DE3729509C2 - Verbesserte Kupferlegierung, insbesondere für die Herstellung elektronischer Bauteile - Google Patents
Verbesserte Kupferlegierung, insbesondere für die Herstellung elektronischer BauteileInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Legierung
auf Kupferbasis oder vielmehr eine Legierung, die mehr
als 90 Gew.-% Kupfer enthält, die insbesondere dank ihrer
mechanischen und elektrischen Eigenschaften
für die Herstellung von Bauteilen für die elektronische
Industrie geeignet ist.
Es ist bekannt, daß zahlreiche elektronische Bauteile,
die sowohl mechanisch als auch thermisch stark beansprucht
werden, wie Teile von Schaltern, "Leitungsrahmen" (das
heißt den Rahmen, die die Halbleiterplatten tragen, die
Mikroprozessoren und/oder Speicherelemente bilden),
Serienbusenden-Trägerplatten, Thermostatkontakte und
dergleichen unter Verwendung von Legierungen hergestellt
werden müssen, die gleichzeitig hohes Dehnvermögen oder
hohe Duktilität, hohe Haltbarkeit und mechanische Festigkeit
und hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit
besitzen müssen. Heute gibt es auf dem Markt sehr viele
Legierungen auf Kupferbasis, die jedoch alle den Nachteil
aufweisen, daß sie nur einem spezifischen Anwendungsgebiet
angepaßt sind, für das sie als geeignet entwickelt
worden sind, und demzufolge ist jede einzelne nur für den
Bau von einer oder von wenigen der oben angeführten Bauteile
geeignet, was keineswegs zufriedenstellend ist.
Darüber hinaus enthält eine große Anzahl derartiger Legierungen
Cadmium, so daß ihre Herstellung mit schwerer
Umweltverschmutzung verbunden ist. Auch ist die Mehrzahl
derartiger Legierungen teuer, entweder wegen der besonders
seltenen verwendeten Elemente oder vor allem wegen der
schwierigen Verfahren um diese zu gewinnen, die eine genaue
Desoxydation erfordern, die vorzugsweise mittels
genauer Proportionierung von besonderen Desoxydationsbestandteilen
durchgeführt wird. Es ist in der Tat bekannt,
daß sehr kleine Prozentsätze von Sauerstoff die
thermische und elektrische Leitfähigkeit derartiger Legierungen
drastisch senken und vor allem ihr Verlöten
aufgrund von Reaktionen, die zu Wasserstoff-Versprödung
führen, unmöglich machen. Es ist auch bekannt, daß andererseits
die Zugabe von desoxydierenden Elementen mit
einer hohen Affinität für Sauerstoff, wie z. B. Phosphor,
das Problem der ganz genauen Proportionierung des Gehaltes
derselben in Abhängigkeit von dem vorausgesagten
Sauerstoffgehalt beinhaltet, wenn eine drastische Senkung
der Leitfähigkeit durch Bildung fester Lösungen und/oder
Phosphaten vermieden werden muß. In dem US-Patent Nr.
3 677 745 wird dieses letztere Problem auf eine wirtschaftliche
Weise durch die Zugabe kleiner Prozentsätze
Magnesium zu der Legierung gelöst. Dieses Element verbindet
sich mit dem überschüssigen Phosphor, wobei eine
intermetallische Verbindung gebildet wird. Dies begrenzt
drastisch die Menge an freiem P und/oder Mg in der Matrix
und vermeidet deshalb einen Abfall der Leitfähigkeit
selbst in Anwesenheit von ungenauen Anteilen an P.
Weiterhin bewirkt die intermetallische Verbindung, die
sich bildet, daß die Legierung durch
Auslagerung aushärtbar ist, wodurch ihre mechanischen
charakteristischen Eigenschaften verbessert werden. Die
Legierung, die Gegenstand des genannten US-Patentes ist,
verschiebt jedoch das Problem der genauen Proportionierung
von dem P zu dem Mg mit dem einzigen Vorteil, daß
die Grenzen, zwischen denen der Anteil von Magnesium in
bezug auf das stöchiometrische Verhältnis variieren kann,
ohne daß die Leitfähigkeit ungünstig beeinflußt wird,
sehr viel weiter als diejenigen von dem P sind und noch
stärker erweitert werden können, indem zu der Legierung
auch Silber (bis zu 0,2%) oder Cadmium (bis zu 2%)
hinzugegeben wird. Diese weiteren Zugaben, die immer in
Legierungen vorhanden sind, die kommerziell auf der Basis
des Patentes hergestellt werden, beinhalten offensichtlich
die Nachteile hoher Kosten für Primärmaterialien
und des vorstehend erwähnten Risikos der Verschmutzung.
