FR2880358A1 - Alliages de cuivre et produits lamines correspondants pour applications electroniques - Google Patents
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Abstract
Alliage de cuivre destiné à des applications électroniques comprenant, en pourcentages pondéraux :- du cuivre à une teneur au moins égale à 99,70 %- du fer à une teneur supérieure à 0,1 % et inférieure à 0,2 %- du phosphore à une teneur supérieure à 0,01 % et inférieure à 0,1 %,dans lequel le rapport pondéral Fe/P est compris entre 3 et 5, de manière à obtenir, outre une conductivité électrique au moins égale à 85% IACS, une aptitude au brasage, permettant son utilisation typiquement dans les composants à transistors de puissance. Avantage : excellente mouillabilité des produits laminés formés en cet alliage, par un alliage de brasure.
Description
ALLIAGES DE CUIVRE ET PRODUITS LAMINES CORRESPONDANTS POUR APPLICATIONS
ELECTRONIQUES
DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des alliages de cuivre. Elle concerne plus spécialement le domaine des alliages de cuivre comprenant du fer et du phosphore en faible quantité 1 o et utilisés notamment dans le domaine de l'électronique, en particulier pour élaborer des supports pour transistors de puissance.
ETAT DE LA TECHNIQUE
On connaît déjà des alliages à précipitation comprenant du fer et du phosphore en faible quantité. Plusieurs de ces alliages sont répertoriés dans le Standards Handbook de la Copper Development Association sous le numéro de série UNS C 19200. Ainsi, l'alliage C 19210 contient de 0,05 à 0,15 % massique de fer et de 0,025 à 0,040 % massique de phosphore.
Certains de ces alliages comprennent également du nickel.
Par le brevet FR 2 751 990, on connaît des alliages de cuivre comprenant de 0,1 à 1 % massique de nickel Ni, de 0,005 à 0,1 % massique de phosphore P et jusqu'à 0,1 % massique de fer Fe.
PROBLEMES POSES
Les problèmes posés par les produits en alliages de cuivre destinés à l'électronique, en 30 particulier dans le cas de l'électronique de puissance, sont les suivants: - d'une part, il est toujours recherché un meilleur compromis entre la conductivité électrique et les propriétés mécaniques. En effet, si l'alliage de cuivre est faiblement chargé en éléments d'addition en solution, sa conductivité électrique, en % IACS, reste élevée, mais au détriment de ses propriétés mécaniques, et réciproquement, si on durcit l'alliage par incorporation d'éléments d'addition en grande quantité, ses caractéristiques mécaniques s'améliorent, mais au détriment de sa conductibilité électrique. Pour cette raison, on incorpore aujourd'hui souvent dans le cuivre des éléments qui précipitent après des traitements thermo-mécaniques adaptés. Ceci permet d'augmenter les propriétés mécaniques tout en préservant une bonne conductibilité électrique. Pour l'alliage pré-cité, une faible quantité de phosphore est ajoutée afin d'avoir une précipitation aussi complète que possible du fer.
- d'autre part, comme les puces en silicium des transistors sont destinées à être fixées, typiquement par un brasage, lors de l'opération dite de "die-attach", sur un produit laminé en cet alliage de cuivre servant de support, il importe donc que ce support soit mouillable par le produit de brasage, par exemple à base de plomb pur, ou à base d'un alliage tel que Pb-Sn-Ag, afin que les puces ne risquent pas de se détacher. - enfin, il importe que ce produit laminé ne soit pas contaminé en surface, ne soit pas sensible à la corrosion, ou soit insensible à la présence d'inhibiteurs de corrosion. La demanderesse ayant constaté, suite à ses recherches, que la mouillabilité du support en cuivre dépendait fortement des rapports des concentrations des éléments d'addition de l'alliage qui pouvaient modifier les propriétés physico- chimiques de surface, s'est efforcée de mettre au point un alliage qui résolve les problèmes précédents, notamment en optimisant ces rapports.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
Selon l'invention, l'alliage de cuivre destiné à des applications électroniques comprend, en pourcentages pondéraux: - du cuivre à une teneur au moins égale à 99,70 % - du fer à une teneur supérieure à 0,1 % et inférieure à 0,2 % - du phosphore à une teneur supérieure à 0,01 % et inférieure à 0,1 %.
Dans cet alliage, le rapport pondéral Fe / P est compris entre 3 et 5, de manière à obtenir, outre une conductivité électrique au moins égale à 85% IACS, une aptitude au brasage, permettant son utilisation typiquement dans les composants à transistors de puissance.
La demanderesse a observé que ce type d'alliage permettait de résoudre les problèmes posés, et en particulier d'obtenir une excellente mouillabilité du support formé en cet alliage de cuivre.
