DE3911874C2 - Kupferlegierung für elektronische Einrichtungen - Google Patents

Kupferlegierung für elektronische Einrichtungen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Kupferlegierung für elektronische Einrichtungen, wie Leiterplatten oder Verbindungselemente in integrierten Schaltungen.
Für elektronische Einrichtungen werden Werkstoffe bevorzugt, welche exzellente Korrosions- und Hitze­ beständigkeits-Eigenschaften sowie hohe Zugfestigkeit und große elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um den Bestrebungen nach Miniaturisierung der Ein­ richtungen und nach Zuverlässigkeit Rechnung zu tragen. Als Werkstoffe für Leiterplatten in integrierten Schaltungen werden hauptsächlich Werkstoffe auf Eisenbasis, wie Fe-42% Ni, und Werkstoffe auf der Kupferbasis eingesetzt.
In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Werkstoffen auf Kupferbasis gestiegen, weil diese gute Kühlungseigenschaften in hoch integrierten elektronischen Einrichtungen haben. Auf der anderen Seite erfordert die Miniaturisierung der Einrichtungen dünne Werkstoffe der Kupferserie. Die Werkstoffe auf Kupferbasis können jedoch keine ausreichende Festigkeit sicherstellen. Aus diesem Grund sind die Werkstoffe auf Eisenbasis, wie Fe-42% Ni, für IC-Pakete des QFP-Typs verwendet worden. Im Hinblick auf die beschriebene Entwicklung ist eine Prüfung vorgeschrieben, ob ein Werkstoff die gleiche Festigkeit wie Fe-42% Ni, d. h. eine Zugfestigkeit von 686,7 N/mm² und die gleiche elektrische Leitfähigkeit von 30% IACS (International Association of Classification Society) hat. Ferner sollte ein Werkstoff, der als Leiter verwendet wird, gute Federungseigenschaften sowie die gleiche elektrische Leitfähigkeit wie eine Phosphor-Bronze-Legierung und eine größere Festigkeit als diese haben.
Bisher sind als Kupferlegierungen für elektronische Einrichtungen eine Cl9400-Legierung (Copper Development Association), eine hochleitfähige Legierung, wie Cu-0,1% Sn, Cu-0,1% Fe (Zugfestigkeit ca. 490,5 N/mm² oder darunter und elektrische Leitfähigkeit 60% IACS oder darüber) und eine Phosphor-Bronze-Legierung (mit derselben Festigkeit wie Fe-42% Ni und einer elektrischen Leitfähigkeit von 20% IACS oder mehr) verwendet worden. Ferner ist eine Berryllium-Kupfer- Legierung als hochfester Werkstoff verwendet worden. Dieser ist jedoch teuer.
Somit haben die herkömmlichen Werkstoffe für Leiter­ platten und Leiter sowohl Vorteile als auch Nachteile im Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit, die Festigkeit und die Kosten. Die Druckschrift DE 34 17 273 A1 offenbart eine Kupfer­ legierung mit 0,05%-3% Ni, 0,01%-0,1% P und 0,01%-1% Si. Die Druckschrift US 21 55 407 offenbart eine Kupferlegierung mit 0,25%-3% Ni, 0,05%-0,6% P und weniger als 0,1% Si.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupferlegierung zu schaffen, die sowohl die Anforde­ rungen an die elektrische Leitfähigkeit und die Festigkeit erfüllt als auch dazu geeignet ist, in elektronischen Einrichtungen verwendet zu werden.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einer Kupferlegierung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen unter Schutz gestellt.
Fällt der Anteil von Nickel unter 1,0 Gew.-%, wird wenig intermetallische Verbindung erzeugt und die Festigkeitsverbesserung ist gering. Wenn der Nickelanteil 8 Gew.-% übersteigt, steht die Verbesserung der Festigkeit in keinem Verhältnis zu der Menge des Zusatzes. Darüber hinaus sinken die Verarbeitbarkeit und die elektrische Leitfähigkeit, und die Hitzebeständigkeit im Hinblick auf Löten und Plattieren wird verschlechtert. Was die Verhältnisse von Ni, P und Si zueinander angeht, werden größte Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit erreicht, wenn das Verhältnis Ni : P etwa 5 : 1 und das Verhältnis Ni : Si etwa 4 : 1 betragen. Die genannten Gewichtsverhältnisse entsprechen im wesentlichen Ni₅P₂ und Ni₂Si als intermetallische Verbindungen. Die Mengen von P und Si werden von den genannten Gewichtsverhältnissen bestimmt.
