DE2804947A1 - Kupferlegierungen und deren anwendung - Google Patents

Description

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TELEI 5 24 070

■1-2804347

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Patentanmeldu η g

Anmelder: TREFIMETAUX

28, rue de Madrid, 75008 Paris, Frankreich

Titel: Kupferlegierungen und deren Anwendung

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DR. ING. F.

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PATENTANWÄLTE

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Anm.: Trefimetaux

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Kupferlegierungen in Form von dünnen Bändern,.die für elektrische oder elektronische Anwendungen bestimmt sind und die gestanzt werden sollen, beispielsweise bei der Herstellung von Ansatzstücken und Gitter-Trägern für Halbleiter (Dioden, Transistoren, integrierte Schaltungen,

von
Leuchtschirme oder Leuchtziffern Elektrolumineszenz-Dioden) von Motorkollektoren, Rotorplatten für Servo-Motoren und dgl.

Es ist bekannt, daß die Kaltumformung durch Walzen von Kupfer oder Kupferlegierungen eine sehr spürbare Veränderung der mechanischen Eigenschaften in angelassenem Zustand hervorruft; diese Veränderung liegt in einer Erhöhung der Streckgrenze oder der Härte und gleichzeitig in einer Verminderung der Bruchdehnung. In einigen Fällen und je nach der später vorgesehenen Anwendung dieser Bänder kann man versuchen, andere besondere Eigenschaften des kaltverformten Zustandes, beispielsweise gute Stanzbarkeit oder gute VerschMßfestigkeit, zu nutzen.

Es ist weiterhin bekannt, daß ein oder mehrere Wärmebehandlungen eines kaltverformten Werkstoffs teilweise oder sogar vollständig zu Entfestigung führen, so daß er nicht mehr die benötigten Eigenschaften aufweist und infolgedessen für die vorgesehene Anwendung ungeeignet ist.

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Dies trifft beispielsweise für Anschlüsse an Halbleiter durch Stanzen aus Bändern zu. Die Si-Kristall-Elemente, auf denen die aktiven P- und N-Bereiche gebildet werden, werden auf ein Substrat mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit gelötet. Das vorausgehende Vergolden des Substrats ermöglicht ein einfaches Löten aufgrund des Gold-Silicium-Eutektikums, das bei 37O⁰C schmilzt. In der Praxis reicht ein möglichst kurzes Erhitzen auf eine Temperatur etwas oberhalb der eutektischen Temperatur. Unter derartigen Bedingungen würde ein Substrat aus reinem kaltverformtem Kupfer vollständig entfestigt und nur eine Bruchlast in der Größenordnung von 200 MN/m ,

eine Streckgrenze von etwa 30 bis 40 MN/m , eine Dehnung von 30 % und eine Härte von 45 HV/1 (Vickers Härte unter einer Last von 1 kp entsprechend der französischen Norm AFNOR Nr. A 03253) aufweisen. Dies wären keine guten Eigenschaften für das anschließende Stanzen. Außerdem könnte die geringste Biegung des Halbleiters in dem angelassenen oder warm ausgelager-. ten Substrat zu Rissen führen, die ihrerseits zu einer Beschädigung des Siliciumkristalls und damit einem Unbrauchbarwerden des Halbleiters Anlaß geben können.

Man kann auch genötigt sein, diese für die Elektronik bestimmten Bauteile mit Kunststoff zu überziehen oder im Falle von Rotorplatten für Servo-Motoren das Kupfer mit einem organischen Klebstoff aufzukleben. Diese beiden Maßnahmen erfordern "eine oder mehrere Wärmebehandlungen für die Polymerisation, die durch Zeitspannen von mehreren Stunden bei Temperaturen von 120 bis 200⁰C gekennzeichnet sind; diese Bedingungen können zu einem vollständigen Anlassen bzw. Weichglühen der Kuperstücke führen, wodurch diese für die in Betracht gezogene Anwendung unbrauchbar werden.

