DE3725830C2

DE3725830C2 - Kupfer-Zinn-Legierung für elektronische Instrumente

Info

Publication number: DE3725830C2
Application number: DE3725830A
Authority: DE
Inventors: Makoto Asai; Yoshimasa Ohyama; Tohru Tanigawa; Shigeo Shinozaki; Shoji Shiga
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1987-08-04
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2007-08-05
Also published as: US5021105A; DE3725830A1; KR890003973A; KR950004935B1

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Kupferlegierung für elektronische In strumente, insbesondere eine Kupferlegierung, die sich durch ihre Festigkeit, Verarbeitbarkeit, elektrische Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit) Korrosionsbe ständigkeit, Wärmebeständigkeit und dergleichen auszeichnet und außerdem für die Herstellung von miniaturisierten Präzisionsteilen geeignet ist.

Für elektronische Instrumente, insbesondere Leitervorrichtungen, Verbin dungsvorrichtungen, Schalter, Kontaktfedern und dergleichen von Halbleitern (IC und Transistoren) sind Kupferlegierungen, die ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Festigkeit, Verarbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit aufweisen, erforderlich. Solche Legierungen, von de nen Cu-Be- und Cu-Ti-Legierungen bekannt sind, sind jedoch sehr teuer. Im Fall der Cu-Ni-Sn-Hartmetallegierung (spinodal alloy) beträgt die elektrische Leit fähigkeit weniger als 10% IACS, und die Verarbeitbarkeit ist ebenfalls schlecht. Die gleichen Nachteile treffen auf Cu-Ni-Al-Legierungen zu. Obwohl die Corson-Legierung, von der eine Cu-Ni-Si-Legierung als Beispiel genannt werden kann, eine Legierung ist, die sowohl eine gewisse Festigkeit und elektri sche Leitfähigkeit aufweist, muß eine Kombination von Verfahren in Form ei ner Behandlung der festen Lösung und einer Alterungsbehandlung durchgeführt werden, um somit diese Eigenschaften dem Material zu verleihen, wodurch je doch die Herstellung unangemessen teuer wird. Diese Legierung weist weiterhin im Vergleich zu den Kupferlegierungen für elektronische Instrumente den schwerwiegenden Nachteil auf, daß sich im Laufe der Zeit eine Verschlechte rung hinsichtlich des Bindungsverhaltens mit dem Lötmetall (Sn oder Sn-Pb- Legierung) einstellt, so daß die Verläßlichkeit des Materials erheblich beein trächtigt ist.

So ist aus der US-PS 4 594 221 eine Cu-Ni-Si-Mg-Legierung, der man Mg hinzu gefügt hat, bekannt, bei der man versucht hat, verschiedene Eigenschaften zu verbessern, was jedoch dazu geführt hat, daß ein atmosphärisches Schmelz gießverfahren durchgeführt werden muß, da das Magnesium ein leicht oxidier bares Element ist. Durch dieses Verfahren werden natürlich die Kosten in die Höhe getrieben. Weiterhin sind in den japanischen Patentanmeldungen 60- 43448 und 58-124254 Sn enthaltende Cu-Ni-Si-Legierungen beschrieben, die als Kupferlegierung für Anschlüsse, Verbindungsvorrichtungen und Leitermateria lien Verwendung finden, jedoch ist dieses Material für den hier bestimmten Zweck hinsichtlich der erforderlichen Eigenschaften unzulänglich. Die not wendigen Eigenschaften bestehen daher darin, daß das Material eine noch bes sere Festigkeit und Verarbeitbarkeit aufweist, wobei außerdem Verbesserungen hinsichtlich verschiedener Eigenschäften, wie der Lötbarkeit, der Haftung von Überzügen und dergleichen, zu verzeichnen sind.

Die Phosphorbronze für Federn, die heutzutage am meisten verwendet wird, hat eine Festigkeit von etwa 589 bis 785 N/mm², jedoch beträgt ihre elektrische Leitfähigkeit nur 10 bis 15% IACS. Weiterhin treten im Laufe der Zeit erhebliche Nachteile im Hinblick auf die Verschlechterung der Bin dungsfestigkeit mit dem Lötmetall und der Anfälligkeit gegenüber einer Rißbil dung infolge von Korrosion auf. Aus diesen Gründen werden teilweise Legierun gen vom Cu-Fe-Typ, wie zum Beispiel die C194-Legierung und C195-Legierung verwendet, jedoch ist ihr Anwendungsbereich ziemlich eingeschränkt, da ihre Verarbeitbarkeit schlecht ist, was auf ihre Festigkeit, die nur etwa 441 bis 638 N/mm² beträgt, zurückzuführen ist.

