DE3421198C1

DE3421198C1 - Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Legierung, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung

Info

Publication number: DE3421198C1
Application number: DE19843421198
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. 7919 Bellenberg Dürrschnabel; Jörg Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. 7918 Tiefenbach Steeb; Heinrich Dipl.-Phys. Dr. 7917 Vöhringen Stüer
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 1984-06-07
Filing date: 1984-06-07
Publication date: 1985-06-13
Also published as: JPS60262933A

Description

Ein Maß für die Erweichungsbeständigkeit ist die sogenannte Halbhärtetemperatur TH, die gemäß F i g. 1 aus der Erweichungskurve (Vickershärte HVals Funktion der Glühtemperatur T) gewonnen wird. Dabei ist die Halbhärtetemperatur TH dem Wert zugeordnet.
Eine thermische Belastung tritt im wesentlichen bei der Befestigung des Halbleiterbausteins auf dem Träger auf, wenn der Kleber ausgehärtet wird oder zwischen dem Siliziumelement und einer Goldbeschichtung des Trägers eine eutektische Reaktion herbeigeführt wird. Außerdem treten bei der Verbindung des Halbleiterbausteins mit den Anschlußbeinchen mit sogenannten Bonddrähten und beim Einpressen des kompletten Bauelements in Kunststoff höhere Temperaturen auf. Während dieser Fertigungsschritte können Temperaturen bis zu 400"C längere Zeit auftreten. Daher darf bei Halbleiterwerkstoffen unterhalb von 350 bis 400"C keine merkliche Erweichung festzustellen sein. In der Regel ist höchstens eine Härteabnahme von 10% der Ausgangshärte zugelassen.
c) Die elektrische und thermiscite Leitfähigkeit sollte so hoch wie möglich sein, damit die am Siliziumhalbleiter bei Betrieb entstehende Verlustleistung in Form von Wärme abgeführt werden kann und so eine Selbstzerstörung des Bausteins verhindert wird. Um die Wärmeableitung im notwendigen Ausmaß zu gewährleisten, sollte die elektrische Leitfähigkeit möglichst oberhalb von 40% IACS liegen(100% IACS entsprechen dabei 58,00 m/Ohm . mm2).
d) Vor allem für unveredelte Halbleiterträger werden in zunehmendem Maße homogene Werkstoffe gefordert, d. h. Werkstoffe, deren Gefüge keinerlei Ausscheidungen oder Einschlüsse enthält, damit eine einwandfreie Bonddrahtverbindung gewährleistet ist. Dadurch wird die Unsicherheit vermieden, daß der Bonddraht auf derartige Inhomogenitäten trifft, wobei die Haftung verschlechtert und der Übergangswiderstand verändert wird. Um die Fertigungs- und Funktionssicherheit zu erhöhen, werden daher vermehrt homogene Werkstoffe für den Anwendungsbereich Halbleiterträger gefordert.
Für den genannten Anwendungsfall werden bisher in großem Umfang Kupfer-Eisen-Legierungen, beispielsweise CDA 194, CDA 195 oder andere niedriglegierte Cu-Werkstoffe, z. B. CuNilSnlCrTi, eingesetzt. Diese Werkstoffe weisen eine ausreichende Härte und eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Allerdings enthalten die Gefüge dieser Werkstoffe deutlich sichtbare, in der Regel zeilenförmige Ausscheidungen, die beim Bonden stören können. Bonddrähte, die ganz oder teilweise auf diese Inhomogenitäten aufgebracht werden, können die elektrische Funktion bzw. die geforderte Zuverlässigkeit nicht mehr erfüllen, da der Übergangswiderstand verändert und die Haftfestigkeit verschlechtert wird. Niedriglegierte Werkstoffe, wie beispielsweise CuZnO,15, CuSnO,12 oder CuFe0,1, sind zwar homogen und besitzen die obengenannten nachteiligen Gefügeinhomogenitäten nicht, weisen jedoch eine für viele Anwendungsbereiche zu geringe Festigkeit auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung anzugeben, die neben einer ausreichenden Erweichungsbeständigkeit eine elektrische Leitfähigkeit von über 40% IACS besitzt. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, eine Zusammensetzung zu finden, deren Festigkeit trotz Verzicht auf sichtbare Ausscheidungen ausreichend hoch liegt, d. h. deren Gefüge den Anforderungen entsprechend frei von lnhomogenitäten, also Ausscheidungen oder Einschlüssen, ist. -Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Legierung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus 0,30 bis 2,8% Nickel, 0,25 bis 3,0% Zinn, 0,12 bis 1,5% Titan, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen besteht.
Die Prozentangaben beziehen sich dabei auf das Gewicht.
Aus der US-PS 40 46 596 ist zwar eine Kupferlegierung bekannt, die aus 3 bis 26% Nickel, 2 bis 10% Zinn, kleineren Mengen an Mangan oder Titan und Kupfer als Rest besteht, wobei Mangan oder Titan in der Größenordnung von I bis 5% des Nickel-Gehalts, d. h. in Mengen von 0,03 bis 1,3%, vorliegen. Diese Druckschrift gibt dem Fachmann jedoch insbesondere keine Anregung, die Homogenität der Legierung durch Wahl eines Nickel-Gehalts unter 3% zu verbessern.
Der erfindungsgemäße Zusatz von Nickel, Zinn und Titan führt zur Bildung einer nickel-, zinn-, titanhaltigen Phase, deren Löslichkeit in der Matrix derart gering ist, daß die elektrische Leitfähigkeit sich in den angegebenen Legierungsgrenzen zwischen 40 und 60% IACS bewegt. Die Phase scheidet sich in extrem feiner Form aus.
Aufgrund der nickel-, zinn-, titanhaltigen Phase liegt die Halbhärtetemperatur TH bei einer thermischen Dauerbelastung von 1 Stunde oberhalb von 500O C.
Die Existenz der nickel-, zinn-, titanhaltigen Phasenausscheidung ist zwar aus der mehrkomponentigen kupfer-, nickel-, zinn-, titan-, chromhaltigen Legierung (DE-PS 2948 916) bekannt, überraschenderweise konnte jedoch gefunden werden, daß bei einer chromfreien Legierung das Gefüge im wesentlichen homogen ist. Die nickel-, titan- und zinnhaltigen Phasenbestandteile sind kleiner als 500 A und damit für die Anwendung als Halbleiterträger im vorher genannten Sinne nicht störend. Überraschend ist gleichzeitig, daß sich die mechanischen Eigenschaften nur geringfügig ändern.
Weitere bevorzugte Legierungszusammensetzungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 11.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung kann wie bei üblichen naturharten Legierungen erfolgen, da die NiSnTi-haltige Phase sich ohne ein normalerweise bei ausscheidungshärtenden Legierungen notwendiges Abschrecken in einer Weise ausscheidet, bei der die elektrische Leitfähigkeit optimal erhöht und die Erweichung behindert wird.
Die erfindungsgemäßen Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Legierungen können in üblicher Weise gegossen werden.
Zur Erzielung günstiger Eigenschaftskombination wird die Legierung nach dem Gießen vorzugsweise bei Temperaturen von 850" bis 950" C zwischen 1 und 24 Stunden homogenisiert, bei Temperaturen von 600" bis 8000 C in einem oder mehreren Stichen warmgewalzt und mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 10°C pro Minute und 2000"C pro Minute auf Raumtemperatur abgekühlt.
Es empfiehlt sich, das Warmwalzen insbesondere bei 650" bis 750"C, das Abkühlen insbesondere mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 50"C pro Minute und 1000"C pro Minute durchzuführen. Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Abkühlen mit einem Verformungsgrad bis zu 95% in einem oder mehreren Stichen kaltgewalzt. Zwischen den Kaltwalzstichen kann die Legierung vorzugsweise zur Erzielung einer erfindungsgemäßen, gleichmäßigen Dispersion der Ausscheidungsphase bis max. 10 Stunden geglüht werden.
