CN1188859C - 用于硬盘驱动器悬挂元件的铜合金箔 - Google Patents

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Abstract

在采用聚酰亚胺粘合剂对衬底进行叠层加工期间，使在硬盘驱动器悬挂物的悬挂元件上形成的导体发生热膨胀和收缩。该热膨胀和收缩作用于该悬挂元件的磁道宽度。该铜合金的组成为：质量百分数为1-4.8%的Ni、0.2-1.4%的Si，Ni的含量相对于Si的含量的比率调节至2-8，其余基本上是铜和不可避免的杂质，抗拉强度为650MPa或更大。其夹杂物的尺寸为不大于10μm，在与轧制方向平行的方向上每mm2箔横截面含有50或更少的5-10μm尺寸的夹杂物。

Description

用于硬盘驱动器悬挂元件的铜合金箔
技术领域
本发明涉及一种具有高强度和高导电性的铜合金箔，更为具体地说涉及一种用于硬盘驱动器悬挂元件上的导体，即能通过它来高速传输信号的铜合金箔。
背景技术
硬盘驱动器用作计算机的存储设备。硬盘驱动器包括读取记录于磁盘上信息的磁头和在该元件前端用于支持该磁头的支架元件。该支架元件由不锈钢片制成并在它的后端围绕一根轴可旋转地被悬挂，下文称其为悬挂元件。当用磁头读取磁盘上的信息和写入信息时，该悬挂元件围绕该轴旋转，并朝预定的点移动。如此进行信号的输入和输出。最近为使计算机小型化和增加可靠性，要求扩充硬盘的容量和加大信号的传输速度。因此，要求包括悬挂元件和磁头的系统提高导体的排列密度、定位的精确性、导电性等。目前硬盘的磁道宽度为2μm，而磁头的定位精确性为0.2μm或更小。
参照图1，显示了硬盘驱动器悬挂元件前端的平面图。通常将金属线用作导体，将其排列在支持硬盘磁头的悬挂元件上。但是，铜合金箔1可以获得高度的尺寸精确性，而且导体间的连接与操作是容易的。此外，与这些金属线相比其生产成本是低的。因此，目前比常规的金属线更为经常使用的导体为18μm厚的通过树脂3如聚酰亚胺粘结在悬挂元件2上的铜合金箔。
通过以下方法生产该悬挂元件。首先，通过聚酰亚胺将铜箔和衬底如约0.020mm厚的不锈钢片(SUS 304等)热粘结以形成三层叠层板结构。然后将该叠层板结构进行蚀刻以去除铜箔、不锈钢片衬底等和聚酰亚胺的特定部位。结果提供了具有预定形状的悬挂元件和导体。该蚀刻是由该铜合金箔和不锈钢片衬底的双面进行的。不含有经蚀刻除去的不锈钢片衬底的铜箔与聚酰亚胺的双层叠层板、不含有经蚀刻除去铜合金箔的聚酰亚胺树脂与不锈钢衬底的双层叠层板，和铜合金箔、聚酰亚胺与不锈钢衬底的三层层叠板共存于蚀刻后的元件中。
用作导体的铜合金箔要求以下的性能。首先要求高的强度，以使该箔在叠层片生产过程和磁头组配过程中不发生变形或断裂。该铜合金箔在该叠层板生产过程的热粘结和片叠层期间发生热膨胀和收缩。如果这种热膨胀和收缩与聚酰亚胺和不锈钢片的尺寸变化不匹配，则铜合金箔在片叠层过程中或在其后的蚀刻过程之后发生挠曲。在这种情况下，不利于提供该硬盘驱动器的悬挂元件的尺寸精确性。
将Cu-Ni-Si合金用于电或电子部件是已知的。在日本专利No.2,651,122中提出的用于电或电子部件的Cu-Ni-Si合金的生产方法涉及一种铜合金的生产，该合金含有4.1-10wt％的Ni、1.0-1.5wt％的Si、0.2wt％或更少的Mn、和1.0wt％或更少的Zn，其S含量为15ppm或更少，其余为Cu和不可避免的杂质。在950-1000℃下保持1分钟或更长时间的条件下对该合金进行固溶热处理，然后将其至少保持在300-600℃的范围内以10℃/秒或更快的冷却速度冷却。随后以50％或更高的加工度冷轧。再在450-550℃下进行热处理1-30分钟。接着以30-80％的加工度进行冷轧。然后在380-440℃下热处理5-180分钟。在该方法中进行两个阶段的热处理。先在450-550℃下进行热处理和随后在380-440℃下进行热处理是基于以下的原因。在在先的热处理中促进了沉淀和诱导了再结晶。在随后的热处理中形成了细沉淀物以提高强度和导电性。在各热处理之前进行冷加工是基于以下原因。在第一次热处理之前的冷加工的目的在于促进第一次热处理中的再结晶。在第二次热处理之前的冷加工的目的在于诱导加工硬化和促进第二次热处理中的再结晶。日本专利No.2,651,122所述的性能为抗拉强度、延展性和导电性。在该日本专利中既未描述热膨胀系数也未描述热膨胀和收缩。
发明内容
本发明者进行研究，确定了铜合金、不锈钢衬底和聚酰亚胺在热处理的作用下是如何膨胀和收缩的。其结果是，已发现该铜合金箔和不锈钢衬底的热膨胀和收缩是不可逆的。也就是说，当对这些材料进行热和冷周期并回复到最初的温度时，这些材料的尺寸不会回复到热周期之前的状态。因此与最初的尺寸相比，这些材料可以偶尔发生膨胀和收缩。进一步研究的结果是，发现了铜合金的这种不可逆的尺寸变化与由于使轧制引起的晶格缺陷减少的过程有关。也就是说，在由于加热使晶格缺陷减少时，发生了尺寸变化。
