DE19732837A1 - Legierung auf Kupferbasis - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kupferlegierungen für die Anwendung in der Elektronik für die Herstellung von Träger von Bauteilen.

Das Kupfer, hervorragender elektrischer Leiter, wie das hinreichend bekannt ist, wird für die verschiedensten Anwendungen gebraucht, insbesondere in der Elektronik; es dient als Platine Träger für Bauteile von elektronischen Schaltungen (Lead Frame) für die verschiedensten Bauteile und insbesondere für elektronische Chips. Bei der Herstellung der Leiterplatten werden die Bauteile im allgemeinen hartgelötet, geklebt und/oder eingefaßt, dann mit einem Überzug aus Kunststoffmasse auf dem Kupferträger heiß ummantelt, der so der Temperatur widerstehen und seine charakteristischen mechanischen Eigenschaften be­ halten soll.

Wegen dieser Hitzebeständigkeit (Restaurationsbeständig­ keit) werden Legierungen auf Kupferbasis verwendet; dies erlaubt die Restaurationsbeständigkeit zu erhöhen, jedoch unter Wahrung einer guten Leitfähigkeit.

Die Hitzebeständigkeit oder das was man Restauration nennt, entspricht einem Ablauf, welcher zum Anlassen der Kupferlegierung, durch Aktivierung der Aufhebung der Dislokationen durch Wiedererwärmung mit hoher Temperatur führt. Die Restaurationsbeständigkeit kennzeichnet sich durch die maximale Dauer (beispielsweise oberhalb von 10 mn) einer Aufrechterhaltung einer angehobenen Temperatur (beispielsweise ca. 450°C), nach der die Härte des Metalls oberhalb eines vorbestimmten Wertes bleibt.

Die gemessene Leitfähigkeit der Legierung, in Prozent angegeben, bezieht sich auf die Leitfähigkeit des reinen Kupfers gleich 100%. Dieser Prozentsatz von Leitfähigkeit wird Leitfähigkeit IACS genannt.

Entsprechend dem Beispiel verwendet man die Legierung Cu Sn 0,15, welches eine Legierung aus Kupfer und Zinn ist.

Die in der Elektronik verwendeten Kupferträger sollen nicht nur eine gute mechanische Widerstandsfähigkeit und Hitzebeständigkeit aufweisen, sondern sollten auch eine hervorragende Schweißbarkeit und/oder Lötbarkeit aufweisen. Dafür ist die Kupferlegierung mit einer Nickelschicht überzogen. Diese Nickelschicht wird vor dem Zuschneiden der Produkte sowie der Träger auf die Legierung aufgebracht. Dies führt zu einer erheblichen Menge an Abfallstücken mit vernickelten Kupferlegierung, deren Wiederaufbereitung kostspielig ist. Man muß in der Tat die Elektrolyse anwenden, um das Kupfer vom Nickel zu trennen und es wiederzuverwenden.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die Legierungen auf Kupferbasis für die Elektronik zu verbessern, um Legierungen zu erhalten, welche einen guten Temperaturwiderstand und eine erhöhte Leitfähigkeit aufweisen und die Wiederaufbereitung von Fabrikations­ abfällen erleichtern.

Zu diesem Zwecke beinhaltet die Erfindung das Verfahren zur Herstellung von Trägern für Bauteile von elektronischen Schaltungen, die dazu bestimmt sind, auf den Träger aus einer Legierung auf Kupferbasis gelötet, geklebt und/oder heißgefaßt zu werden, welche in Masseprozent 0,1% bis 1% Nickel und 0,005% bis 0,1% Phosphor enthält, wobei der Rest aus Kupfer oder hauptsächlich Kupfer ist.

Entsprechend der Erfindung kann eine solche Legierung im übrigen bis zu 0,1% Eisen und/oder bis zu 0,5% Zink enthalten.

Diese Legierung auf Kupferbasis zeigt eine gute Leitfähigkeit, im allgemeinen über 80% IACS in dem angegebenen Bereich der Mischung, sowie eine hervorragende Hitzebeständigkeit, d. h., ein Restaurationswiderstand, hauptsächlich zurückzuführen auf die Zusatzelemente Nickel und Phosphor.