Weiterhin lösen Legierungen gemäß dem US-Patent
Nr. 36 77 745 nicht das technische Problem, eine Legierung
zur Verfügung zu stellen, die verschiedenen Einsatzzwecken
auf dem Gebiet elektronischer Bauteile angepaßt
ist. Aus diesem Grunde müssen Anwender von heutzutage
bekannten Legierungen für jeden Typ eines herzustellenden
Bauteils (Leitungsrahmens, Kontaktes usw.) dafür
sorgen, daß eine Legierung mit besonderer chemischer Zusammensetzung,
die von derjenigen der für andere Bauteile
verwendeten Legierungen verschieden ist, vorrätig ist.
Dies bringt offensichtlich die Unmöglichkeit, in wirtschaftlichem
Maßstab zu arbeiten, mit sich und macht das
Management für Produktion und Lagerhaltung kompliziert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun die Schaffung
einer neuen Kupferlegierung mit charakteristischen
Eigenschaften für Leitfähigkeit und mechanische
Festigkeit, die entsprechend den Erfordernissen des
Benutzers bei der gleichen Zusammensetzung innerhalb
Grenzen variabel sind, die so ausreichend hoch sind, daß
Erfordernisse erfüllt werden, die heute nur durch Legierungen
mit verschiedenen Zusammensetzungen erfüllt werden,
und die gleichzeitig Maximalwerte für mechanische
Festigkeit und Leitfähigkeit aufweisen, die für
Anwendungen in der Elektronik ausreichend sind, und hohe Dehn
barkeit oder Duktilität und Lötfähigkeit besitzen, mit
geringen Kosten und sehr leicht herstellbar sind und bei
denen kein Cadmium verwendet wird.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst,
daß durch sie eine Kupferlegierung, insbesondere
für die Herstellung von elektronischen Bauteilen geschaffen
wird, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aus in Gewichtsteilen
von 0,05 bis 1% Magnesium, von 0,03 bis
0,9% Phosphor und von 0,002 bis 0,04% Calcium, und
Kupfer als Rest, einschließlich möglicher Verunreinigungen, besteht,
wobei das Gewichtsverhältnis zwischen Magnesium
und Phosphor, die in der Legierung vorhanden sind, zwischen
1 und 5 liegt und in Kombination das Gewichtsverhältnis
zwischen Magnesium und Calcium, die in der Legierung
enthalten sind, zwischen 5 und 50 liegt.
Eine Legierung mit einer Zusammensetzung, die innerhalb
dieser Grenzen liegt, besitzt, wie experimentell von
der Anmelderin gefunden wurde, tatsächlich hohe Werte
für thermische und elektrische Leitfähigkeit, hohe
mechanische Festigkeit, die durch optimale Kombinationen
von Beständigkeit gegen Bruch und Fließen unter Spannung
sowie Härte verliehen wird, hohe Deformierbarkeit, exzellentes
Verhalten bei Hitze, Fehlen von Sprödigkeit, Immunität
gegen Spannungskorrosion und Wasserstoffversprödung,
gute Lötfähigkeit und Fähigkeit, für Wärmebehandlungen
geeignet zu sein zur Erzeugung von Segregation
oder Entmischung an den Kornkanten fein verteilter intermetallischer
Verbindungen, so daß die Legierung durch
Auslagerung gehärtet werden kann. Erstaunlicherweise
besitzt solch eine Legierung darüber hinaus die
unübliche Eigenschaft, zwei verschiedene Ausscheidungs-
oder Präzipitationstemperaturintervalle zu haben, entsprechend
denen die Legierung bei absolut identischer
chemischer Zusammensetzung der Legierungselemente vollständig
verschiedene mechanische und Leitfähigkeitcharakteristiken
aufweist. Bei im wesentlichen der gleichen
Leitfähigkeit (d. h. innerhalb enger Variationsintervalle
derselben) besitzt die Legierung gemäß der Erfindung
darüber hinaus in den beiden verschiedenen physikalischen
Zuständen, die auf die Aushärtungsbehandlung entsprechend
mit einem oder dem anderen der Aushärtungstemperaturintervalle
jeweils folgen, die Fähigkeit, ihre
mechanischen Charakteristiken über einen weiten Bereich
in Abhängigkeit von ihrem Zustand der Kaltverfestigung
zu variieren, der nach dem Walzen oder Kaltziehen
mit verschiedenen Graden des Prozentsatzes der Reduktion
des Querschnittes folgt.