In jüngster Zeit gewinnt die Miniaturisierung und hohe Integration bei elektro nischen Instrumenten immer mehr an Bedeutung, so daß an die für die Herstel lung dieser Instrumente zu verwendende Cu-Legierungen höchste Anforderun gen, insbesondere im Hinblick auf eine verbesserte Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit, gestellt werden müssen. Ferner sollen die Kosten so niedrig wie möglich gehalten werden, da sie in großer Menge eingesetzt werden. Zur Verbes serung der Oberflächenformung ist es weiterhin erforderlich, daß die Bindungs festigkeit mit dem Lötmetall und die Verläßlichkeit hinsichtlich der Haftung von Überzügen mit Sn oder Sn-Pb-Legierungen gesteigert werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden und die bisher verwendeten Legierungen er setzen zu können, müssen daher Legierungen mit höherer Qualität und niedri gen Herstellungskosten zur Verfügung gestellt werden.

Folgende Anforderungen müssen erfüllt sein:

1. Eine Legierung sollte gut ausgewogen im Hinblick höherer Werte bezüglich ihrer Festigkeit und Elektronenleitfähigkeit sein, zum Beispiel sollte sie eine Festigkeit von 687 bis 981 N/mm² und eine elektrische Leitfähigkeit von 10 bis 30% IACS aufweisen.
2. Zur Verringerung der Herstellungskosten sollten die Legierungsbestandteile billig sein und das Herstellungsverfahren außerdem möglichst einfach gestal tet sein.
3. Zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit sollte die Korrosionsbeständigkeit sowie die Beständigkeit gegen durch Korrosion verursachte Rißbildung unter Beanspruchung wesentlich verbessert sein.
4. Die Bindungsfestigkeit mit dem Lötmetall und die Haftung des Über zugs aus Sn oder Sn-Pb-Legierungen sollten über einen langen Zeitraum gewährleistet sein.
5. Das Beschichtungsverhalten mit Au, Ag, Ni und dergleichen sollte au ßerdem hervorragend sein, da diese Metalle neben Sn und Sn-Pb-Legie rungen oft zur Plattierung bei der Herstellung von elektronischen Elemen ten verwendet werden.

Diese Bedingungen sollten bei einer Kupferlegierung für die bereits er wähnten Zwecke erfüllt sein.

Die DE 24 29 754 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung von Kupfer legierungen aus 2-12% Al oder 2-6% Ge oder 2-10% Ga oder 3-12% In oder 1-5% Si oder 4-12% Sn oder 8-37% Zn, Rest Cu, zur Verbesserung ihrer Kriechfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsabbau ohne wesent liche Beeinträchtigung der Festigkeitseigenschaften. Eine solche Legie rung soll vor der Kaltbearbeitung eine Korngröße von wenigstens 6 µm auf weisen.

Die DE 36 34 495 C2 (Stand der Technik i. S. v. §3 (2) PatG) beschreibt eine Cu-Sn-Legierung mit einem feinkörnigen Gefüge, deren Ausscheidungen eine Größe von 5 µm oder mehr betragen, wobei die Legierung 0,01-1% Cr, 0,01-8% Sn, eine Gesamtmenge von 0,001 bis 5% mindestens eines Vertre ters der 0,001-5% Zn, 0,001-0,5% Mn und 0,001-0,2% Mg umfassenden Gruppe, und weiterhin nicht mehr als insgesamt 0,5 Gew.-% mindestens eines Vertreters aus beispielsweise bis zu 0,5% Co, bis zu 0,5% Ni und bis zu 0,2% Si enthält. Der Sauerstoffgehalt beträgt mehr als 50 ppm.

