FI71956B - Laoglegerad kopparlegering foerfarande foer dess framstaellning samt dess anvaendning - Google Patents

Description

Vähän seostettu kuparilejeerinki, menetelmä sen valmistamiseksi ja sen käyttö. - Läglegerad kopparlegering, förfarande för dess framställning samt dess användning.

1 71956 Tämän keksinnön kohteena on vähän seostettu kuparilejeerinki, menetelmä sen valmistamiseksi ja sen käyttö.

On olemassa suuri tarve kuparilejeeringistä sähköisiä käyttötarkoituksia varten, joissa suuren lujuuden ja hyvän sähkönjohtavuuden lisäksi tarvitaan kestävyys pehmenemistä ja hapettumista vastaan. Näitä lejeerinkejä tarvitaan kannatinaineksina puolijohteita varten, esimerkiksi transistoreita tai integroituja kytkinpiirejä varten. Kantoaineilla puolijohteita varten täytyy olla erityinen ominaisuusyhdistelmä: a) Mekaanisen lujuuden täytyy olla niin suuri, että kannattimen muodonpitävyys on taattu sekä valmistettaessa että kuljetettaessa tai kovahitsattaessa elektronisten rakenne-elementtien kanssa. Sen vuoksi kovuuden täytyy olla mahdollisimman paljon yläpuolella 125 HV (Vicker-kovuus). Toisaalta aineksen taipuvuuden täytyy olla niin hyvä, että liitosjalat toistuvasti edestakaisin taivutettaessa eivät murru. Tässä vaaditaan tavallisesti DIN-normin 50153 mukaisesti kolminkertaista taivutusta.

b) Aineksen täytyy olla kestävä pehmenemistä vastaan, niin että puolijohteen valmistuksessa välttämättömät valmistusvaiheet, jotka suoritetaan korkeassa lämpötilassa, eivät johda kovuuden eivätkä muodonpitävyyden menetykseen. Pehmenemiskestä-vyyden mitta on nk. puolikovuuslämpötila TR, joka piirustuksen mukaan saadaan pehmenemiskäyrästä (Vicker-kovuus HV päästölämpötilan T funktiona). Tällöin puolikovuuslämpötila TH on rinnastettu arvoon 2 71956 (HV maks. - HV min) HV_4_ + -------------------- mm 2

Terminen kuormitus esiintyy pääasiallisesti kiinnitettäessä puolijohderakenneosa kannattimeen, kun liima kovetetaan tai kun piielementin ja kannattimen kultapäällysteen välillä aikaansaadaan eutektinen reaktio. Lisäksi yhdistettäessä puoli johderakenneosa liitosjalkojen kanssa nk. sidelangoilla ja puristettaessa täydellinen rakenne-elementti muoviin esiintyy korkeita lämpötiloja. Näiden valmistusvaiheiden aikana voi esiintyä lämpötiloja jopa 400‘C yli yhden tunnin ajan. Sen vuoksi puolijohteen kannatinaineksissa lämpötiloissa alle 350 - 400ο0 ei saa esiintyä mitään huomattavaa pehmenemistä.

c) Sähköisen ja termisen johtokyvyn täytyy olla mahdollisimman hyvä, jotta piipuolijohteessa käytössä syntyvä hävinnyt teho lämmön muodossa voidaan johtaa pois ja siten estetään rakenneosan itsehävitys. Lämmön tarvittavassa määrässä poisjohta-misen takaamiseksi sähkönjohtokyvyn täytyy olla mahdollisesti 80 % IACSrn yläpuolella. (100 % IACS vastaa tällöin 58,00 m/Ohm . mm^) d) Aineksen täytyy olla suurin piirtein kestävä pinnan hapettumista vastaan, jotta valmistusvaiheiden aikana, jotka tapahtuvat korotetussa lämpötilassa, syntyisi mahdollisimman vähäinen oksidipeite kannattimen pinnalle, niin ettei piira-kenneosan tarttuminen sidelankoihin ja muovipuristusmassaan huonone.

Mainittua käyttötapausta varten aikaisemmin käytettiin suuressa laajuudessa kupari-rauta-lejeerinkejä, esimerkiksi CDA 194.

Näillä aineksilla on riittävä kovuus ja hyvä taivutuskäyttävty- 3 71956 minen sekä pitkälle menevä hapettumiskestävyys, mutta sähkönjohtokyky on noin 60-70 % IACS, niin että suurtehojohteissa ei ole enää saatu riittävää lämmön pois johtamista. Muut vähän seostetut ainekset, kuten CuZnO, 15, CuSnO, 12 tai CuFeO, 1 saavuttavat tosin paremman sähkönjohtokyvyn, yli 80 % IACS, mutta ovat alttiita suuren Cu-pitoisuuden johdosta korkeissa lämpötiloissa voimistuneelle pintahapetukselle.