理想的悬挂元件组成元件，即铜合金箔、不锈钢衬底和聚酰亚胺应具有相同的热膨胀和收缩特性。其次不出现挠曲。实际上，这些材料的热膨胀和收缩特性彼此不同。因此，如果这些材料的应变在三层叠层板结构中是平衡的，则不存在挠曲。即使这些材料的应变在这种状态下平衡，但当三层叠层板被被蚀刻时，其应变变得不平衡，以致会发生纵向挠曲。在目前的硬盘驱动器的悬挂元件的情况下，即使小的挠曲也造成了磁道性能的丧失，这是因为要求该磁头具有高度尺寸精确性。因此，为了获得高度尺寸精确性，必须严格控制该铜合金箔的热膨胀和收缩以配合这些不锈钢和聚酰亚胺。
在大部分的情况下，根据生产率将该悬挂元件的纵向设成与轧制方向垂直。因此时常不能满意地控制只在与轧制方向平行的方向上的尺寸变化。这些悬挂元件可能时常发生挠曲，除非与轧制方向垂直方向上的热膨胀和收缩同时受到了控制。
本发明者进行了广泛的研究实现了上述的目的，并对具有高强度的铜合金予以关注。当将本发明者提供的铜合金箔用于硬盘驱动器悬挂元件的导体结构时，可以在不损及高强度的情况下严格控制这种尺寸变化。其蚀刻性能也得到了改善。本发明的中心点Cu-Ni-Si合金作为沉淀型高强度铜合金是已知的。本发明者研究了这种合金并获得以下认识。
本发明涉及：(1)用于硬盘驱动器悬挂元件的铜合金箔，其组成为：质量百分数为1-4.8％的Ni、0.2-1.4％的Si，Ni的含量相对于Si的含量的比率调节至2-8，其余基本是铜和不可避免的杂质，具有650Mpa或更高的抗拉强度，包含不超过10μm尺寸的夹杂物，在与轧制方向平行的方向上每mm2箔横截面含有50或更少的5-10μm尺寸的夹杂物，在与轧制方向平行的方向上测得其表现出-0.1至+0.1％的以下的热膨胀和收缩比率，该比率是在330℃加热2小时之前和之后发生的，其对应的加热条件是采用聚酰亚胺对该箔进行热压粘结。
                 Δ(％)＝(l-l0)/l0×100
                  l0：加热前样品的长度
                  l：加热后样品的长度
本发明还涉及：(2)用于硬盘驱动器悬挂元件的铜合金箔，其组成为：质量百分数为1-4.8％的Ni、0.2-1.4％的Si、总共为0.005-2％的至少一种选自以下的元素：Mg、Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、Mn、Ag和Be，Ni的含量相对于Si的含量的比率调节至2-8，其余基本上是铜和不可避免的杂质，具有650Mpa或更大的抗拉强度，包含不超过10μm尺寸的夹杂物，在与轧制方向平行的方向上每mm2箔横截面含有50或更少的5-10μm尺寸的夹杂物，在与轧制方向平行的方向上测得其表现出-0.1至+0.1％的以下的热膨胀和收缩比率，该比率是在330℃加热2小时之前和之后发生的，其对应的加热条件是采用聚酰亚胺对该箔进行热压粘结。
                    Δ(％)＝(l-l0)/l0×100
                     l0：加热前样品的长度
                     l：加热后样品的长度
除上述的范围之外，优选在330℃加热2小时之前和之后，在与轧制方向垂直的方向上的热膨胀和收缩比率Δ为-0.02至+0.04％，其对应的加热条件为采用聚酰亚胺对该箔进行热压粘结。
附图说明
图1显示了硬盘驱动器悬挂元件前端的平面图。
具体实施方式
操作模式
(热膨胀和收缩比率)
如上所述，在该材料轧制期间发生变形时，向其引入晶格缺陷，当该材料被加热时这些晶格缺陷减少。当该铜合金箔被加热或冷却时发生不可逆的热膨胀和收缩。这种不可逆的变化归因于晶格缺陷的减少过程。此外，该铜合金箔的尺寸变化应该与该层叠板的其它组成材料即聚酰亚胺和不锈钢的膨胀和收缩相匹配。这样可以改进悬挂元件的形状。具体地说，如果在330℃加热2小时，对应于在用聚酰亚胺进行热压粘结中进行加热，则沿与轧制方向平行的方向上测定加热前后箔的尺寸变化。该尺寸变化由以下的热膨胀和收缩比率Δ(％)表示，并且其范围为-0.1至+0.1％。
                       Δ(％)＝(l-l0)l0×100
                       l0：加热前样品的长度
                       l：加热后样品的长度
当该尺寸变化Δ(％)小于-0.1％时，该铜合金箔收缩至相当程度以致于铜合金的后冷却中产生张应力，而在该不锈钢和聚酰亚胺中则产生压应力。即使在这种条件下，如果该应力于层叠板内平衡，则该三层层叠板仍不挠曲。但是，当通过上述的蚀刻除去任何层时则可能发生挠曲。另一方面，如果该尺寸变化Δ(％)大于+0.1％，则产生与上述相反的应力。蚀刻后也可能发生挠曲。因此该尺寸变化Δ(％)应该控制在-0.1至+0.1％的范围。
