600℃下退火1~10小时，以30~70%的压缩比进行中间轧制，在500~800℃下热处理30~600秒，以及以20~40%的压缩比进行最终轧制。
8.如权利要求7所要求的方法，其中所述成分包括小于1.0wt%的Zn、Sn、Mn、Al和Ni中的至少一种。
9.如权利要求7或8所要求的方法，其中陈化处理步骤包括以下步骤：通过形成Fe-P组、Mg-P组、Cr-Si组和Mg-Si组沉积物来制造所述铜合金以确保高强度。
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