DE19643378C2

DE19643378C2 - Produkt aus einer Kupferlegierung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19643378C2
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: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: KR0157257B1; US5846346A; KR970043210A; DE19643378A1; DE19643378C5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Produkt aus einer Kupferlegierung der Cu-Ni-Si-Gruppe mit hoher mechanischer Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit sowie ein Verfahren zu dessen 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 Spritz vorgang 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 Leitfähigkeit, 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 bekannteste 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, welche von einem Oxidationsverlust des 0,15%igen Mg-Gehaltes während des Schmelzvorganges herrührt.

In der Zwischenzeit sind auch aushärtbare Legierungen nach dem Ausscheidungsverfahren bekannt geworden, wie etwa die sog. Corson-Gruppe-Legierungen (0,5-4,0% Nickel (Ni); 0,1-1,0% Silizium (Si) und Kupfer als Rest (Cu)) sowie ein weiteres Material, welches in der japanischen Offenle gungsschrift JP-OS S60-45698 von Nihon Kougyo bekanntgewor den 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 "Vergütungs- bzw. Lösungs glühen" bezeichnet. Ferner wird eine Oberflächenbehandlung, ein Kaltwalzvorgang, ein Ausheilen bei 800 Grad Celsius, ein erneuter Kaltwalzvorgang sowie ein Veredelungsvorgang für 6 Stunden bei 420 Grad Celsius durchgeführt. Die vorge schlagene bekannte Legierung möchte zwar das Antikorro sionsverhalten der Legierung sowie deren Festigkeit und die Verteilung von grobkörnigen Ausscheidungspartikeln verbes sern. Nirgendwo wird jedoch die Unterdrückung bzw. Hemmung von Ausscheidungen und deren Wachstum angesprochen. Außer dem benötigt die bekannte Legierung das genannte Vergü tungsglühen, was die Herstellungskosten entscheidend in die Höhe treibt.

Aber auch die durch Aushärtung hergestellte Corson-Gruppe- Legierungen erreichen eine Verbesserung der Festigkeit und elektrischen Leitfähigkeit allein durch eine Veredelung, welche die zuvor genannte Wäremebehandlung voraussetzt.

Ferner offenbart Patents Abstracts of Japan, C-518, 3. Au gust 1998, Vol. 12/Nr. 283, JP 63-62 834 A eine Kupferlegie rung der eingangs genannten Art. Diese ist lediglich bezüg lich ihrer Bestandteile Nickel (0,4-4%) und Silizium (0,1-1%) genauer definiert. Neben diesen Bestandteilen soll die Legierung noch weitere Bestandteile in der Menge von 0,001-3,0% aufweisen können. Einer dieser möglichen Bestandteile ist Zinn. Die Veröffentlichung enthält aber keine Ausführungen zu der Ausscheidungsgröße in Produkten, die mit diesen Legierungen erzeugt werden. Insbesondere ist in der Veröffentlichung kein Produkt genannt, das eine fei ne Ausscheidungsgröße aufweist. Auch lassen die zu der of fenbarten Kupferlegierung angegebenen Eigenschaften nicht auf eine feine Ausscheidungsgröße schließen, da die Werte für die elektrische Leitfähigkeit und die mechanische Fe stigkeit relativ hoch sind.

Auch die US 4,337,089 offenbart eine Kupferlegierung der einleitend genannten Art. Die Größe der Ausscheidungsparti kel in einem Produkt aus der offenbarten Kupferlegierung ist jedoch nicht thematisiert. Auch ist das offenbarte Her stellungsverfahren, bei welchem ein erstes Glühen bei 300-395°C für eine Stunde durchgeführt wird, nicht geeignet, feine Ausscheidungspartikel zu erhalten. Die bekannte Le gierung basiert vielmehr auf der Überlegung, durch die Ein stellung eines gewissen Sn-Gehalts die gewünschte hohe Leitfähigkeit zu erzielen.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Legierung der eingangs genannten Art mit verbesserten mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie ein einfaches Verfah ren zu deren Herstellung bereitzustellen.

Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 4. Beispielhafte bevorzugte Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprü chen angegeben.

