DE19643378A1

DE19643378A1 - Kupferlegierung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19643378A1
Application number: DE19643378A
Authority: DE
Inventors: Dong Woo Lee; In Dal Kim
Original assignee: Poongsan Corp
Current assignee: Poongsan Corp
Priority date: 1995-12-08
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: US5846346A; KR970043210A; DE19643378C2; DE19643378C5; KR0157257B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupferlegierung der Cu-Ni-Si-Gruppe mit hoher mechanischer Festigkeit und hoher Leitfähigkeit sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Bekanntlich benötigt eine Legierung auf Kupferbasis eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe mechanische Festigkeit bzw. Bruchfestigkeit für Anwendungen z. B. als Leiterrahmen oder Systemträger von elektronischen Komponen ten, wie etwa integrierte und hochintegrierte Halbleiter schaltungen und -bauelemente, sowie für Anwendungen als mechanisch stabile elektrische Komponenten. Ein Systemträ ger für Halbleiterbauelemente, welcher eine wesentliche Rolle bei der Kapselung einer integrierten Schaltung spielt, wird aus einer Rolle aus dünnem Blech durch Stanzen oder chemisches Ätzen gewonnen. Dieser Systemträger hält die Anordnung einzelner Komponenten während des Zusammenbaus in Position und wird ferner ein Teil eines integrierten Schaltkreises nach dem Umgeben bzw. Umspritzen der elek tronischen Komponenten mit Kunststoff. Nach diesem Spritzvorgang werden Beinchen des Systemträgers mit Zinn und/oder Blei zur Oberflächenstabilisation beschichtet.

Da einige neuere Halbleiterkomponenten bei Temperaturen von mehr als 100 Grad Celsius verwendet werden, wird auch die thermische Stabilität derartiger Komponenten immer wichti ger. Daher sind als Materialeigenschaften für Anwendungen als Leiter, insbesondere als Systemträger für Halbleiter bauelemente notwendig: hohe elektrische und thermische Leitfähigkeiten, exzellenter thermischer Erweichungswider stand, d. h. hoher Schmelzpunkt, sowie gutes Lötverhalten und Elektroplattierungs- bzw. Galvanisierungsverhalten. Insbesondere nehmen mit zunehmender Automatisierung des Halbleiter-Kapselungsverfahrens auch die Anforderungen an die Festigkeit bzw. Bruchfestigkeit des Materials zu.

Das meistbekannte Material für derartige Anwendungen ist das sog. C7025-Material (eine Cu-Ni-Si-Mg-Legierung) von Olin. Dieses Material ist jedoch schwierig herzustellen aufgrund seiner nicht-einheitlichen Zusammensetzung und zunehmender Viskosität der Schmelze, weiche von einem Oxi dationsverlust des 0,15%igen Mg-Gehaltes während des Schmelzvorganges herrührt.

In der Zwischenzeit sind auch Härtungslegierungen nach dem Ausscheidungsverfahren (Ausscheidungshärtungslegierungen) bekannt geworden, wie etwa die sog. Corson-Gruppe-Legierun gen (0,5-4,0% Nickel (Ni); 0,1-1,0% Silizium (Si) und der verbleibende Rest Kupfer (Cu)) sowie ein weiteres Mate rial, welches in der japanischen Offenlegungsschrift JP-OS S60-45698 von Nihon Kougyo bekanntgeworden ist.

Das aus der letztgenannten Druckschrift bekannte Material wird aus einer Zusammensetzung von Cu-Ni-Si mit 14 ausge wählten Zusätzen hergestellt und weist eine Ausscheidungs partikelgröße von 1-5 µm auf. Bei dem hierfür vorgeschlage nen Herstellungsverfahren wird ein Heißwalzvorgang bei etwa 800 Grad Celsius an einem Legierungsbarren bzw. -block durchgeführt - nachfolgend als "Vergütungsglühen" bezeich net. Ferner wird eine Oberflächenbehandlung, ein Kaltwalz vorgang, ein Ausheilen bei 800 Grad Celsius, ein erneuter Kaltwalzvorgang sowie ein Veredelungsvorgang für 6 Stunden bei 420 Grad Celsius durchgeführt. Die vorgeschlagene be kannte Legierung möchte zwar das Antikorrosionsverhalten der Legierung sowie deren Festigkeit und die Verteilung von grobkörnigen Ausscheidungspartikeln verbessern. Nirgendwo wird jedoch die Unterdrückung bzw. Hemmung von Ausscheidun gen und deren Wachstum angesprochen. Außerdem benötigt die bekannte Legierung das genannte Vergütungsglühen, was die Herstellungskosten entscheidend in die Höhe treibt.