Die DE 36 29 395 A1 (Stand der Technik i. S. v. §3 (2) PatG) beschreibt eine Co-Legierung mit einem Gehalt von 0,1-3,0% Ni und 0,1-1,0% Ti, 0,1-6% Sn und insgesamt 0,005-3,0% mindestens eines Elements, gewählt aus beispielsweise Zn, Si und Co. Der Sauerstoffgehalt beträgt nicht mehr als 20 ppm und der Teilchendurchmesser der Ausfällung beträgt nicht mehr als 5 µm.

Die DE-PS 531 304 beschreibt ein Verfahren zur Vergütung von Legierun gen, die Cu als Hauptbestandteil, Ni oder Co oder ein Metall der Platin gruppe als weiteres Metall und Si sowie wahlweise bis 32% Zn oder bis 8% Sn oder bis 7% Al oder bis 30% zusätzliches Ni enthalten.

Die DE-PS 532 992 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Cu-Le gierungen gemäß DE-PS 531 304, wobei dem Cu anstelle von Ni oder Co entweder 0,3-3% Fe und 0,1-1,5% Si oder 0,3-2% Cr und 0,1-0,35% Si zu legiert werden.

Die DE-PS 65 92 07 beschreibt ein Verfahren zur Erhöhung der elektri schen Leitfähigkeit der Zinnbronzen des α-Mischkristallgebietes, wobei der binären Sn-Cu-Legierung durch Glühen Zusätze von Si, Al, Fe, P, Ni, Zn und Mg einzeln oder zu mehreren gleichzeitig in Höhe bis zu 2% zule giert werden.

Die EP-0 189 637 B1 beschreibt eine Cu-Legierung, enthaltend 1,0-3,5% Ni, 0,2-0,9% Si, 0,01-1,0% Mn, 0,1-5,0% Zn, 0,1-2,0% Sn und 0,001- 0,01% Mg und 0,001-0,01% von einer oder mehreren Komponenten aus der Reihe Cr, Ti und Zr, Rest Cu sowie Verunreinigungen. Verwendet wird diese Legierung als Leiterrahmenmaterial für Halbleiter oder für feste und lösbare Anschlüsse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung für elek tronische Instrumente zur Verfügung zu stellen, die ausgezeichnete Ei genschaften insbesondere im Hinblick auf die Festigkeit, Verarbeitbar keit, elektrische Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit), Korrosionsbeständig keit und Wärmebeständigkeit aufweist und außerdem für miniaturisierte Präzisionsteile, insbesondere für Leiterrahmen, Verbindungsvorrichtun gen und dergleichen für Halbleiter (IC, Transistoren und dergleichen) ge eignet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Kupfer-Zinn-Legierung gelöst, die da durch gekennzeichnet ist, daß sie aus 2,0 bis 7,0 Gew.-% Zinn, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Silicium, insgesamt 1,0 bis 6,0 Gew.-% Nickel, Cobalt und Chrom, wobei Nickel in einer Menge im Bereich von 1,0 bis 6,0 Gew.-%, Cobalt in einer Menge von nicht mehr als 1,5 Gew.-% und Chrom in einer Menge von 0,05 bis 0,8 Gew.-% enthalten sind, und das Verhältnis (Nickel + Cobalt + Chrom)/Silicium = 2 - 8 erfüllt ist, und Kupfer und unvermeidbaren Ve runreinigungen als Rest besteht, wobei der Sauerstoffgehalt in den unver meidbaren Verunreinigungen nicht mehr als 50 ppm, vorzugsweise nicht mehr als 30 ppm und der Schwefelgehalt nicht mehr als 20 ppm, vorzugs weise nicht mehr als 10 ppm, betragen und der durchschnittliche Teil chendurchmesser der Ausscheidungen nicht größer als 3 µm ist.

Die erfindungsgemäße Kupferlegierung enthält wahlweise weiterhin 0,001 bis 5,0 Gew.-% mindestens ein Element der Zn, Mn, Al, Fe, Ti, Zr, Ag, Mg, Be, In, Ca, P, Ce, B, Y, La und Te umfassenden Gruppe, wobei Zn und Mn im Bereich von 0,01 bis 5,0 Gew.-%, Al und Fe im Bereich von 0,01 bis 2,0 Gew.-%, Ti und Zr im Bereich von 0,01 bis 0,8 Gew.-% und Ag, Mg, Be, In, Ca, P, B, Y, La, Te bzw. Ce im Bereich von 0,001 bis 0,3 Gew.-% vorliegen.