Die Legierung gemäß der Erfindung ist deshalb im wesentlichen
eine Legierung, die eine Matrix auf Kupferbasis
besitzt, die in der Legierung in Gewichts-Prozentsätzen
von mehr als 99% vorhanden ist, und eine neue
Kombination von Legierungselementen, die von Magnesium
(Mg), Phosphor (P) und Calcium (Ca) gebildet werden,
in solchen speziellen Anteilen enthält, daß sie auf
solch eine Weise miteinander wechselwirken können, daß
zwischen ihnen und mit dem Kupfer binäre, tertiäre und
quaternäre (quartäre) intermetallische Verbindungen gebildet
werden können, wobei die Möglichkeit der Existenz
dieser letzteren zum ersten Mal durch die vorliegende
Erfindung ans Licht gebracht wurde. Die Legierung enthält
vorteilhafterweise auch Zinn in Gewichts-Prozentsätzen,
die zwischen etwa 0,03% und 0,15% variieren
können und vorzugsweise nahe der oberen Grenze liegen,
und kann weiterhin neben den unvermeidlichen Spuren verschiedener
Elemente, insbesondere Eisen, die jedoch ungefährliche
Verunreinigungen bilden, kleine Mengen an
Silber und/oder Zirkonium, in jeweiligen Prozentsätzen von
der Größenordnung von 0,01 bis 0,05 Zirkonium bzw. 0,01 bis 0,06 Silber
Gewichtsprozent, für den Zweck der Erhöhung der Aushärttemperatur
und kleine Mengen (nicht größer als 0,01
Gew.-%) Lithium und/oder Mangan, die als Entschwefelungselemente
verwendet werden, enthalten. Die Legierung gemäß
der Erfindung besitzt somit eine gewichtsmäßige nominelle
Zusammensetzung, die aus 0,22% Mg, 0,20% P,
0,01% Ca und 0,10% Sn, wobei der Rest Cu ist, einschließlich
möglicher Verunreinigungen, gebildet wird.
Diese nominellen Prozentsätze dieser Legierungselemente können
innerhalb relativ weiter Grenzen variieren, ohne
daß die vorstehend beschriebenen neuen Charakteristiken
der Legierung verändert werden, und spezieller kann das
Magnesium zwischen 0,05 und 1 Gew.-% variieren, der
Phosphor kann zwischen 0,03 und 0,90 Gew.-% variieren,
und das Calcium kann zwischen 0,002 und 0,040 Gew.-%
variieren, während das Zinn zwischen den Grenzen variieren
kann, die bereits erklärt wurden, beträgt jedoch
vorzugsweise niemals weniger als 0,08 Gew.-%. Obgleich
die vorstehend beschriebenen neuen und vorteilhaften
Charakteristiken der Legierung gemäß der Erfindung auch
ohne das Einführen des Zinns erreichbar sind, so daß
sich die Erfindung im wesentlichen auf eine quaternäre
Legierung Cu-Mg-P-Ca bezieht, müssen auch pentanäre oder
Fünfer-Legierungen Cu-Mg-P-Ca-Sn als ein Teil der Erfindung
angesehen werden, da überraschenderweise gefunden
wurde, daß das Zinn nicht nur die Heiß-Fließfähigkeit und
Gießfähigkeit der Legierung der Erfindung beträchtlich
erhöht, sondern auch direkt an der Bildung der intermetallischen
Verbindungen teilnehmen kann, von denen die
überlegenen Charakteristiken derselben abhängen. Diese
letzteren werden durch das Zinn verbessert, und der Bereich
der möglichen Variation in den Anteilen der Legierungselemente,
insbesondere des desoxydierenden Phosphors
und des desphosphorisierenden Calciums, wird in bezug auf
die quaternäre Grundlegierung, die frei von Zinn ist,
erhöht.