由于由轧制引起的材料的晶格缺陷定位于某个方向，因此该尺寸变化行为取决于与轧制方向平行和垂直的方向。与轧制方向垂直的尺寸变化Δ(％)应该控在-0.02到+0.04％的范围。
上述的尺寸变化的特征是在特定的加工程度下最后的轧制和随后的在特定的条件下消除应力退火的结果。当该最后冷轧的加工程度非常高时，在该材料中引起大量的晶格缺陷，以致于即使进行消除应力退火也会发生尺寸变化。该尺寸变化不能控制在所要求的范围内。为获得改进的尺寸变化的加工程度为95％或更小。此外，在最后轧制之后进行的消除应力退火应该在200-400℃，优选在250-350℃下进行30分钟到5小时，优选进行1-4小时。
(合金组分-Ni和Si)
Ni和Si为合金中的溶质元素并有效加强该合金。Ni和Si的显著效果在于它们互相形成组成为Ni2Si的沉淀物，因而大大地加强了合金和极大地提高了导电性。但是，当Ni含量小于1％(除非特指，表示该组分的百分数为质量％)，或当该Si含量小于0.2％时，不管是否加入另外的元素以获得配合物加入效应，结果的强度不能达到理想的水平。如果该Ni含量大于4.8％或Si的含量大于1.4％，则其导电性会严重地降低。此外，在该材料中形成了无助于强度的粗Ni-Si颗粒，致使该材料在轧制后发生断裂，产生针孔等等。其结果是生产率降低。因此，将Ni含量设定于1-4.8％，而将Si含量设定于0.2-1.4％。此外，为了进一步提高时效处理后的导电性，应选择该材料中的Ni和Si原子含量比接近于化学计算组成为Ni2Si的比率。Ni含量相对于Si含量(Ni含量/Si含量)的比率优选为2-8，最优选为4，以进一步提高导电性。
(合金组分-Mg、Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、Mn、Ag或Be)
这些组分的每一种都有效地改进了基于Ni-Si的铜合金的强度。其中，Zn有效地改进了焊接点的热耐受性，而Fe有效地改进了其组织。此外，Mg、Ti、Zr、Al和Mn有效地改进了热轧的可加工性，因为这些元素具有与S很强的亲合力并形成硫化合物，借此减少硫在钢锭晶界中的偏析并因此防止在热轧期间裂痕的发生。当Mg、Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、Mn、Ag和Be的总含量小于0.005％时，可获得上述效果。另一方面，当该总含量大于2％时，其导电性会严重降低。因此将这些含量设定在0.005-2％的范围内。
(抗拉强度)
其抗拉强度必须为650Mpa或更大以不产生箔的挠曲或变形。该抗拉强度基本上不具有方向性并应符合上述的在与样品轧制方向平行和垂直的任何方向的值。
(夹杂物)
本文的术语“夹杂物”指的是通过基体的SEM观察而观察到的某些颗粒。这些颗粒可以是在凝固过程之后由于在固相基体上的沉淀反应而形成的沉淀物。当该Cu-Ni-Si合金为铸件时，在凝固后将其冷却，并且可以发生沉淀反应。在热轧之后的冷却处理期间和在时效明间可形成沉淀物。一般该颗粒也可以是在铸件的凝固过程中的偏析而形成的粗晶粒。该颗粒可以进一步为如氧化物或硫化物之类的杂质，它们是由于在熔化时在熔体中的反应形成的。本文的“夹杂物的尺寸”是通过该夹杂物的SEM观察而测得的，并且表示包含各夹杂物的最小圆周直径。本文的“夹杂物数量”是通过在与轧制方向平行的横截面上对该材料进行SEM观察并实际计算夹杂物数量而确定的。这种数量以每mm2表示。
该夹杂物必须小以提供必需的强度。大于10μm尺寸的粗夹杂物不仅无助于强化，而且特别大的夹杂物会损及蚀刻性能。该粗夹杂物可以进一步造成在轧制加工中发生断裂和产生针孔，由此严重地损及生产率。为了不招致这些缺陷，该粗夹杂物的尺寸必须最大为10μm，尺寸为5-10μm的夹杂物的数量必须为50/mm2或更少。
下文对本发明进行详细描述。
[实施例]
将如表1所示的具有各种组成的铜合金高频熔炉中熔炼，并将其铸造成20mm厚的铸块。然后在800-950℃下热轧这些铸块以将厚度减少到8mm。将热轧板修整以除去其表面的氧化铁皮，然后将其冷轧以得到1mm厚的板。随后在800-950℃下进行固溶热处理10分钟。接着进行冷轧以将厚度减少至预设的厚度，以便能够调整最终冷轧的加工程度。然后在400-600℃下进行时效5小时。接着进行最终冷轧以得到0.018mm厚的箔。在150-500℃下对该箔进行消除应力退火1小时。
关于各合金箔，评价其“强度”、“导电性能”、“尺寸变化”和“夹杂物”。在抗拉强度方面通过抗拉试验评价其“强度”。在导电性方面评价其“导电性能”。关于其“热膨胀和收缩”，沿与轧制方向平行和垂直方向切下尺寸为150×12.7mm的样品。在样品与与轧制方向平行情况下该样品的垂直方向等同于轧制方向，而在样品垂直于轧制方向的情况下该样品的垂直方向垂直于轧制方向。通过三维坐标数字转换器测定预设位置的点距。在最低温度300℃处和最高温度330℃加热最短1小时和最长2小时之后再次测定这些点距。在这些温度和时间范围内的测量值的偏差落在测量的误差范围内。加热前后尺寸的测量值提供了尺寸变化。关于该“夹杂物”，将样品的表面镜面抛光，然后采用5000放大倍率的SEM测定。在5μm或更大尺寸内计算每mm2的夹杂物的数量。