Die erfindungsgemäße Kupferlegierung ist weiterhin in höchstem Maße geeignet für Verwendung als Leitermaterialien von Halbleiterelementen und als Material für Verbindungsvorrichtungen, Sockel, Federn, Anschlüsse und derglei chen für elektronische und elektrische Instrumente.

Die erfindungsgemäßen Legierungen mit der oben beschriebenen Zusammenset zung weisen eine Festigkeit von 687 bis 981 N/mm², eine Dehnung von 3 bis 20% und eine elektrische Leitfähigkeit von 10 bis 30% IACS (jeweils abhängig von der Zusammensetzung) auf. In den erfindungsgemäßen Legierungen sind die Silicium verbindungen des Ni, Co und Cr, wie Ni_xSi_y, Co_xSi_y und Cr_xSi_y, in der Legierungs matrix der homogenen festen Lösung aus Cu-Sn verteilt eingelagert, was die Ver besserung hinsichtlich der Festigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit ausmacht. Das Cr ist insbesondere teilweise als metallisches Cr eingelagert. Der Grund für die exakte Eingrenzung der Mengenbereiche der Zusammensetzung der Legierung ist der folgende:

Der Grund, daß der Sn-Gehalt auf einen Bereich von 2,0 bis 7,0 Gew.-% (nachfol gend wird Gew.-% als % abgekürzt) beschränkt wurde, liegt darin, daß, wenn der Gehalt unterhalb 2,0% hegt, die Festigkeit nur ungenügend ist. Falls der Gehalt oberhalb 7,0% liegt, kann eine höhere Festigkeit dennoch nicht erhalten werden, so daß der Einsatz von Sn oberhalb 7,0% wirtschaftlich nicht lohnenswert ist. Jedoch wird auch die Heißverarbeitbarkeit aufgrund von überschüssigem Sn erniedrigt, was schließlich zu einer schwerwiegenden Beeinträchtigung der Produktivität führt.

Da Ni, Co und Cr mit Si kombiniert sind und in einem stöchiometrischen Verhältnis eingelagert sind, liegt das (gewichtsmäßige) Verhältnis der Summe der genannten Elemente zu Silicium innerhalb eines Bereichs von 2-8 : 1. Nicht miteinander kom biniertes Si, Ni und Co erniedrigen die elektrische Leitfähigkeit und beeinträchti gen die Bindungsfestigkeit mit dem Lötmetall. Cr ist in dieser Hinsicht von Vorteil, jedoch ist seine Wirkung auf die Verbesserung der Festigkeit geringer als die des Ni. Die Gründe, warum der Si-Gehalt auf einen Bereich von 0,1 bis 2,0% eingeschränkt wurde und warum der Gesamtgehalt der Elemente der Ni, Co und Cr umfassenden Gruppe auf einen Bereich von 1 bis 6,0% eingeschränkt wurde, sind darin zu se hen, daß eine ausrechende Wirkung unterhalb der unteren Grenze nicht erreicht werden kann. Falls die obere Grenze überschritten wird, so ist die Verar beitbarkeit bei hohen Temperaturen stark behindert, so daß das Verfah ren nicht mehr gut durchzuführen ist, und die Benetzbarkeit mit dem Löt metall und dergleichen vermindert ist.

Der Grund, warum die Ni-, Co- bzw. Cr-Gehalte auf einen bestimmten Bereich eingeschränkt wurden, ist außerdem darin zu sehen, daß im Fall des Ni die Ver stärkungswirkung durch die Zugabe des Si sehr groß ist, wobei jedoch unter halb dieses Bereichs, diese Wirkung nicht beobachtet werden kann und ober halb dieses Bereichs die Heißverarbeitbarkeit und Lötbarkeit stark erniedrigt sind. Cr hat keine so hohe Verstärkungswirkung wie Ni, jedoch erhöht es das Heißwalzverhalten und die Hitzebeständigkeit. Wenn es jedoch oberhalb des Bereichs enthalten ist, so verschlechtert sich die Gießbarkeit erheblich, so daß der Herstellungsprozeß stark beeinträchtigt wird und somit die Kosten in die Höhe getrieben werden. Die Verstärkungwirkung des Co ist nicht so ausgeprägt wie beim Ni und die Herstellungskosten sind genauso niedrig wie beim Cr, falls man die hohen Kosten zusammen betrachtet. Da es jedoch außerordentlich wirksam die Hitzebeständigkeit beeinflußt, ist es insbesondere aus praktischen Erwägungen günstig, zur Verhinderung der Bildung von grobkörnigen Kristal len bei hohen Temperaturen die Zugabe auf einen Wert von nicht mehr als 1,5% zu halten.