Unabhängig von den Herstellungsbedingungen dieser Bauteile kann sich auch noch das Problem der fortschreitenden Entfestigung im Verlauf der Anwendung stellen, wenn die Bauteile längere Zeit Temperaturen von 120⁰C oder darüber ausgesetzt werden

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und zwar entweder durch die Umgebung oder infolge des Joule-Effektes, wobei in manchen Fällen eine Funktionsfähigkeit bei Temperaturen von 15O⁰C während meherer Jahre garantiert werden muß. Wenn der beispielsweise für die Kollektoren oder Rotorplatten von Motoren verwendete leitende Werkstoff vor dem Ende der Garantiezeit eine merkliche Entfestigung erleidet, wird der Verschleiß infolge der Reibung der Bürsten in solchem Maße beschleunigt, daß die Gefahr des vorzeitigen Endes der Lebensdauer besteht.

Aus all diesem ergibt sich, daß ein Bedarf nach einer gehärteten, stanzbaren Kupferlegierung mit einer elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit entsprechend der des reinen Kupfers in Form von 0,05 bis 5 mm Bändern besteht, wobei diese Legierung ihre mechanischen Eigenschaften nach den verschiedenen Wärmebehandlungen während des Herstellungsprozesses oder während der Anwendung beibehält. '

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Kupferlegierungen gelöst, die 0,05 bis 0,5 % Cadmium, 0,001 bis 1,2 % Eisen und 0,001 bis 0,05 % Phosphor enthalten. Diese Legierungen weisen wie sich überraschenderweise gezeigt hat - im kalt verarbeiteten (kalt gewälzten) Zustand eine bemerkenswerte Beständigkeit der mechanischen Eigenschaften nach verschiedenen Wärmebehandlungen auf; die elektrische Leitfähigkeit beträgt mindestens 60 % IACS. In der Praxis lassen sich die meistens angewandten sehr dünnen Bänder (einige Zehntel mm bis zu einigen mm) einwandfrei stanzen; die Verschleißfestigkeit wird während der Herstellung und/oder Anwendung nicht verändert.

Die erfindungsgemäßen Legierungen besitzen kalt gewalzt eine Härte von mindestens 140 bis 150 HV/1 gegenüber 110 bis 120 HV/1 für kalt gewalztes Kupfer. Im allgemeinen ist aber eine solche Härte*für gute Stanzbarkeit. Es wurde auch festgestellt, daß durch ein Begrenzen der abschließenden Kaltbearbeitung der Bänder es möglich ist, ihre Beständigkeit gegenüber der Entfestigung zu verbessern. Dazu wird im Verlauf des Kaltwalzens auf eine Endhärte von 110 bis 130 HV/1 zwischengeglüht. Die

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*gar nicht notwendig

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Endhärte ist ein Kompromiß zwischen den erwünschten mechanischen Eigenschaften und der erwünschten Wärmebeständigkeit. In der Praxis wird bei 300 bis 650 C während 1 min bis 24 h, vorzugsweise 1 bis 10 h.zwischengeglüht.

Je nach Legierungszusammensetzung kann die elektrische Leitfähigkeit auf 60 bis 98 % IACS eingestellt werden.

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Es wurde eine Platte, 170 mm Dicke, aus einer Legierung folgender Zusammensetzung gegossen: Cadmium 0,16 %, Eisen 0,005 %_t Phosphor 0,0015 %, Kupfer Rest.

Nach Warmwalzen auf 10 mm und anschließend Flächenfräsen um 0,5 mm auf beiden Seiten wurde auf 0,6 mm kalt gewalzt, 4 h bei 380⁰C gehalten und scnließlich auf 0,38 mm fertig gewalzt.

Dieses Band hatte eine Härte von 131 HV/1 und eine elektrische Leitfähigkeit von 95 % IACS und entsprach den Lieferungsbedingungen für Bänder zum Stanzen, beispielsweise für Gitter-Träger von Transistoren.