生产厚度为0.018mm、宽度为450mm和长度为5000m的箔。在轧制加工和在最终的箔中产生针孔的期间观察断裂的出现以评价“生产率”。在不发生断裂的情况下，将评价标记为○，而在发生断裂的情况下，将评价标记为×。关于该“针孔”，在每1000m的箔上计算所产生的尺寸为0.5mm或更大的针眼的数目。
                                   表1：发明和对比合金
                                       化学成分(wt％)     Ni/Si比率 最终轧制的加工程度(％) 退火温度(℃×1hr)
    Ni     Si   Mg   Zn   Sn   Fe   Ti    Zr     Cr     Al    Mn     Ag    Be
发明合金   1     2.46     0.59   -   -   -   -   -    -     -     -    -     -    -     4.2     94     300
  2     2.72     0.61   0.15   -   -   -   -    -     -     -    -     -    -     4.5     94     350
  3     2.55     0.53   -   0.42   -   -   -    0.050     -     -    -     -    -     4.8     94     350
  4     2.61     0.73   -   -   0.64   -   -    -     -     0.32    -     -    -     3.6     94     400
  5     2.05     0.48   -   0.66   -   1.02   -    -     -     -    -     -    -     4.3     94     400
  6     3.16     0.78   -   -   -   -   0.64    -     -     0.42    -     -    -     4.1     94     300
  7     2.89     0.72   -   -   -   -   -    1.32     -     -    -     -    -     4.0     94     350
  8     2.63     0.81   -   -   -   -   -    -     1.12     -    -     0.032    -     3.2     94     350
  9     1.87     0.46   -   -   -   -   0.064    -     -     0.84    -     -    -     4.1     94     300
  10     2.66     0.57   -   -   0.51   -   -    -     -     -    0.61     -    -     4.7     94     250
  11     2.11     0.40   -   -   -   -   -    0.88     -     -    -     0.78    -     5.3     94     300
  12     2.31     0.82   -   -   -   -   -    -     -     -    -     -    0.59     2.8     94     300
  13     2.62     0.61   -   0.94   -   -   -    -     -     -    0.03     0.02    -     4.3     89     400
  14     2.35     0.55   -   0.58   -   -   -    -     -     -    -     -    -     4.3     92     400
  15     2.05     0.44   0.11   0.47   0.49   -   -    -     -     -    -     -    -     4.7     89     350
