DE102005002763A1

DE102005002763A1 - Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE102005002763A1
Application number: DE200510002763
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Kobe Aruga; Katsura Kobe Kajihara
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: CN1269979C; JP2005206891A; US20050161126A1; KR100651303B1; CN1644726A; FR2865478A1; DE102005002763B4; FR2865478B1; KR20050076767A; JP4041803B2

Abstract

Es ist eine Kupferlegierung beschrieben, die 0,01 bis 0,5 Massen-% Fe und 0,01 bis 0,3 Massen-% P enthält, wobei der Rest aus Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei das Massengehaltverhältnis von Fe zu P, d. h. Fe/P, im Bereich von 0,5 bis 6,0 liegt und der Volumenanteil und die Anzahl der Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 20 nm in der Mikrostruktur der Kupferlegierung 1,0% oder mehr bzw. 300 Stück/µm² oder mehr betragen. Die Cu-Fe-P-Legierung kann gleichzeitig eine hohe Festigkeit und eine hohe Leitfähigkeit sicherstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit, wie z.B. eine Kupferlegierung, die als Material für einen IC-Anschlusskamm geeignet ist, der in einer Halbleitervorrichtung verwendet wird. Eine erfindungsgemäße Kupferlegierung wird in verschiedenen Bereichen verwendet, jedoch wird die vorliegende Erfindung nachstehend auf der Basis eines Falls als repräsentative Anwendung erläutert, bei dem die Kupferlegierung für einen IC-Anschlusskamm, bei dem es sich um eine Halbleiterkomponente handelt, verwendet wird.
Als Kupferlegierung für einen IC-Anschlusskamm wurde bisher im Allgemeinen eine Cu-Fe-P-Legierung verwendet. Beispielsweise wird eine Kupferlegierung, die 0,05 bis 0,15 % Fe und 0,025 bis 0,040 % P (C19210-Legierung) oder eine Kupferlegierung, die 2,1 bis 2,6 % Fe, 0,015 bis 0,15 % P und 0,05 bis 0,20 % Zn (CDA194-Legierung) enthält, verbreitet als internationale Standardlegierung verwendet, da sie unter den Kupferlegierungen eine hervorragende Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweist.
In den vergangenen Jahren wurde im Zusammenhang einer höheren Kapazität, einer geringeren Größe und einer höheren Integration, die von einer Halbleitervorrichtung verlangt wurden, die Querschnittsfläche eines IC-Anschlusskamms vermindert. Bezüglich dieses Trends ist es erforderlich, dass eine Kupferlegierungskomponente, die für einen IC-Anschlusskamm in einer Halbleitervorrichtung verwendet wird, eine noch höhere Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diese Situation gilt auch für eine Kupferlegierung, die nicht nur für IC-Anschlussrahmen verwendet wird, sondern auch für andere elektrisch leitfähige Komponenten, wie z.B. für Verbindungselemente, Anschlüsse, Schalter, Relais, usw., in elektrischen und elektronischen Komponenten.
Ein Vorteil einer Cu-Fe-P-Legierung besteht darin, dass sie eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, und um deren Festigkeit zu erhöhen, wurde bisher der Fe- und P-Gehalt erhöht oder es wurde Sn, Mg, Ca oder dergleichen als drittes Element zugesetzt. Die Zunahme der Menge solcher Elemente führt zur Zunahme der Festigkeit, jedoch wird dadurch zwangsläufig die elektrische Leitfähigkeit verschlechtert. Daher war es schwierig, lediglich durch die Steuerung der chemischen Zusammensetzung einer Kupferlegierung eine Cu-Fe-P-Legierung mit einer guten Ausgewogenheit zwischen einer höheren Leitfähigkeit und einer höheren Festigkeit oder eine Cu-Fe-P-Legierung zu realisieren, die gleichzeitig beide Eigenschaften aufweist, die im Zusammenhang mit den vorstehend genannten Trends zu einer größeren Kapazität, einer geringeren Größe und einer höheren Integration einer Halbleitervorrichtung erforderlich sind.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wurde bisher vorgeschlagen, die Mikrostruktur oder den Ausscheidungszustand von Dispersoiden in einer Cu-Fe-P-Legierung zu steuern. Beispielsweise schlägt die JP-A Nr. 285261/2000 eine Kupferlegierung mit einer hervorragenden Festigkeitsstabilität und Erweichungsbeständigkeit vor, bei welcher der Fe-Gehalt im Bereich von 1,0 bis 3,0 % und der Volumenanteil der Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,05 bis 10 μm 0,5 bis 10 % beträgt.

Es wurde eine Kupferlegierung vorgeschlagen, bei der die Menge der chemischen Verbindungen mit einer geringeren Größe erhöht ist. Beispielsweise schlägt die JP-A Nr. 130755/1998 eine Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit vor, die 0,05 bis 3,5 % Fe und 0,01 bis 1,0 P enthält, bei der die Teilchen als Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von weniger als 0,02 μm (kleine Teilchen) oder Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 0,02 bis 100 μm (große Teilchen) klassifiziert werden und das Verhältnis der Anzahl der kleinen Teilchen zu der Anzahl der großen Teilchen den Wert 1 oder mehr hat. Darüber hinaus schlägt die JP-A Nr. 324935/1998 eine Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Erweichungsbeständigkeit vor, die 0,5 bis 5 % Fe und 0,01 bis 0,2 % P enthält, wobei das Verhältnis großer Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 100 Å oder mehr zu kleinen Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von weniger als 100 Å im Bereich von 0,004 bis 1,000 liegt.