Aber auch die durch Ausscheidungshärtung hergestellte Cor son-Gruppe-Legierungen erreichen eine Verbesserung der Festigkeit und elektrischen Leitfähigkeit allein durch eine Veredelung, welche die genannte Vergütungsbehandlung vor aussetzt.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine Legierung der eingangs genannten Art mit verbesserten mechanischen und elektri schen Eigenschaften sowie ein einfaches Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 3. Weitere Ausgestaltungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Danach enthält die erfindungsgemäße hochwertige und hoch leitende Kupferlegierung vom Typ, bei welchem das Wachstum von Ausscheidungen unterdrückt bzw. gehemmt wird, 0,5-4,0% Nickel (Ni), 0,1-1,0% Silizium (Si), 0,05-08% Zinn (Sn) und den verbleibenden Rest Kupfer (Cu) sowie unver meidbare Verunreinigungen, wobei die Größe der Ausschei dungspartikel unterhalb von 0,5 µm liegt.

Vorsorglich wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Prozent angaben Gewichtsprozent bedeuten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Kupfer legierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit umfaßt folgende Schritte:

- Schmelzen und Gießen von Ausgangsmaterialien zu einem Block bzw. Barren mit 0,5-4,0% Nickel (Ni), 0,1-1,0% Silizium (Si), 0,05-0,8% Zinn (Sn) und den verbleibenden Rest Kupfer sowie unvermeidbare Verun reinigungen;
- Oberflächenbehandeln und Kaltwalzen des Barrens;
- Unterwerfen des kaltgewalzten Barrens einem Ausschei dungsprozeß bei einer Temperatur im Bereich von 450 - 550 Grad Celsius für 5-12 Stunden;
- Kaltwalzen des dem Ausscheidungsprozeß unterworfenen Materials; und
- Unterwerfen des kaltgewalzten Materials einem Aushei lungsprozeß unter Spannung bei einer Temperatur im Bereich von 350-550 Grad Celsius für weniger als 90 Sekunden.

Demnach realisiert die vorliegende Erfindung eine hochlei tende Kupferlegierung mit exzellenten mechanischen und physikalischen Eigenschaften einschließlich exzellentem thermischem Erweichungswiderstand, bei welchem die Aus scheidungspartikel aufgrund der Tatsache, daß das Anwachsen der Ausscheidungen unterdrückt bzw. gehemmt wird, fein verteilt sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer derartigen hochwertigen Kupferlegierung wird keinerlei Vergütungsbehandlung, erst recht kein Ver gütungsglühen, benötigt.

Die erfindungsgemäße hochwertige und hochleitende Kupferle gierung sowie das Verfahren zur Herstellung einer derarti gen Kupferlegierung vermeidet somit eine oder mehrere der mit den einleitend genannten bekannten Legierungen bzw. Verfahren zusammenhängenden Einschränkungen und Nachteile.

Bei einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Kup ferlegierung wird das Element Nickel bis zu 1% mit Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) ersetzt.

Bei einer bekannten Variante des erfindungsgemäßen Verfah rens wird während des Schmelzvorganges weniger als 1,0% Zink (Zn) sowie jeweils bis zu 0,1% Phosphor (P), Magnesi um (Mg) bzw. Zirkonuium (Zr) als Deoxidationsmittel hin zugefügt. Bevorzugt weist die so erhaltene Legierung Aus scheidungspartikel mit Größen unterhalb von 0,5 µm auf.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Zu sammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dargelegt. Diese ergeben sich unmit telbar aus der nachfolgenden Beschreibung, erst recht aber durch ein Nacharbeiten der Erfindung. Die Zielsetzungen und weitere Vorteile der Erfindung werden realisiert durch die Struktur, welche im Detail in der nachfolgenden Beschrei bung sowie in den Ansprüchen als auch in den beigefügten Zeichnungen angegeben ist.