Um die Wärmebehandlung, der die Legierung bei der Transistoren-Herstellung unterworfen wird, zu simulieren, wurde an Prüfkörpern folgendes Programm durchgeführt:

a) 30 s bei 400⁰C

b) 10 h bei 175⁰C

c) 30 s bei 400⁰C und anschließend 10 h bei 175⁰C.

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Die erfindungsgemäße Legierung hatte praktisch alle ihre Eigenschaften nach dem Kaltwalzen beibehalten, während es bei reinem Kupfer zu einer fast vollständigen Entfestigung kam.

Härte HV/1 kalt umgeformt 131

a) 127

b) 134

c) 125

Beispiel 2

Es wurde eine 170 mm Platte aus einer Legierung enthaltend Cadmium 0,11 %, Eisen 0,052 %, Phosphor 0,014 %, Kupfer Rest gegossen.

Nach Warmwalzen auf 10 mm und Flachfräsen von 0,5 mm an beiden Seiten wurde auf 2,2 mm kaltgewalzt, dann 3 h bei 450⁰C₄ gehalten und anschließend auf 1,2 mm fertiggewalzt.

Die Bänder hatten eine Härte von 119 HV/1 und eine elektrische Leitfähigkeit von 70 % IACS und entsprachen den Bedingungen für stanzbare Bänder, die sich für Kollektoren von Motoren eignen.

Um die Wärmebehandlung bei der Anwendung zu simulieren, wurde folgendes Programm durchgeführt.

a) 10 h bei 175°C

b) 10 000 h bei 15O⁰C

c) 10 h bei 175⁰C und anschließend 10 000 h bei 150°C

Die erfindungsgemäße Legierung hatte ihre durch die Kaltumformung erworbenen Eigenschaften beibehalten und sogar leicht verbessert. Unter den gleichen Bedingungen wird nicht-legiertes reines Kupfer vollständig weich.

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Härte HV/1 kalt umgeformt 119

a) 123

b) 125

c) . 126

Beispiel 3

Es wurde eine 170 mm Platte aus einer Legierung enthaltend Cadmium 0,18 %, Eisen 0,65 %, Phosphor 0,007 %_t Kupfer Rest auf 10 mm warmgewalzt, um 0,5 mm auf jeder Seite abgefräst, auf 0,5 mm kaltgewalzt, 10 h bei 55O⁰C gehalten und schließlich auf 0,25 mm gewalzt.

Band
Das hatte eine Härte von 141 HV/1 und eine Leitfähigkeit von 61 % IACS und entsprach den Bedingungen für stanzbare Bänder für die 'Herstellung von Transistoren.

Um die Wärmebehandlung entsprechend der Verarbeitung und der Anwendung zu simulieren, wurde folgendes Programm durchgeführt!

a) 1 h bei 450⁰C

b) 10 h bei 240°C

Die erfindungsgemäße Legierung hatte alle ihre durch die Kaltverformung erworbenen Eigenschaften beibehalten, während reines Kupfer unter den gleichen Bedingungen vollständig weich wurde.

Härte HV/1 kalt umgeformt 141

a) 135

b) 139

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Kupferlegierungen in Form dünner Bänder von 0,05 bis 5 mm für elektrische und elektronische Zwecke, mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 60 % IACS und einer hohen Beständigkeit gegenüber der Entfestigung durch die Wärmebehandlungen im Rahmen der Verarbeitung und Anwendung, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,5 % Cd, 0,001 bis 1,2% Peund 0,001 bis 0,05 % P, Rest mindestens 98,25 % Cu.

2. Verfahren zur Herstellung der Bänder nach Anspruch 1 ausgehend von einer Platte, dadurch gekennzeichnet , daß man zwischen dem Kaltwalzen auf Endstärken bei 300 bis 650⁰C 1 min bis 24 h, vorzugsweise 1 bis 10 h, zwischenglüht.

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ORiGiMAL INSPECTED