DE19643379C2

DE19643379C2 - Verfahren zum Herstellen und Weiterverarbeiten einer Kupferlegierung

Info

Publication number: DE19643379C2
Application number: DE19643379A
Authority: DE
Inventors: Dong Woo Lee; Chul Kyu Park
Original assignee: Poongsan Corp
Current assignee: Poongsan Corp
Priority date: 1995-12-08
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JPH09176808A; KR970043243A; DE19643379A1; KR0157258B1; DE19643379C5

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her stellen und Weiterverarbeiten einer aushärtbaren Kupferle gierung für elektrische und elektronische Anwendungen.

Bekanntlich finden derartige Kupferlegierungen aufgrund der guten Leitfähigkeit und guten Bearbeitbarkeit umfangreiche Anwendungen für elektrische und elektronische Komponenten, z. B. als Systemträger bzw. Leiterrahmen und Steckverbindun gen für IC-Bausteine. Unter den Härtungsverfahren für der artige Kupferlegierungen sind weit verbreitet: z. B. Lö sungsglühen mit Ausscheidungshärtung und Aushärtung durch sog. "up hill"-Diffusion. Abgesehen von den allgemeinen Materialcharakteristiken, wird das Ausscheidungshärtungs verfahren wegen der gleichzeitig verbesserten Festigkeits- und elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften in großem Umfang bei Kupferlegierungen für elektrische und elektroni sche Anwendungen angewendet.

Fig. 1 zeigt allgemein ein Phasendiagramm einer aushärt baren Legierung. Dabei umfaßt ein Aushärtungsverfahren grundsätzlich folgende Schritte: Erwärmen einer Probe auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Lösungsglühtempera tur und Beibehalten dieser Temperatur; Abkühlen der Probe zum Ausbilden einer übersättigten festen Lösung und Halten der Probe auf einer geeigneten Temperatur unterhalb der kritischen Lösungsglühtemperatur, um eine Ausscheidungs phase zu induzieren, welche die Legierung aushärtet.

Aus der DE 34 17 273 C2 und der DE-OS 17 83 164 sind je weils Verfahren zur Wärmebehandlung aushärtbarer Kupfer- Nickel- bzw. Kupfer-Eisen-Legierungen bekannt. Bei diesen Verfahren wird jedoch jeweils vor der Aushärtungsbehandlung ein Warmwalzen bei Lösungsglühtemperatur bzw. ein Lösungs glühen durchgeführt.

Als Material für Anwendungen für elektrische und elektroni sche Komponenten ist die sogenannte CDA 194-Legierung von Olin weit verbreitet. Die CDA 194-Legierung besteht in ihrer Grundzusammensetzung aus 1,5-3,0% Eisen (Fe), 0,01 -0,5% Phosphor (P), 0,01-0,5% Zink (Zn) und der ver bleibende Rest Kupfer (Cu). Für den Fall, daß diese Legie rung als federhartes Material ausgelegt ist, weist sie eine Festigkeit von 490-530 N/mm² und eine elektrische Leitfä higkeit von etwa 60% (IACS) auf. Diese bekannte Legierung wird verarbeitet, indem eine Probe einem Warmwalzvorgang bei Lösungsglühtemperatur, einem Kaltwalzvorgang sowie einer Aushärtung unterzogen wird.

In dem koreanischen Patent Nr. 18126 der Anmelderin ist ferner ein Material mit der Bezeichnung PMC 102; und in der koreanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 94-10455 der Anmelderin ist ein Material mit der Bezeichnung PMC 102M beschrieben. Diese Materialien basieren auf einer Cu-Ni-Si- P-Legierung bzw. auf einer Legierung mit einem Zusatz von Magnesium (Mg), weisen eine hohe Festigkeit sowie eine exzellente elektrische Leitfähigkeit und thermische Stabi lität auf und werden hergestellt im wesentlichen durch den zuvor genannten Warmwalzvorgang, einem Abschreckvor gang, einem Kaltwalzvorgang sowie einer Aushärtung.

