DE4120499C1 - Low cost copper@ alloy for e.g. semiconductor carrier - contains zinc@, silicon, iron@, aluminium@, phosphorus@ and copper@ - Google Patents
Low cost copper@ alloy for e.g. semiconductor carrier - contains zinc@, silicon, iron@, aluminium@, phosphorus@ and copper@Info
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- C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Kupfer-Zink- Legierung mit Silizium, Eisen und Aluminium als weitere Bestandteile als Werkstoff für elektronische Bauteile, insbes. für Halbleiterträger und Steckverbinder.The invention relates to the use of a copper-zinc Alloy with silicon, iron and aluminum as further components as a material for electronic Components, esp. for semiconductor carriers and connectors.
Werkstoffe für elektronische Bauteile müssen besondere Eigenschaftskombinationen aufweisen:Materials for electronic components must have special combinations of properties exhibit:
- a) es wird im allgemeinen eine hohe mechanische Festigkeit bei hinreichender elektrischer Leitfähigkeit gefordert,a) it is generally a high mechanical strength sufficient electrical conductivity is required,
- b) für Steckverbinder stellt die Steifigkeit, charakterisiert durch die Federbiegegrenze und den Elastizitätsmodul (E- Modul), ein weiteres wesentliches Kriterium dar,b) for connectors represents the rigidity, characterized due to the spring deflection limit and the modulus of elasticity (E- Module), another essential criterion,
- c) aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung und der damit verbundenen Forderung nach einer guten Bearbeitbarkeit gewinnt das Biegeverhalten des Werkstoffs zunehmend an Bedeutung,c) due to the progressive miniaturization and with it associated demand for good machinability the bending behavior of the material is increasing Importance,
- d) um die Funktionsfähigkeit eines Bauteils auch bei höheren Temperaturen zu gewährleisten, sind sowohl eine hohe Entfestigungstemperatur als auch ein gutes Relaxationsverhalten von grundsätzlichem Interesse.d) the functionality of a component even at higher ones Ensuring temperatures are both a high softening temperature as well as good relaxation behavior of fundamental interest.
Für den Bereich hoher Zugfestigkeiten von Rm<800 MPa und elektrischen Leitfähigkeiten von <12 MS/m stehen bisher nur wenige Werkstoffe zur Verfügung. Mit Kupfer-Beryllium-Legierungen lassen sich zwar äußerst hohe Festigkeiten erzielen (Rm<1000 MPa), jedoch sind diese Werkstoffe einerseits teuer, andererseits wegen des gesundheitlichen Risikos ausgesprochen problematisch in der Handhabung.So far, only a few materials are available for the range of high tensile strengths of R m <800 MPa and electrical conductivities of <12 MS / m. Extremely high strengths can be achieved with copper-beryllium alloys (R m <1000 MPa), but on the one hand these materials are expensive and on the other hand they are extremely problematic to handle due to the health risk.
Die Legierung C 68800 (CuZn23AlCO) erreicht ein hohes Festigkeitsniveau bei gleichzeitig niedrigem E-Modul (116 GPa) und zeigt somit eine weiche Federkennlinie. Jedoch lassen das Biege- und Spannungsrelaxationsverhalten dieses Werkstoffes noch zu wünschen übrig.The alloy C 68800 (CuZn23AlCO) achieves a high level of strength with a low modulus of elasticity (116 GPa) and thus shows a soft spring characteristic. However, the bending and stress relaxation behavior of this material wish left.
Kupferlegierungen mit Gehalten von 4-30 Gew.-% Zink, 1-13 Gew.-% Silizium, 0,01-1,0 Gew.-% Kaliziumborid und 0,01-1,0 Gew.-% Phosphor (DE-PS 37 35 522) sind ebenfalls durch einen niedrigen E-Modul gekennzeichnet. Sie werden vorwiegend für die Herstellung von hochfesten federnden Brillenteilen verwendet.Copper alloys with contents of 4-30% by weight zinc, 1-13 % By weight silicon, 0.01-1.0% by weight calcium boride and 0.01-1.0 Wt .-% phosphorus (DE-PS 37 35 522) are also by a low modulus of elasticity. They are mainly for the Manufacture of high-strength springy glasses parts used.