Die Einschränkung hinsichtlich der O₂-Menge wurde vorgenommen, um die Verschlechterung der Haftung des Überzugs und die der Festigkeit, was auf die Bildung von Oxiden des Cr, Si und dergleichen zurückzuführen ist, zu unterdrü cken, was zur Folge hat, daß der Gehalt nicht mehr als 50 ppm, vorzugsweise nicht mehr als 30 ppm betragen soll. Die Menge des Schwefels wurde auch auf einen bestimmten Wert eingeschränkt, da der Schwefel die Heißverarbeitbar keit erheblich erniedrigt, so daß es an der Kristallgrenze zu Konzentrationen kommt. Der Schwefelgehalt sollte daher nicht mehr als 20 ppm, vorzugsweise nicht mehr als 10 ppm betragen.

Die kombinierten Ausscheidungen in der erfindungsgemäßen Legierung sind in der Weise ausgerichtet, daß je kleiner die Teilchengröße ist, die Verbesserung hinsichtlich der Festigkeit umso wirksamer ist. Im Falle, daß eine grobe Aus scheidung vorliegt, deren Teilchen einen Durchmesser über 3 µm aufweisen, ist die Wirkung auf die Verbesserung der Festigkeit nur gering. Wenn der Teilchen durchmesser Werte oberhalb 5 µm annimmt, wird die Verarbeitbarkeit, die Haf tung des Überzugs und dergleichen wesentlich erniedrigt, so daß es aus diesem Grunde vorgesehen ist, den Teilchendurchmesser der Ausscheidun gen in der erfindungsgemäßen Legierung auf nicht mehr als 3 µm zu halten.

Das Zn, Mn, Al, Fe, Ti, Zr, Ag, Mg, Be, In, Ca, P, B, Y, La, Ce und Te sind jeweils dritte Elemente und dienen als deazidifierende Agentien, wobei die Zugabe die ser Elemente die Verarbeitbarkeit der Legierung und andere verschiedene Ei genschaften verbessert.

Zn, Mn, Ag, Mg und Ca verbessern weiterhin die Heißverarbeitbarkeit und be wirken zur gleichen Zeit eine Verbesserung hinsichtlich der Bindungsfestigkeit mit dem Lötmetall und der Langzeitstabilität der Haftung des Überzugs mit Sn oder der Sn-Pb-Legierung. Al, Fe, Ti, Zr, Be, In, P, Ce, B, Y, La und Te besitzen au ßerdem eine unterdrückende Wirkung auf das Wachstum von groben Kristallen, so daß diese ebenfalls zur Verbesserung der Biegeverarbeitbarkeit beitragen.

Der Grund, warum die Zugabemenge dieser dritten Elemente auf einen be stimmten Wert eingeschränkt wurde, ist darin zu sehen, daß, falls der Wert un terhalb dieses Bereiches liegt, eine außerordentliche Wirkung nicht erkannt werden kann, so daß eine Zugabe in diesem Fall als unwirtschaftlich anzuse hen ist. Falls die Legierung diese Elemente oberhalb des angegebenen Bereiches enthält, so kommt es zu einer Erniedrigung der elektrischen Leitfähigkeit und Verminderung der Verarbeitbarkeit einschließlich der Heißverarbeitbarkeit, wobei es zusätzlich noch dazu kommt, daß es schwierig wird, einen geeigneten Block zu erhalten. Des weiteren sind ebenfalls die Haftung des Überzugs, die Anfälligkeit gegenüber der Rißbildung infolge Korrosion unter Beanspruchung und dergleichen verschlechtert.