Sur la base des spécifications connues d'alliages, en particuliers celles correspondant à la série UNS C 19200 déjà citée, rien ne permettait de penser, en particulier, que le rapport Fe / P selon l'invention permettrait de résoudre les problèmes posés.
DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures 1 a à 1g illustrent le mouillage d'un support (1) en alliage selon l'invention par un produit de brasage en représentant le ménisque (2) formé par fusion d'une fraction de produit de brasage sur ledit support.
Les figures la, 1c et le représentent des coupes du ménisque (2) et du support (1), dans un plan vertical, qui visualisent l'angle 9 fait par les tensions yLv et ysL.
Les figures lb, 1d et 1f représentent des vues de dessus du ménisque sur le support, qui visualisent l'étendue ou surface du ménisque ou sa projection droite sur le support. Les figures 1 a et lb correspondent au cas où le mouillage est excellent.
Les figures 1c et 1d correspondent au cas où le mouillage est moyen.
Les figures 1 e et 1f correspondent au cas où le mouillage est mauvais.
La figure 1g correspond à la figure la illustre les composantes des forces de tension superficielle ysv, yi.v et ysL conduisant à la formation du ménisque (2) sur le support (1).
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Selon l'invention, ledit rapport Fe / P peut être supérieur à 3,5.
Ledit rapport Fe / P peut être au plus égal à 4,5.
Ledit rapport peut être au plus égal à 4,2.
De préférence, ledit rapport peut être compris entre 3,5 et 4,2.
On obtient ainsi, outre une excellente mouillabilité, un bon compromis entre la conductivité % IACS et les caractéristiques mécaniques.
Avantageusement, une partie du fer peut être remplacée par du nickel, de manière à ce que le rapport pondéral Ni/Fe soit compris entre 0,2 et 2, tout en conservant au moins les performances des alliages correspondants comprenant du fer mais dépourvus de nickel.
Ledit rapport Ni/Fe peut être compris entre 0,8 et 1, cependant, il peut aussi s'étendre 1 à 1,2.
Lorsque du nickel est présent en substitution du fer, le rapport (Fe + Ni) / P peut être compris entre 3 et 5, et de préférence entre 3,5 et 4,2.
Un autre objet de l'invention est constitué par un produit laminé en alliage selon l'invention, ledit produit laminé étant par exemple une bande à simple épaisseur ou à multiples épaisseurs.
Ce produit laminé peut présenter des épaisseurs e allant de 0,1 mm à 3 mm, et de préférence de 0,5 mm à 2 mm.
Il peut présenter une épaisseur e allant de 0,8 mm à 1,5 mm, et de préférence, de 0,9 mm à 1,2 mm, et typiquement de 1 mm.
Un autre objet de l'invention est constitué par un procédé de fabrication de produits laminés selon l'invention.
Ce procédé comprend, après la formation dudit alliage dans des fours de fusion et coulée d'une plaque, les étapes suivantes: a) un laminage à chaud de ladite plaque après une homogénéisation à une température typique de 850 C, suivie d'une trempe, par exemple à l'eau, b) un premier laminage pour obtenir une épaisseur allant par exemple de 1,5. e à 6.e, e étant l'épaisseur finale à obtenir, c) une étape de précipitation à une température de 450 C-500 C pendant une durée allant de 1 à 5 heures.
d) un second laminage pour obtenir une bande d'épaisseur finale e, e) une étape de finition permettant d'obtenir sur ladite bande des zones ayant différentes épaisseurs.
Un autre objet de l'invention est constitué par l'utilisation du produit laminé selon l'invention ou du produit laminé obtenu selon le procédé de l'invention, par exemple comme support de puces en silicium, dans les circuits électroniques, typiquement les circuits électroniques de puissance.
EXEMPLE DE REALISATION
On a fabriqué les alliages A et B dont la composition (% en poids) figure dans le tableau qui suit. Sur ce tableau figure également un alliage dit KFC déjà utilisé dans le domaine de la présente invention. L'alliage A est hors invention et l'alliage B est selon l'invention. On a fabriqué des bandes laminées de 1 mm d'épaisseur avec le procédé décrit selon l'invention.
On a porté également sur ce tableau les rapports Fe/P, (Fe+Ni)/P, ainsi que la mouillabilité des bandes laminées.