Diese Legierungen weisen mit Zugfestigkeiten zwischen 500 und 800 MPa - im kaltverformten Zustand ist eine Steigerung auf 1000 MPa gegebenenfalls möglich - einen für viele Anwendungsfälle eingeengten Festigkeitsbereich auf. Zudem können sie lediglich bis zu 30% kaltverformt werden. Es werden keine Angaben über das Biege- und Spannungsrelaxationsverhalten sowie die Federbiegegrenze gemacht.These alloys have tensile strengths between 500 and 800 MPa - in the cold-formed state is an increase to 1000 MPa possibly possible - one restricted for many applications Strength range on. In addition, you can only up to 30% cold worked. No information about the bending and stress relaxation behavior as well as the spring bending limit made.
Es ist weiterhin eine Legierung folgender Zusammensetzung bekannt: 5-20% Zink, 0,1-0,5% Silizium, 0,1-1,5% Eisen, 0,5-1,5% Aluminium, 0,1-0,4% Phosphor, Rest Kupfer (JP-OS 58/157 931).An alloy of the following composition is also known: 5-20% zinc, 0.1-0.5% silicon, 0.1-1.5% iron, 0.5-1.5% aluminum, 0.1-0.4% phosphorus, balance copper (JP-OS 58/157 931).
Dieser Werkstoff weist jedoch eine relativ geringe Zugfestigkeit auf. Zudem können sich durch den relativ hohen Eisengehalt grobe Fe-Si-Ausscheidung bilden, welche die Stanzbarkeit beeinträchtigen. Angaben hinsichtlich Federbiegegrenze, Biegeverhalten und Relaxationsbeständigkeit dieses Werkstoffes fehlen.However, this material has a relatively low tensile strength on. In addition, the relatively high iron content can cause rough Form Fe-Si precipitates, which affect the punchability. Information regarding spring bending limit, bending behavior and This material is not resistant to relaxation.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte Kupferlegierung anzugeben, welche für die genannten Anwendungsgebiete eine Kombination besonders günstiger Eigenschaften aufweist.The invention is therefore based on the object of an inexpensive Specify copper alloy, which for the application areas mentioned a combination of particularly favorable properties having.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer
Kupfer-Zink-Silizium-Eisen-Aluminium-Legierung gelöst, die aus
13-18% Zink,
1-2% Silizium,
0,1-0,4% Eisen,
0,1-1,0% Aluminium,
0,02-0,1% Phosphor,
Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen besteht (die %-Angaben
beziehen sich dabei auf das Gewicht).The object is achieved according to the invention by using a copper-zinc-silicon-iron-aluminum alloy which consists of
13-18% zinc,
1-2% silicon,
0.1-0.4% iron,
0.1-1.0% aluminum,
0.02-0.1% phosphorus,
The rest is copper and usual impurities (the percentages relate to the weight).
Die Zusammensetzung von Kupferlegierungen der genannten Art ist zwar beispielsweise aus der US-PS 39 56 027 bekannt, dort findet sich allerdings kein Hinweis auf den beanspruchten Verwendungszweck.The composition of copper alloys of the type mentioned is Although known for example from US-PS 39 56 027, there However, there is no indication of the intended use.
Als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wird die Verwendung von Kupferlegierungen der Zusammensetzung nach den Ansprüchen 2 bis 7 empfohlen. The use is preferred embodiments of the invention of copper alloys of the composition according to the claims 2 to 7 recommended.