Der Grund, warum die Menge des Sn einen besonderen Stellenwert zwischen den anderen Bestandteilen einnimmt, ist der folgende: die Leitermaterialien für Halbleiterelemente werden, wie die Halbleiterelemente selbst, miniaturi siert, so daß das Leitermaterial in Bezug auf seine Größe ebenfalls vermindert werden muß. Entsprechend diesem Erfordernis ist daher eine verbesserte Fe stigkeit zudem erwünscht, jedoch sollte anderenfalls im Hinblick auf die Ver läßlichkeit des Materials ein gutes Emissionsverhalten gewährleistet sein. Um daher beiden Erfordernissen gerecht zu werden, wurde der Sn-Gehalt auf 2,0 bis 5,0% eingeschränkt.

Für Verbindungsvorrichtungen, Sockel, Federn, Anschlüsse und dergleichen für elektronische und elektrische Instrumente besteht ebenfalls das Erforder nis, die Formdichte und die Miniaturisierung zu erhöhen, so daß die Verkleinerung der Teile auch hier durchgeführt werden muß. Eine hohe Festig keit ist daher nicht so ausschlaggebend. Aus diesem Grunde wurde der Sn-Ge halt auf einen Bereich von 2,5 bis 7,0% eingeschränkt.

Die erfindungsgemäßen Legierungen werden in der Weise hergestellt, daß man die Blöcke, die die vorgenannten Zusammensetzungen aufweisen, einer Heiß- und Kaltbearbeitung unterwirft und dann schmilzt und gießt. Man führt bei spielsweise das Heißwalzen oder Heißextrudieren in der Weise aus, daß man bis zu einer Temperatur von 700 bis 1000°C erhitzt, die Bearbeitung oberhalb 650°C beendet, und sofort mit Wasser unter Abkühlung unterhalb von 400°C bei einer Geschwindigkeit von vorzugsweise nicht weniger als 10°C/s abkühlt. Nachdem man die Oberfläche durch Abmahlen, Schaben oder Säurebeizen gereinigt hat, unterwirft man einer Kaltwalzbehandlung, einer Streckbearbeitung und dergleichen und führt zum Abschluß eine Wärmebehandlung während mindestens 5 Minuten bei einer Temperatur von 350 bis 700°C zusammen mit einer Kaltbearbeitung durch. Zur Erhöhung der Eigenschaften ist es außerdem möglich, nach der Endkaltverarbeitung einen Raffinationswärmevorgang bei 200 bis 550°C, eine Zugausgleichsbehandlung, eine Zug wärmebehandlung und dergleichen zu kombinieren. Es ist ebenfalls möglich, eine Hitzebehandlung anzuschließen, nachdem die erfindungsgemäßen Legie rungsblöcke direkt einer Kaltverarbeitung unterworfen worden sind.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Man stellt Blöcke aus den in Tabelle 1 gezeigten Legierungszusammensetzungen mit einer Dicke von 40 mm, einer Breite von 80 mm und einer Länge von 250 mm her, schmilzt diese und gießt sie in eine mit Wasser gekühlte Metallform. Man erhitzt sie auf eine Temperatur von etwa 850°C und unterwirft sie einem Heißwalzverfahren bis auf eine Dicke von 6 mm und kühlt dann sofort mit Wasser ab. Die Temperatur am Ende des Heißwalzens beträgt etwa 680°C. Nachdem man die Oberfläche mit Säure abgebeizt hat, unterwirft man das Material einem Kaltwalzverfahren bis auf eine Dicke von 1,2 mm. Nach einer zwei Stunden andauernden Hitzebehandlung bei 600°C, führt man das Kaltwal zen bis auf eine Dicke von 0,4 mm durch und, nachdem eine weitere Hitzebe handlung 2 Stunden bei 550°C angedauert hat, führt man noch ein Kaltwalzen bis auf eine Dicke von 0,25 mm durch. Von diesen Legierungen untersucht man die durchschnittliche Korngröße, die Zugfestigkeit, die Dehnung, die elektrische Leitfähigkeit, das Biegeverhalten, die Bindungsfestigkeit mit einem Lötmetall das Rißbildungsverhalten infolge Korrosion unter Beanspruchung und die Elektro-Plattierbarkeit mit Ag. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 jeweils mit Phosphorbronze C 52100 (Sn 8,0%, P 0,1% und Rest Cu), und C 195 (Fe 1,5%, Sn 0,6%, Co 0,8% P 0,09% und Rest Cu), die zu den herkömmlichen Legierungen zählen, im Vergleich aufgeführt.