Danach enthält ein erfindungsgemäßes Produkt aus einer Kup ferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit mit gehemmtem Ausscheidungswachstum 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 Ver unreinigungen, wobei die Größe der Ausscheidungspartikel in dem Produkt weniger als 0,5 µm beträgt.

Dabei sind die Prozentangaben für die hier genannten Zusam mensetzungen in Gewichtsprozent zu verstehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines derar tigen Produktes aus einer Kupferlegierung 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 verblei benden Rest Kupfer sowie unvermeidbare Verunreinigun gen;
- Oberflächenbehandeln und Kaltwalzen des Barrens;
- Glühen des kaltgewalzten Barrens bei einer Temperatur im Bereich von 450-550°C für 5 bis 12 Stunden;
- Kaltwalzen des dem Ausscheidungsprozess unterworfenen Materials; und
- Ausheilungen der kaltgewalzten Legierung bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 550°C für weniger als 90 Sekunden.

Demnach realisiert die vorliegende Erfindung eine hochlei tende Kupferlegierung mit exzellenten mechanischen und phy sikalischen Eigenschaften einschließlich exzellentem ther mischem Erweichungswiderstand, bei welchem die Aus scheidungspartikel aufgrund der Tatsache, daß das Anwachsen der Ausscheidungen unterdrückt bzw. gehemmt wird, fein ver teilt sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Her stellen einer derartigen hochwertigen Kupferlegierung wird keinerlei Vergütungs- bzw. Lösungsglühbehandlung 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 verwendeten Legierung wird das Element Nickel bis zu 1% durch Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) ersetzt.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während des Schmelzvorganges weniger als 1,0% Zink (Zn) sowie jeweils bis zu 0,1% Phosphor (P), Magnesium (Mg) bzw. Zirkonuium (Zr) als Deoxidationsmittel hinzugefügt.

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 Be schreibung der Erfindung beispielhaft ist und zur weiteren 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 Er klärung 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 Ausscheidungen 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 als jeweils verbleibender Rest Kupfer (Cu) mit unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei die Kupferlegierung eine Verteilung von Ausscheidungspartikeln mit einer Größe unterhalb von 0,5 µm aufweist. Wie bereits einleitend er wähnt wurde, sind Cu-Ni-Si-Legierungen an sich bekannt, wie etwa die sog. Corson-Gruppe Legierung. Daher sind weiterge hende Ausführungen hinsichtlich der Ni- und Si-Zusammen setzungen 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 eine hervorragende Bearbeitbarkeit, einen hohen thermischen Erweichungswiderstand und hohe Festigkeit bzw. Federhärte bezüglich der Materialeastizität. Außerdem zeigt sich bei der erfindungsgemäßen Legierung im nachfolgenden Prozeß die gleich große Ausscheidungstendenz bzw. -kraft wie bei einem einer Vergütungsbehandlung, insbesondere ei nem 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 weiterver arbeitet, um die zuvor erwähnte Zusammensetzung zu er halten. Während dieses Verarbeitungsvorganges werden weni ger als 1,0% Zink (Zn) sowie jeweils bis zu 0,1% Phosphor (P), Magnesium (Mg) bzw. Zirkonium (Zr) als Deoxidations mittel 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 Cobalt (Co) ersetzt werden. Die vorliegende erfin dungsgemäße Zusammensetzung kann - in den Grenzen innerhalb eines Bereiches, in dem eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 40% IACS zugesichert ist - neben den oben genann ten Elementen auch unvermeidbare Verunreinigungen bis zu 0,05% enthalten, solange die Verunreinigungen die elek trische Leitfähigkeit ihrer Art nach nicht negativ beein flussen.

