CN116921489A - 一种高强高韧探针及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强高韧探针及其制造方法，探针材料成分含有的铬、铌、铜等成分能够形成强化相，并且具有极佳的防腐性能，通过渗氮处理形成氮化物涂层，如氮化铬能够形成坚硬的表面，加强了材料表面的耐磨性，通过表面镀层能够提高探针的导电性；在工艺方面，通过热旋轧工艺处理能够形成材料的热变形和动态再结晶，从而有效细化晶粒，实现材料的细晶化，以及通过多重熔炼有效减少合金杂质，提高合金材料纯净度，从而有效增强材料的强度和柔韧性，防止探针尖头崩裂；该方法设备简单，灵活可靠，通用性强，可以较低成本实现多种高强度高韧性探针的生产，本材料还具有极佳的耐腐特性，可制作耐腐高强线材。
Description
技术领域
本发明涉及电子检测探针制造技术领域，尤其涉及一种高强高韧探针及其制造方法。
背景技术
探针广泛应用于电子测试或半导体产品检测领域，对于集成电路 、大规模集成电路、发光二极管等电子部件 ( 即，使用了半导体元件的电子部件)，通过使探针接触半导体元件的电极以检查其电气特性，这种检查装置中使用的探针，需具有高硬度、高韧性等各项良好性能。
中国专利CN201010247383.4公开了接触探针，其具有基材、和含有金属及其碳化物中的至少一种的碳被膜，该碳被膜连续地形成在接触探针的前端部到侧面部的表面上，所述金属为从由钨、钽、钼、铌、 钛以及铬所构成的组中选择的一种以上。该探针兼具导电性和耐久性并能够实现被检测体(特别是其所含的Sn)的低附着性和长期保持稳定的电接触。
目前常用的探针采用钨钢、碳钢等材质，其具有高强度的特点，成品强度很高，但韧性较差且易生锈，其尖头部一方面会产生脆性崩口，另一方面也会损坏所测半导体产品；还有一部分探针采用铂金、钯金等贵金属合金制造，成本高昂，对用户造成较大成本负担。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种高强高韧探针及其制造方法，该方法设备简单，灵活可靠，通用性强，可以较低成本实现多种高强度高韧性探针的生产，本材料还具有极佳的耐腐特性，可制作耐腐高强线材。
为实现上述目的，本发明首先提供一种高强高韧探针的制造方法，包括：
（A）基体材料制备工序，该基体材料制备工序包括以下步骤：
S1，合金材料熔炼：将铜铌中间合金、铜铬中间合金以及其他合金成分在真空电弧炉内进行熔炼，而后进行电渣重熔，得到合金母材；
S2，合金杆坯铸造：将步骤S1得到的熔融合金进行真空铸造，得到合金杆坯；
S3，热旋轧处理：将步骤S2得到的合金杆坯进行矫直后通过电磁感应加热，加热后的合金杆坯进行连续热旋轧，得到细晶杆坯；
S4，表面处理；
S5，减径处理：将步骤S4得到的细晶杆坯进行多次减径拉拔，得到合金成品线，该合金成品线作为探针的基体材料。
作为优选，步骤S1中，合金材料包括以下质量百分比的组分：
铌2%~50%，铬5%~20%，铜10%~30%，余量为银、锰、少量稀土元素及不可避免的微量杂质，氧含量低于20PPM。
作为优选，步骤S5进一步包括以下步骤：
S5-1，粗拉，粗拉总变型量不超过45%，拉丝每道次变形量不超过7%，粗拉至直径为2~3mm；
S5-2，热处理：采用惰性气体保护，将细晶杆坯置于热处理炉内进行热处理，保温4h后，自然冷却；
S5-3，精拉：采用带有冷却润滑液的拉丝设备进行多道减径拉拔，每道拉拔总变形率不超过30%，得到直径为0.3~3mm的合金成品线。
作为优选，工序（A）制备得到的合金成品线的抗拉强度不低于1500MPa。
作为优选，还包括：
（B）探针制备工序，该探针制备工序包括以下步骤：
T1，制造探针合金丝材；
T2，矫直；
T3，切段；
T4精磨尖头：将步骤T3中切段得到的探针丝头部精磨成针尖状，尖头半径0.5~10μm；
T5成型；