Die Legierung gemäß der Erfindung rührt von den Untersuchungen
her, die von der Anmelderin durchgeführt wurden,
ausgehend von dem US-Patent Nr. 3 677 745, von den
ternären Zustandsdiagrammen von Cu-Mg-Sn und Cu-Mg-Ca-
Legierungen, die auf der Basis der Studien von Bruzzone
(Less-Common Metals, 1971, 25, 361) und von Venturello
und Fornaseri (Met. Ital., 1973, 29, 213) und der Studien
von W. THURY (Metall, 1961, Band 15, Nov. S. 1079-
1081) entwickelt wurden, die gezeigt haben, wie Kupfer
durch Zugaben von Phosphor desoxydiert werden kann, ohne
daß die Leitfähigkeit beeinflußt wird, durch die Eliminierung
des überschüssigen Phosphors mit Zugaben von
Calcium, das sich mit dem Phosphor verbindet, um Calciumphosphat
zu liefern, welches die Leitfähigkeit nicht
verringert. Auf der Grundlage dieses Standes der Technik
haben die Techniker der Anmelderin, ermutigt durch die
theoretische Möglichkeit, daß Ca und Sn intermetallische
Verbindungen mit Mg und Cu bilden können, versucht,
Kupferlegierungen mit einer hohen Festigkeit und Leitfähigkeit
und guter Verlötbarkeit herzustellen mittels
der Zugabe von Mg und/oder Sn zu Kupfer, das vorher nach
dem Verfahren von THURY über die Zugabe von P und Ca desoxydiert
worden war, in der Hoffnung, daß eines oder
beide der Legierungselemente in der Lage sein würde,
sich mit dem gegebenenfalls vorhandenen Überschuß von
Calcium zu verbinden, um intermetallische Verbindungen
mit ihm oder mit dem Kupfer der Matrix zu bilden. Es
bestand die Hoffnung, auf diese Weise die entstehende
Legierung zum Härten durch Auslagerung fähig zu
machen, um auf diese Weise einen Anstieg in der mechanischen
Festigkeit zu erhalten, und es bestand gleichzeitig
die Hoffnung, das Problem der Proportionierung
der desoxydierenden Elemente zu lösen, ohne daß edle
Legierungsmetalle wie Silber verwendet werden mußten.
Begrenzt auf diesen letzteren Aspekt, war der Desoxydierungsmechanismus,
der in dem US-Patent 36 77 745 durch
P und Mg bewirkt wurde, in der Tat deshalb nicht zufriedenstellend,
wie bereits ausgedrückt wurde, weil
das Problem der Überwachung der Proportionierung der
desoxydierenden Mittel nicht gelöst wurde, sondern nur
weniger schwerwiegend gemacht worden war, insbesondere
in Anwesenheit von Silber in der Legierung. Andererseits
erschien die Verwendung von Ca anstelle von Mg als Entphosphorisierungsmittel
in bezug auf den restlichen P
nach der Desoxydation schon für sich vorteilhafter in
bezug auf die Beibehaltung einer hohen Leitfähigkeit
und bot in jedem Fall die weitere theoretische Möglichkeit
der Kombination der zwei Verfahren durch die Eliminierung
der Rückstände oder Reste bei einer Zugabe von
Mg, was die gleichen Vorteile bieten konnte, die in dem
besagten US-Patent durch die Zugabe von Silber oder Cadmium
geboten wurden. Von der Anmelderin durchgeführte
experimentelle Tests haben andererseits gezeigt, daß
nicht nur die erwarteten Ergebnisse erhalten worden waren,
sondern daß die Wechselwirkung zwischen den Legierungselementen
viel stärker als erwartet war und vor der Ausscheidungsbehandlung,
oder eher schon bei Verfestigung
der Legierung nach dem Schmelzen, vorausgesetzt, daß
gewisse Verhältnisse zwischen den Bestandteilen der Legierung
eingehalten wurden, die Bildung von gänzlich
unerwarteten und völlig unvorhersehbaren intermetallischen
Verbindungen mit sich brachte, wie beispielsweise
eine quaternäre CuMgPCa-Verbindung, die durch Elektronenmikroskop
in Transmission nachgewiesen werden konnte und
die Dimensionen von der Größenordnung von 0,4 bis 0,5 µm
besaß; derartige Verbindungen wurden auch begleitet von
dem Vorhandensein von submikroskopischen Teilchen von
CuP, CuPMg, PCa und CuMg, die in der Metallmatrix mit
einem Abtast-Elektronenmikroskop (Scanning-Elektronenmikroskop)
mit einer Vergrößerung von 6 bis 9000 nachgewiesen