  16     2.85     0.76   -   1.15   0.45   -   -    -     -     -    -     -    -     3.8     88     300
对比合金   1     0.86     0.78   -   -   -   -   0.54    -     -     -    -     -    -     1.1     94     300
  2     2.65     2.11   -   -   1.11   -   -    -     -     -    0.05     -    -     1.2     94     350
  3     2.33     0.46   1.26   -   1.86   -   -    0.56     -     -    -     -    -     5.1     94     400
  4     3.25     1.02   -   0.11   -   0.64   -    -     -     0.33    -     -    -     3.2     94     500
  5     2.32     1.11   -   -   -   -   -    -     0.06     -    -     -    -     2.1     94     150
  6     2.88     0.62   -   -   -   -   -    -     -     -    -     -    -     4.2     97     300
  7     4.98     0.69   -   -   -   -   -    -     -     -    -     -    -     7.2     92     350
  8     2.42     0.14   -   -   0.21   -   -    -     -     -    -     -    -     17.3     90     400
  常规材料                                                                            紫铜     -     89     180
                                                     表2发明和对比合金的评价结果
        编号     抗拉强度(N/mm2)     导电性(％IACS)            热膨胀和收缩比率(％)  每mm2金属间夹杂物数   断裂的存在 每1000m针孔数
与轧制方向平行 与轧制方向垂直
发明合金     1     809     53     0.018     0.011     6     ○     3
    2     822     51     0.009     0.008     8     ○     4
    3     789     51     0.007     0.009     5     ○     4
    4     811     48     0.008     0.002     15     ○     6
    5     813     49     0.002     0.001     18     ○     2
    6     799     48     0.016     0.010     24     ○     7
    7     768     48     0.002     0.006     27     ○     8
    8     744     50     0.002     0.007     31     ○     9
    9     781     52     0.014     0.011     7     ○     4
    10     810     46     0.045     0.016     16     ○     6
    11     746     53     0.028     0.012     11     ○     5
    12     803     57     0.022     0.014     41     ○     12
    13     810     46     0.002     0.003     18     ○     7
    14     790     50     0.005     0.002     10     ○     5
    15     790     47     0.013     0.008     21     ○     5