Auch die JP-A Nr. 220594/1994 schlägt eine Technologie zur Verbesserung der Festigkeit und Erweichungsbeständigkeit durch einen Gehalt von 0,01 bis 0,3 % Fe, 0,005 bis 0,4 % P, 1,5 bis 5 % Zn und 0,2 bis 2,5 % Sn und Einstellen der Größe von chemischen Verbindungen, die Fe und P enthalten in einer Weise vor, so dass diese nicht gröber als 150 Å werden. Darüber hinaus schlägt die JP-A Nr. 178670/2000 eine Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit vor, die insgesamt 0,05 bis 2 % Fe und P, 5 bis 35 % Zn und 0,1 bis 3 % Sn enthält, wobei die Fe- und P-enthaltenden chemischen Verbindungen mit einem Teilchendurchmesser von 0,2 μm oder weniger einheitlich dispergiert sind.

Die vorstehend genannten Technologien zur Steuerung des Ausscheidungszustands Fe- und P-enthaltender chemischer Verbindungen (Dispersoide) in einer Cu-Fe-P-Legierung sind nicht auf die Dispersoide Fe- und P-enthaltender chemischer Verbindungen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 20 nm oder weniger gerichtet, die noch kleiner sind als diejenigen, die in diesen Technologien festgelegt sind.

Es ist richtig, dass es in den vorstehend genannten dokumentierten Technologien einige Vorschriften bezüglich des Gehalts an Dispersoiden Fe- und P- oder dergleichen enthaltender chemischer Verbindungen mit einem kleinen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 20 nm gibt. Bei keiner der Technologien zur Steuerung des Ausscheidungszustands solcher Fe- und P-enthaltender chemischer Verbindungen wird jedoch eine TEM-Vergrößerung (Vergrößerung eines Transmissionselektronenmikroskops) vorgeschrieben, mit der Dispersoide Fe- und P-enthaltender chemischer Verbindungen mit einem kleinen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 20 nm festgestellt werden könnten. Selbst wenn eine Vergrößerung vorgeschrieben ist, beträgt die Vergrößerung in der Vorschrift höchstens 10000. Mit einem TEM können bei einer 10000-fachen Vergrößerung jedoch solche feinen Dispersoide nicht festgestellt werden. Um den Zustand (Größe und Anzahl) von Dispersoiden mit einem kleinen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 20 nm quantitativ und genau zu erfassen, ist es erforderlich, Untersuchungen mit einem TEM bei einer mindestens 100000-fachen Vergrößerung durchzuführen.

Als Folge davon erfassen die vorstehend genannten dokumentierten Technologien Dispersoide als solche von Fe- und P- oder dergleichen enthaltenden chemischen Verbindungen mit einem kleinen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 20 nm nicht wesentlich oder erkennen den Einfluss der feinen Dispersoide auf die Eigenschaften einer Kupferlegierung nicht wesentlich.

Darüber hinaus weist bei den vorstehend genannten dokumentierten Technologien der Fe-Gehalt bei den JP-A Nr 285261/2002 und 324935/1998 einen hohen Wert von 0,5 % oder mehr auf und der Zn- und Sn-Gehalt ist bei den JP-A Nr. 220594/1994 und 178670/2000 hoch. Daher stimmen diese Technologien mit den bekannten Technologien überein, bei denen der Fe- und P-Gehalt erhöht oder ein drittes Element zugesetzt wird, wie es vorstehend erläutert worden ist, um die Festigkeit zu erhöhen. Selbst wenn dabei der Anteil der feinen Dispersoide erhöht wird, vermindert sich zwangsläufig die elektrische Leitfähigkeit.

Daher wurde mit den vorstehend genannten herkömmlichen Technologien das gleichzeitige Erreichen einer höheren Festigkeit und einer höheren Leitfähigkeit nicht realisiert und es gab starre Beschränkungen bei der Realisierung einer Cu-Fe-P-Legierung mit einer guten Ausgewogenheit zwischen einer höheren Leitfähigkeit und einer höheren Festigkeit, oder einer Cu-Fe-P-Legierung welche diese beiden Eigenschaften gleichzeitig aufweist, die bezüglich der vorstehend genannten Trends einer größeren Kapazität, einer geringeren Größe und einer höheren Integration einer Halbleitervorrichtung erforderlich sind.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um diese Probleme zu lösen und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Cu-Fe-P-Legierung, die gleichzeitig sowohl eine höhere Festigkeit als auch eine höhere Leitfähigkeit aufweist.

In einem bevorzugten Aspekt besteht die vorliegende Erfindung darin, dass eine Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit 0,01 bis 0,5 % (bezogen auf die Masse) und 0,01 bis 0,3 % P enthält, wobei der Rest aus Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und dass in der Kupferlegierung das Massengehaltverhältnis von Fe zu P, d.h. Fe/P, im Bereich von 0,5 bis 6,0 liegt und der Volumenanteil und die Anzahl von Dispersoiden mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 20 nm in der Mikrostruktur der Kupferlegierung 1,0 % oder mehr bzw. 300 Stück/μm² oder mehr beträgt.

In der vorliegenden Erfindung ist eine Cu-Fe-P-Legierung so aufgebaut, dass sie Dispersoide wie z.B. feine Fe- und P-enthaltende chemische Verbindungen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 20 nm oder weniger, deren Effekte und Einflüsse auf die Eigenschaften der Kupferlegierung bisher nicht beachtet oder erkannt worden sind, gemäß der vorstehend genannten Vorschriften bezüglich des Volumenanteils und der Anzahl der Teilchen in einem möglichst großen Ausmaß enthält.