Für eine maximale elektrische Leitfähigkeit empfiehlt sich dabei eine Glühung als Band im Haubenofetl bei Temperaturen von 350 bis 500° C, für maximale Festigkeit ist kontinuierlich im Durchziehofen bei Temperaturen von 450 bis 600"C zu glühen.
An den letzten Kaltwalzstich schließt sich vorzugsweise eine Anlaßbehandlung bei den vorstehend genannten Temperaturen an.
Erfindungsgemäß kann die Ku pfer-Nickel-Zinn-Titan- Legierung als Trägerwerkstoff für Halbleiter, insbesondere Transistoren oder integrierte Schaltkreise, verwendet werden.
Zur Erläuterung der Begriffe Erweichung und Halbhärtetemperatur TH ist in F i g. 1 der schematische Verlauf einer Erweichungskurve wiedergegeben. Dabei ist die Vickershärte HV über der Glühtemperatur T aufgetragen. Nach Bestimmung des Härtemaximums HVmax und des Härtemaximums HVmin wird die Halbhärtetemperatur THdem Wert zugeordnet.
Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert: Beispiel Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Legierung (Nr. 1) sowie einer durch die DE-PS 2948 916 bekannten chromhaltigen Vergleichslegierung CuNilSnlCrTi (Nr.2) (Angaben in Gew.-%): Tabelle 1 Zusammensetzung der Proben Probenbez. Sn Ni Ti Cr Cu 1 1,09 0,98 0,54 n. n. Rest 2 1,09 0,93 0,42 0,73 Rest n. n. = nicht nachweisbar.
Die Legierungen wurden auf folgende Weise hergestellt: Das Elektrolytkupfer wurde zusammen mit Kathodennickel und Feinzinn in einem Induktionsofen bei etwa 1200"C unter einer Holzhohlenschicht erschmolzen.
Nach der vollständigen Auflösung derselben wurde Titan in Form einer geeigneten Vorlegierung Kupfer-Titan zugegeben. Die Vorlegierung enthielt 28%Titan in reiner Form. Nach der Lösung derselben wurde die Schmelze in eine Eisenkokille der Abmessung 25 x 50 x 100 mm vergossen. Die Blöcke wurden 1 Stunde bei 900"C homogenisiert und anschließend bei 750"C an 1,87 mm warmgewalzt. Die Abkühlung der Bandstreifen erfolgte kontinuierlich an Luft. Anschließend wurden daraus durch Kaltwalzen, einer Schlußglühung bei 1 h/470°C und nachfolgendem Beizen in verdünnter H2SO4 Bandstreifen von 0,3 mm Dicke hergestellt. Die Schlußabwalzung betrug für alle Proben einheitlich 60%. Nach dem Anlassen bei 1 h/500°C wurden die Proben im Hinblick auf ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften und auf die Homogenität des Gefüges untersucht. Die Werte für Festigkeit, Federbiegegrenze und elektrische Leitfähigkeit sind in Tabelle 2 zusammengestellt, die Gefügeausbildung wird durch die Bilder 2 und 3 erläutert.
Tabelle 2 Festigkeit, Federbiegegrenze und elektrische Leitfähigkeit von 0,3 mm Bandproben im angelassenen Zustand Legierung Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung Vickershärte Federbiege- elektr. Leitfähigkeit Ru 0,2 Rm A10 grenze (mm2) (mm2) (%) HV1 (N/mm2) (m/Q mm2) % IACS 1 603 640 10 200 543 26,0 44,8 2 600 629 10 205 551 29,9 51,5 Die aufgeführten Werte zeigen im vorliegenden Fall lediglich eine geringe Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Kupferlegierung gegenüber der chromhaltigen Legierung.
Vor allem aber ist bei einem Vergleich der Schliffe der homogenisierten Gußgefüge beider Legierungen zu erkennen, daß das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung praktisch frei von zeilenförmigen Ausscheidungen ist. Hierzu zeigt Fig. 2 in einer Vergrößerung 500 1 ein Schliffbild des Gußgefüges der Vergleichslegierung CuNilSnlCrTi.
Die zeilenförmigen Ausscheidungen sind mit A bezeichnet.
F i g. 3 zeigt in derselben Vergrößerung ein Schliffbild des Gußgefüges der erfindungsgemäßen Legierung, das frei von solchen Ausscheidungen ist.
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Claims