wurden. In Begleitung des Vorhandenseins dieser
intermetallischen Verbindungen vor der Aushärtungs-
Behandlung wurde gefunden, daß ein überraschendes Verhalten
der Legierung vorhanden war, das vollkommen neu
und unerwartet war, d. h., daß diese zwei Aushärtungs-
Temperaturen oder eher Temperaturintervalle besaß,
die voneinander verschieden waren. Im wesentlichen hat
die Anmelderin erkannt, daß es diese Legierung in Anwesenheit
derartiger unerwarteter Verbindungen aufgrund
der besonderen Zusammensetzung der Legierung zuließ,
daß sie nicht nur einer, sondern zwei verschiedenen
Aushärtungs-Behandlungen bei verschiedenen Temperaturen
unterworfen werden konnte, die zur Folge hatten,
daß die Legierung völlig verschiedene Endcharakteristiken
annahm, während sie die gleiche Anfangszusammensetzung
besaß. Solch ein vollständig neues und überraschendes
Verhalten in einer Legierung auf Kupferbasis
macht es möglich, mit hoher Wirtschaftlichkeit im großen
Maßstab, insbesondere in der Industrie für elektronische
Bauteile, zu arbeiten. In der Tat ist die Legierung der
Erfindung dank dieser charakteristischen Eigenschaft von
sich aus in der Lage, Erfordernisse zu befriedigen, die
sogar sehr verschieden voneinander sind, einfach, indem
sie einer unterschiedlichen Wärmebehandlung unterworfen
wird, eine Behandlung, die wegen ihrer Einfachheit selbst
bei dem Endverbraucher durchgeführt werden kann, der
deshalb Rohteile, die noch nicht ausgehärtet
sind, lagern und speichern kann und in Abhängigkeit von
den variierenden Erfordernissen an diesen eine
Warmaushärtung bei verschiedenen Temperaturen und
eine nachfolgende Kaltverformung
auf solch eine Weise durchführen
kann, daß ein Endprodukt mit den gewünschten charakteristischen
Eigenschaften erhalten wird, und zwar je nach
Bedarf von Zeit zu Zeit, wobei dies etwas ist, was bisher
nur durch Verwendung verschiedener Legierungen mit verschiedenen
chemischen Zusammensetzungen erreichbar war,
wobei diese verschiedenen Legierungen für den Endzweck
absolut nicht untereinander austauschbar waren.
Dieses fundamentale Ergebnis der Erfindung wird nicht nur
durch die Realisierung einer Kupferlegierung mit dem
vorstehend beschriebenen Gehalt an Mg, P und Ca erreicht,
sondern auch indem dafür gesorgt wird, daß die Verhältnisse
zwischen diesen Legierungselementen innerhalb bestimmter
Grenzen bleiben, jenseits derer die Legierung
ihre besonderen charakteristischen Eigenschaften verliert.
Insbesondere muß das Gewichtsverhältnis zwischen dem
Magnesiumgehalt und dem Phosphorgehalt in der Legierung
zwischen 1 und 5 liegen, und gleichzeitig mit dem Beachten
dieses primären Verhältnisses muß das Gewichtsverhältnis
zwischen dem Magnesiumgehalt und dem Calciumgehalt
in der Legierung zwischen 5 und 50 liegen. Die verbesserten
Ergebnisse werden mit einem Gehalt an Calcium
in der Legierung erhalten, der vorzugsweise zwischen 0,002 und 0,02
Gew.-% liegt, und mit einem Mg/P-Gewichtsverhältnis, das
zwischen 1 und 3 liegt, in Kombination mit einem Gewichtsverhältnis
von Mg/Ca, das zwischen 10 und 20 liegt.
Es wird angenommen, daß diese Grenzen der Notwendigkeit
entsprechen, innerhalb der Legierung besondere stöchiometrische
Verhältnisse zwischen den Bestandteilen festzulegen,
entsprechend denen, und nur mit denen, die zuerst
diskutierten quaternären intermetallischen Verbindungen
gebildet werden, die, wie angenommen wird, bestimmen,
ob der Legierung die Fähigkeit verliehen worden
ist, verschiedene mechanische charakteristische Eigenschaften
entsprechend verschiedenen Aushärtungs-
Temperaturen anzunehmen. Das Vorhandensein von CaP, CuMg
und CuP vor der Ausscheidung ist in der Tat normal, während
das Vorhandensein von CuMgP und CuCaMgP völlig unerwartet
ist, und es kann angenommen werden, daß es
einer partiellen Ausscheidung zuzuschreiben ist, die
bereits während der Warmverformung aufgetreten ist.
