DE19643379C5

DE19643379C5 - Verfahren zum Herstellen und Weiterverarbeiten einer Kupferlegierung

Info

Publication number: DE19643379C5
Application number: DE19643379A
Authority: DE
Inventors: Dong Woo Ulsan Lee; Chul Kyu Nam Park
Original assignee: Poongsan Corp
Current assignee: Poongsan Corp
Priority date: 1995-12-08
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: DE19643379C2; DE19643379A1; KR0157258B1; KR970043243A; JPH09176808A

Abstract

Verfahren zum Herstellen und Weiterverarbeiten einer aushärtbaren Kupferlegierung für elektrische und elektronische Anwendungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
– Schmelzen und Gießen der Legierung zu einem Gußstück mit einer Dicke von weniger als 30 mm; und
– sodann ohne Lösungsglühen bzw. Warmwalzen ein Kaltwalzen des Gußteils und nachfolgendes Aushärten für 4 bis 12 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 540°C.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und Weiterverarbeiten einer aushärtbaren Kupferlegierung für elektrische und elektronischen 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 Steckverbindungen für IC-Bausteine. Unter den Härtungsverfahren für derartige Kupferlegierungen sind weit verbreitet: z.B. Lösungsglühen mit Ausscheidungshärtung und Aushärtung durch sog. "up hill"-Diffusion. Abgesehen von den allgemeinen Materialcharakteristiken, wird das Ausscheidungshärtungsverfahren wegen der gleichzeitig verbesserten Festigkeits- und elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften in großem Umfang bei Kupferlegierungen für elektrische und elektronische Anwendungen angewendet.
1 zeigt allgemein ein Phasendiagramm einer aushärtbaren Legierung. Dabei umfaßt ein Aushärtungsverfahren grundsätzlich folgende Schritte: Erwärmen einer Probe auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Lösungsglühtemperatur 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 Ausscheidungsphase zu induzieren, welche die Legierung aushärtet.
Aus der DE-PS 34 17 273 und der DE-OS 17 83 164 sind jeweils 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 Lösungsglühen durchgeführt.
Als Material für Anwendungen für elektrische und elektronische 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 verbleibende Rest ist Kupfer (Cu). Für den Fall, daß diese Legierung als federhartes Material ausgelegt ist, weist sie eine Festigkeit von 490–530 N/mm² und eine elektrische Leitfähigkeit 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 Stabilität auf und werden hergestellt im wesentlichen durch den zuvor genannten Warmwalzvorgang, einem Abschreckvorgang, einem Kaltwalzvorgang sowie einer Aushärtung.
Allen bekannten aushärtbaren Legierungen und den zugehörigen Verfahren zum Herstellen und Weiterverarbeiten der Legierungen ist gemeinsam, daß ein Warmwalzvorgang innerhalb einer Temperaturzone des Lösungsglühens an einem Barren vor der Aushärtung notwendig ist. Dies erhöht in ungünstiger 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 Weiterverarbeiten einer aushärtbaren Kupferlegierung für elektrische und elektronische Anwendungen umfaßt folgende Schritte:

– Schmelzen und Gießen der Legierung zu einem Gußstück mit einer Dicke von weniger als 30 mm; und
– sodann ohne Lösungsglühen bzw. Warmwalzen ein 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 bestimmte Kupferlegierungen beschränkt, sondern läßt sich ohne weiteres für die Herstellung verschiedener aushärtbarer 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 als 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 als Rest Kupfer mit unvermeidbaren Verunreinigungen.
Sämtliche Prozentangaben beziehen sich dabei auf Gewichtsprozent.
Danach schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verarbeiten einer Kupferlegierung nach der Ausscheidungshärtungsmethode, welches Beschränkungen und Nachteile des einleitend beschriebenen Standes der Technik vermeidet. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kupferlegierung weist mechanische und chemische Eigenschaften auf, welche denjenigen der nach bekannten Verfahren, einschließlich dem kostenintensiven Lösungsglühen, hergestellten Legierungen zumindest gleichwertig sind, – jedoch ohne Notwendigkeit einer derartigen Behandlung. Dies vereinfacht die Weiterverarbeitung erheblich und verringert die damit zusammenhängenden Prozeßkosten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dargelegt. Diese ergeben sich unmittelbar 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 Beschreibung 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 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 Erklärung der Grundgedanken der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:
1 ein allgemeines Phasendiagramm für eine aushärtbare Legierung;
2 eine mikroskopische Ansicht einer Cu-Ni-Si-P-Mg-Legierung nach einer Aushärtung, welche nach einem bekannten Verfahren hergestellt wurde; und
3 eine mikroskopische Ansicht einer Cu-Ni-Si-P-Mg-Legierung nach einer Aushärtung, welche nach einem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet wurde.
Es wird nun im Detail auf detaillierte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingeggangen, die zu Beispielszwecken in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind.
Die erfindungsgemäß herzustellende Legierung besteht beispielsweise 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 als 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 als Kupfer (Cu) mit unvermeidbaren Verunreinigungen bestehen. Obwohl diese Legierungen insgesamt unterschiedliche Zusammensetzungen haben, ist zu bemerken, daß dasselbe nachfolgend beschriebene Verfahren angewendet werden kann, unabhängig von den spezifischen Zusammensetzungen der aushärtbaren Legierungen an sich.
Als erster Schritt werden bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren 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 unterworfen, jedoch ohne vorheriges Heißwalzen sowie einer Aushärtung für 4 bis 12 Stunden bei einer Temperatur im Bereich 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 unterdrückt 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 Element in einer übersättigten festen Lösung vorliegt. Auf diese Weise erreicht die Erfindung folgende Vorteile: Verhinderung 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 Kaltwalzvorgänge durchgeführt werden; und zufriedenstellender Ausscheidungseffekt während der Aushärtungsbehandlung aufgrund des feinen, kaltgewalzten Gefüges.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele 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 Verfahren 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 ein Kaltwalz- und eine anschließende Aushärtungsbehandlung durchgeführt. Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, zeigt die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Probe Eigenschaften, die derjenigen entsprechen, welche nach dem bekannten Verfahren hergestellt ist, selbst wenn nach der Erfindung auf ein Warmwalzen der eingangs genannten Art verzichtet wird.
TABELLE 1
Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die eingangs genannte PMC 102M-Legierung (Cu-Ni-Si-Mg) 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 erfindungsgemäßen Probe nach dem Aushärten ähnlich oder sogar besser sind als diejenigen der nach dem bekannten Verfahren hergestellten Probe.
2 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Abschnittes, der nach dem bekannten Verfahren hergestellten PMC 102M-Probe (nach dem Aushärten); und 3 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Abschnittes einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten PMC 102M-Probe (auch nach dem Aushärten). Wie in den 2 und 3 zu erkennen ist, sind Ausscheidungen bzw. Ausscheidungspartikel in den Abbildungen fein verteilt. Ferner erkennt man, daß die Ausscheidungen in 3 feiner sind als in 2. Das heißt, daß die Ausscheidungen bei der nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Legierung feiner sind als bei einem herkömmlichen Verfahren.
TABELLE 2
Falls der Anteil der einzelnen Komponenten der Legierungszusammensetzung sich dem oberen Grenzwert nähert, zeigt die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (welches von einem Warmwalzen absieht) hergestellte Probe ein deutlich schnelleres Aushärtungsverhalten als die nach dem bekannten Verfahren hergestellte Probe unter denselben Aushärtungsbedingungen. Dies läßt sich aus der nachfolgenden Tabelle 3 ablesen.
TABELLE 3
Nach alledem schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Kupferlegierung mit exzellenter elektrischer Leitfähigkeit und hervorragenden mechanischen Eigenschaften, und zwar ohne aufwendiges Warmwalzen.
Für den Fachmann ist klar, daß verschiedene Modifikationen und Variationen bei dem Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen und Weiterverarbeiten einer aushärtbaren Kupferlegierung für elektrische und elektronische Anwendungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Schmelzen und Gießen der Legierung zu einem Gußstück mit einer Dicke von weniger als 30 mm; und – sodann ohne Lösungsglühen bzw. Warmwalzen ein Kaltwalzen des Gußteils und nachfolgendes Aushärten für 4 bis 12 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 540°C.
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 Kupfer als Rest mit unvermeidbaren Verunreinigungen verwendet wird.
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.