T6渗氮处理：装入渗氮炉进行氨气气体渗氮，保温，渗氮层厚度为0.2μm以上；
T7清洗；
T8镀金或镀镍：镀层厚度为0.1μm，得到用于半导体测试的探针成品。
本发明还提供一种高强高韧探针，该探针为多层复合结构，其由内至外依次为基体1、硬化层2以及导电层3。
作为优选，所述基体1采用铌铬合金材料，其包括以下质量百分比的组分：铌2%~50%，铬5%~20%，铜10%~30%，余量为银、锰、少量稀土元素及不可避免的微量杂质，氧含量低于20PPM。
作为优选，对所述基体1进行渗氮处理以形成所述硬化层2，在所述硬化层2外进行镀金或镀镍处理以形成所述导电层3。
作为优选，所述基体1长度约为2cm，其主体呈圆柱状，直径为0.3~3mm，其头部呈针尖状，尖头半径为0.5~10μm；所述硬化层2的厚度为0.2μm以上，所述导电层3的厚度约为0.1μm。
作为优选，所述基体1为实心柱状结构，所述硬化层2为包覆于所述基体1外圈的环状结构，所述导电层3为包覆于所述硬化层2外圈的环状结构。
作为优选，探针表面硬度达到HV800以上。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明中探针材料成分含有的铬、铌、铜等成分能够形成强化相，并且具有极佳的防腐性能，通过渗氮处理形成氮化物涂层，如氮化铬能够形成坚硬的表面，加强了材料表面的耐磨性，通过表面镀层能够提高探针的导电性；在工艺方面，通过热旋轧工艺处理能够形成材料的热变形和动态再结晶，从而有效细化晶粒，实现材料的细晶化，并析出强化相，以及通过多重熔炼有效减少合金杂质，提高合金材料纯净度，从而有效增强材料的强度和柔韧性，防止探针尖头崩裂；
（2）本发明的制备方法设备简单，模具更换方便，灵活可靠，通用性强，可以较低成本实现多种高强度高韧性探针的生产，所制备的基体材料具有极佳的耐腐特性，可制作耐腐高强线材，所制备的探针具有高强度、高韧性、耐腐蚀的特点，满足电子材料测试的长期使用，可长期置于酸碱盐等腐蚀环境中工作。
附图说明
图1为实施例一中基体材料制备的工艺流程图；
图2为实施例一中探针制备的工艺流程图；
图3为未采用实施例一中热旋轧处理的探针基材的金相显微组织结构图；
图4为实施例一中热旋轧处理后的探针基材的金相显微组织结构图；
图5为实施例三中探针的结构示意图；
图6为图5中A处剖视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“ 顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例一
一种高强高韧探针的制造方法，包括：
（A）基体材料制备工序，如图1所示，该基体材料制备工序包括以下步骤：
S1，合金材料熔炼：清洁原料表面，均匀放入铜铌中间合金、铜铬中间合金以及其他合金成分，在真空电弧炉内熔炼合金材料，熔炼温度1200℃，而后按照标准电渣重熔工艺进行重熔，重熔温度为1200~1300℃，得到纯净均匀的合金母材；
在步骤S1中，合金材料包括以下质量百分比的组分：
铌2%~50%，铬5%~20%，铜10%~30%，余量为银、锰、少量稀土元素及不可避免的微量杂质，氧含量低于20PPM。铌、铬等成分增强材料的防腐性能，铜及银能够提高导电性，银以及铬等成分能够析出进一步形成强化相。
S2，合金杆坯铸造：将步骤S1得到的熔融合金进行真空铸造，得到合金杆坯，直径为20mm；
在步骤S2中，采用棒状坩埚进行合金杆坯的铸造或者采用连铸方法进行合金杆坯的铸造；
S3，热旋轧处理：将步骤S2得到的合金杆坯进行矫直后通过电磁感应加热至500~700℃，优选加热至600℃，加热后的合金杆坯进行连续热旋轧，旋轧速度为1~2m/min，旋压下压量每道次不超过0.5mm，连续多道次轧制得到细晶杆坯，轧至直径为6~8mm；
需要补充说明的是，热旋轧处理采用申请人在发明专利（申请号为2023102175546，专利名称为一种高含量铜银合金微细线的制造方法）中的相关工艺，因此不再赘述；