Demzufolge ist es gerechtfertigt anzunehmen, daß während
der Ausscheidung, die beim Aushärten stattfindet,
das CaP mit CuMg reagiert, um CuCaMgP fein dispergiert
an den Kanten der Körner zu liefern.
Im übrigen wird die Kupferlegierung gemäß der Erfindung
auf eine herkömmliche Weise mittels Schmelzen und nachfolgendem
Gießen hergestellt, dann die verfestigte Legierung
mittels Walzen oder Heiß-Extrudieren bei einer
Temperatur, die zwischen 860 und 890°C liegt, verarbeitet
und daraufhin die Legierung mittels Walzen oder
Kaltziehen verarbeitet, um eine Reduktion des Querschnitts
zu erhalten, der zwischen 50% und 80% liegt. Dann
wird eine Warmaushärtung der Legierung
durch
geführt, die im Gegensatz zu den Verfahren der Herstellung,
die für herkömmliche Legierungen angewendet wurden,
darin besteht, daß die Legierung über eine ausreichende
Zeit (1 oder 2 Stunden) bei einer Temperatur gehalten
wird, die innerhalb eines ausgewählten Intervalles liegt,
und zwar entweder zwischen 365 bis 380°C oder zwischen
415 bis 425°C entsprechend der Abhängigkeit davon, ob
es gewünscht wird, verbesserte mechanische oder elektrische
charakteristische Eigenschaften zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung wird nun in einer dieselbe
nicht einschränkenden Weise durch die folgenden Beispiele
erläutert, wobei auch auf die beigefügten Zeichnungen
bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine Erläuterung der Abhängigkeit der Härte der Legierung
gemäß der Erfindung, in Abhängigkeit von der Temperatur, und
Fig. 2 ein Vergleichsdiagramm für die Eigenschaften (Zugfestigkeit,
Leitfähigkeit) der Legierung gemäß der Erfindung und derjenigen
von verschiedenen kommerziellen Legierungen
für elektronische Bauteile.
In einem Gas-Tiegelofen mit einem Schmelztiegel vom Siliziumcarbid-
Typ und mit einer Kapazität von etwa 100 kg
wurden experimentelle Schmelzen mit Beschickungen von
70 kg 99,9 ETP Kupfer hergestellt, die unter einem bedeckenden
Flußmittel aus Borax geschmolzen wurden, worauf
nachfolgendes Gießen in wassergekühlte Blockformen mit
einem Durchmesser von 220 mm folgte. Danach wurden sie
durch die Zugabe von 1,1 kg Kupferphosphat (85 Gew.-%
Cu und 15 Gew.-% P), das mittels eines Werkzeugs auf den
Boden des Tiegels gebracht wurde, entoxydiert, und dann
wurden 2 Hectogramm (hg) Mg und 7 g Ca hinzugegeben.
Nachdem Proben für Analysen entnommen worden waren, wurde
das Gießen in Blockformen fortgeführt und nachfolgend
Heißwalzen (im folgenden als "HR" von englisch: hot rolling
abgekürzt) der Gußblöcke bis herab zu einer Dicke
von 11 mm durchgeführt, wobei bei einer Temperatur gearbeitet
wurde, die zwischen 860 und 890°C lag. Nach dem
Mahlen oder "Schälen" der so erhaltenen Gußblöcke, um
die oxydierte Schicht zu entfernen, wurden diese verschiedenen
Arbeitszyklen unterworfen, die ein Kaltwalzen
(im folgenden als "CR" von englisch: cold rolling abgekürzt),
das auf solch eine Weise durchgeführt wurde, daß
eine Reduktion des Querschnitts bewirkt wurde, die zwischen
50% und 80% lag, und eine mögliche künstliche Warmaushärtung
Wärmebehandlung, die darin bestand,
daß die Blöcke über eine bestimmte Zeitdauer bei einer
Temperatur gehalten wurden, die zwischen 365 und 425°C
lag, umfaßten. Die so erhaltenen Gußblöcke wurden schließlich
Härte-Tests (Vickers-Verfahren 100 g/30 Zoll) und
Standard-Leitfähigkeits-Tests entsprechend den IACS
(Internationel Annealed Copper Standard)-Regeln unterworfen,
wobei die Leitfähigkeit als ein Prozentsatz von
derjenigen des IACS-Teststreifens bei 20°C ausgedrückt
wird, der bekanntlich einen spezifischen Widerstand von
1,7241 Micro Ohm · cm besitzt. Die erhaltenen Ergebnisse
sind in Tabelle I aufgetragen und zeigen die Kapazität
der Legierung an, bei der gleichen chemischen Zusammensetzung
verschiedene physikalische und mechanische Charakteristiken
entsprechend dem Typ der Behandlung anzunehmen.
