DE1608161B1

DE1608161B1 - Verwendung einer Goldlegierung für warm-und kriechfeste Gegenstände

Info

Publication number: DE1608161B1
Application number: DE19671608161
Authority: DE
Inventors: Christoph Raub; Horst Thiede; Maria Thiede
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1967-08-23
Filing date: 1967-08-23
Publication date: 1970-09-24

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung. einer Goldlegierung zur Herstellung von Gegenständen mit hoher Warm- und Kriechfestigkeit bis 500'C.
Feine Drähte aus Gold mit D urchinessern zwischen etwa 5 und 100 #Liii werden in großem Maße bei der Herstellung elektronischer Bauteile verwendet. Eine der Voraussetzungen hierbei ist eine bestimmte Reinheit des Goldes, die je nach Anwendung z. B. zwischen 99,8 und 99,999 0/, hegL Da beim Aufbau und beim Betrieb von elektronischen Schaltungen auch höhere Temperaturen z. B. bis 400'C auftreten können, müssen die beispielsweise bei integrierten Schaltungen verwendeten Zuführungsdrähte aus Gold auch bei diesen Temperaturen ihre Festigkeit beibehalten. Es ist eine bekannte Erscheinung, daß die Erholungs- bzw. Rekristallisationstemperaturen der Metalle mit zunehmender Reinheit sinken. So kann z. B. ein hart gezogener Feindraht aus Gold mit einer Reinheit von 99,999 0/, schon bei Temperaturen um 50'C eine Abnahme seiner Festigkeit und eine Zunahme seiner Dehnung erleiden, von denen er sich nicht mehr erholt. Diese Tatsache ist für die Bearbeitung wie auch für die Lagerung und den Transport von großem Nachteil, weil nur durch eine sehr sorgfältige Behandlung vermieden werden kann, daß ein solcher Draht derart schädlichen Temperatureinflüssen ausgesetzt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Goldlegierung von verhältnismäßig hoher Reinheit zu verwenden, deren mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise Dehnung und Festigkeit, gegenüber den Eigenschaften von Gold gleichen Reinheitsgrades -im Temperaturbereich von 0 bis 500'C wesentlich günstiger sind. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß durch Zugabe bekannter Legierungsbestandteile zum Gold dessen Festigkeit, vor allem die Kriechfestigkeit, bei höheren Temperaturen wesentlich verbessert und auch die Dehnung des kaltgezogenen Materials erhalten bleibt, ohne daß sich andere Eigenschaften wie Härte, chemische Beständigkeit oder elektrischer Widerstand im Vergleich zu den Eigenschaften von höchst reinem Gold wesentlich ändern.
Gegenstand der Erfindung ist daher die Verwendung einer Goldlegierung aus wenigstens 99,9 0/0 Gold und 0,001 bis 0,10/, Seltene Erdmetalle, einzeln oder zu mehreren, oder Yttrium für Gegenstände, wie Zuführungsdrähte in integrierten Schaltungen, die bis 500'C eine erhöhte Warm- und Kriechfestigkeit aufweisen müssen. Für die Herstellung leinger, Drähte hat sich besonders eine Goldlegierung bewährt, die aus wenigstens 99 ' 950f0 Gold und 0,005 bis 0,05111, eines oder mehrerer der Seltenen Erdmetalle oder Yttrium bestehL Die Seltenen Erdmetalle können in der Form von handelsüblichem Mischmetall zulegiert sein. Es ist vorteilhaft, ein Mischmetall zu verwenden, dessen Hauptbestandteil Cer ist. In vorteilhafter Weise werden die Legierungsbestandteile in der Schmelze zulegiert. A-ach die Zulegierung von Yttrium in den angegebenen geringen Prozentsätzen bewirkt eine Verbesserung der Warmfestigkeit.