Dadurch kann mit einem relativ niedrigen Gehalt an Fe und P eine Cu-Fe-P-Legierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit mit einer elektrischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 80 % IACS bei einem Härteniveau von 140 bis 150 Hv (Zugfestigkeit von 480 bis 530 MPa) oder einer elektrischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 75 % IACS bei einem Härteniveau von 160 Hv (Zugfestigkeit von 570 MPa) bereitgestellt werden.

Mikrostruktur der Kupferlegierung

Der Begriff "Dispersoide", der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, steht für Dispersoide, deren durchschnittlicher Teilchendurchmesser im Bereich von 1 bis 20 nm liegt, wenn eine Mikrostruktur einer Kupferlegierung mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei einer 100000-fachen Vergrößerung betrachtet wird. Die Hauptkomponenten von Dispersoiden sind chemische Fe-P-Verbindungen und die Dispersoide sind vorwiegend aus Fe- und P- und dergleichen enthaltenden chemischen Verbindungen zusammengesetzt, die durch Zusetzen von chemischen Fe- und Cu-P-Verbindungen und anderen Verbindungen zu den Hauptkomponenten gebildet werden.

Solche feinen Dispersoide werden während der Herstellung einer Kupferlegierung neu gebildet, z.B. während des Anlassens nach dem Kaltwalzen. D.h., solche feinen Dispersoide bilden eine chemische Verbindungsphase, die durch das Anlassen fein aus einer Kupfermatrix ausgeschieden wird. Daher unterscheiden sie sich von groben Dispersoiden, die sich während des Gießens bilden und in der Mikrostruktur der Kupferlegierung von Beginn an vorliegen. Im Hinblick darauf können solche feinen Dispersoide nicht festgestellt werden, solange die Mikrostruktur der Kupferlegierung nicht mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei einer nicht weniger als 100000-fachen Vergrößerung betrachtet wird.

In der vorliegenden Erfindung ist festgelegt, dass der Volumenanteil und die Anzahl solcher feinen Dispersoide 1,0 % oder mehr bzw. 300 Stück/μm² oder mehr beträgt. Das Verankerungsvermögen ("Pinning"-Vermögen) zur Unterdrückung der Übertragung und Beseitigung von Versetzungen solcher feinen Dispersoide ist entgegen aller Erwartungen beträchtlich größer als dasjenige von Dispersoiden, die größer als diese sind. Demgemäß nimmt durch einen Aufbau einer Cu-Fe-P-Legierung, der derart ist, dass sie Dispersoide wie z.B. feine Fe- und P-enthaltende chemische Verbindungen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 20 nm oder weniger in einem größtmöglichen Ausmaß in der Mikrostruktur der Kupferlegierung enthält, das vorstehend genannte Verankerungsvermögen zu und folglich kann eine höhere Festigkeit erhalten werden.

Der Effekt der Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit einer Kupferlegierung ist im Fall solcher feinen Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 20 nm oder weniger beträchtlich geringer als in dem Fall von Dispersoiden, die gröber als diese sind. Daher können feine Dispersoide eine Kupferlegierung bei einer geringeren Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit der Kupferlegierung fester machen als Dispersoide, die gröber als diese sind.

Das Verankerungsvermögen grober Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als 20 nm ist gering, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Aus diesem Grund ist in der vorliegenden Erfindung festgelegt, dass die Obergrenze des durchschnittlichen Teilchendurchmessers von Dispersoiden 20 nm ist. Andererseits können Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von weniger als 1 nm selbst mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei 100000-facher Vergrößerung kaum erfasst und gemessen werden und darüber hinaus vermindert sich umgekehrt das Verankerungsvermögen solcher Dispersoide. Aus diesem Grund ist in der vorliegenden Erfindung festgelegt, dass die Untergrenze des durchschnittlichen Teilchendurchmessers von Dispersoiden 1 nm beträgt.

Wenn der Volumenanteil solcher feinen Dispersoide weniger als 1,0 % beträgt oder deren Anzahl kleiner als 300 Stück/μm² ist, ist die Anzahl der Teilchen, welche die Effekte zeigen, unzureichend, und folglich kann eine hohe Festigkeit eines Härteniveaus von 140 bis 150 Hv (Zugfestigkeit von 480 bis 530 MPa) nicht erreicht werden. Wenn darüber hinaus die Anzahl solcher feinen Dispersoide bei einer bestimmten chemischen Zusammensetzung erfindungsgemäß klein ist, ist es sehr wahrscheinlich, dass der Rest der Dispersoide in Form gröberer Dispersoide vorliegt. Als Folge davon sinkt die elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Festigkeit und eine hohe Leitfähigkeit, die einer elektrischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 80 % IACS bei einem Härteniveau von 140 bis 150 Hv (Zugfestigkeit von 480 bis 530 MPa) oder einer elektrischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 75 % IACS selbst bei einem Härteniveau von 160 Hv (Zugfestigkeit von 570 MPa) genügen, können nicht erhalten werden.

Ferner ist in der vorliegenden Erfindung die Menge feiner Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 20 nm festgelegt. Solange diese Bedingung erfüllt ist, ist es jedoch möglich, dass grobe Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als 20 nm in der Mikrostruktur der Kupferlegierung in einer angemessenen Menge innerhalb eines Bereichs vorliegen, der das Ziel der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt.