Der Zusatz an Zink von 13-18 Gew.-% steigert die Festigkeit des Werkstoffes. Gleichzeitig wird eine Absenkung des E-Moduls erzielt. Eine weitere Erhöhung des Zinkgehaltes wirkt sich jedoch negativ auf die elektrische Leitfähigkeit aus. Durch die Anteile an Silizium wird sowohl die Festigkeit erhöht als auch die Korrosionsbeständigkeit verbessert. Da Silizium jedoch die elektrische Leitfähigkeit und die Duktilität herabsetzt, sollte ein Gehalt von 2 Gew.-% nicht überschritten werden.The addition of zinc of 13-18% by weight increases the strength of the Material. At the same time there is a lowering of the modulus of elasticity achieved. However, a further increase in the zinc content has an effect negatively affects electrical conductivity. The silicon content increases both the strength as well as improved corrosion resistance. Because silicon but reduces electrical conductivity and ductility, a content of 2% by weight should not be exceeded.
Durch den Zusatz von Eisen und Zinn werden sowohl die Festigkeit als auch die Federbiegegrenze angehoben. Zudem erhöht Eisen die Entfestigungstemperatur und wirkt kornfeinend. Hinsichtlich einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist eine untere Grenze des Eisen- und Zinngehaltes einzeln oder auch in Kombination von mindestens 0,1 Gew.-% einzuhalten. Ein Eisenanteil von 0,4 Gew.-% sollte allerdings nicht überschritten werden, da hierdurch einerseits der E-Modul in unerwünschter Weise angehoben wird, andererseits ein hoher Eisengehalt in Kombination mit Silizium verstärkt zur Ausbildung von größeren Eisensilizidausscheidungen führt, die sich negativ auf die Stanzbarkeit des Werkstoffes auswirken können. Ein Zinngehalt an der oberen Grenze der Spezifikation wirkt sich günstig bezüglich Biegeverhalten und verminderter Spannungsrißkorrosion aus. Außerdem verbessert Zinn das Relaxationsverhalten und übt einen positiven Einfluß auf den E-Modul aus. Aufgrund von Wechselwirkungseffekten zwischen den einzelnen Legierungskomponenten führt ein Zinngehalt von mehr als 0,5 Gew.-% zu einer allgemeinen Verschlechterung der Werkstoffeigenschaften.By adding iron and tin, both the strength as well as the spring bending limit raised. Iron also increases the Softening temperature and grain refining. Regarding one Improvement in mechanical properties is a lower one Limit of iron and tin content individually or in combination of at least 0.1% by weight. An iron content of However, 0.4% by weight should not be exceeded, since on the one hand, the modulus of elasticity is undesirably raised high iron content in combination with Silicon reinforces to form larger iron silicide deposits leads, which negatively affects the punchability of the Can impact material. A tin content at the upper limit the specification has a positive effect on bending behavior and reduced stress corrosion cracking. Tin also improves the relaxation behavior and exerts a positive influence on the E-module off. Due to interaction effects between the individual alloy components lead to a tin content of more than 0.5% by weight to a general deterioration in the material properties.
Durch einen Zusatz von bis zu 1 Gew.-% Aluminium wird wiederum die Festigkeit erhöht, während gleichzeitig einem Anstieg des E-Moduls entgegengewirkt wird. Höhere Gehalte an Aluminium reduzieren hingegen die Verarbeitbarkeit der Legierung. By adding up to 1% by weight of aluminum, in turn the strength increases while an increase in the E-module is counteracted. Higher levels of aluminum reduce the processability of the alloy.
Die Zugabe an Phosphor innerhalb des angegebenen Bereiches verbessert die Gießbarkeit der Legierungsschmelze. Eine Konzentration von 0,1 Gew.-% sollte allerdings im Hinblick auf die Warmwalzbarkeit nicht überschritten werden.The addition of phosphorus within the specified range improves the castability of the alloy melt. A concentration of 0.1% by weight should, however, with regard to the Hot rollability should not be exceeded.