Es versteht sich, daß die vorstehende und nachfolgende Beschreibung der Erfindung beispielhaft ist und zur weite ren Erläuterung der beanspruchten Erfindung dient.

Die beigefügten Zeichnungen, welche zum Verständnis der Erfindung beitragen sollen und als Teil dieser Beschreibung eingefügt sind, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erklärung der Grundgedanken der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Kurvenverlauf einer erfindungsgemäßen Kup ferlegierung, bei welcher mechanische Eigenschaf ten, wie Zugfestigkeit, Dehnung bzw. Härte gegen über Temperatur aufgetragen ist;

Fig. 2 eine mikroskopische Ansicht (3000-fache Vergröße rung) eines kaltgewalzten Ausschnittes einer Kup ferlegierung ohne Vergütungsglühen;

Fig. 3 eine mikroskopische Ansicht (3000-fache Vergröße rung) eines kaltgewalzten Ausschnittes einer er findungsgemäßen Kupferlegierung mit Vergütungs glühen;

Fig. 4 eine mikroskopische Ansicht der Kupferlegierung von Fig. 2, welche eine Verteilung von Ausschei dungen nach einem Veredelungsvorgang zeigt;

Fig. 5 eine mikroskopische Ansicht der Kupferlegierung von Fig. 3, welche eine Ausscheidungsverteilung nach einem Veredelungsvorgang zeigt;

Fig. 6 eine mikroskopische Ansicht der Kupferlegierung von Fig. 4, welche Größe und Verteilung von Aus scheidungen nach einem Kaltwalzvorgang zeigt;

Fig. 7 eine mikroskopische Ansicht der C7025-Legierung von Olin, welche Größe und Verteilung von Aus scheidungen zeigt;

Fig. 8 eine mikroskopische Ansicht der PMC102-Legierung, welche Größe und Verteilung von Ausscheidungen zeigt; und

Fig. 9 eine mikroskopische Ansicht der CC101-Legierung, welche Größe und Verteilung von Ausscheidungen zeigt.

Es wird nun im Detail auf die bevorzugten Ausführungsbei spiele der vorliegenden Erfindung eingegangen, welche bei spielhaft in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.

Eine Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfä higkeit nach der vorliegenden Erfindung besteht aus 0,5-4,0%, Nickel (Ni), 0,1-1,0% Silizium (Si), 0,05-0,08% Zinn (Sn) und der jeweils verbleibende Rest aus Kupfer (Cu) mit unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die Kupfer legierung eine Verteilung von Ausscheidungspartikeln mit einer Größe unterhalb von 0,5 µm aufweist. Wie bereits einleitend erwähnt sind Cu-Ni-Si-Legierungen an sich be kannt, wie etwa die sog. Corson-Gruppe Legierung. Daher sind weitergehende Ausführungen hinsichtlich der Ni- und Si-Zusammensetzungen nicht notwendig.

Nach der vorliegenden Erfindung wird z. B. einer Corson- Gruppe-Legierung 0,05-0,8% Zinn (Sn) hinzugefügt, um das Wachstum von Ausscheidungen zu unterdrücken bzw. zu hemmen, was im Ergebnis zu einer feinen Verteilung der Ausschei dungen führt. Ist der Sn-Zusatz kleiner als 0,05%, ergibt sich kein Feinverteilungseffekt; ist der Sn-Zusatz anderer seits oberhalb von 0,8%, ist die Steigerung des Feinver teilungseffektes im Vergleich zur Menge des zusätzlichen Sn gering und kann ferner eine geringere Leitfähigkeit bewir ken.