In der vorliegenden Erfindung ist der Durchmesser von Dispersoiden d als Durchschnitt des maximalen Durchmessers jedes Dispersoids definiert. Mit anderen Worten: Der Wert, der durch eine Durchschnittsbildung des Durchmessers d jedes Dispersoids in einem Sichtfeld, das mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei einer 100000-fachen Vergrößerung erhalten worden ist, ist der durchschnittliche Teilchendurchmesser, auf den in der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird. Es ist selbstverständlich akzeptabel, ferner den Durchschnitt von Messergebnissen in einer Mehrzahl von Sichtfeldern zu bilden.

In der gleichen Weise ist bezüglich der Anzahl von Dispersoiden der Wert, der durch eine Durchschnittsbildung einer gemessenen Anzahl pro μm² jedes Dispersoids in einem Sichtfeld, das mit einem Transmissionselektronenmikroskop mit einer 100000-fachen Vergrößerung erhalten worden ist (die durch die Untersuchung erhaltenen Bilder werden einer Bildanalyse unterworfen), die Anzahl von Dispersoiden, auf die in der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird. Es ist selbstverständlich akzeptabel, ferner den Durchschnitt von Messergebnissen in einer Mehrzahl von Sichtfeldern zu bilden.

Entsprechend wird bezüglich des Volumenanteils von Dispersoiden in der vorliegenden Erfindung die prozentuale Fläche von Dispersoiden mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 20 nm in einer Fläche von 1 μm × 1 μm (1 μm²) in einem Sichtfeld, das mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei einer 100000-fachen Vergrößerung erhalten worden ist, gemessen, und der erhaltene Wert wird als Volumenanteil der Dispersoide definiert.

Chemische Zusammensetzung der Kupferlegierung

Die Gründe, weshalb die chemische Zusammensetzung einer Kupferlegierung erfindungsgemäß festgelegt wird, werden nachstehend erläutert. Im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung ist die erfindungsgemäße Kupferlegierung zum Erreichen einer hohen Festigkeit und einer hohen Leitfähigkeit so aufgebaut, dass sie im Wesentlichen 0,01 bis 0,5 Massen-% Fe und 0,01 bis 0,3 Massen-% P enthält, wobei der Rest aus Kupfer und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht, wobei das Massengehaltverhältnis von Fe zu P, d.h. Fe/P, im Bereich von 0,5 bis 6,0 liegt.

Wie es vorstehend beschrieben worden ist, nimmt durch die Erhöhung von Elementmengen, wie z.B. durch die Erhöhung des Fe- und P-Gehalts, oder durch das Zusetzen eines dritten Elements wie z.B. Sn, Mg, Ca oder dergleichen, die bisher zur Erhöhung der Festigkeit eingesetzt worden sind, die Festigkeit zu, jedoch wird die elektrische Leitfähigkeit zwangsläufig verschlechtert. Ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch die vorstehend genannte Bedingung bezüglich feiner Dispersoide eine höhere Festigkeit und eine höhere Leitfähigkeit erhalten werden können, obwohl die Mengen der Elemente zur Erhöhung der Festigkeit nicht erhöht worden sind.

Es sollte beachtet werden, dass es akzeptabel ist, dass eine erfindungsgemäße Kupferlegierung gegebenenfalls ferner 0,005 bis 0,5 % Zn und/oder 0,001 bis 0,5 % Sn innerhalb von Bereichen enthält, welche die höhere Festigkeit und die höhere Leitfähigkeit der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigen.

Fe: 0,01 bis 0,5

Fe ist ein Element, das zur Erhöhung der Festigkeit und der Erweichungsbeständigkeit durch Ausscheiden als feine Dispersoide, die gemäß der vorliegenden Erfindung festgelegt sind, in einer Kupferlegierung erforderlich ist. Wenn der Fe-Gehalt kleiner als 0,01 % ist, sind die feinen Dispersoide, die erfindungsgemäß festgelegt sind, unzureichend. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass der Fe-Gehalt nicht unter 0,01 % liegt, so dass die Effekte bezüglich der Verfestigung und dergleichen wirksam auftreten. Wenn Fe andererseits in einer Menge von mehr als 0,5 % enthalten ist, ist eine hohe Leitfähigkeit nicht sichergestellt. Wenn ferner versucht wird, die Menge an Dispersoiden zu erhöhen, um eine hohe Leitfähigkeit sicherzustellen, werden die ausgeschiedenen Teilchen gröber, und umgekehrt werden die in der vorliegenden Erfindung festgelegten feinen Dispersoide unzureichend. Als Folge davon vermindert sich die Festigkeit und das gleichzeitige Erreichen einer höheren Festigkeit und einer höheren Leitfähigkeit kann nicht realisiert werden. Aus diesen Gründen wird der Fe-Gehalt so festgelegt, dass er im Bereich von 0,01 bis 0,5 Massen-% liegt.

P: 0,01 bis 0,3 %

P weist eine Oxidationsfunktion auf und ist zusammen mit Fe auch ein Element zur Erhöhung der Festigkeit und der Erweichungsbeständigkeit einer Kupferlegierung durch Bildung von Dispersoiden. Wenn der P-Gehalt weniger als 0,01 % beträgt, sind die feinen Dispersoide, die in der vorliegenden Erfindung festgelegt sind, unzureichend. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass der P-Gehalt nicht weniger als 0,01 % beträgt, um die Effekte auf die Verfestigung und dergleichen wirksam auszubilden. Wenn andererseits P in einer Menge von mehr als 0,3 % enthalten ist, verschlechtert sich die elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Leitfähigkeit ist nicht sichergestellt. Darüber hinaus verschlechtert sich auch die Warmverarbeitungsfähigkeit. Aus diesen Gründen wird der P-Gehalt so festgelegt, dass er im Bereich von 0,01 bis 0,3 Massen-% liegt.