Die erhaltenen Ergebnisse für die Kapazität der
Legierung, dem Erweichen zu widerstehen, wenn sie heiß
ist (Vickers-Micro-Härte nach 1 Stunde bei den verschiedenen
Temperaturen) sind in Fig. 1 aufgetragen.
Mit einem Arbeitsvorgehen wie in Beispiel I, jedoch in
einem industriellen Induktionsofen mit einer Kapazität
von 4 Tonnen, der mit einer halbkontinuierlichen Gießeinrichtung
verbunden war und durch proportionales Anpassen
der Mengen von Kupfer und den Legierungselementen
an die unterschiedliche Kapazität des Ofens wurden
Gießblöcke erhalten, die bei einer Temperatur von 870°C
bis zu einer Dicke von 11 mm durch und durch herab heißgewalzt
wurden. Dann wurden die so erhaltenen gewalzten
Blöcke weiter mit einer Reduktion im Querschnitt von
50% kaltgewalzt, woraufhin ein gewalzter Block von 5,5 mm
Dicke erhalten wurde. Dieser wurde, nachdem Proben
entnommen worden waren, in zwei Teile geteilt, die entsprechend
mit A und B bezeichnet wurden, und danach in
einem elektrischen Ofen mit einem Heizzyklus behandelt,
der 2 Stunden Erwärmen, 2 Stunden Verbleiben bei der
Temperatur und 5 Stunden Abkühlen umfaßte. Das Teil A
wurde bei 425°C behandelt, während das Teil B bei 370°C
behandelt wurde. Jedes Teil wurde nach der Wärmebehandlung
weiter in Untergruppen unterteilt, die mit den Zahlen
1, 2 und 3 bezeichnet wurden. Die Untergruppen 1 wurden
mit einer Reduktion im Querschnitt von 20% auf solch
eine Weise kaltgewalzt, daß eine milde oder schonende
Kaltverfestigung erzeugt wurde. Die Untergruppen 2 wurden
auf eine 45%ige Reduktion im Querschnitt auf solch
eine Weise gewalzt, daß eine stärkere Kaltverfestigung
erhalten wurde (semi-harter Zustand), während die Untergruppen
3 bis auf eine 98%ige Reduktion auf solch eine
Weise gewalzt wurden, daß die gewalzten Blöcke stark
Kaltverfestigt waren (harter Zustand). Es wurden Proben
der Teile A und B vor dem weiteren Walzen und von
jeder Untergruppe 1, 2 und 3 nach dem Walzen entnommen
und den normalen Tests für mechanische Festigkeit und
Leitfähigkeit unterworfen. Die erhaltenen Ergebnisse
sind in den Tabellen 2 und 3 aufgetragen.
Unter arbeitsmäßigem Vorgehen wie in Beispiel II wurden
3 Tonnen einer Legierung mit der folgenden gewichtsprozentmäßigen
Zusammensetzung hergestellt:
0,25% Mg 0,20% P 0,01% Ca 0,10% Sn Rest Cu.
0,25% Mg 0,20% P 0,01% Ca 0,10% Sn Rest Cu.
Die hergestellte Legierung wurde in zwei Teile unterteilt,
die als "Typ A" und "Typ B" bezeichnet wurden,
und verschiedenen Walz- und Aushärtungs-Zyklen
unterworfen, indem wie in Beispiel II gearbeitet wurde.
Die entstandenen gewalzten Blöcke wurden dann wie in
Beispiel II getestet, und die erhaltenen Ergebnisse wurden
in graphischer Form aufgetragen und mit den Eigenschaften,
wieder ausgedrückt in graphischer Form, von
einigen der grundlegenden Kupferlegierungen für elektronische
Anwendungen, die gegenwärtig auf dem Markt sind,
verglichen. Das graphische Ergebnis ist in Fig. 2 aufgetragen.