如图3所示为未采用热旋轧处理的探针基材的金相显微组织结构图，即未细晶化的晶粒形态，可见晶粒不规则，如图4所示为热旋轧处理后的探针基材的金相显微组织结构图，可见其呈现细晶状态，晶粒十分均匀；
S4，表面处理；
在步骤S4中，通过剥皮或者车削工艺去除细晶杆坯的表面缺陷及氧化物；
S5，减径处理：将步骤S4得到的细晶杆坯进行多次减径拉拔，得到合金成品线，该合金成品线作为探针的基体材料。
作为优选，步骤S5进一步包括以下步骤：
S5-1，粗拉：粗拉总变型量不超过45%，拉丝每道次变形量不超过7%；粗拉至直径为2~3mm；
S5-2，热处理：采用惰性气体保护，将细晶杆坯置于热处理炉内进行热处理，退火温度为400℃~500℃，保温4h后，自然冷却；
S5-3，精拉：采用带有冷却润滑液的拉丝设备进行多道减径拉拔，每道拉拔总变形率不超过30%，得到直径为0.3~3mm的合金成品线，优选将细晶杆坯拉至直径为0.5mm的单丝，此时其抗拉强度在1500~1700MPa左右。
作为优选，步骤S5-3中每道拉拔后均进行步骤S5-2的热处理。
作为优选，还包括：
（B）探针制备工序，如图2所示，该探针制备工序包括以下步骤：
T1，制造探针合金丝材；
T2，矫直；
T3，切段：每段长度2cm；
T4精磨尖头：将步骤T3中切段得到的探针丝头部精磨成针尖状，尖头半径0.5~10μm；
T5成型；
T6渗氮处理：装入渗氮炉进行氨气气体渗氮，温度500℃,氨气分解率为20~30%,保温50小时；渗氮层厚度为0.2μm以上，渗氮后材料表面硬度达到HV800以上；氮化处理后金属氮化物例如氮化铬能够形成坚硬的表面，加强了材料表面的耐磨性。
T7清洗；
T8镀金或镀镍：按照标准电镀金或镀镍工艺进行；镀层厚度为0.1μm，得到用于半导体测试的探针成品。
实施例二
本实施例与上述实施例中相同或相应的部件采用与上述实施例相应的附图标记，为简便起见，下文仅描述与上述实施例的区别点。该实施例与上述实施例的不同之处在于：
区别于实施例一，通过步骤S5-3将细晶杆坯拉至直径为0.03~3mm的单丝，此时其抗拉强度在1500~1700MPa左右，对单丝进行绞合、编织或与其他材料混合成型，得到耐酸碱盐环境的线缆或者丝网。
实施例三
本实施例提供一种高强高韧探针，采用实施例一所述的高强高韧探针的制造方法所制备，如图5-6所示，该探针为多层复合结构，其沿径向由内至外依次为基体1、硬化层2以及导电层3。
作为优选，所述基体1采用铌铬合金材料。
作为一种优选的实施方式，基体1材料包括以下质量百分比的组分：铌2%~50%，铬5%~20%，铜10%~30%，余量为银、锰、少量稀土元素及不可避免的微量杂质，氧含量低于20PPM。
在本实施例中，基体1材料成分含有的铬、铌、铜、银等成分能够析出形成强化相，使得基体材料的强度高且柔韧性佳，有效防止探针尖头崩裂；铌、铬等成分增强材料的防腐性能，使得基体1具有极佳的防腐性能；铜及银能够提高导电性。
值得说明的是，如图3所示为本实施例中探针的基体1材料金相显微组织结构图，可见基体1材料呈细晶状态，晶粒均匀，也保障了基体1具备优秀的强度和柔韧性。
作为优选，对所述基体1进行渗氮处理以形成所述硬化层2。
在本实施例中，通过渗氮处理形成氮化物涂层，加强了基体1材料表面的耐磨性；此外，硬化层2起到强化作用，氮化处理后金属氮化物例如氮化铬能够形成坚硬的表面，渗氮处理后探针表面硬度达到HV800以上。
作为一种优选的实施方式，硬化层2的厚度为0.2μm以上。
作为优选，在所述硬化层2外进行镀金或镀镍处理以形成所述导电层3。
在本实施例中，通过表面镀层保证了探针具有良好的导电性及光洁性。
作为一种优选的实施方式，导电层3的厚度为0.1μm。
作为优选，所述基体1为实心柱状结构。