Fe/P: 0,5 bis 6,0

Um die vorstehend angegebene Menge der feinen Dispersoide, die in der vorliegenden Erfindung festgelegt sind, auszuscheiden, ist in der vorliegenden Erfindung nicht nur der jeweilige Gehalt von Fe und P festgelegt, sondern auch das Massengehaltverhältnis von Fe zu P, d.h. Fe/P. Wenn der Wert von Fe/P kleiner als 0,5 ist, ist P im Überschuss enthalten und in einer Kupfermatrix gelöst, und folglich verschlechtert sich die elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Leitfähigkeit ist nicht sichergestellt. Wenn der Wert von Fe/P andererseits 6,0 übersteigt, ist Fe umgekehrt im Überschuss enthalten und wächst in Form grober einfacher Fe-Teilchen und als Folge davon vermindert sich die Festigkeit. Aus diesen Gründen wird der Wert von Fe/P so festgelegt, dass er in den Bereich von 0,5 bis 6,0 fällt.

Zn: 0,005 bis 0,5 %

Zn ist ein Element, das zur Verbesserung der thermischen Abriebbeständigkeit einer Sn-Plattierung oder einer Sn-Lötung, die für die Verbindungen elektronischer Komponenten verwendet wird, und zur Unterdrückung eines thermischen Abriebs effektiv ist. Es ist bevorzugt, dass Zn in einer Menge von nicht weniger als 0,005 % enthalten ist, um einen solchen Effekt wirksam auszubilden. Wenn Zn jedoch in einer Menge von mehr als 0,5 % enthalten ist, verschlechtert sich nicht nur das Ausbreitungsvermögen von geschmolzenem Sn oder Lötmittel in flüssigem Zustand, sondern auch die elektrische Leitfähigkeit verschlechtert sich beträchtlich. Aus diesen Gründen ist Zn selektiv im Bereich von 0,005 bis 0,5 Massen-% enthalten.

Sn: 0,001 bis 0,5 %

Sn trägt zur Erhöhung der Festigkeit einer Kupferlegierung bei. Es ist bevorzugt, dass Sn in einer Menge von nicht weniger als 0,001 % enthalten ist, um einen solchen Effekt wirksam auszubilden. Wenn Sn jedoch in einer Menge von mehr als 0,5 % enthalten ist, ist der Effekt gesättigt und die elektrische Leitfähigkeit verschlechtert sich beträchtlich. Aus diesen Gründen ist Sn selektiv im Bereich von 0,001 bis 0,5 Massen-% enthalten.

Andere Elemente, wie z.B. Al, Cr, Ti, Be, V, Nb, Mo, W, Mg, Ni, usw., sind Verunreinigungen und erleichtern nicht nur die Bildung grober Dispersoide, sondern auch die Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, den Gehalt auf einen möglichst geringen Wert im Bereich von insgesamt nicht mehr als 0,5 Massen-% zu senken. Andere Elemente, wie z.B. B, C, Na, S, Ca, As, Se, Cd, In, Sb, Pb, Bi, MM (Mischmetall), usw., die in einer Kupferlegierung in geringen Mengen enthalten sind, erleichtern ebenfalls die Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, den Gehalt auf einen möglichst geringen Wert im Bereich von insgesamt nicht mehr als 0,1 Massen-% zu senken.

Herstellungsverfahren

Als nächstes werden nachstehend bevorzugte Herstellungsbedingungen zur Ausbildung der Mikrostruktur der Kupferlegierung zu einer Struktur erläutert, die in der vorliegenden Erfindung festgelegt ist. Es ist nicht erforderlich, bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung das Herstellungsverfahren selbst stark zu verändern, und zur Herstellung kann ein gewöhnliches Herstellungsverfahren verwendet werden. D.h., eine geschmolzene Kupferlegierung, deren chemische Zusammensetzung in der vorstehend beschriebenen Weise eingestellt worden ist, wird gegossen. Dann wird die Oberfläche des gegossenen Barrens geschliffen, worauf der gegossene Barren nach einer Wärmebehandlung oder einem Durchwärmen warmgewalzt wird und die Platte nach dem Warmwalzen mit Wasser gekühlt wird. Danach wird die Platte einem Primärkaltwalzen, das als Zwischenwalzen bezeichnet wird, dann einem Anlassen, Reinigen und danach einem Fertigkaltwalzen (Endkaltwalzen) unterzogen, und schließlich zu einer Kupferlegierungsplatte oder dergleichen mit einer Produktdicke ausgebildet.

Bei dem Herstellungsverfahren ist es effektiv, bei der Herstellung unter den folgenden Bedingungen ein Anlassen durchzuführen, um den Herstellungsprozess so zu steuern, dass eine Disper soidstruktur gebildet wird, bei welcher der Volumenanteil und die Anzahl der Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 20 nm 1,0 % oder mehr bzw. 300 Stück/μm² oder mehr beträgt, wie es vorstehend beschrieben worden ist.

D.h., gemäß den vorstehenden Erläuterungen bilden die in der vorliegenden Erfindung festgelegten feinen Dispersoide eine chemische Verbindungsphase, die durch Anlassen neu aus einer Kupfermatrix fein ausgeschieden wird. Um solche feinen Dispersoide auszuscheiden, wird in dem Verfahren zur Herstellung der Kupferlegierung nach dem Primärkaltwalzen ein Anlassen durchgeführt.