Allen bekannten aushärtbaren Legierungen und den zugehöri gen Verfahren zum Herstellen und Weiterverarbeiten der Legierungen ist gemeinsam, daß ein Warmwalzvorgang inner halb einer Temperaturzone des Lösungsglühens an einem Bar ren vor der Aushärtung notwendig ist. Dies erhöht in ungün stiger Weise die Herstellungskosten derartiger Legierungen und damit auch die Herstellungskosten der hieraus in hohen Stückzahlen hergestellten elektrischen und elektronischen Bauelementkomponenten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Bevorzugte Lösungen der Aufgabe sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen und Weiter verarbeiten einer aushärtbaren Kupferlegierung für elektri sche und elektronische Anwendungen umfaßt folgende Schrit te:

- Schmelzen und Gießen der Legierung zu einem Gußstück mit einer Dicke von weniger als 30 mm; und
- Kaltwalzen des Gußteils und nachfolgendes Aushärten für 4-12 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 450-540°C.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist keinesfalls auf be stimmte Kupferlegierungen beschränkt, sondern läßt sich ohne weiteres für die Herstellung verschiedener aushärt barer Kupferlegierungen anwenden. Bevorzugt umfaßt eine erfindungsgemäß hergestellte Kupferlegierung: 0,05-3,0% Nickel (Ni), 0,01-1,0% Silizium (Si), 0,01-0,16% Phosphor (P) sowie einen Magnesium (Mg) Zusatz von 0,02- 0,2% und der verbleibende Rest Kupfer mit unvermeidbaren Verunreinigungen; oder alternativ dazu: 1,5-3,0% Eisen (Fe), 0,01-0,5% Phosphor (P), 0,01-0,5% Zink (Zn) sowie der verbleibende Rest Kupfer mit unvermeidbaren Ver unreinigungen.

Sämtliche Prozentangaben beziehen sich dabei auf Gewichts prozent.

Danach schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verarbeiten einer Kupferlegierung nach der Ausscheidungs härtungsmethode, welches Beschränkungen und Nachteile des einleitend beschriebenen Standes der Technik vermeidet. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kupferle gierung weist mechanische und chemische Eigenschaften auf, welche denjenigen der nach bekannten Verfahren, einschließ lich dem kostenintensiven Lösungsglühen, hergestellten Le gierungen zumindest gleichwertig sind, - jedoch ohne Not wendigkeit einer derartigen Behandlung. Dies vereinfacht die Weiterverarbeitung erheblich und verringert die damit zusammenhängenden Prozeßkosten.

Weitere 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 ein allgemeines Phasendiagramm für eine aushärt bare Legierung;

Fig. 2 eine mikroskopische Ansicht einer Cu-Ni-Si-P-Mg- Legierung nach einer Aushärtung, welche nach ei nem bekannten Verfahren hergestellt wurde; und

Fig. 3 eine mikroskopische Ansicht einer Cu-Ni-Si-P-Mg- Legierung nach einer Aushärtung, welche nach ei nem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet wur de.

Es wird nun im Detail auf detaillierte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeggangen, die zu Beispiels zwecken in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind.

Die erfindungsgemäß herzustellende Legierung besteht bei spielsweise aus 0,05-3,0% Nickel (Ni), 0,01-1,0% Silizium (Si), 0,01-0,16% Phosphor (P) und/oder einem Magnesium (Mg)-Zusatz von 0,02-0,2% sowie der verblei bende Rest Kupfer (Cu) mit unvermeidbaren Verunreinigungen. Alternativ dazu kann die erfindungsgemäß herzustellende Legierung auch aus 1,5-3,0% Eisen (Fe), 0,01-0,5% Phosphor (P), 0,01-0,5% Zink (Zn) und der verbleibende Rest Kupfer (Cu) mit unvermeidbaren Verunreinigungen beste hen. Obwohl diese Legierungen insgesamt unterschiedliche Zusammensetzungen haben, ist zu bemerken, daß dasselbe nachfolgend beschriebene Verfahren angewendet werden kann, unabhängig von den spezifischen Zusammensetzungen der aus härtbaren Legierungen an sich.

Als erster Schritt werden bei dem erfindungsgemäßen Her stellungsverfahren die Ausgangsmaterialien geschmolzen und zu einem Barren bzw. Block gegossen, z. B. mit den oben genannten Zusammensetzungen oder mit einer Zusammensetzung der nach dem Stand der Technik bekannten aushärtbaren Le gierungen. Dieser Block wird einem Kaltwalzvorgang unter worfen, jedoch ohne vorheriges Heißwalzen sowie einer Aus härtung für 4 bis 12 Stunden bei einer Temperatur im Be reich von 450-550 Grad Celsius. Eine Vorbedingung für den Verzicht auf das Zeit- und kostenintensive Lösungsglühen bzw. Warmwalzen in dem genannten Verfahren besteht zunächst darin, daß das geformte Gußteil dünn ist. Ist nämlich das Gußteil dünn genug, d. h. weniger als 30 mm dick, so können Ausscheidungen aus dem Materialgefüge des Gußteils unter drückt und das nachfolgende Anwachsen dieser Ausscheidungen gehemmt werden. Dies liegt an dem ausreichend schnellen Abkühlen von Kupfer, welche von der exzellenten thermischen Leitfähigkeit von Kupfer herrührt.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit vorteilhaft der Umstand genutzt, daß das dünn ausgeformte Gußteil schnell abkühlt und somit ein darin gelöstes Ele ment in einer übersättigten festen Lösung vorliegt. Auf diese Weise erreicht die Erfindung folgende Vorteile: Ver hinderung eines ungünstigen Ausscheidungseffektes aufgrund einer fehlerhaften Temperatursteuerung, wie sie bei einem herkömmlichen Verfahren mit Lösungsglühen bzw. Warmwalzen in aufwendiger Weise durchzuführen ist; Verstärkung des Aushärtungsvermögens aufgrund der Tatsache, daß nur Kalt walzvorgänge durchgeführt werden; und zufriedenstellender Ausscheidungseffekt während der Aushärtungsbehandlung auf grund des feinen, kaltgewalzten Gefüges.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert.