Die erfindungsgemäß verwendete Legierung läßt sich nach dem Gießen warmwalzen und anschließend bis zu einem Umformgrad von 80-90% kaltwalzen. Je nach gewünschter Enddicke des Bandes ist ein Weichglühen zwischen den einzelnen Kaltverformungsschritten erforderlich. In Abhängigkeit vom Umformgrad können die mechanischen Eigenschaften durch eine Anlaßbehandlung gezielt eingestellt werden. Die Zugfestigkeit Rm beträgt vorzugsweise 400- 1100 MPa, die elektrische Leitfähigkeit λ vorzugsweise 6-7 MS/m.The alloy used according to the invention can be hot rolled after casting and then cold rolled to a degree of deformation of 80-90%. Depending on the desired final thickness of the strip, soft annealing is required between the individual cold-forming steps. Depending on the degree of deformation, the mechanical properties can be specifically adjusted by tempering treatment. The tensile strength R m is preferably 400-1100 MPa, the electrical conductivity λ is preferably 6-7 MS / m.
Die Legierung zeichnet sich weiterhin durch eine Federbiegegrenze δFB von 150-900 MPa bei einem E-Modul von 100-120 GPa aus. Mit der erfindungsgemäß zu verwendenden Kupferlegierung wird damit ein Werkstoff bereitgestellt, mit dem ein weites Feld von Eigenschaftsanforderungen in einem bisher nur unzureichend abgedeckten Festigkeitsgebiet erfüllt wird, wie im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert wird:The alloy is further characterized by a spring deflection limit δ FB of 150-900 MPa with a modulus of elasticity of 100-120 GPa. With the copper alloy to be used according to the invention, a material is thus provided with which a wide range of property requirements can be met in a strength area that has hitherto been insufficiently covered, as will be explained in more detail below with the aid of a few exemplary embodiments:
Legierungsvariante 1: Cu; Zn 15,5%; Si 2,0%; Fe 0,4%; Sn 0,5%;
Al 1,0%; P 0,06%
Warmwalzen: 800°C
Kaltwalzen an 1,50 mm
Weichglühen: 600°C/1 h
Walzen an Enddicke 0,30 mm, Umformgrad ε 80%
Anlassen: 200°C/3 hAlloy variant 1: Cu; Zn 15.5%; Si 2.0%; Fe 0.4%; Sn 0.5%; Al 1.0%; P 0.06%
Hot rolling: 800 ° C
Cold rolling at 1.50 mm
Soft annealing: 600 ° C / 1 h
Rolls with a final thickness of 0.30 mm, degree of deformation ε 80%
Starting: 200 ° C / 3 h
Die resultierenden Bandeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.The resulting tape properties are in Table 1 listed.
Legierungsvariante 1: Cu; Zn 15,5%; Si 2,0%; Fe 0,4%; Sn 0,5%;
Al 1,0%; P 0,06%
Warmwalzen: 800°C
Kaltwalzen an 0,38 mm
Weichglühen: 600°C/1 h
Walzen an Enddicke 0,30 mm, Umformgrad ε 20%
Anlassen: 200°C/3 hAlloy variant 1: Cu; Zn 15.5%; Si 2.0%; Fe 0.4%; Sn 0.5%; Al 1.0%; P 0.06%
Hot rolling: 800 ° C
Cold rolling at 0.38 mm
Soft annealing: 600 ° C / 1 h
Rolls with a final thickness of 0.30 mm, degree of deformation ε 20%
Starting: 200 ° C / 3 h
Die resultierenden Bandeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.The resulting tape properties are in Table 1 listed.
Legierungsvariante 2: Cu; Zn 15,5%; Si 2,0%; Fe 0,1%; Sn 0,1%;
Al 1,1%; P 0,06%
Warmwalzen: 800°C
Kaltwalzen an 0,75 mm
Weichglühen: 600°C/1 h
Walzen an Enddicke 0,30 mm, Umformgrad ε 60%Alloy variant 2: Cu; Zn 15.5%; Si 2.0%; Fe 0.1%; Sn 0.1%; Al 1.1%; P 0.06%
Hot rolling: 800 ° C
Cold rolling at 0.75 mm
Soft annealing: 600 ° C / 1 h
Rolls with a final thickness of 0.30 mm, degree of deformation ε 60%
Die resultierenden Bandeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.The resulting tape properties are in Table 1 listed.