Wenn dabei beabsichtigt ist, eine hohe Leitfähigkeit nur durch ein einmaliges Anlassen zu erhalten, ist es essentiell, die Anlasstemperatur zu erhöhen. Wenn die Anlasstemperatur erhöht wird, nimmt die Menge an Dispersoiden zu und dies verursacht das Wachstum und das Gröberwerden der Dispersoide. Diesbezüglich ist es bevorzugt, das Anlassverfahren so zu steuern, dass die Dispersoidstruktur, die aus den vorstehend beschriebenen feinen Dispersoiden ausgebildet ist, durch ein Anlassen, das in mehrere Vorgänge aufgeteilt ist, und Einstellen der Anlasstemperatur pro Anlassen auf 430°C oder weniger gebildet wird, wodurch eine hohe Leitfähigkeit erhalten wird und das Wachstum und ein Gröberwerden der Dispersoide unterdrückt werden.

Wenn ferner zwischen einem Anlassen und einem anschließenden Anlassen ein Kaltwalzen durchgeführt wird, führt das Kaltwalzen zu einer Zunahme der Gitterfehler, wobei die Gitterfehler als Ausscheidungskeime beim anschließenden Anlassen wirken, und daher ist es wahrscheinlich, dass die Dispersoidstruktur, die aus den vorstehend erläuterten feinen Dispersoiden zusammengesetzt ist, erhalten wird.

Daher ist im Hinblick auf die vorstehend genannten Bedingungen ein Verfahren bevorzugt, bei dem ein Kaltwalzen wiederholt und ein Anlassen zweimal jeweils zwischen dem Ende des Warmwalzens und dem Fertigkaltwalzen (Endkaltwalzen) in dem Verfahren zur Herstellung der Kupferlegierung eingesetzt wird, da es dann wahrscheinlich ist, dass eine solche Dispersoidstruktur erhalten wird, die aus den vorstehend genannten feinen Dispersoiden zusammengesetzt ist.

Die Haltezeit bei der maximalen Temperatur beim Anlassen wird so festgelegt, dass sie im Bereich von 0,5 bis 20 Stunden liegt. Wenn die Haltezeit kürzer als 0,5 Stunden ist, ist die Menge der Ausscheidungen unzureichend und die elektrische Leitfähigkeit wird nicht verbessert. Wenn die Haltezeit im Gegensatz dazu 20 Stunden übersteigt, wachsen Ausscheidungsteilchen selbst bei einer Temperatur von 430°C oder weniger und werden gröber.