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 un terworfen, erneut kaltgewalzt und schließlich einem Aushei lungsprozeß 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 scheidungslegierung wesentlich ist. Wegen der er findungsgemäßen Hemmung des Wachstums der Ausscheidungs partikel und dem nachfolgenden Wachstum von Ni₂Si während dem Erstarren der Schmelze - verursacht durch das hinzuge gebene im Grundmaterial gelöste Sn - wird das Ausschei dungsvermögen zum Zeitpunkt eines Aushärtungsvorgangs gleich groß wie bei einem Material, welches einem Lösungs glühen unterworfen wurde. Die Erfindung verzichtet jedoch auf eine derartige Vergütungsbehandlung des Barrens in nerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches. Das erfin dungsgemäße Herstellungsverfahren kann auch angewendet wer den für Materialien aus Mg, welche z. B. das einleitend ge nannte 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 wäh rend des Ausscheidungsprozesses (Temperatur im Bereich von 450-550 Grad Celsius und Dauer von 5-12 Stunden) und während des Ausheilungsprozesses unter Spannung (Temperatur zwischen 350 und 550 Grad Celsius für eine Dauer von etwa 90 Sekunden) wird folgendes ausgeführt:
Falls die Kupferlegierung nach der vorliegenden Erfindung bei einer Temperatur unterhalb von 450 Grad Celsius ausge härtet würde, wäre - trotz der hochwertigen Auscheidungen aufgrund der durch des Sn-Zusatz bewirkten Hemmung des Aus scheidungswachstums - eine verlängerte Aushärtung von mehr als 12 Stunden notwendig, um eine ausreichende Dehnbarkeit, Biegsamkeit und Bruchfestigkeit für Anwendungen als Leiter für Halbleiterbauelemente zu garantieren. Daher wäre die auf diese Weise hergestellte Kupferlegierung nicht beson ders günstig in Hinsicht auf Produktivität und kann zudem aufgrund der inadäquaten Ausscheidungsbedingungen eine ge ringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen (da das Aus scheidungsvermögen zu gering ist).

Übersteigt die Aushärtungstempertur 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 aus bleibenden Ausscheidungseffektes. Der letztgenannte Aus scheidungseffekt 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 Ei genschaften 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 Dic ke 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 Ma terial einem Ausheilungsprozeß unter Spannung für weniger als 90 Sekunden bei einer Temperatur im Bereich von 350- 550 Grad Celsius ausgesetzt, um eine Zugfertigkeit von mehr als 40 N/mm² zu erhalten. Ein Ausschnitt eines fertigen Produktes wurde mit einem Elektronenmikroskop beobachtet und die Größe der Ausscheidungen bis zu Maximalwerten von 0,3-0,4 µm ermittelt. Die Ergebnisse sind in der nachfol genden 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 Ausscheidungslegierung in Abhän gigkeit der Ausscheidungseffekte, so zeigt die Festigkeit ihr Maximum, wenn die Ausscheidungspartikel nach der Aus scheidung 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 Kaltwalzvorgang 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. Produkt aus einer Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit mit gehemmtem Aus scheidungswachstum, die 0,5-4,0% Nickel (Ni), 0,1-1,0% Silizium (Si), 0,05-0,8% Zinn (Sn) sowie den verbleiben den Rest Kupfer und unvermeidbare Verunreinigungen ent hält, wobei die Größe der Ausscheidungspartikel in dem Produkt weniger als 0,5 µm beträgt.

2. Produkt nach Anspruch 1, wobei die Ausscheidungspartike lanzahl in dem Produkt zwischen 19 und 32 pro 100 µm² liegt.

3. Produkt nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Kupferlegie rung Nickel bis zu 1% durch Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) ersetzt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Produktes aus einer Kup ferlegierung gemäß Anspruch 1, 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 ver bleibenden Rest Kupfer sowie unvermeidbare Verunrei nigungen;
- Oberflächenbehandeln und Kaltwalzen des Barrens;
- Glühen des kaltgewalzten Barrens bei einer Temperatur im Bereich von 450-550°C für 5 bis 12 Stunden;
- Kaltwalzen des dem Ausscheidungsprozess unterworfenen Materials; und
- Ausheilungen der kaltgewalzten Legierung bei einer Temperatur im Bereich von 350 bis 550°C für weniger als 90 Sekunden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem während des Schmelzvorgangs weniger als 1,0% Zink (Zn) sowie jeweils bis zu 0,1% Phosphor (P), Magnesium (Mg) bzw. Zirkonium (Zr) als Deoxidationsmittel hinzugefügt werden.