Die Legierung auf Kupferbasis gemäß der Erfindung ist gleichermaßen auf wirtschaftlicher Ebene interessant, denn sie erleichtert das Recyclieren der Abfälle der Trägerfabrikation oder der Elemente für die Elektronik, denn in diesem Fall ist die Legierung erfindungsgemäß mit einem Nickelüberzug versehen. Die mechanischen Eigenschaften dieser Legierung sind außerordentlich interessant.

Die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung bieten zahlreiche Vorteile. Z.B. ist ihre elektrische Leitfähigkeit sehr gut. Es ist leicht, eine elektrische Leitfähigkeit höher als 70% IACS zu erhalten.

Es ist sogar möglich, wie die folgenden Beispiele zeigen, eine elektrische Leitfähigkeit oberhalb 80% IACS sicherzu­ stellen, indem der Zusatz von Phosphor im Zusammenhang mit dem von Nickel und von Eisen variiert und indem der Gehalt der restlichen Elemente (Zink, . . . ) begrenzt wird: Die speziellen Produktionsprogramme sind also für die Optimierung der Glühzyklen und die Bildung von feinen Ni_aP_β-Niederschläge zu berücksichtigen.

Der restliche Gehalt von Nickel und von Phosphor in Lösung nach der größtmöglichen Ausfällung gewährleistet einen sehr guten Restaurationswiderstand: Die Anlaßvorgänge bleiben, wie das die folgenden Beispiele bezeugen, während der Durchführung in einem Ofen selbst jenseits von 450°C schwach und sind bei der Schweißung, Lötung oder der Verkapselung mit Kunststoff bei Temperaturen im Bereich zwischen 370° und 425°C vernachlässigbar.

Die gebildeten Ausfällungen (aus Ni₅P₂ gemäß den aktuellsten thermodynamischen Berechnungen oder sicherer aus Ni₂P gemäß den durchgeführten Analysen durch Energieverlust in Transmissionsmikroskopie) erlauben eine signifikante Härtung der erfindungsgemäßen Legierungen. Sie erhöhen parallel den Relaxationswiderstand.

Die erfindungsgemäßen Legierungen sind wenig kostenintensiv. Sie benötigen nur gebräuchliche Zusatzelemente. Sie erlauben darüberhinaus das preiswerte Recyclieren der Abfälle aus vernickeltem Kupfer. Kleine Mengen Unreinheiten (Zink, Silizium, . . .) können toleriert werden: Sie stufen gemäß den bekannten Gesetzen die Leitfähigkeit des Produktes ab. Die marginale Zuführung von anderen Legierungselementen, wie Eisen (bis zu 1.000 ppm aber bevorzugt weniger als 100 ppm) kann dazu führen, daß die Glühungen beschleunigt und die mechanischen Eigenschaften erlangt werden, wobei die Leitfähigkeit nur wenig berührt wird.

Die erfindungsgemäßen Legierungen eignen sich somit insbesondere für die elektronischen Anwendungen (Gitter, Leitungsbauteile, . . .) und ersetzen somit vorteilhafter­ weise die Legierungen, wie Cu Sn 0,15.

Die erfindungsgemäße Legierung kann im Gießverfahren hergestellt werden, welches im allgemeinen für die Legierungen auf Kupferbasis angewendet wird. Der eigentliche Prozeß, der für das Gießen der Legierung gewählt wird, hat keinen besonderen kritischen Einfluß auf das gewonnene Produkt.

Jedoch ist unterdessen eine vorhergehende Homogenisierung der Legierung durch Einbringen aller Legierungselemente in eine Lösung bei hoher Temperatur (800°C oder mehr) wünschenswert, besonders im Fall von beispielsweise Eisenzugabe.