Legierungsvariante 2: Cu; Zn 15,5%; Si 2,0%; Fe 0,1%; Sn 0,1%;
Al 0,1%; P 0,06%
Warmwalzen: 800°C
Kaltwalzen an 0,75 mm
Weichglühen: 600°C/1 h
Walzen an Enddicke 0,30 mm, Umformgrad ε 60%
Anlassen: 500°C/1 hAlloy variant 2: Cu; Zn 15.5%; Si 2.0%; Fe 0.1%; Sn 0.1%; Al 0.1%; P 0.06%
Hot rolling: 800 ° C
Cold rolling at 0.75 mm
Soft annealing: 600 ° C / 1 h
Rolls with a final thickness of 0.30 mm, degree of deformation ε 60%
Starting: 500 ° C / 1 h
Die resultierenden Bandeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt.The resulting tape properties are in Table 1 listed.
Legierungsvariante 2: Cu; Zn 15,5%; Si 2,0%; Fe 0,1%; Sn 0,1%;
Al 0,1%; P 0,06%
Warmwalzen: 800°C
Kaltwalzen an 1,60 mm
Weichglühen: 600°C/1 h
Walzen an Enddicke 0,30 mm, Umformgrad ε 87%
Anlassen: 250°C/3 hAlloy variant 2: Cu; Zn 15.5%; Si 2.0%; Fe 0.1%; Sn 0.1%; Al 0.1%; P 0.06%
Hot rolling: 800 ° C
Cold rolling at 1.60 mm
Soft annealing: 600 ° C / 1 h
Rolls with a final thickness of 0.30 mm, degree of deformation ε 87%
Tempering: 250 ° C / 3 h
Die resultierenden Bandeigenschaften sind in Tabelle 1 aufgeführt. The resulting tape properties are listed in Table 1.
In Tabelle 1 sind die Eigenschaften der Proben aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung mit üblichen Vergleichswerkstoffen für das genannte Einsatzgebiet verglichen.Table 1 shows the properties of the samples made from the alloy to be used according to the invention with common reference materials for the specified area of application compared.
Es zeigt sich, daß die Legierung C68800 bei niedrigem E-Modul zwar vergleichbare Festigkeiten wie die hier aufgeführten Beispiele aufweist, jedoch hinsichtlich des Biege- und Relaxationsverhaltens deutlich unterlegen ist (vgl. Fig. 3 und 4).It is shown that the alloy C68800 with a low modulus of elasticity has comparable strengths as the examples listed here, but is clearly inferior in terms of the bending and relaxation behavior (cf. FIGS. 3 and 4).
Der Werkstoff CuZn37 weist zwar einerseits einen ebenfalls niederen E-Modul und eine geeignete elektrische Leitfähigkeit auf, erreicht aber andererseits bei weitem nicht das hohe Festigkeitsniveau und die günstigen Biegeeigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung.On the one hand, the material CuZn37 also has one low modulus of elasticity and suitable electrical conductivity open, but on the other hand does not reach the high strength level by far and the favorable bending properties of the invention alloy to be used.
Die günstigen Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung werden weiterhin anhand der folgenden Abbildungen erläutert:The favorable properties of the alloy to be used according to the invention are further explained using the following illustrations:
Es zeigtIt shows
Fig. 1 die Zugfestigkeit der Legierungsvariante 1 als Funktion der Anlaßtemperatur für unterschiedliche Grade der Kaltumformung ε, Fig. 1 ε, the tensile strength of the alloy variant 1 as a function of annealing temperature for different degrees of cold working,
Fig. 2 die Federbiegegrenze der Legierungsvariante 1 als Funktion der Anlaßtemperatur für unterschiedliche Grade der Kaltumformung ε, Fig. 2 ε the spring bending limit of the alloy variant 1 as a function of annealing temperature for different degrees of cold working,
Fig. 3 das Relaxationsverhalten der Legierungsvariante 2 im Vergleich mit verschiedenen Kupferwerkstoffen und Fig. 3 shows the relaxation behavior of the alloy variant 2 in comparison with various copper materials and
Fig. 4 das Biegeverhalten (Biegeradius bezogen auf die Banddicke als Funktion der Zugfestigkeit) der Legierungsvariante 1 im Vergleich mit verschiedenen Kupferwerkstoffen. Fig. 4 shows the bending behavior (bending radius based on the strip thickness as a function of the tensile strength) of alloy variant 1 in comparison with different copper materials.