Zur Messung des Biegeverhaltens biegt man Testmaterialien unter Verwendung einer 90°-Biegevorrichtung jeweils mit verschiedenen Biegeradien (R). Das Auftreten von Rissen untersucht man unter einem Mikroskop mit 40-fa cher Vergrößerung, um so das Minimum R/t (t: Dicke der Platte), bei dem keine Rißbildung auftritt, zu bestimmen. Die Biegeachsen wählt man sowohl in Walz richtung als auch in die dazu senkrechte Richtung.

Zur Messung der Bindungsfestigkeit mit dem Lötmetall lötet man einen Blei draht auf eine Fläche mit einem Durchmesser von 9 mm auf eine Probe von 5 × 50 mm, die man vom Testmaterial abgeschnitten hat. Nachdem man während 300 Stunden bei einer Temperatur von 150°C hat altern lassen, führt man einen Ziehtest zur Bestimmung der Bindungsfestigkeit durch.

Zur Ermittlung der Rißbildung infolge Korrosion unter Beanspruchung führt man einen Test unter konstanter Belastung mit einem Zuggewicht von 294,3 N/mm² in einer Atmosphäre, die 3 Volumen-% Ammoniak ent hält, gemäß der JIS C8306-Methode durch, um somit die Zeit zu bestimmen, bis Risse auftreten.

Zur Bestimmung des Elektro-Plattierungsverhaltens mit Ag führt man ein Ag- Vorgalvanisierbad (Ag strike plating), nachdem man die Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 1 µm geätzt hat, durch und erhält einen Silberüberzug unter Ver wendung der unten angegebenen Bäder von einer Dicke von 5 µm. Nachdem man eine Hitzebehandlung während 5 Minuten 475°C unter atmosphärischen Bedin gungen durchgeführt hat, untersucht man, ob sich Blasen gebildet haben.

Ag-Vorgalvanisierbad

AgCn: 3 g/l
KCN: 60 g/l
Stromdichte: 5 A/dm²

Zeit: 15 s

Ag-Beschichtung

AgCn: 37 g/l
KCN: 58 g/l
K₂

CO₃

: 25 g/l
Stromdichte: 1 A/dm²

Tabelle 1

Aus den Tabellen 1 und 2 ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Legierung 11 allen Anforderungen im Vergleich mit C195 und Phosphorbronze (C52100), die herkömmliche Legierungen sind, gerecht werden. Betrachtet man dagegen die Vergleichslegierung 12, die weniger Sn enthält, so erkennt man, daß die Zugfestigkeit erniedrigt ist. Bei der Vergleichslegierung 13, die zuviel Sn enthält, ist die Verarbeitbarkeit nur sehr gering, so daß die Walzbearbeitung be endet werden mußte. Betrachtet man außerdem Vergleichslegierung 14, die we niger Si und Ni enthält, so ist nicht nur die Zugfestigkeit ungenügend, sondern auch der Wert für die Anfälligkeit gegenüber Rißbildung infolge Korrosion un ter Beanspruchung hoch, und bei Vergleichslegierung 15, die zuviel Si und Ni enthält, ist die Verarbeitbarkeit sehr schlecht, so daß die Walzbearbeitung beendet werden mußte. Im Fall der Vergleichslegierung 16, die große O₂-Mengen enthält, ist die Festigkeit, die Haftung des Überzugs und das Biegeverhalten er niedrigt, und die Korngröße der Ausscheidung ist ebenfalls zu grob.

Beispiel 2

Man stellt Legierungen in den in Tabelle 3 aufgeführten Zusammensetzungen her und erhält Testmaterialien mit einer Dicke von 0,25 mm in der gleichen Weise wie in Beispiel 1. Von diesen Testmaterialien werden die durchschnittli che ausgeschiedene Korngröße, die Zugfestigkeit, die Dehnung, die elektrische Leitfähigkeit, das Biegeverhalten, die Bindungsfestigkeit mit dem Lötmetall, das Rißbildungsverhalten infolge Korrosion unter Beanspruchung und das Elektro- Plattierungsverhalten mit Silber untersucht.