Nach einem der Merkmale der vorliegenden Erfindung wird die Größe der Ausscheidungspartikel auf kleiner als 0,5 µm begrenzt. Mit den feinen Ausscheidungspartikeln wird die Teilchendichte insgesamt hoch. Aufgrund dieser Eigenschaft hat die erfindungsgemäße Kupferlegierung ein gutes Lötver halten und gutes Elektroplattierungs- bzw. Galvanisierungs verhalten und in Verbindung mit den fein verteilten Aus scheidungen ein hervorragende Bearbeitbarkeit, einen hohen thermischen Erweichungswiderstand und hohe Festigkeit bzw. Federhärte bezüglich der Materialelastizität. Außerdem zeigt sich bei der erfindungsgemäßen Legierung im nachfolgenden Prozeß die gleich große Ausscheidungstendenz bzw. -kraft wie bei einem einer Vergütungsbehandlung, insbesondere einem Vergütungsglühen, unterworfenen Material - und zwar ohne derartige aufwendige Behandlung.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen der erfin dungsgemäßen Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit erläutert.

Die Verbindung Cu-Ni-Si-Sn wird geschmolzen und aufberei tet, um die zuvor erwähnte Zusammensetzung zu erhalten. Während dieses Aufbereitungsvorganges werden weniger als 1,0% Zink (Zn) sowie jeweils bis zu 0,1% Phosphor (P), Magnesium (Mg) bzw. Zirkonium (Zr) als Deoxidationsmittel hinzugefügt. Dabei wird reines Zn in Barrenform, P in Form von CuP 15, Mg in Form von CuMg 10 und Zr in Form von CuZr 50 während des Schmelzvorganges zugefügt. In der obigen Zusammensetzung kann Ni bis zu 1% mit Eisen (Fe) oder Co balt (Co) ersetzt werden. Die vorliegende erfindungsgemäße Zusammensetzung kann - in den Grenzen innerhalb eines Be reiches, in dem eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 40% IACS zugesichert ist - neben den oben genannten Elemen ten auch unvermeidbare Verunreinigungen bis zu 0,05% ent halten, solange die Verunreinigungen die elektrische Leit fähigkeit ihrer Art nach nicht negativ beeinflussen.

Eine auf diese Weise hergestellte Schmelze wird zu einem Barren bzw. Ingot gegossen. Der Barren wird sodann ober flächenbehandelt, bis zu einer bestimmten Dicke kaltge walzt, einem Ausscheidungsprozeß für 5-12 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 450-520 Grad Celsius unterworfen, erneut kaltgewalzt und schließlich einem Aus heilungsprozeß unter Spannung, z. B. unter Zugbeanspruchung, für weniger als 90 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 350-550 Grad Celsius unterworfen.

Ein besonders vorteilhaftes Merkmal des zuvor genannten Herstellungsverfahrens besteht in der Möglichkeit, auf eine Vergütungsbehandlung der eingangs genannten Art zu verzich ten, welche bei einer herkömmlichen Herstellung einer Aus scheidungshärtungslegierung wesentlich ist. Wegen der er findungsgemäßen Hemmung der Bildung von Ausscheidungsparti keln und dem nachfolgenden Wachstum von Ni₂Si während dem Erstarren der Schmelze - verursacht durch das zugegesetzte, im Grundmaterial gelöste Sn - wird die Ausscheidungskraft zum Zeitpunkt eines Ausscheidungstempervorgangs gleich groß wie bei einem Material, welches einem Vergütungsglühen unterworfen wurde. Die Erfindung verzichtet jedoch auf eine derartige Vergütungsbehandlung des Barrens innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches. Das erfindungsgemäße Her stellungsverfahren kann auch angewendet werden für Materia lien aus Mg, welche z. B. das einleitend genannte C7025- Zusammensetzung von Olin enthalten, sowie für Materialien aus der koreanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 94- 10455 (sog. PMC 102M-Legierung).

Im nachfolgenden wird Näheres zur Wahl der Bedingungen während des Ausscheidungsprozesses (Temperatur im Bereich von 450-550 Grad Celsius und Dauer von 5-12 Stunden) und während des Ausheilungsprozesses unter Spannung (Tempe ratur zwischen 350 und 550 Grad Celsius für eine Dauer von etwa 90 Sekunden) wird folgendes ausgeführt:

Fills die Kupferlegierung nach der vorliegenden Erfindung bei einer Temperatur unterhalb von 450 Grad Celsius ausge härtet würde, wäre - trotz der hochwertigen Ausscheidungen aufgrund der durch des Sn-Zusatz bewirkten Hemmung des Ausscheidungswachstums wird, eine verlängerte Aushärtung von mehr als 12 Stunden notwendig, um eine ausreichende Dehnbarkeit, Biegsamkeit und Bruchfestigkeit für Anwendun gen als Leiter für Halbleiterbauelemente zu garantieren. Daher wäre die auf diese Weise hergestellte Kupferlegierung nicht besonders günstig in Hinsicht auf Produktivität und kann zudem aufgrund der inadäquaten Ausscheidungsbedingun gen eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen (da die Ausscheidungstreibkraft zu gering ist).