Nachstehend werden erfindungsgemäße Beispiele erläutert. Kupferlegierungsplatten wurden durch Gießen von Kupferlegierungen mit den in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigten verschiedenen Zusammensetzungen hergestellt und deren Eigenschaften wurden bewertet. Dabei betrug die Gesamtmenge von Al, Cr, Ti, Be, V, Nb, Mo, W, Mg, Ni, usw., als von den in der Tabelle 1 gezeigten Elementen verschiedene Elemente in den Kupferlegierungsplatten mit den in der Tabelle 1 gezeigten unterschiedlichen Zusammensetzungen nicht mehr als 0,5 Massen-%. Ferner betrug die Gesamtmenge von B, C, Na, S, Ca, As, Se, Cd, In, Sb, Pb, Bi, MM (Mischmetall), usw., die in einer geringen Menge in den Kupferlegierungen als Elemente enthalten waren, die von den vorstehend genannten Elementen verschieden sind, nicht mehr als 0,1 Massen-%.
Das konkrete Verfahren zur Herstellung von Kupferlegierungsplatten ist folgendermaßen. Kupferlegierungen wurden in einem kernlosen Ofen geschmolzen und raffiniert und danach durch ein halbkontinuierliches Gießverfahren gegossen, wodurch Barren mit einer Dicke von 70 mm, einer Breite von 200 mm und einer Länge von 500 mm erzeugt wurden. Dann wurde die Oberfläche jedes der Barren geschliffen und die Barren wurden erwärmt und danach bei einer Temperatur von 950°C zu einer Dicke von 16 mm warmgewalzt. Die Oberfläche jeder der warmgewalzten Platten wurde erneut geschliffen, um Oxidbeläge zu entfernen, und danach wurde jede warmgewalzte Platte wiederholt für eine vorgegebene Anzahl innerhalb eines Bereichs von ein- bis dreimal kaltgewalzt und angelassen (die Anzahl der Kaltwalzvorgänge war mit der Anzahl der Anlassvorgänge identisch), wobei die Anzahl der Anlassvorgänge für jedes Beispiel in der Tabelle 1 gezeigt ist. Danach wurden die Kupferlegierungsplatten dem Endkaltwalzen unterworfen und es wurden Kupferlegierungsplatten mit einer Dicke von 0,2 mm hergestellt. Die höchste Anlasstemperatur von den Temperaturen bei der Wiederholung des Anlassens wurde als maximale Anlasstemperatur definiert und die maximale Anlasstemperatur ist für jedes Beispiel in der Tabelle 1 gezeigt.
Aus den so hergestellten Kupferlegierungsplatten aller Beispiele wurden Prüfkörper herausgeschnitten und einer Messung des Volumenanteils (%) und der Anzahl der feinen Dispersoide durch Untersuchung jeder Struktur, einem Zugtest, einer Härtemessung und einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit unterworfen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt.
Bei der Untersuchung einer Struktur wurden der Volumenanteil und die Anzahl der Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 20 nm bei der Betrachtung der Mik rostruktur der Kupferlegierung mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei 100000-facher Vergrößerung mit dem vorstehend beschriebenen Messverfahren gemessen.
Ein Zugtest wurde mit einem JIS #13-Prüfkörper durchgeführt, der in einer Richtung parallel zu der Walzrichtung ausgeschnitten worden ist. Die Härte wurde mit einem Mikro-Vickershärte-Testgerät gemessen, während eine Belastung von 0,5 kg ausgeübt wurde.
Die elektrische Leitfähigkeit wurde durch Bilden eines rechteckigen Prüfkörpers mit einer Breite von 10 mm und einer Länge von 300 mm durch Fräsen, Messen des elektrischen Widerstands mit einer Widerstandsmessvorrichtung des Doppelbrückentyps und dann Berechnen mit dem Durchschnittsquerschnittsverfahren erhalten.
Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass bei den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 9 jede Kupferlegierungsplatte 0,01 bis 0,5 % Fe und 0,01 bis 0,3 % P enthielt, wobei der Wert von Fe/P im Bereich von 0,5 bis 6,0 lag, wobei diese Werte innerhalb des Zusammensetzungsbereichs einer erfindungsgemäßen Kupferlegierung lagen, und dass diese auch selektiv Zn bzw. Sn in den festgelegten Bereichen enthielt. Ferner wurden die Kupferlegierungsplatten bezüglich des Herstellungsverfahrens unter bevorzugten Anlassbedingungen erzeugt.
Als Folge davon betrugen der Volumenanteil und die Anzahl der Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 20 nm bei den erfindungsgemäßen Beispielen 1 bis 9 1,0 % oder mehr bzw. 300 Stück/μm² oder mehr, wenn jede Mikrostruktur der Kupferlegierung mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei 100000-facher Vergrößerung betrachtet wurde.
Als Ergebnis wies jede der erhaltenen Kupferlegierungsplatten eine elektrische Leitfähigkeit von 83 bis 80 % IACS bei einem Härteniveau von 144 bis 157 Hv (Zugfestigkeit von 503 bis 552 MPa) oder eine elektrische Leitfähigkeit von 86 bis 82 % IACS bei einem Härteniveau von 161 bis 165 Hv (Zugfestigkeit von 570 bis 581 MPa) und somit eine hohe Festigkeit und eine hohe Leitfähigkeit auf.
Im Gegensatz dazu betrug, wie es aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, der Fe-Gehalt in der Kupferlegierung im Vergleichsbeispiel 10 0,007 % und war niedriger als die Untergrenze. Obwohl das Anlassen unter bevorzugten Bedingungen durchgeführt worden ist, betrug der Volumenanteil der feinen Dispersoide als Folge davon 0,8 % und lag unter der Untergrenze, wodurch die Härte, die Zugfestigkeit und die elektrische Leitfähigkeit niedrig waren.
Im Vergleichsbeispiel 11 wurde das Anlassen unter bevorzugten Bedingungen durchgeführt und auch der Volumenanteil und die Anzahl der feinen Dispersoide lagen innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche. Der Fe-Gehalt in der Kupferlegierung betrug jedoch 0,66 % und überschritt die Obergrenze, und daher war die elektrische Leitfähigkeit extrem niedrig, wodurch das gleichzeitige Erreichen einer höheren Festigkeit und einer höheren Leitfähigkeit nicht realisiert wurde.
Im Vergleichsbeispiel 12 betrug der P-Gehalt in der Kupferlegierung 0,008 % und war folglich niedriger als die Untergrenze. Obwohl das Anlassen unter bevorzugten Bedingungen durchgeführt wurde, betrug der Volumenanteil der feinen Dispersoide als Folge davon 0,9 % und lag unter der Untergrenze, wodurch die Härte, die Zugfestigkeit und die elektrische Leitfähigkeit niedrig waren.
Im Vergleichsbeispiel 13 wurde das Anlassen unter bevorzugten Bedingungen durchgeführt und auch der Volumenanteil und die Anzahl der feinen Dispersoide lagen innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche. Der P-Gehalt in der Kupferlegierung betrug jedoch 0,33 und überschritt die Obergrenze, und daher war die elektrische Leitfähigkeit extrem niedrig, wodurch das gleichzeitige Erreichen einer höheren Festigkeit und einer höheren Leitfähigkeit nicht realisiert wurde.