Hieraus ist ersichtlich, daß die Legierung der
Erfindung mit absolut der gleichen chemischen Zusammensetzung
verschiedene physikalische Charakteristiken entsprechend
dem Typ der Verarbeitung annehmen kann, der sie
unterworfen wird ("Typ A"- und "Typ B"-Teile), wobei sie
Stellungen einnimmt, die von bekannten Legierungen nur
mit jeweils vollständig verschiedenen chemischen Zusammensetzungen
(und nicht mit verschiedenen Behandlungen)
eingenommen werden können. Insbesondere die Legierung
der Erfindung, die entsprechend dem Zyklus, der in Beispiel II
für "Typ B" angegeben ist, verarbeitet worden
war und die mit der Bezeichnung LMI 108 B bezeichnet ist,
liegt nahe in den Eigenschaften bei der der Legierung
Wieland K72 (0,3 Cr - 0,15 Ti - 0,02 Si - Cu), während
die gleiche Legierung, die entsprechend dem Zyklus,
der in Beispiel II für "Typ A" angegeben ist, bearbeitet
worden war und die mit der Bezeichnung LMI 108 A bezeichnet
ist, Eigenschaften besitzt, die nahe
denjenigen der Legierung Olin C197 (0,6 Fe - 0,05 Mg -
0,20 P - eventuell 0,23 Sn - Cu) liegen.
Indem exakt wie in Beispiel I gearbeitet wurde, wurden
Legierungen mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen
hergestellt, um den Einfluß des Gehaltes der verschiedenen
Legierungselemente zu untersuchen. Die hergestellten
Proben, die zuerst einem Heiß-Extrudieren bei
870°C auf solch eine Weise unterworfen worden waren,
damit sie auf einen Durchmesser von 24,5 mm herabgebracht
wurden, und dann kaltgezogen wurden, um sie auf einen
Durchmesser von 14,5 mm herabzubringen, wurden dann
ausgehärtet bei verschiedenen Temperaturen und
dann mit einem standardmäßigen Leitfähigkeitstest und
mit einem Vickers-Härtetest getestet. Die erhaltenen
Ergebnisse sind in Tabelle IV angegeben.
Claims (9)
1. Kupferlegierung, insbesondere für die
Herstellung elektronischer Bauteile,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie aus 0,05 bis 1% Magnesium,
0,03 bis 0,9% Phosphor, 0,002
bis 0,04% Calcium und Kupfer als Rest mit
unvermeidbaren Verunreinigungen besteht,
und das Gewichtsverhältnis zwischen
Magnesium und Phosphor, die in der Legierung enthalten
sind, zwischen 1 und 5 liegt und in Kombination
das Gewichtsverhältnis zwischen Magnesium
und Calcium, die in der Legierung enthalten sind,
zwischen 5 und 50 liegt.
2. Legierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie zwischen
0,002% und 0,02% enthält, das Gewichtsverhältnis
zwischen Magnesium und Phosphor zwischen 1 und 3
liegt und in Kombination das Gewichtsverhältnis
zwischen Magnesium und Calcium zwischen 10 und
20 liegt.
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie weiterhin eine Menge an Zinn enthält,
die gewichtsmäßig zwischen 0,03% und 0,15% liegt.
4. Legierung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie weiterhin von 0,01 bis 0,05 Gew.-% Zirkonium
enthält.
5. Legierung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie weiterhin von 0,01 bis 0,06 Gew.-% Silber
enthält.
6. Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie weiterhin bis zu 0,01 Gew.-% Lithium
enthält.
7. Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie weiterhin bis zu 0,01 Gew.-% Mangan enthält.
8. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche
1 bis 7 für leitfähige Bauelemente.
9. Verfahren zum Herstellen einer Kupferlegierung,
die für die Herstellung von elektronischen Bauteilen
geeignet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Legierung mit einer Zusammensetzung nach einem
der Ansprüche 1 bis 7
durch Schmelzen und anschließendes
Gießen hergestellt wird, die verfestigte
Legierung warmgewalzt oder warmextrudiert
wird bei einer Temperatur, die zwischen 860 und
890°C liegt, nachfolgend
mit einer Reduktion im Querschnitt
zwischen 50% und 80% kaltgewalzt oder kaltgezogen wird, und abschließend
eine Wärmeaushärtung zwischen 365 bis 380°C oder 415 bis 425°C durchge
führt wird, in Abhängigkeit von den erwünschten
mechanischen oder elektrischen Eigenschaften.
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