Übersteigt die Aushärtungstemperatur den Wert von 520 Grad Celsius, so zeigt die Kupferlegierung einen steilen Abfall der elektrischen Leitfähigkeit aufgrund des Aufschmelzens der Lösung der Ausscheidungen zusammen mit einer Abnahme eines thermischen Erweichungswiderstandes aufgrund des ausbleibenden Ausscheidungshärtungseffektes. Der letztge nannte Ausscheidungshärtungseffekt bleibt unter diesen Bedingungen deshalb aus, weil die Ausscheidungspartikel dazu tendieren, grob bzw. rauh zu werden.

Falls die Temperatur im Falle des Ausheilungsprozesses zu gering ist, d. h. unterhalb von 350 Grad Celsius liegt, kann eine Versetzung innerhalb einer kurzen Zeit nicht ausge heilt werden, d. h. nicht zum Bewegen und zum Festsetzen an einer bestimmten Stelle veranlaßt werden, da die hierfür erforderliche Aktivierungsenergie nicht ausreichend ist. Daher wird man in diesem Fall kaum einen Spannungsaushei lungseffekt erwarten können. In entsprechender Weise ist es unter diesen Bedingungen schwierig, eine gewünschte Feder steifigkeit des hergestellten Materials zu erreichen. Falls die Temperatur den Wert von 550 Grad Celsius übersteigt, ist aufgrund des schnellen Wechsels der physikalischen Eigenschaften innerhalb einer kurzen Zeit eine zuverlässige Kontrolle während der Ausheilungszeit kaum durchführbar, was sich negativ auf Elastizität und Festigkeit des Materi als auswirkt.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert:

Dabei werden die Schmelz- und Gießvorgänge der erfindungs gemäßen Kupferlegierung unter Atmosphärendruck durchge führt. Ferner wird die Kupferlegierung bevorzugt in Strei fen gegossen (Dicke < 25 mm; Gießtechnik = vertikales semi kontinuierliches Gießen (VCC) oder horizontales kontinuier liches Gießen (HCC)). Nachdem das gegossene Material kalt gewalzt worden ist, wird es einem Ausscheidungsprozeß un terworfen - und zwar ohne jede Vergütungsbehandlung. Falls jedoch die Kupferlegierung mit Hilfe des vertikal kontinu ierlichen Gießverfahrens (VCC) gegossen worden ist, wird das gegossene Material vor dem Kaltwalzen unter Berücksich tigung der Material- bzw. Plattendicke noch heißgewalzt.

Die Legierung nach dem ersten Ausführungsbeispiel wird aus einem Material mit einer in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigten chemischen Zusammensetzung geschmolzen und gegos sen. Die hieraus gewonnene Legierung wird oberflächenbehan delt - jedoch ohne Vergütungsglühen - und bis zu einer Dicke von 1,5 mm kaltgewalzt. Sodann wird das kaltgewalzte Material einem Ausscheidungsprozeß für 5-12 Stunden bei einer Temperatur innerhalb des Bereiches von 450-520 Grad Celsius unterworfen und sodann nochmals bis zu einer Dicke von 0,254 mm kaltgewalzt. Sodann wird das kaltgewalzte Material einem Ausheilungsprozeß unter Spannung für weniger als 90 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 350-550 Grad Celsius ausgesetzt, um eine Federsteifigkeit von mehr als 40 kg/mm² zu erhalten. Ein Ausschnitt eines ferti gen Produktes wurde mit einem Elektronenmikroskop beobach tet und die Größe der Ausscheidungen bis zu Maximalwerten von 0,3-0,4 µm ermittelt. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