Eräällä vähän seostetulla CuNiSn -lejeeringillä, joka sisältää 0,03 - 0,5 % Ni ja 0,03 - 0,5 % Sn julkaisun JA - OS 48-19425 mukaan, on tosin riittävä sähkönjohtokyky, mutta ainoastaan verraten alhainen puolikovuuslämpötila.

Lisäksi on tunnettua, että epäpuhtauksien esiintyessä vähän seostetuissa aineksissa voi esiintyä suuria heilahduksia ominaisuuksissa .

Sen vuoksi keksinnön tehtävänä on aikaansaada kuparilejeerinki, jolla suuren lujuuden ja hyvän sähkönjohtokyvyn ohella on riittävä pehmenemiskestävyys yli 80 % IACS. Tehtävänä on edelleen löytää koostumus, jonka hapetusherkkyys ei ole suurempi kuin tavallisissa aineksissa ja jonka ominaisuudet lisäksi eivät ole herkkiä tavallisille epäpuhtausmäärille.

Tämä tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaan kuparilejeerigillä siten, että se sisältää 0,03 - 0,2 % nikkeliä 0,03 - 0,2 % tinaa 0,015 - 0,1 % tinaania Jäännös kuparia ja tavallisia epäpuhtauksia Tällöin prosenttimäärät ovat painoprosentteja.

4 71956

Titaanin keksinnön mukainen lisäys CuNiSn - lejeerinkiin johtaa nikkeli-, tina- ja titaanipitoisen vaiheen erottumiseen, jonka liukoisuus matriisissa on niin pieni, että sähkönjohtokyvyllä on likimain samat arvot kuin samoilla lisäysmäärillä nikkeliä ja tinaa tai nikkeliä ja titaania tai tinaa ja titaania. Sähkönjohtokyky on ilmoitetuissa lejeerinkirajoissa välillä 80 % ja 90 % IACS.

NiSnTi-pitoisen vaiheen erottumisen olemassaolo on kyllä tunnettua kupari-, nikkeli-, tina-, titaani- ja kromipitoisessa lejeeringissä (DE-PS 2 948 916) , mutta niiden edullista vaikutusta vähän seostettujen kuparilejeerinkien pehmenemiskestävvv-teen ei ole tunnettu. NiSnTi-pitoinen vaihe kohottaa nimittäin puolikovuuslämpötilaa voimakkaammin kuin samat määrät nikkeliä ja tinaa tai nikkeliä ja titaania tai tinaa ja titaania.

Lisäksi voidaan todeta, että NiSnTi-pitoisella vaiheella on verraten hyvä kemiallinen kestävyys, niin että tavallisilla epäpuhtauksilla on verraten vähäinen vaikutus ominaisuuksiin, ennen kaikkea sähkön- ja lämmönjohtavuuteen. Sen vuoksi ei ole välttämätöntä, keksinnön mukaista lejeerinkiä valmistettaessa käyttää puhtaampia panoksia kuin on välttämätöntä tavalliseen tapaan muissa lejeeringeissä.

Edelleen todettiin yllättäen, että keksinnön mukaisella lejee-ringillä, huolimatta suuresta kupariosuudesta, ei ole voimakkaampaa hapettumisalttiutta kuin kupariaineksilla, joilla on suuremmat seososuudet, kuten Cu-Fe-lejeerigillä, joka vastaa CDA 194.

Muita edullisia lejeerinkikoostumuksia käy selville patenttivaatimuksista 2-4.

Keksinnön mukaisen lejeeringin valmistus voi tapahtua samoin 5 71956 kuin tavallisten luonnonkovien lejeerinkien tapauksessa, koska NiSnTi-pitoinen vaihe erottuu ilman tavallista vanhuuskovettu-vissa lejeeringeissä välttämätöntä äkkijäähdytystä tavalla, jossa sähkönjohtokyky kohotetaan optimaalisesti ja estetään pehmeneminen.

Keksinnön mukaiset kuparilejeeringit voidaan valaa tavallisella tavalla. Edullisten ominaisuusyhdistelmien saavuttamiseksi le-jeerinki valamisen jälkeen sopivimmin a) homogenoidaan lämpötiloissa 850 - 950^0 välillä 1 ja 24 h, b) kuumavalssataan lämpötiloissa 600 - 800°C yhdessä tai useammassa läpikulussa ja c) jäähdytetään jäähdytysnopeudella välillä 10eC/min ja 2000'*C/min huoneen lämpötilaan.