Es ergab sieh überraschenderweise, daß die Seltenen Erdinetalle, d. h. die Elemente:57 bis 71 des Periodischen Systems der Elemente, allein oder zu mehreren, oder Yttrium als Legierungspartner der hochreinen Goldlegierung die geforderten mechanischen Eigenschaften bringen bei gleichzeitiger Erhaltung der vorhandenen günstigen Eigenschaften des hochreinen Goldes. Alle diese Legierungsbestandteile treten üblicherweise nicht als wesentliche Verunreinigungen im Gold auf. In größeren Konzentrationen reagieren diese Elemente alle mit Gold und verspröden es. Um so erstaunlicher war daher die Festsellung, daß derart geringe Zusätze von Seltenen Erdmetallen oder Yttrium zu Gold einen so außerordentlich günstigen Einfluß auf die Rekristallisaton bewirken, ohne dabei die elektrischen Eigenshaften bzw. die Verarbeitungseigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Goldlegierungen lassen sich gut verarbeiten, insbesondere ziehen.
So ändert z. B. ein hartgezogener Draht von 25 #tra Durchmesser aus einer Legierung mit 99,99 0/0 Gold und 0,010/, Mischmetall, dessen Hauptbestandteil Cer und der Rest andere Seltene Erdinetalle sind, nach einer Erwärmung von 24 Stunden Dauer bei 200'C und einer danach erfolgenden Erwärmung von 15 Minuten Dauer -bei 350'C seine ursprünglicheif Festigkeits- bzw. Dehnungswerte nur unwesentlich. Im Gegensatz hierzu weist ein Draht aus Gold von 99,99 0/, Feinheit und den üblichen technischen Verunreinipngen, zu denen die Elemente 57 bis 71 des Periodischen Systems gewöhnlich nicht gehören, als Rest nach der gleichen Wärmebehandlung eine Dehnung von etwa 40 0/() auf, d. b., er ist weichgeglüht.
Die Vorteile der erfindungsgemäß zu verwendenden hochreinem Goldlegierung gegenüber herkömmlichem hochreinem Gold werden an Hand zweier Vergleichsdiagramme näher dargelegt.
F i g. 1 und 2 zeigen in Diagrammen die Dehnung bzw. die Zerreißfestigkeit von Gold verschiedener Reinheit in Abhängigkeit von der Erwärmungstemperatur, gemessen an Draht von 1 mm Durchmesser und 750/,iger Verformung im Ausgangszustand. Hierbei sind ein Draht aus undotiertem. Gold von 99,999 0[0 Reinheit und ein Draht aus eineingemäß der Erfindung dotierten Gold mit 99,9850/0 Gold und 0,015010 Cer-Mischmetall einander gegenübergestellt. Diese Legierung mit 99,9850/0 Gold und 0,01501, Cer-Mischmetall hat sich für Feindrähte aus Gold besonders bewährt.
Aus F i g. 1 ist zu ersehen, daß die Dehnung des Drahtes aus undotiertem Gold bei O'C etwa 2 0/, beträgt, daß sie bis zu einer Erwärmungstemperatur von rund 100' C - langsam auf etwa 3 0/, ansteigt, zwischen 100 und 150'C etwa gleichbleibt und zwischen 150 und 200'C sprunghaft auf etwa 400/0 ansteigt. Die Dehnung bleibt dann bei Erwärmungstemperaturen bis etwa 300'C in dieser Höhe, bis etwa 3r50'C steigt sie noch bis auf etwa 4111/0 weiter an und bleibt dann bis etwa 400'C auf dieser Höhe.