Zum Vergleich sind in der Tabelle 1 Legierungen Nr. 13 bis 18 angegeben, welche aus der JP J1603381 von Nihon Kougyo bekannt sind. Die Größen der Ausscheidungspartikel errei chen dabei Werte von mehr als 1 µm, was für ein modernes Herstellungsverfahren unpraktikabel ist, da es eine lange Zeit, nämlich mehr als 20 Stunden, und hohe Temperatur zur Herstellung derartig grobkörniger Ausscheidungspartikel be darf. Bei solchen Herstellungsbedingungen nehmen sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch Festigkeit und Härte des Materials erheblich ab, da sich instabile feine Ausschei dungen wieder zu einem Gefüge verfestigen. Ferner sind Löt verhalten und Galvanisierungsverhalten umso ungünstiger, je grobkörniger die Größe der Ausscheidungen ist. Selbst mit einer Vergütungsbehandlung bei 800 Grad Celsius, d. h. mit Vergütungsglühen, und einem Ausscheidungsprozeß für die Dauer von 6 Stunden bei 420 Grad Celsius, wie in der zuvor genannten Druckschrift von Nihon Kougyo näher beschrieben, können gute Charakteristika nicht erreicht werden.

Um einen thermischen Erweichungswiderstand zu messen, wel cher benötigt wird für Anwendungen als Leitermaterial, wird Verbindung Nr. 10 aus Tabelle 1 hinsichtlich der Änderung ihrer Zugfestigkeit nach einem Ausheilvorgang bei einer Temperatur im Bereich von 300-700 Grad Celsius für 30 Minuten und nach Abkühlen in Luft gemessen. Der hieraus gewonnene Kurvenverlauf der Messungen des Wärmeerweichungs widerstandes ist in Fig. 1 dargestellt. Daraus ergibt sich, daß eine Zugfestigkeit von über 80% einer anfänglichen Zugfestigkeit bis zu etwa 500 Grad Celsius aufgrund der Hemmung des Ausscheidungswachstums beibehalten werden kann.

Die in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungen zeigen mikroskopische Ansichten von Ausscheidungsverteilun gen zwischen verschiedenen Verfahrensschritten an dem obi gen ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Legierung Nr. 10 in Tabelle 1 verwendet wird.

Fig. 2 zeigt beispielsweise ein Material, das gegossen und kaltgewalzt wurde, ohne ein Vergütungsglühen durchzuführen. Im Vergleich zeigt Fig. 3 ein Material, das gegossen, so dann einer Vergütungsglühbehandlung unterworfen und schließlich kaltgewalzt wurde. Wie an diesen Bildern er sichtlich ist, können keine Ausscheidungen im Materialgefü ge gefunden werden. Es wurde angenommen, daß eine ausrei chende Ausscheidung (aufgrund Übersättigung des gelösten Elements) bei einem Zusatz von Sn erfolgt, selbst wenn auf eine Vergütungsbehandlung verzichtet wird. Dies wird im nachfolgenden näher erläutert:

Die Fig. 4 und 5 zeigen mikroskopische Aufnahmen der Materialien in den Fig. 2 und 3 nachdem diese jeweils einem Ausscheidungsprozeß bei etwa 490 Grad Celsius für eine Dauer von 12 Stunden unterworfen wurden, um ver gleichsweise Verteilungen von Ausscheidungen zu veran schaulichen. Dabei sind die weißen Stellen in den Fig. 4 und 5 grobkörnige Ausscheidungen.

Demnach erreicht die Erfindung auch ohne jede Vergütungsbe handlung eine ausreichende Ausscheidungsbildung allein durch den Zusatz von Sn. Dies beruht im wesentlichen auf einem durch den Sn-Zusatz bewirkten Diffusionsblockierungs effekt der in Festkörperlösung gelösten Elemente. Ein Ver gleich der physikalischen Eigenschaften dieser Proben ist in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt.