Constituant Alliage KFC Alliage A Alliage B Cu > 99,80 99,82 99, 82 Fe 0,105 0,0859 0,1257 P 0,039 0,0384 0,0334 Zn - 0,0265 0,0094 Ni < 0,014 0,0168 0,0011 Ag - 0,0022 0,0014 Sn < 0,02 0,0043 0,001 Autres éléments ou < 0,06 < 0,01 < 0,01 impuretés Fe / P 2,7 2,2 3,7 (Fe+Ni) / P - 2,7 3,8 Mouillabilité Moyenne Moyenne Excellente En ce qui concerne la mouillabilité, elle a été évaluée en considérant la forme du ménisque du produit de brasage formé sur les bandes laminées, comme représenté sur les figures la à 1g.
On a testé comme produit de brasage, un produit à base de plomb pur et un à base d'un alliage Pb-Sn-Ag.
Par ailleurs, on a aussi testé les bandes laminées dans l'opération dite de "die-attach", et on a observé qu'il y avait corrélation des résultats entre le test de mouillabilité et l'efficacité de la brasure dans l'opération de "die-attach".
AVANTAGES DE L'INVENTION L'invention présente des grands avantages.
En effet, d'une part, elle rend beaucoup plus fiable l'opération de "die-attach", ce qui réduit de manière importante les rebuts ou défauts de fabrication des circuits de puissance.
D'autre part, cette qualité du mouillage a été obtenue tout en conservant sensiblement la conductivité électrique % IACS.
Par ailleurs, les caractéristiques mécaniques des bandes laminées sont au moins aussi élevées que celles d'un alliage standard tel que l'alliage KFC déjà utilisé dans ce même domaine.
Claims (14)
1. Alliage de cuivre destiné à des applications électroniques comprenant, en pourcentages pondéraux: - du cuivre à une teneur au moins égale à 99,70 % - du fer à une teneur supérieure à 0,1 % et inférieure à 0,2 % - du phosphore à une teneur supérieure à 0,01 % et inférieure à 0,1 %, dans lequel le rapport pondéral Fe/P est compris entre 3 et 5, de manière à obtenir, outre une conductivité électrique au moins égale à 85% IACS, une aptitude au brasage, 10 permettant son utilisation typiquement dans les composants à transistors de puissance.
2. Alliage selon la revendication 1 dans lequel ledit rapport Fe / P est supérieur à 3,5.
3. Alliage selon la revendication 2 dans lequel ledit rapport Fe / P est au plus égal à 4,5.
4. Alliage selon la revendication 3 dans lequel ledit rapport est au plus égal à 4,2.
5. Alliage selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel ledit rapport est compris entre 3,5 et 4,2.
6. Alliage selon une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel une partie du fer est remplacée par du nickel, de manière à ce que le rapport pondéral Ni/Fe soit compris entre 0,2 et 2.
7. Alliage selon la revendication 6 dans lequel ledit rapport Ni/Fe est compris entre 0,8 et 1.
8. Alliage selon la revendication 6 dans lequel ledit rapport Ni/Fe s'étend de 1 à 1,2.
9. Alliage selon une quelconque des revendications 6 à 8 dans lequel le rapport (Fe + Ni) / P est compris entre 3 et 5, et de préférence entre 3,5 et 4,2.
10. Produit laminé en alliage selon une quelconque des revendications 1 à 9, ledit produit laminé étant par exemple une bande à simple épaisseur ou à multiples épaisseurs.
11. Produit laminé selon la revendication 10 d'épaisseurs e allant de 0,1 mm à 3 mm, et de préférence de 0,5 mm à 2 mm.
12. Produit laminé selon la revendication 11 d'une épaisseur e allant de 0,8 mm à 1,5 10 mm, et de préférence, de 0,9 mm à 1,2 mm, et typiquement de 1 mm.
13. Procédé de fabrication de produits laminés selon une quelconque des revendications 10 à 12 comprenant, après la formation dudit alliage dans des fours de fusion et coulée d'une plaque, les étapes suivantes: a) un laminage à chaud de ladite plaque après une homogénéisation à une température typique de 850 C, suivie d'une trempe, par exemple à l'eau, b) un premier laminage pour obtenir une épaisseur allant par exemple de 1,5.e à 6.e, e étant l'épaisseur finale à obtenir, c) une étape de précipitation à une température de 450 C-500 C pendant une durée 20 allant de 1 à 5 heures.
d) un second laminage pour obtenir une bande d'épaisseur finale e, e) une étape de finition permettant d'obtenir sur ladite bande des zones ayant différentes épaisseurs.
14. Utilisation du produit laminé selon les revendications 10 à 12 ou du produit laminé obtenu selon le procédé de la revendication 13, par exemple comme support de puces en silicium, dans les circuits électroniques, typiquement les circuits électroniques de puissance.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Owner name: KME FRANCE SAS, FR Effective date: 20140404 |
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Effective date: 20140404 |
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