Zur Herstellung von Platten ist es möglich, beispielsweise die Legierung in Streifen zu gießen, sie abzufräsen, um dann, nach einer leichten Kalkverfestigung, ein Homogenisierungsglühen (800° bis 850°C während etwa 1 Stunde) durchzuführen, gefolgt von einer Härtung. Es ist ebenso möglich - und zu bevorzugen -, diese Legierung in Platten der gängigen Größe zu gießen, sie dann zuerst heiß (650° bis 1.000°C entsprechend den Legierungselementen) bis zu einer Dicke von einigen Millimetern und dann kalt zu walzen.

Danach kann die Legierung bis zu einer gewünschten Dicke mit zwischenzeitlichen Glühungen kalt gewalzt werden. Eine größtmögliche Reduktion und um mindestens von 50% ist zwischen zwei aufeinanderfolgenden Glühungen zu bevorzugen: Die Dauer jeder Glühung ist folglich für eine letztlich erhöhte Leitfähigkeit sensibel zu vermindern. Die Temperaturen der optimalen Glühungen liegen in einem Bereich zwischen 400° und 600°C bei Einhaltung der Glühtemperatur während mindestens zwei Stunden, wenn möglich vier Stunden. Die wesentlichen Zeitabläufe gewähr­ leisten im allgemeinen eine erhebliche Leitfähigkeit, außer im ungünstigen Fall von konkurrierenden Ausfällungen von Zusatzelementen mit beispielsweise dem Phosphor.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von zwei Beispielen für die Herstellung von Legierungen auf Kupferbasis erklärt.

Die Meßresultate der Härte und der Leitfähigkeit sind in den beigefügten Fig. 1 und 2 wiedergegeben. Die Fig. 1 ist ein Diagramm des Temperaturverhaltens bei 450°C; in der Abszisse ist die Zeit gezeigt und in der Ordinate die Härte HV. Das Diagramm zeigt die Kurven von Cu Sn, Cu Ni 0,4, Cu Ni 0,2 und die Legierung FPG, d. h., eine Kupferlegierung, welche zwischen 950 und 1.000 ppm Fe und zwischen 330 und 370 ppm P enthält.

Der Versuch bestand darin, auf eine Temperatur von 450°C hochzufahren und bei dieser Temperatur über einen Zeitraum hinweg zu verbleiben, der sich über die Skalierung des Diagramms hinaus erstreckt hat.

Die Fig. 2 zeigt die Kurven der Leitfähigkeit für verschiedene Prozentwerte IACS, wobei die Abszisse die Masse in ppm von Nickel und die Ordinate die Masse ppm von P in der Legierung auf Kupferbasis darstellt.

Beispiel 1

Die Legierungen, entsprechend dem Beispiel, sind, wie nachfolgend aufgezeichnet, hergestellt. Entnahmen von Kupferlegierungen mit Phosphor (Cu-b1, Cu-b2), mit Nickel überzogen, werden in einem Rinnenofen geschmolzen: Am Ende der Verschmelzung, ausgehend von einer Spektrometeranalyse, garantiert ein Dazumischen in Form von Phosphor die gewünschte Zusammensetzung. Die Schmelzmasse wird nun einige Minuten bei einer Temperatur (ungefähr 1.200°C) unter einer Decke von Holzkohle als Reduktionsmittel gehalten. Der Guß wird in einer wassergekühlten Blockkokille von beispielsweise 200×400 mm durchgeführt. Die Zusammensetzung der für dieses Beispiel präparierten Legierungen wird in der folgenden Tabelle wiedergegeben.

Die so gegossenen Platten werden bei einer Temperatur höher als 840°C wieder aufgeheizt, dann warmgewalzt von 200 auf 13 mm. Sie können dann bei einer Temperatur höher als 600° C gehärtet werden oder nicht. Der Rohling wird nun gefräst, dann bis auf eine Dicke von 1,5 mm kaltgewalzt. Eine Glühung unter Glocke bei Aufrechterhaltung von 480°C während vier Stunden ist durchgeführt worden. Die Härte im geglühten Zustand bewegt sich zwischen 54 und 57 HV. Die in diesem Zustand gemessenen Leitfähigkeiten der Verbindung Cu Ni 0,4 und Cu Ni 0,2 betragen entsprechend 78,1% IACS und 79,4% IACS. Der gewonnene Gehalt an Restzink beeinflußt schwach die Leitfähigkeit. Ausgehend von der bekannten Wirkung des Zinks in Lösung auf die Leitfähigkeit kann man abschätzen, daß die Legierungen Cu Ni 0,2 und Cu Ni 0,4, wenn sie einen anderen Zusatzstoffe als Nickel und Phosphor in den aufgezeigten Werten enthalten, entsprechende Leitfähigkeiten von 83% IACS und 79% IACS hätten.