Zn wird beigegeben, um das unerwünschte Phänomen zu eliminieren, daß eine Lötschicht bei hoher Temperatur bei und nach dem Löten oder der Lötbeschichtung abblättert. Die Untergrenze der Menge eines Zn-Zusatzes beträgt 0,03 Gew.-%. Die Obergrenze liegt bei 0,5 Gew.-%. Die Obergrenze ist im Hinblick auf die Spannungskorrosions-Eigenschaften festgelegt.
Die obere Grenze des Sauerstoffanteils beträgt 0,002%. Dieser Wert wurde im Hinblick darauf festgelegt, daß eine Ag-Plattierung auf ein Substrat aufgebracht wurde, worauf eine Wärmebehandlung bei 450°C für 5 Minuten erfolgte, wobei keine Wölbung beobachtet werden konnte.
Nachstehend ist die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen schematisch die einzelnen Schritte verschiedener Verfahren zum Herstellen eines Drahtes oder eines Streifens einer Kupferlegierung nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein erstes Verfahren (Verfahren 1).
Bei dem Verfahren 1 in Verbindung mit Anspruch 1 oder 2 wird ein Draht einer Kupfer­ legierung verwendet, welche 1,0 Gew.-% bis 8 Gew.-% Ni, 0,15 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% P, mehr als 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% Si, Rest Cu und unvermeidliche Verunreinigungen umfaßt.
Bei dem Verfahren 1 in Verbindung mit Anspruch 3 wird ein Draht W einer Kupferlegierung verwendet, welche 1,0 Gew.-% bis 8 Gew.-% Ni, 0,15 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% P, mehr als 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% Si, 0,03 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Zn sowie Cu und unvermeidliche Verunreinigungen umfaßt. Bei dem Verfahren wird der Draht W wiederholt einer Kaltver­ arbeitung und einer Wärmebehandlung unterzogen. Der Draht wird einer Temperatur von 750°C-950°C für mehr als 1 Minute ausgesetzt (Schritt A), bevor das abschließende Walzen erfolgt. Daraufhin wird der Draht in Schritt B in Wasser oder Öl abgeschreckt. Nach Schritt B kann eine Kaltverarbeitung nach Schritt C erfolgen. In Schritt D wird eine Wärmebe­ handlung bei 350°C-500°C für mehr als 10 Minuten vorgenommen. Falls nötig, kann in Schritt E eine Kaltverarbeitung durchgeführt werden. Die Schritte D und E können mehr als zweimal durchlaufen werden.
Fig. 2 bezieht sich auf ein zweites Verfahren (Verfahren 2).
Bei dem Verfahren 2 in Verbindung mit Anspruch 1 oder 2 wird ein Draht W einer Kupfer­ legierung verwendet, welcher 1,0 Gew.-% bis 8 Gew.-% Ni, 0,15 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% P, mehr als 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% Si sowie Cu und unvermeidliche Verun­ reinigungen beinhaltet. Bei dem Verfahren 2 in Verbindung mit Anspruch 3, wird ein Draht W einer Kupferlegierung verwendet, welcher 1,0 Gew.-% bis 8 Gew.-% Ni, 0,15 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% P, mehr als 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% Si, 0,03 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Zn sowie Cu und unvermeidliche Verun­ reinigungen beinhaltet.
Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt (Schritt A) der Draht einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 750°C bis 950°C für mehr als 1 Minute unterzogen, bevor das abschließende Walzen erfolgt. Dann wird in Schritt B₂ der Draht mit einer Abkühlrate von 4°C/min oder weniger abgekühlt. Somit ist ein Draht aus einer Kupferlegierung für eine elektronische Ein­ richtung erzeugt.
Fig. 3 zeigt ein drittes Verfahren (Verfahren 3).
Bei dem Verfahren 3 in Verbindung mit Anspruch 1 oder 2 wird ein Draht W einer Kupfer­ legierung verwendet, welche 1,0 Gew.-% bis 8 Gew.-% Ni, 0,15 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% P, mehr als 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% Si sowie Cu und unvermeidliche Verunreini­ gungen beinhaltet. Bei dem Verfahren 3 in Verbindung mit Anspruch 3 wird ein Draht einer Kupferlegierung verwendet, welche 1,0 Gew.-% bis 8 Gew.-% Ni, 0,15 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% P, mehr als 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% Si, 0,03 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Zn sowie Cu und unvermeidliche Verunreinigungen beinhaltet.
Bei dem Verfahren wird der Draht abwechselnd einer Kaltbearbeitung und einer Wärmebehandlung unterzogen. In diesem Fall wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 750°C bis 950°C für mehr als 1 Minute durchgeführt, bevor das Fertigwalzen erfolgt (Schritt A). Dann wird der Draht mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 1°C/min oder mehr abgekühlt, bis 500°C erreicht sind (Schritt B₃). Dann wird die Temperatur für mindestens 1 Stunde in einen Bereich von 500°C bis 350°C gehalten oder der Draht wird langsam innerhalb dieses Temperaturbereiches abgekühlt. Somit ist ein Draht einer Kupferlegierung für eine elektronische Einrichtung erzeugt.
Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Beispiele Nr. 1-6 und Vergleichsbeispiele Nr. 1-5
Proben Nr. 1 bis Nr. 11 mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen sind folgendermaßen hergestellt worden. Alle Zusammensetzungen nach Tabelle 1 wurden in einem elektrischen Hochfrequenzofen erschmolzen. Das geschmolzene Material wurde in eine Gießform mit einer Dicke von 20 mm gegeben. Die Oberflächen der einzelnen Barren wurden abgeschabt, und die Barren wurden abwechselnd kaltgewalzt und erhitzt. Nach dem abschließenden 50%igen Kaltwalzen wurde jeder Barren zu einer Probe aus plattenartigem Werkstoff mit einer Dicke von 0,25 mm verarbeitet. Vor dem Fertigwalzen wurde jede Probe für 30 Minuten auf 800°C erwärmt und anschließend in Wasser abgeschreckt. Daraufhin wurde jede Probe bei 400°C für 2 Stunden angelassen.
Die physikalischen Eigenschaften der Proben Nr. 1 bis Nr. 11 sind in Tabelle 1 dargestellt.
Die Werte für die Zugfestigkeit sind in N/mm² angegeben.
Tabelle 1 ist zu entnehmen, daß Proben, welche Si beinhalten, höhere Spannungen aushalten als Proben, welche nur Cu, Ni und P umfassen. Allgemein wird die Festigkeit verbessert, wenn die Anteile von Ni, P und Si steigen. Wenn die Anteile dieser Elemente aber zu groß werden, sinkt jedoch die elektrische Leitfähigkeit. Demzufolge werden die Anteile von Ni, P und Si wie nach der Erfindung beschrieben festgelegt, um die Anforderungen sowohl an die Festigkeit als auch an die elektrische Leitfähigkeit zu erfüllen.
Was den O₂-Anteil betrifft, so ist bei den Erwärmungstests eine Wölbung der aufgebrachten Schicht in denjenigen Proben (Nr. 7 und 10) festgestellt worden, welche einen Sauerstoffanteil von mehr als 20 ppm haben. Demzufolge wird erfindungsgemäß die Obergrenze für den Sauerstoffanteil auf 0,0020% festgelegt.
Die Wärmebeständigkeit bei der Lötung sinkt, wenn die Anteil von Ni, P und Si steigen. Durch Vergleichen der Proben Nr. 5 und Nr. 11 miteinander ergibt sich, daß bei der Probe Nr. 11 mit 0,15 Gewichts-% Zn die Wärmebeständigkeit beim Löten besser ist. Auf der anderen Seite steigt bei der Probe Nr. 9 mit viel Zn die Empfindlichkeit gegen Spannungskorrosion. Demzufolge wird erfindungsgemäß der Anteil von Zn auf einen Bereich von 0,03 Gewichts-% bis 0,5 Gewichts-% festgelegt.
Die Kupferlegierung mit Ni, P und Si nach der Erfindung hat eine hohe Festigkeit und exzellente elektrische Leitfähigkeit. Demzufolge ist sie geeignet für die Miniaturisierung von Teilen elektronischer Einrichtungen. Sie kann in weiten Bereichen verwendet werden, nicht nur bei Platinen von integrierten Schaltungen sondern auch bei Verbindungen, Relais, Schaltern usw. Ferner hat die Kupferlegierung mit Zn höhere Festigkeit und eine exzellente Wärmebeständigkeit.
Beispiele Nr. 7 bis 15 und Vergleichsbeispiele Nr. 6 und 7
Eine Cu-Ni-P-Si-Legierung und eine Cu-Ni-P-Si-Zn- Legierung mit einer Zusammensetzung gemäß Tabelle 2 sind verwendet worden, um Drähte aus einer Kupferlegierung mittels der Verfahren nach Tabelle 2 herzustellen.
Proben Nr. 12 bis 23 wurden folgendermaßen hergestellt. Die einzelnen Bestandteile für die Proben Nr. 12 bis 23 sind in einem elektrischen Hochfrequenzofen geschmolzen worden und das geschmolzene Material ist in eine Gießform mit einer Dicke von 20 mm gegossen worden, um Barren herzustellen. Die Oberflächen der Barren sind abgeschabt worden und die Barren sind wiederholt einem Kaltwalz- und einem Erwärmungsprozeß unterzogen worden, um die Proben herzustellen. Dann sind die Proben den abschließenden 50%-Walzbearbeitungen unterzogen worden, um plattenähnlichen Werkstoff mit einer Dicke von 0,25 mm zu erzeugen. Die Bedingungen für die Wärmebehandlung und andere Verarbeitungen sind in Tabelle 2 angegeben.