Die Ergebnisse sind der Tabelle 4 zu entnehmen, wo die Testmaterialien mit C52100 (8% Phosphorbronze) und C195, welche herkömmliche Legierungen sind, verglichen werden.

Wie aus den Tabellen 3 und 4 zu entnehmen ist, erfüllt die erfindungsgemäße Legierung 28 im Vergleich mit den herkömmlichen Legierungen C195 und Phosphorbronze (C52100) sämtliche Erfordernisse.

Vergleicht man die Vergleichslegierungen 30 bis 34, die zuviele dritte Elemente enthalten, so wird erkennbar, daß die Gießfähigkeit und das Heißwalzverhal ten sehr niedrig ist, so daß es unmöglich ist, Testmaterialien herzustellen. Au ßerdem schneiden die Werte für die elektrische Leitfähigkeit, die Biegeverar beitbarkeit, die Lötbarkeit, das Rißbildungsverhalten infolge Korrosion unter Beanspruchung, die Plattierungsfähigkeit und so weiter sehr schlecht ab. Bei der Vergleichslegierung 35, die zuviel S enthält, bilden sich während des Heiß walzens Risse, so daß ebenfalls keine Testmaterialien erhalten werden konn ten.

Die erfindungsgemäßen Kupferlegierungen besitzen eine weitaus höhere Quali tät als beispielsweise die herkömmliche Phosphorbronze, was deutlich aus den Meßwerten und den Vergleichsewerten zu ersehen ist. Die erfindungsgemäßen Legierungen sind daher von außerordentlich hohem industriellen Nutzen, da mit ihnen ohne Schwierigkeiten hohe Miniaturisierungen und eine hohe Verdich tung durchgeführt werden können, so daß elektronische Instrumente und der gleichen von hoher Verläßlichkeit zur Verfügung gestellt werden können.

Claims

1. Kupfer-Zinn-Legierung für elektronische Instrumente, dadurch ge kennzeichnet, daß sie aus 2,0 bis 7,0 Gew.-% Zinn, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Silicium, insgesamt 1,0 bis 6,0 Gew.-% Nickel, Cobalt und Chrom, wobei Nickel in einer Menge im Bereich von 1,0 bis 6,0 Gew.-%, Cobalt in einer Menge von nicht mehr als 1,5 Gew.-% und Chrom in einer Menge von 0,05 bis 0,8 Gew.-% enthalten sind, und das Verhältnis (Nickel + Cobalt + Chrom)/Silicium = 2-8 erfüllt ist, und Kupfer und unvermeidbaren Ve runreinigungen als Rest besteht, wobei der Sauerstoffgehalt in den unver meidbaren Verunreinigungen nicht mehr als 50 ppm und der Schwefelge halt nicht mehr als 20 ppm betragen und der durchschnittliche Teilchen durchmesser der Ausscheidungen nicht größer als 3 µm ist.

2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt nicht mehr als 30 ppm und der Schwefelgehalt nicht mehr als 10 ppm betragen.

3. Kupferlegierung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens ein Element der Zink, Mangan, Aluminium, Ei sen, Titan, Zirkonium, Silber, Magnesium, Beryllium, Indium, Calcium, Phosphor, Bor, Yttrium, Lanthan, Tellur und Cer umfassenden Gruppe in einer Menge von 0,001 bis 5,0 Gew.-% enthalten ist, wobei Zink und Man gan in Mengen im Bereich von 0,01 bis 5,0 Gew.-%, Aluminium und Eisen in Mengen im Bereich von 0,01 bis 2,0 Gew.-%, Titan und Zirkonium in Mengen im Bereich von 0,01 bis 0,8 Gew.-% und Silber, Magnesium, Beryl lium, Indium, Calcium, Phosphor, Bor, Yttrium, Lanthan, Tellur und Cer in Mengen im Bereich von 0,001 bis 0,3 Gew.-% vorliegen.

4. Verwendung der Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Gehalt an Zinn im Bereich von 2 bis 5 Gew.-% als Leitermaterial für Halbleiterelemente.

5. Verwendung der Kupferlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Gehalt an Zinn im Bereich von 2, 5 bis 7 Gew.-% als Material für Verbindungsvorrichtungen, Sockel, Federn und Anschlüsse für elektri sche und elektronische Geräte.