In diesem metallurgischen Zustand, nach einer neuerlichen Reduzierung durch Walzung um 20%, verändert sich die Leitfähigkeit praktisch nicht und die Härte erreicht 107 bis 210 HV. Sie ist äquivalent zu der, die unter gleichen Bedingungen mit einer Legierung Cu Sn 0,15 erreicht wird.

Bei diesem Grad der Kaltverfestigung werden die Proben der Bänder während 10 Minuten mit unterschiedlichen Temperaturen von 360° bis 480°C geglüht. Das Härtegefälle mit der Temperatur im Fall der Legierung Cu Ni 0,4 wird verglichen mit dem, welches für eine Legierung Cu Sn 0,15 gemessen wird. Die Anlaßtemperatur der Legierung Cu Ni 0,4 liegt oberhalb von 460°C, während die der Legierung Cu Sn 0,15 im Bereich von 440°C liegen.

Beispiel 2

Entsprechend diesem Beispiel sind neue Legierungen auf die nachfolgend beschriebene Art hergestellt worden. Kupfer mit einem hohen Reinheitsgehalt wird in einem Rinnenofen geschmolzen: Die Zusatzstoffe zur Legierung sind in Form von reinem Nickel, von Kupferphosphid 85-15 und Siliziummetall vorgesehen, bis die beabsichtigte Verbindung erreicht ist. Die Schmelzmasse wird nun unter einer Holzkohlenschicht bei Temperatur (ca. 1.200°C) gehalten. Die Verbindung wird schrittweise verändert, um eine breite Palette von unterschiedlichen Legierungen zu erhalten. Die Luppen werden der Schmelze entnommen und für jede neue Verbindung gegossen (Durchmesser: 25 mm, Höhe: 40 mm). Die Zusammensetzung jeder für dieses Beispiel hergestellten Legierung ist in denen in der folgenden Tabelle aufgeführten Werten enthalten.

Jede dieser Luppen wird durch eine Aufrechterhaltung von 850°C während einer Stunde und dann einer Wasserhärtung homogenisiert. In diesem Zustand werden sie um mehr als 70% (Reduktion der Höhe) durch Zerdrücken auf einer hydraulischer Presse verformt. Sie werden nun so geglüht, daß für jede Legierung die maximale Leitfähigkeit erreicht wird. Nun werden Beziehungen zwischen diesen gemessenen Werten der Leitfähigkeit und den Verbindungen der Legierungen hergestellt. Diese Korrelationen zeigen auch die früheren Eigenschaften, aufgeführt im Rahmen des Beispiels 1.

Linien gleicher Leitfähigkeit können in den Zusammensetzungsplan für Nickel und Phosphor, außer anderer Zusatzstoffe, für die reinen Legierungen aus Kupfer, Nickel, Phosphor eingezeichnet werden. Diese Ergebnisse sind in Fig. 2 zusammengefaßt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Trägern für Bauteile von elektrischen Schaltungen, die dazu bestimmt sind, auf den Träger aus einer Legierung auf Kupferbasis gelötet, geklebt und/oder heißgefaßt zu werden, welche in Masseprozent 0,1% bis 1% Nickel und 0,005% bis 0,1% Phosphor enthält, wobei der Rest Kupfer oder hauptsächlich Kupfer ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Feinpräzipitate von Ni_αP_β enthält.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bis zu 0,1% Eisen enthält.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bis zu 0,5% Zink enthält.