In Beispiel 7 für Probe Nr. 12, Beispiel 9 für Probe Nr. 14, Beispiel 12 für Probe Nr. 17 und Beispiel 13 für Probe Nr. 18 sind die Kupferlegierungsplatten mit einer Dicke von 0,5 mm jeweils für 30 Minuten auf 800°C erwärmt worden, gefolgt von Abschreckung in Wasser. Danach sind die Kupferlegierungsplatten kaltgewalzt worden, um deren Dicke auf 0,25 mm zu reduzieren. Dann sind die Platten für 2 Stunden auf 450°C erhitzt und danach sehr langsam in dem Heizofen abgekühlt worden.
In Beispiel 8 für Probe 13 ist die Probe wie in Beispiel 7 erhitzt worden, gefolgt von Abschrecken in Wasser. Dann ist sie für 2 Stunden auf 450°C erhitzt und danach sehr langsam in dem Heizofen abgekühlt worden. Anschließend ist sie kaltgewalzt worden, um die Dicke auf 0,25 mm zu reduzieren.
In Beispiel 10 für Probe 15 und Beispiel 15 für Probe 20 sind die Proben jeweils wie nach Beispiel 7 erhitzt worden, gefolgt vom langsamen Abkühlen mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 2,5°C/min innerhalb des Heizofens. Dann ist die Dicke mittels Kaltbearbeitung auf 0,25 mm reduziert worden.
In den Beispielen 11 und 16 für die Proben 16 und 21 sind die Proben wie in Beispiel 7 erhitzt worden und nach dem Erhitzen für 30 Minuten gekühlt worden, bis die Temperatur 450°C erreicht war. Die Temperatur wurde dann für 2 Stunden auf 450°C gehalten. Danach sind sie langsam innerhalb des Heizofens abgekühlt worden. Daraufhin ist die Dicke der Proben mittels Kaltwalzens auf 0,25 mm reduziert worden.
Im Beispiel 14 für Probe 19 ist die Probe mit einer Dicke von 1,5 mm für 30 Minuten auf 800°C erhitzt worden, gefolgt von einem Abschrecken in Wasser. Mittels Kaltwalzens ist die Dicke auf 0,5 mm reduziert worden. Dann ist die Kupferlegierung für 2 Stunden auf 450°C erhitzt und danach innerhalb des Heizofens langsam abgekühlt worden. Daraufhin wurde sie kaltge­ walzt, um die Dicke auf 0,25 mm zu reduzieren.
Als Vergleichsbeispiel 6 ist Probe Nr. 22 mit einer Dicke von 0,5 mm für 1 Stunde auf 700°C erhitzt worden, gefolgt von Abschrecken in Wasser. Zur Reduzierung der Dicke auf 0,25 mm ist sie daraufhin kaltgewalzt worden.
Als Vergleichsbeispiel 7 ist Proben 23 wie Vergleichsbeispiel 6 behandelt worden. Zusätzlich wurde sie für 2 Stunden auf 450°C erhitzt und langsam innerhalb des Heizofens abgekühlt.
Für die Proben Nr. 12 bis 23 ist die Zugfestigkeit und die elektrische Leitfähigkeit gemessen worden. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse.
Die Werte für die Zugfestigkeit sind in N/mm² angegeben.
Wie Tabelle 2 zu entnehmen ist, weisen die Proben der Beispiele 7 bis 15 höhere Festigkeit als die Proben der Vergleichsbeispiele 6 und 7 auf.
Beim abschließenden Walzen kann der Kupferlegierungs- Werkstoff auf eine Temperatur von 150°C bis 450°C für mehr als 3 min erhitzt werden, um die Deformationen infolge des Walzens rückgängig zu machen. Dies führt zu einer Verbesserung der Federungseigenschaften und der Verarbeitbarkeit des Werkstoffs.
Durch Wärmebehandlung einer Cu-Ni-P-Si-Legierung oder einer Cu-Ni-P-Si-Zn-Legierung mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung kann ein Draht aus einer Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und guter elektrischer Leitfähigkeit erhalten werden. Der Draht aus der erfindungsgemäßen Kupferlegierung ist für die Miniaturisierung elektronischer Einrichtungen sehr geeignet.

Claims (3)

1. Kupferlegierung für elektronische Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 1,0 bis 8% Nickel; 0,15% bis 0,8% Phosphor, mehr als 0,1% bis 1% Silicium und Kupfer als Rest mit unvermeidlichen Verun­ reinigungen besteht.
2. Kupferlegierung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sauerstoffanteil 0,0020% oder weniger beträgt.
3. Kupferlegierung nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch 0,03% bis 0,5% Zink.
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