作为一种优选的实施方式，基体1长度约2cm，其主体10呈圆柱状，直径约0.3~3mm，其头部20呈针尖状，尖头半径0.5~10μm；其抗拉强度约1500~1700MPa。
作为优选，所述硬化层2为包覆于所述基体1外圈的环状结构。
作为优选，所述导电层3为包覆于所述硬化层2外圈的环状结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强高韧探针的制造方法，其特征在于，包括：（A）基体材料制备工序，该基体材料制备工序包括以下步骤：
S1，合金材料熔炼：将铜铌中间合金、铜铬中间合金以及其他合金成分在真空电弧炉内进行熔炼，而后进行电渣重熔，得到合金母材；
S2，合金杆坯铸造：将步骤S1得到的熔融合金进行真空铸造，得到合金杆坯；
S3，热旋轧处理：将步骤S2得到的合金杆坯进行矫直后通过电磁感应加热，加热后的合金杆坯进行连续热旋轧，得到细晶杆坯；
S4，表面处理；
S5，减径处理：将步骤S4得到的细晶杆坯进行多次减径拉拔，得到合金成品线，该合金成品线作为探针的基体材料。
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧探针的制造方法，其特征在于，步骤S1中，合金材料包括以下质量百分比的组分：
铌2%~50%，铬5%~20%，铜10%~30%，余量为银、锰、少量稀土元素及不可避免的微量杂质，氧含量低于20PPM。
3.根据权利要求1所述的一种高强高韧探针的制造方法，其特征在于，步骤S5进一步包括以下步骤：
S5-1，粗拉，粗拉总变型量不超过45%，拉丝每道次变形量不超过7%，粗拉至直径为2~3mm；
S5-2，热处理：采用惰性气体保护，将细晶杆坯置于热处理炉内进行热处理，保温4h后，自然冷却；
S5-3，精拉：采用带有冷却润滑液的拉丝设备进行多道减径拉拔，每道拉拔总变形率不超过30%，得到直径为0.3~3mm的合金成品线。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种高强高韧探针的制造方法，其特征在于，还包括：
（B）探针制备工序，该探针制备工序包括以下步骤：
T1，制造探针合金丝材；
T2，矫直；
T3，切段；
T4精磨尖头：将步骤T3中切段得到的探针丝头部精磨成针尖状，尖头半径0.5~10μm；
T5成型；
T6渗氮处理：装入渗氮炉进行氨气气体渗氮，保温，渗氮层厚度为0.2μm以上；
T7清洗；
T8镀金或镀镍：镀层厚度为0.1μm，得到用于半导体测试的探针成品。
5.根据权利要求4所述的一种高强高韧探针的制造方法，其特征在于，工序（A）制备得到的合金成品线的抗拉强度不低于1500MPa；工序（B）制备得到的探针表面硬度达到HV800以上。
6.一种高强高韧探针，其特征在于，采用权利要求4所述的高强高韧探针的制造方法所制备，该探针为多层复合结构，其由内至外依次为基体、硬化层以及导电层。
7.根据权利要求6所述的一种高强高韧探针，其特征在于，所述基体采用铌铬合金材料，其包括以下质量百分比的组分：铌2%~50%，铬5%~20%，铜10%~30%，余量为银、锰、少量稀土元素及不可避免的微量杂质，氧含量低于20PPM。
8.根据权利要求6所述的一种高强高韧探针，其特征在于，对所述基体进行渗氮处理以形成所述硬化层，在所述硬化层外进行镀金或镀镍处理以形成所述导电层。
9.根据权利要求6所述的一种高强高韧探针，其特征在于，所述基体长度约为2cm，其主体呈圆柱状，直径为0.3~3mm，其头部呈针尖状，尖头半径为0.5~10μm；所述硬化层的厚度为0.2μm以上，所述导电层的厚度约为0.1μm。
10.根据权利要求6所述的一种高强高韧探针，其特征在于，所述基体为实心结构，所述硬化层为包覆于所述基体外圈的结构，所述导电层为包覆于所述硬化层外圈的结构。
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