Nach einem ersten Ausführungsbeispiel wird die eingangs genannte CDA 194-Legierung (Cu-Fe-Zn-P) sowohl nach dem bekannten Verfahren als auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Es wird dabei auf die nachfolgende Tabelle 1 Bezug genommen. Danach ist die nach dem bekannten Verfahren hergestellte CDA 194-Legierung mit einer normalen Dicke ausgebildet und die nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren hergestellte CDA 194-Legierung in einer Dicke von etwa 30 mm gegossen. Nach dem bekannten Verfahren wird die Legierung einem Warmwalzvorgang unterworfen, nicht jedoch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. An beiden Legierungen wird sodann eine Kaltwalz- und eine anschließende Aushär tungsbehandlung durchgeführt. Wie aus der Tabelle 1 her vorgeht, zeigt die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Probe Eigenschaften, die derjenigen entspre chen, welche nach dem bekannten Verfahren hergestellt ist, selbst wenn nach der Erfindung auf ein Warmwalzen der ein gangs genannten Art verzichtet wird.

TABELLE 1

Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die eingangs genannte PMC 102M-Legierung (Cu-Ni-Si-Ng) sowohl nach dem bekannten Verfahren, als auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die Materialeigenschaften der Proben sind in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt. Daran erkennt man, daß die physikalischen Eigenschaften der er findungsgemäß hergestellten Probe nach dem Aushärten ähnlich oder sogar besser sind als diejenigen der nach dem bekannten Verfahren hergestellten Probe.

Fig. 2 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Abschnittes, der nach dem bekannten Verfahren herge stellten PMC 102M-Probe (nach dem Aushärten); und Fig. 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Abschnittes einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte PMC 102M-Probe (auch nach dem Aushärten). Wie in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, sind Ausscheidungen bzw. Ausscheidungspartikel in den Abbildungen fein ver teilt. Ferner erkennt man, daß die Ausscheidungen in Fig. 3 feiner sind als in Fig. 2. Das heißt, daß die Ausschei dungen bei der nach der vorliegenden Erfindung hergestell ten Legierung feiner sind als bei einem herkömmlichen Ver fahren.

TABELLE 2

Falls der Anteil der einzelnen Komponenten der Legierungs zusammensetzung sich dem oberen Grenzwert nähert, zeigt die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (welches von einem Warmwalzen absieht) hergestellte Probe ein deutlich schnel leres Aushärtungsverhalten als die nach dem bekannten Ver fahren hergestellte Probe unter denselben Aushärtungsbedin gungen. Dies läßt sich aus der nachfolgenden Tabelle 3 ablesen.

TABELLE 3

Nach alledem schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herst ellen einer Kupferlegierung mit exzellenter elektrischer Leitfähigkeit und hervorragenden mechanischen Eigenschaf ten, und zwar ohne aufwendiges Warmwalzen.

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. Verfahren zum Herstellen und Weiterverarbeiten einer aushärtbaren Kupferlegierung für elektrische und elek tronische Anwendungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1. Schmelzen und Gießen der Legierung zu einem Guß stück mit einer Dicke von weniger als 30 mm; und
2. Kaltwalzen des Gußteils und nachfolgendes Aushär ten für 4 bis 12 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 540°C.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kupferlegierung mit 0,05 bis 3,0% Nickel, 0,01 bis 1,0% Silizium, 0,01 bis 0,16% Phosphor sowie einem Zusatz von Magnesium von 0,02 bis 0,2% und Kup fer als Rest mit unvermeidbaren Verunreinigungen ver wendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kupferlegierung mit 1,5 bis 3,0% Eisen, 0,01 bis 0,5% Phosphor, 0,01 bis 0,5% Zink und Kupfer als Rest mit unvermeidbaren Verunreinigungen verwendet wird.