On suositeltavaa suorittaa menetelmävaihe b) erityisesti 650 - 750°C:ssa, menetelmävaihe c) erityisesti jäähdytysnopeudella välillä 50eC/min ja 1000®C/min. Menetelmän erään edullisen sovellutusmuodon mukaan menetelmävaiheen c) jälkeen suoritetaan kylmätyöstö d) 99,9 %:sti yhdessä tai useammassa läpikulussa. Kylmävalssausläpikulkujen välillä lejeerinki voidaan sopivimmin jäähdyttää korkeintaan 10 h erottumisvaiheen keksinnön mukaisen, tasalaatuisen dispersion saavuttamiseksi.

Maksimaalista sähkönjohtokykyä varten soveltuu tällöin hehkutus nauhana kupu-uunissa lämpötiloissa 350 - 500°C tai jatkuvasti läpikulku-uunissa lämpötiloissa 400 - 550eC.

Viimeiseen kylmävalssausläpikulkuun liittyy sopivimmin päästö-käsittely.

Keksinnön mukaan kuparilejeerinkiä voidaan käyttää kannatinai- neksena puolijohteita, varsinkin transistoreita tai integroitu ja kytkinpiirejä varten.

6 71956 Käsitysten pehmeneminen ja puolikovuuslämpötila TH selvittämiseksi piirustuksessa on esitetty kaaviollisesti pehmenemiskäy-rän kulku. Tällöin on piirretty Vicker-kovuus HV hehkutuslämpö-tilaan T nähden. Kovuusmaksimin ja kovuusminimin HVmin määräyksen jälkeen puolikovuuslämpötila TH rinnastetaan arvoon (HV maks - HV min) HVmin + ------------------- 2

Esimerkki 1

Taulukko 1 esittää keksinnön mukaisen lejeeringin (no 7) ja kuuden vertauslejeerigin koostumuksen, jotka sisältävät Sn-, Ni ja Ti-lisäyksen sekä Ni-, Ti-, Sn- ja Ni-tai Sn- ja Ti- lisäyksen (luvut painoprosentteja).

Taulukko 1: Näytteiden koostumus Näytteen numero Sn Ni Ti Cu 1 n.n. 0,0615 n.n. Jäännös 2 0,0726 n.n. n.n. - " - 3 n.n. n.n. 0,0427 - " - 4 n.n. 0,0626 0,0480 - * - 5 0,0627 0,0695 n.n. - * - 6 0,0676 n.n. 0,0442 - " - 7 0,0470 0,0565 0,0283 - " - n.n. = ei näyttää 7 71956

Lejeeringit valmistettiin seuraavalla tavalla:

Elektrolyyttikupari yhdessä katodinikkelin ja raffinoidun tinan kanssa sulatettiin induktiouunissa noin 1200°C:ssa puuhiiliker-roksen alla. Niiden täydellisen hajoamisen jälkeen lisättiin Ti sopivan esilegeeringin CuTi muodossa. Esilejeerinki sisälsi 28 % titaania puhtaassa muodossa. Sen liukenemisen jälkeen sulate valettiin rautakokillissa kokoon 25 x 50 x 100 mm. Kappaleita homogenoitiin 1 h 900aC:ssa. Kaistaleiden jäähdytys tapahtui jatkuvasti ilmassa. Sen jälkeen valmistettiin kvlmävals-saamalla loppuhehkuttaen 1 h/500'JC:ssa ja seuraavalla syövvtvk-sellä laimeassa H2S04:ssä 0,75 mm:n paksuisia nauhakaistaleita. Loppuvalssaus oli kaikille näytteille yhtenäisesti 96,6 %. Päästämisen jälkeen määritettiin niiden puolikovuuslämpötila TR ja sähkönjohtokyky. Tulokset on ilmoitettu taulukossa 2.

Taulukko 2: Keksinnön mukaisen lejeeringin no 7 ja vertausle-jeerinkien no 1-6 sähkönjohtokyky ja puolikovuuslämpötila Tjj Näytteen numero Sähkönjohtokyky % IACS Puolikovuuslämpötila

THeC

(1 h:n hehkutusaika) 1 92 150 2 94 340 3 97 175 4 81 400 5 90 325 6 82 375 7 83 420 β 71956

Esitetyt arvot osoittavat yllättävästi keksinnön mukaisen kupa-rilejeerigin parannettuja ominaisuuksia. Lejeeringillä no 7 on esimerkiksi vertauslejeerinkeihin no 4 ja 6 nähden puolikovuus-lämpötila ja kohotettu sähkönjohtokyky. Lejeeringeillä 1, 2, 3 ja 5 on tosin parempi sähkönjohtokyky, mutta ne eroavat vähäisemmän pehmenemiskestävyyden johdosta mainittua käyttötapausta varten.

Esimerkki 2 Tämä esimerkki ilmaisee keksinnön mukaisen lejeeringin verraten pienen hapetturaisalttiuden, huolimatta suuresta kupariosuu-desta.