TABELLE 2

Betrachtet man die Änderungen in Festigkeit und elektri scher Leitfähigkeit einer Ausscheidungshärtungslegierung in Abhängigkeit der Ausscheidungseffekte, so zeigt die Festig keit ihr Maximum, wenn die Ausscheidungspartikel nach der Ausscheidung mit dem Gefüge bzw. der Matrix zusammenhängen, aber noch nicht vollständig ausgewachsen sind. Andererseits zeigt die elektrische Leitfähigkeit ihr Maximum, wenn die Ausscheidungspartikel vollständig ausgewachsen und mit dem Gefüge nicht zusammenhängend sind. Vergleicht man nun die Materialien in den Fig. 4 und 5, so hat trotz ähnlicher Verteilungen von Ausscheidungen die feinere Struktur des Materials in Fig. 4 bessere mechanische Eigenschaften als das Material in Fig. 5, obwohl die elektrische Leitfähig keit der Materialien in den Fig. 4 und 5 ähnlich sind (da die Menge an Ausscheidungspartikel, welche unter den selben Bedingungen erfolgen können, dieselbe ist).

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt einer mikroskopischen Ansicht des Materials in Fig. 4, nachdem dieses einem Kaltwalzvor gang bis zu einer Dicke von 0,254 mm unterworfen und bei 500 Grad Celsius für etwa 60 Sekunden unter Spannung ausge heilt wurde. Danach erkennt man, daß die Struktur des er findungsgemäßen Materials in Fig. 6 fein ist. Fig. 7 zeigt zum Vergleich einen Ausschnitt einer mikroskopischen An sicht der eingangs genannten C7025-Legierung von Olin.

Die Fig. 8 und 9 zeigen ferner abschnittsweise mikrosko pische Ansichten einer PMC-102 Legierung (Fig. 8) bzw. eine Legierung aus der Druckschrift JP S60-45698 von Nihon Kou gyo (Fig. 9). Dabei erkennt man, daß grobkörnige Ausschei dungen viel häufiger vorkommen als bei der vorliegenden Erfindung.

Die nachfolgende Tabelle 3 faßt die Größen und Verteilungen der Ausscheidungspartikel in den Fig. 6-8 zusammen.

TABELLE 3

Nach alledem liefert die Erfindung eine hochwertige Kup ferlegierung mit exzellenten mechanischen und physikali schen Eigenschaften einschließlich eines hohen thermischen Erweichungswiderstandes, bei welcher vorteilhaft die Aus scheidungspartikel fein verteilt sind.

Für den Fachmann ist klar, daß verschiedene Modifikationen und Variationen bei dem Verfahren zur Herstellung von Halb leiterbauelementen nach der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher elek trischer Leitfähigkeit, hergestellt durch unterdrück tes Ausscheidungswachstum mit 0,5-4,0% Nickel (Ni), 0,1-1,0% Silizium (Si), 0,05-0,8% Zinn (Sn) sowie den verbleibenden Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei die Größe der Ausscheidungs partikel weniger als 0,5 µm beträgt.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, bei welcher Nickel durch Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) bis zu 1% ersetzt ist.

3. Verfahren zum Herstellen einer Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit mit folgenden Schritten:

- Schmelzen und Gießen von Ausgangsmaterialien zu einem Block bzw. Barren mit 0,5-4,0% Nickel (Ni), 0,1-1,0% Silizium (Si), 0,05-0,8% Zinn (Sn) und den verbleibenden Rest Kupfer sowie unvermeidbare Verunreinigungen;
- Oberflächenbehandeln und Kaltwalzen des Barrens;
- Unterwerfen des kaltgewalzten Barrens einem Aus scheidungsprozeß bei einer Temperatur im Bereich von 450-550 Grad Celsius für 5-12 Stunden;
- Kaltwalzen des dem Ausscheidungsprozeß unterwor fenen Materials; und
- Unterwerfen des kaltgewalzten Materials einem Ausheilungsprozeß unter Spannung bei einer Tempe ratur im Bereich von 350-550 Grad Celsius für weniger als 90 Sekunden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem während des Schmelzvorganges weniger als 1,0% Zink (Zn) sowie je weils bis zu 0,1% Phosphor (P), Magnesium (Mg) bzw. Zirkonium (Zr) als Deoxidationsmittel hinzugefügt wer den.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem die so erhaltene Legierung Ausscheidungspartikel mit Größen unterhalb von 0,5 µm aufweist.