Patentansprüche: 1. Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Legierung, d d u r c h gek e n n z e ich n e t, daß sie aus 0,30 bis 2,8% Nickel, 0,25 bis 3,0% Zinn, 0,12 bis 1,5% Titan, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen besteht.
2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,5 bis 1,5% Nickel enthält.
3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,9 bis 1,1% Nickel enthält.
4. Kupferlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,3 bis 2,8% Zinn enthält.
5. Kupferlegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,5 bis 1,5% Zinn enthält.
6. Kupferlegierung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,9 bis 1,1% Zinn enthält.
7. Kupferlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,2 bis 1,4% Titan enthält.
8. Kupferlegierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,25 bis 0,75% Titan enthält.
9. Kupferlegierung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,45 bis 0,55% Titan enthält.
10. Kupferlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsbestandteile Nickel, Zinn. Titan im Verhältnis a : b : vorliegen, wobei a = 1,8 bis 2,2; b = 1,8 bis 2,2 und c = 0,9 bis 1,1 beträgt.
11. Kupferlegierung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsbestandteile Nickel, Zinn, Titan im Verhältnis 2 : 2 : 1 vorliegen.
12. Verfahren zur Herstellung einer Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei Temperaturen von 850" bis 950"C zwischen 1 und 24 Stunden homogenisiert, bei Temperaturen von 600" bis 800"C in einem oder mehreren Stichen warmgewalzt und mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 10°C pro Minute und 2000"C pro Minute auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Temperaturen von 650" bis 750"C warmgewalzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 50° C pro Minute und 1 000b C pro Minute abgekühlt wird.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abkühlen mit einem Verformungsgrad bis zu 95% in einem oder mehreren Stichen kaltgewalzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kaltwalzstichen jeweils für weniger als 10 Stunden geglüht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf den letzten Kaltwalzstich eine Anlaßbehandlung folgt.
18. Verwendung der Kupfer-Nickel-Zinn-Titan-Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 11 als Trägerwerkstoff für Halbleiter, insbesondere Transistoren oder integrierte Schaltkreise.

Die Erfindung betrifft eine Kupfer- Nickel-Zinn-Titan- Legierung, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung.

Es besteht ein großer Bedarf an Kupfer-Legierungen für elektrische Anwendungszwecke. Diese Legierungen werden u. a. benötigt als Trägerwerkstoffe für Halbleiter, beispielsweise für Transistoren oder integrierte Schaltkreise. Trägerwerkstoffe für Halbleiter müssen eine besondere Eigenschaftskombination aufweisen: a) Die mechanische Festigkeit muß so hoch sein, daß eine Formstabilität des Trägers sowohl bei der Herstellung als auch beim Transport oder der Bestückung mit elektronischen Bauelementen gewährleistet ist. Die Anforderung an die Festigkeit steigt vor allem, wenn die Zahl der Anschlußbeinchen hoch ist, d. h. deren regelmäßige Ausrichtung für die automatische Fertigung und Bestückung von ausschlaggebender Bedeutung ist.

b) Der Werkstoff muß gegen Erweichung beständig sein, so daß die bei der Halbleiterherstellung notwendigen Fertigungsschritte, die bei höherer Temperatur durchgeführt werden, zu keinem Verlust der Härte und Formstabilität führen.