    16     810     44     0.020     0.011     10     ○     3
对比合金     1     437     32     0.010     0.013     3     ○     2
    2     814     25     0.008     0.009     77     ×     18
    3     713     27     0.015     0.002     41     ○     13
    4     602     38     0.006     0.001     68     ×     21
    5     788     45     0.112     0.016     55     ×     17
    6     820     50     0.034     -0.024     9     ○     5
    7     840     28     0.008     0.010     54     ×     18
    8     520     55     0.004     0.002     17     ○     5
      常规材料     372     97     0.018     0.010     -     ○     2
评价的结果如表2所示。如果将对比合金1与发明合金相比，则前者的强度劣于后者的强度，其原因在于低Ni含量。由于对比合金2具有高Si含量，因此其导电性劣于发明合金的导电性。由于对比合金3中辅助元素成分超过了本发明的范围，因此其导电性劣于本发明的导电性。由于对比合金4是在高温下进行消除应力退火的，因此其强度劣于发明合金的强度。由于对比合金5是在低温下进行消除应力退火的，因而由加热引起的尺寸变化是巨大的。在对比合金2、4和5中，由于夹杂物的数量多，在生产过程中较多发生断裂和产生较多针孔数。在对比比合金6中，由于最终轧制的加工程度大于本发明值的加工程度，因而在与轧制方向垂直的方向上的尺寸变化增大。在对比合金7中，由于Ni含量超过了适宜的范围，其导电性低而夹杂物的数量增大。结果招致了断裂和增加了针眼的产生。在对比实施例8中，由于Si含量低因而其强度低。
如上所述，与现有技术相比，本发明的铜合金箔具有高强度与高导电性，且由加热引起的尺寸变化小。此外，其成形性亦不受这些夹杂物的减损。因此本发明的铜合金箔适宜作为硬盘驱动器悬挂元件的导体。
该图为硬盘驱动器悬挂元件的平面图。

Claims (3)

1.用于硬盘驱动器悬挂元件的铜合金箔，其组成为：质量百分数为1-4.8％的Ni、0.2-1.4％的Si，Ni的含量相对于Si的含量的比率调节至2-8，其余是铜和不可避免的杂质，具有650Mpa或更大的抗拉强度，包含不超过10μm尺寸的夹杂物，在与轧制方向平行的方向上的每mm2箔横截面含有50或更少的5-10μm尺寸的夹杂物，在与轧制方向平行的方向上测得其表现出-0.1至+0.1％的以下的尺寸变化Δ(％)，该尺寸变化是在330℃加热2小时之后发生的，其对应的加热条件是采用聚酰亚胺对该箔进行热压粘结；
                         Δ(％)＝(l-l0)/l0×100
                         l0：加热前样品的长度
                         l：加热后样品的长度。
2.用于硬盘驱动器悬挂元件的铜合金箔，其组成为：质量百分数为1-4.8％的Ni、0.2-1.4％的Si、总共为0.005-2％的至少一种选自以下的元素：Mg、Zn、Sn、Fe、Ti、Zr、Cr、Al、Mn、Ag和Be，Ni的含量相对于Si的含量的比率调节至2-8，其余是铜和不可避免的杂质，具有650Mpa或更大的抗拉强度，包含不超过10μm尺寸的夹杂物，在与轧制方向平行的方向上的每mm2箔横截面含有50或更少的5-10μm尺寸的夹杂物，在与轧制方向平行的方向上测得其表现出-0.1至+0.1％的以下的尺寸变化Δ(％)，该尺寸变化是在330℃加热2小时之后发生的，其对应的加热条件是采用聚酰亚胺对该箔进行热压粘结；
                        Δ(％)＝(l-l0)/l0×100
                        l0：加热前样品的长度
                        l：加热后样品的长度。
3.根据权利要求1或2的用于硬盘驱动器悬挂元件的铜合金箔，其中除上述的范围之外，在330℃下加热2小时之后测量尺寸变化Δ(％)，在与轧制方向垂直的方向上的热膨胀和收缩比率Δ为-0.02至+0.04％，其对应的加热条件为采用聚酰亚胺对该箔进行热压粘结。
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