Obwohl im Vergleichsbeispiel 14 der Fe- und P-Gehalt in der Kupferlegierung innerhalb des in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereichs lagen, betrug der Wert von Fe/P 0,31 und war niedriger als die Untergrenze. Als Ergebnis war die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu der Härte und der Zugfestigkeit sehr niedrig, obwohl das Anlassen unter bevorzugten Bedingungen durchgeführt wurde und auch der Volumenanteil und die Anzahl der feinen Dispersoide innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche lagen.
Obwohl im Vergleichsbeispiel 15 der Fe- und P-Gehalt in der Kupferlegierung innerhalb des in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereichs lagen, betrug der Wert von Fe/P 6,50 und überschritt die Obergrenze. Aus diesem Grund betrug die Anzahl der feinen Dispersoide 250 Stück/μm² und war niedriger als die Untergrenze, obwohl das Anlassen unter bevorzugten Bedingungen durchgeführt wurde. Als Folge davon waren die Härte, die Zugfestigkeit und die elektrische Leitfähigkeit sehr niedrig.
Im Vergleichsbeispiel 16 wurde das Anlassen unter bevorzugten Bedingungen durchgeführt und auch der Volumenanteil und die Anzahl der feinen Dispersoide lagen innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche. Der Zn-Gehalt in der Kupferlegierung betrug jedoch 1,2 % und überschritt die Obergrenze, und daher war die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zur Härte sehr niedrig, wodurch das gleichzeitige Erreichen einer höheren Festigkeit und einer höheren Leitfähigkeit nicht realisiert wurde. Da der Zn-Gehalt hoch war, bestand ferner die Möglichkeit des Vorliegens eines schlechten Lötvermögens.
Im Vergleichsbeispiel 17 wurde das Anlassen unter bevorzugten Bedingungen durchgeführt und auch der Volumenanteil und die Anzahl der feinen Dispersoide lagen innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche. Der Sn-Gehalt in der Kupferlegierung betrug jedoch 0,9 % und überschritt die Obergrenze, und daher war die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zur Härte und zur Zugfestigkeit sehr niedrig und das gleichzeitige Erreichen einer höheren Festigkeit und einer höheren Leitfähigkeit wurde nicht realisiert.
Obwohl im Vergleichsbeispiel 18 die Zusammensetzung der Kupferlegierung innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche lag, betrug die maximale Anlasstemperatur 500°C und überschritt die bevorzugte Obergrenze, der Volumenanteil der feinen Dispersoide betrug 1,8 % und war nahe an der Untergrenze und darüber hinaus betrug die Anzahl der feinen Dispersoide 200 Stück μm² und war niedriger als die Untergrenze. Als Folge davon waren sowohl die Härte als auch die elektrische Leitfähigkeit sehr niedrig.
Obwohl im Vergleichsbeispiel 19 die Zusammensetzung der Kupferlegierung innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche lag, wurde das Anlassen nur einmal durchgeführt und das mehrmalige Anlassen wurde nicht durchgeführt, und auch die Anzahl der feinen Dispersoide betrug 150 Stück/μm² und war niedriger als die Untergrenze. Als Folge davon waren die Härte, die Zugfestigkeit und die elektrische Leitfähigkeit sehr niedrig.
Obwohl die Zusammensetzung im Vergleichsbeispiel 20 mit derjenigen des erfindungsgemäßen Beispiels 1 identisch war und auch innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche lag, betrug die Haltezeit bei der maximalen Anlasstemperatur 0,2 Stunden und war kürzer als die bevorzugte Untergrenze, und der Volumenanteil und die Anzahl der feinen Dispersoide betrug 0,6 % bzw. 250 Stück μm², und beide Werte lagen unter den Untergrenzen. Als Folge davon war die elektrische Leitfähigkeit viel niedriger als bei dem erfindungsgemäßen Beispiel 1.
Obwohl die Zusammensetzung im Vergleichsbeispiel 21 mit derjenigen des erfindungsgemäßen Beispiels 5 identisch war und auch innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche lag, betrug die Haltezeit bei der maximalen Anlasstemperatur 30 Stunden und war länger als die bevorzugte Obergrenze, und die Anzahl der feinen Dispersoide betrug 280 Stück/μm² und lag unter der Untergrenze. Als Folge davon waren die Härte und die Zugfestigkeit schlechter als bei dem erfindungsgemäßen Beispiel 5.
Obwohl die Zusammensetzung im Vergleichsbeispiel 22 mit derjenigen des erfindungsgemäßen Beispiels 9 identisch war und auch innerhalb der in der vorliegenden Erfindung festgelegten Bereiche lag, betrug die maximale Anlasstemperatur 460°C und überschritt die bevorzugte Obergrenze, und die Anzahl der feinen Dispersoide betrug 230 Stück/μm² und lag unter der Untergrenze. Als Folge davon waren die Härte und die Zugfestigkeit schlechter als bei dem erfindungsgemäßen Beispiel 9.
Die vorstehenden Ergebnisse zeigen die kritische Signifikanz der chemischen Zusammensetzung, der Struktur, der bevorzugten Anlassbedingungen und dergleichen in einer erfindungsgemäßen Kupferlegierungsplatte, wodurch eine höhere Festigkeit und eine höhere Leitfähigkeit sichergestellt werden.
Gemäß der vorstehenden Erläuterungen ermöglicht die vorliegende Erfindung die Bereitstellung einer Kupferlegierung, welche die Anforderungen einer höheren Festigkeit und einer höheren Leitfähigkeit erfüllen kann, wobei sich diese Anforderungen aus der Verminderung der Querschnittsfläche eines IC-Anschlusskamms ergeben. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung das Erreichen einer höheren Festigkeit und einer höheren Leitfähigkeit einer Kupferlegierung, die nicht nur für IC-Anschlusskämme verwendet wird, sondern auch für andere elektrisch leitfähige Komponenten wie z.B. Verbindungselemente, Anschlüsse, Schalter, Relais, usw., in elektrischen und elektronischen Komponenten.
Die vorliegende Erfindung wurde bezüglich ihrer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass es viele Variationen dieser Ausführungsformen gibt. Solche Variationen sollen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung gemäß den beigefügten Patentansprüchen umfasst sein.

Claims

Eine Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit, die 0,01 bis 0,5 Massen-% Fe und 0,01 bis 0,3 Massen-% P enthält, wobei der Rest aus Kupfer und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei das Massengehaltverhältnis von Fe zu P, d.h. Fe/P, im Bereich von 0,5 bis 6,0 liegt und der Volumenanteil und die Anzahl der Dispersoide mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 bis 20 nm in der Mikrostruktur der Kupferlegierung 1,0 % oder mehr bzw. 300 Stück/μm² oder mehr betragen.
Kupferlegierung nach Anspruch 1, die ferner 0,005 bis 0,5 Massen-% Zn enthält.
Kupferlegierung nach Anspruch 1, die ferner 0,001 bis 0,5 Massen-% Sn enthält.