Der Draht aus der dotierten Goldlegierung mit 99,985 0/0 Gold und 0,015 0/, Cer-Mischmetall zeigt demgegenüber ein völlig anderes Dehnungsverhalten. Bei Erwärmungstemperaturen bis etwa 200'C bleibt die Dehnung bei ihrem Ausgangswert von 20/, bei 011C oder steigt auf etwa unter 30/0 an, zwischen 200 und 300'C steigt sie mäßig auf 3 bis 40/, und zwischen 300 und 400'C stärker auf 9 bis 110/, an. Am hervorstechendsten ist die Tatssche, daß die Dehnung bei der gemäß der Erfindung mit Cer-Mischinetall,dotierten. Goldlegierung bei Erwärmungstempe;raturen bis etwa 200'C gleichbleibt oder allenfalls von 2 auf 3 0/0 ansteigt - wogegen die Dehnung des undotierten Goldes in ie#i Temperaturbereich zwischen 150 und 200'C auf das rund 20fache des Ausgangswertes von 20/0 sprunghaft ansteigt.
Auch bei der Zerreißfestigkeit (F i g. 2) zeigt sich die Überle-enheit der mit Cer-Mischmetall dotierten Goldlegierung ganz deutlich. Die Zerreißfestigkeit des Drahtes aus undotiertem Gold von 99,999 % Reinheit fällt von 23,5 kp/rnM2 bei O'C auf etwa 21,5 kp/mm' bei einer Erwärmungstemperatur von rund 150'C ab. Zwischen 150 und 200'C fällt die Festigkeit analog dem Sprung bei der Dehnung stark auf etwa 14 kp/mm2 ab und bleibt weiter auf dieser Höhe bis zu Temperaturen von etwa 400'C. Die Zerreißfestizkeit des Drahtes aus der mit 0,015 % Cer-Mischmetall dotierten Goldlegierung ist dagegen bereits bei O'C mit 25 kp/mm- etwas höher und bleibt bis zu Temperaturen von etwa 200'C in dieser Höhe. Bei Temperaturen von 200 bis 300'C nimmt die Zerreißfestigkeit nur mäßig auf rund 24 kp/mm2 zu, und von 300 bis 400'C fällt sie stärker auf rund 20,5 kp/mm' ab. Die mit Cer-Mischmetall dotierte Goldlegierung ist also im gesamten Bereich der Erwärmungstemperaturen von 0 bis 400'C hinsichtlich ihrer Zerreißfestigkeit dem undotierten Gold deutlich überlegen; selbst im Bereich von 150 bis 200'C, wo die Zerreißfestigkeit des undotierten Goldes sprunghaft abfällt, nimmt ihre Zerreißfestigkeit praktisch nicht ab. So ist bei einer Erwärmungstemperatur von 200'C die Zerreißfestigkeit des Drahtes aus der mit Cer-Mischmetall dotierten Goldlegierung mit 25kp/MM2 um rund 80 04 und bei 400' C mit 20,5 kp/mm2 um rund 4601, größer als die Zerreißfestigkeit des Drahtes aus undotiertem Gold.
Dieser Vergleich zeigt deutlich, daß ein Zulegieren von genau bestimmten, erfindungsgemäßen geringen Anteilen an Seltenen Erdmetallen zu hochreinem Gold dessen Festigkeit und Dehnungsverhalterl bei Erwärmungstemperaturen im Bereich bis 400'C und darüber hinaus bis 500'C wesentlich verbessert, ohne daß sich andere Eigenschaften wie Härte, chemische Beständigkeit oder elektrischer Widerstand von denen eines höchstreinen Goldes wesentlich unterscheiden.

Claims

Patentansprüche: 1. Verwendung einer Legierung aus 0,001 bis 0,1 % Seltene Erdmetalle, einzeln oder zu mehreren, oder Yttrium, Rest Gold, zur Herstellung von Gegenständen, wie Zuführungsdrähten in integrierten Schaltungen, die bis 500'C eine erhöhte Warm- und Kriechfestigkeit aufweisen müssen.
2. Verwendung einer Legierung der im Arispruch 1 angegebenen Zusammensetzung aus wenigstens 99,950/, Gold und 0,005 bis 0,0501, eines oder mehrerer der Seltenen Erdmetalle oder Yttrium für den in Anspruch 1 genannten Zweck. 3. Verwendun.o, einer Legierung der im Anspruchl oder 2 angegebenen Zusammensetzung, der die Seltenen Erdmetalle in Form von handelsüblichem Mischmetall zulegiert sind, für den im Anspruch 1 genannten Zweck. 4. Verwendunc, einer Legierung der in Anspruch 3 angegebenen Zusammensetzung, bei der der Hauptbestandteil des zulegiertem Mischmetalles Cer ist, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.