Taulukko 3 esittää keksinnön mukaisen kahden lejeeringin no 7 ja 8 koostumuksen, verrattuna tavalliseen CuFe2,4 - lejeerin-kiin (CDA 194).

Taulukko 3: Näytteiden koostumus (luvut painoprosentteja) Näytteen no Sn Ni Ti Pe Zn P Cu 7 0,0470 0,0565 0,0283 n.n. n.n. n.n. Jäännös 8 0,0864 0,0881 0,0455 n.n. n.n. n.n. - " - CDA 194 n.n. n.n. n.n. 2,4 0,12 0,03 - " -

Lejeeringit 7 ja 8 valmistettiin siten kuin on selitetty esimerkissä 1. CuFe-nauha-aines (CDA 194) valmistettiin käyttöä vastaavasti.

Kooltaan 20 x 40 mm olevista nauhakaistaleista poistettiin rasva trikloorietaanilla, ne syövytettiin laimeassa I^SO^issä, huuhdottiin perusteellisesti ja kuivattiin huolellisesti. Joka 9 71956 puolelta vapaasti luoksepäästävien näytekapoaleiden hapetuksen jälkeen ilmauunissa havaittiin kokonaispintaan nähden kohdistunut painon lisäys. Valittiin seuraavat hehkutuskäsittelyt: a) Lämpökäsittelyn 4 h/200°C;ssa täytyi simuloida täydennettyjen kannatinelimien upotus muovipuristusmassaan.

b) Hehkutus 1 min/500öC:ssa osoitti termisen vaatimuksen yhdistettäessä piipuolijohde kannatinnauhan kanssa AugSi-eutekti-kumin muodostuksen päälle.

c) Hehkutuksen 5 min/700°C:ssa täytyi antaa tieto hilseilystä lämmitettäessä kuumavalssauslämpötilaan.

Taulukko 4: Painon lisäys 10“·*· mg . cm“^ riippuvaisena hehku-tusedellytyksistä ilmassa Näytteen merkintä

Hehkutusolosuhteet 7 8 CDA 194 4 h/200°C 0,059 0,058 0,117 1 min/500 *C 0,232 0,298 0,236 5 min/700°C 4,03 3,56 3,77 Tämän mukaan osoittautuu, että keksinnön mukaisen lejeeringin painon lisäys on suunnilleen sama kuin tavallisella CuFe2,4 -lejeeringillä (CDA 194).

Claims (12)

1. Vähän seostettu kuparilejeerinki, tunnettu siitä, että se sisältää 0,03 - 0,2 % nikkeliä 0,03 - 0,2 % tinaa 0,015 - 0,1 % titaania Jäännös kuparia ja tavallisia epäpuhtauksia

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kuparilejeerinki, tunnettu siitä, että se sisältää 0,03 - 0,06 % nikkeliä 0,03 - 0,06 % tinaa 0,015 - 0,03 % titaania Jäännös kuparia ja tavallisia epäpuhtauksia

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kuparilejeerinki, tunnettu siitä, että lejeeringin aineosat nikkeli, tina ja titaani ovat suhteessa a: b: c, jolloin a = 1,8 - 2,2; ' b = 1,8 - 2,2 ja c * 0,9 - 1,1.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kuparilejeerinki, tunnettu siitä, että lejeeringin aineosat nikkeli, tina ja titaani ovat suhteessa 2:2:1.

5. Menetelmä patenttivaatimuksen 1-4 mukaisen kuparilejeeringin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että kuparilejeerinki a) homogenoidaan 1 - 24 h lämpötiloissa 850 - 950eC b) kuumavalssataan lämpötiloissa 600 - 800°C yhdellä tai useammalla syötöllä ja c) jäähdytetään jäähdytysnopeudella välillä 10°C/min ja 2000°C/min huoneen lämpötilaan. U 71956

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmävaihe (b) suoritetaan lämpötiloissa 650 - 750eC.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että menetelmävaihe (c) suoritetaan jäähdytvsnopeu-della välillä 50°C/min ja 1000°C/min.

8. Patenttivaatimuksen 5-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmävaiheen (c) jälkeen suoritetaan kylmämuo-toilu (d) 99,9 %:in saakka yhdessä tai useammassa läpikulussa.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kylmävalssausläpikulkujen välillä menetelmävaiheen (d) jälkeen suoritetaan kulloinkin hehkutus (e) alle 10 tunnissa.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että viimeisessä kylmävalssausläpikulussa menetelmävaiheen (d) jälkeen suoritetaan päästökäsittely.

10 71956

11. Patenttivaatimuksen 1-4 mukainen kuparilejeeringin käyttö kannatinaineksena puolijohteita, erityisesti transistoreita tai integroituja kytkinpiirejä varten.

12 71 956