Aus Fig. 1 ist insbesondere ersichtlich, daß die Entfestigungstemperatur oberhalb von 300°C liegt.From Fig. 1 it can be seen in particular that the softening temperature is above 300 ° C.
Bei der Darstellung nach Fig. 3 betrug die Anfangsspannung σ₁ ≈ 0,5 σFB, bei einer Belastungsdauer von 100 Stunden. Die Probenlage war parallel zur Walzrichtung, die Proben waren 80% kaltverformt und angelassen. Es zeigt sich, daß das Relaxationsverhalten der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung deutlich besser ist als das der Legierung C68800 (CuZn23AlCo) und in etwa vergleichbar ist mit dem der Legierung CuSn6.In the illustration of FIG. 3, the initial voltage was 0.5 σ₁ ≈ σ FB, with a load time of 100 hours. The sample layer was parallel to the rolling direction, the samples were 80% cold worked and tempered. It shows that the relaxation behavior of the alloy to be used according to the invention is significantly better than that of the alloy C68800 (CuZn23AlCo) and is roughly comparable to that of the alloy CuSn6.
Fig. 4 macht schließlich das günstige Biegeverhalten der erfindungsgemäß zu verwendenden Kupferlegierung gegenüber anderen Kupferwerkstoffen deutlich. FIG. 4 finally makes the favorable bending behavior of the present invention clearly used copper alloy compared to other copper materials.
Claims (8)
13 bis 18% Zink,
1 bis 2% Silizium,
0,1 bis 0,4% Eisen,
0,1 bis 1,0% Aluminium,
0,02 bis 0,1% Phosphor,
Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen,
als Werkstoff für elektronische Bauteile, insbesondere für Halbleiterträger und Steckverbinder.1. Use of a copper-zinc alloy, with silicon, iron and aluminum as further components, consisting of
13 to 18% zinc,
1 to 2% silicon,
0.1 to 0.4% iron,
0.1 to 1.0% aluminum,
0.02 to 0.1% phosphorus,
Rest copper and usual impurities,
as a material for electronic components, especially for semiconductor carriers and connectors.
Zugfestigkeit Rm=400 bis 1100 MPa,
elektrische Leitffähigkeit λ=6 bis 7 MS/m,
Federbiegegrenze σFB bei einem Elastizitätsmodul von maximal 120 GPa, 150 bis 900 MPA und
auf die Banddicke bezogener Biegeradius für Zugfestigkeiten Rm bis ca. 900 MPa parallel zur Walzrichtung 4 und senkrecht zur Walzrichtung 2
beträgt.8. Use of a copper alloy according to one or more of claims 1 to 7 as a material for electronic components, the
Tensile strength R m = 400 to 1100 MPa,
electrical conductivity λ = 6 to 7 MS / m,
Spring bending limit σ FB with a modulus of elasticity of maximum 120 GPa, 150 to 900 MPA and
bending radius related to the strip thickness for tensile strengths R m up to approx. 900 MPa parallel to the rolling direction 4 and perpendicular to the rolling direction 2
is.
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WO2019137832A1 (en) | 2018-01-09 | 2019-07-18 | Otto Fuchs - Kommanditgesellschaft - | Copper-zinc alloy |
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- 1991-06-21 DE DE19914120499 patent/DE4120499C1/en not_active Expired - Fee Related
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