KR100420564B1

KR100420564B1 - 전기 및 전자부품용 구리합금

Info

Publication number: KR100420564B1
Application number: KR10-2001-0027456A
Authority: KR
Inventors: 미와요스케
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2001-05-19
Publication date: 2004-03-02
Also published as: FR2809419A1; FR2809419B1; US6558617B2; JP2001335864A; US20020012603A1; DE10125586B4; KR20010107591A; DE10125586A1; JP3465108B2

Abstract

높은 강도 및 높은 전기전도도의 구리합금으로서, 이것은 리드프레임, 터미널 및 커넥터와 같은 전기 및 전자부품에서 사용을 위해 구리합금으로서 요구되는 강도, 전기전도도 및 굽힘가공성과 같은 특성이 우수할 뿐만 아니라, 내연화성, 전단가공성, Ag도금특성 및 땜납젖음성에 우수하며, 이 구리합금은 다음을 포함한다:

Ni: 0.1 내지 1.0%(여기에서 그리고 이후 질량%를 의미함), Fe: 0.01 내지 0.3%, P: 0.03 내지 0.2%, Zn: 0.01 내지 1.5%, Si: 0.01% 이하; 및 Mg: 0.001% 이하; 여기에서 P함량 및 Si함량사이의 관계는 다음의 관계식을 만족한다:

P 함량/Si 함량 ≥ 10, 그리고

Ni 함량, Fe 함량 및 P 함량에 대한 관계는 다음의 관계식들을 만족할 수 있다:

5 ≤ (Ni 함량 + Fe 함량)/P 함량 ≤ 7

4 ≤ Ni 함량/Fe 함량 ≤ 9.

Description

전기 및 전자부품용 구리합금{COPPER ALLOY FOR USE IN ELECTRIC AND ELECTRONIC PARTS}

발명의 분야

본 발명은, 예를 들어 반도체 리드프레임, 터미널, 커넥터 및 부스바에 사용되는 전기 및 전자부품용 구리합금에 관한 것이며, 더욱 특별하게는 전기전도도가 50% IACS 이상이며 동시에 42 합금에 비해 실질적으로 높은 강도를 가질 뿐만 아니라, 내연화성, 좋은 전단가공성, 굽힘가공성, Ag 도금특성 및 땜납젖음성을 가지는 저비용으로 사용할 수 있는 구리합금에 관한 것이다.

관련기술의 설명

반도체용 리드프레임으로는 42 합금으로 대표되는 철계 재료 및 Cu-Ni-Si계열 합급, Cu-Sn계열 합금, Cu-Cr계열 합금, Cu-Fe-P계열 합금과 같은 구리계 재료가 현재까지 사용되어 왔다. 구리계 재료는 철계 재료에 비해 높은 전도도를 가지며, 따라서 우수한 열방산이라는 이로운 특징을 가진다. 더욱이, IC또는 LSI의 외부도금용으로 Pd(팔라듐)을 사용하는 최근의 경향이 철계 재료에서 도금의 경시열화로 인해 박리문제를 초래하기 때문에, 구리계 재료가 점점 많이 사용되고 있다.이에 반해서, 구리계 재료는 낮은 강도를 가지고 있기 때문에, 조성물 보강을 위한 또는 제조방법에서 강도 증가를 위한 다양한 진전이 있었다. 특히 리드의 수가 200 핀이 넘는 QFP(Quad Flat Package)로 대표되는 리드프레임을 사용하는 LSI패키지가 활기차게 개발된 과거의 단계에서, 이것이 매우 중요한 것으로 여겨졌다.

최근, BGA(Ball Grid Array)로 대표되는 구역실장형(area mounted type) 패키지가 개발되어 200핀이 넘는 대부분의 LSI는 점진적으로 이러한 패키지로 대체되었다.

그러나 이러한 구역실장형 패키지는 반도체칩의 발열량이 LSI의 집적도 및 작동온도의 증가에 따라 증가하는 상황에는 적합하지 않다. 그러므로, 방열을 향상시키기 위해 패키징을 복잡하게 만드는 방열판 또는 열발산기구를 부착할 필요가 있다.

상기한 바와 같이, 합리적인 방열방법은 발열량이 많은 칩을 장치한 패키지에서 하나의 주제이며 전자의 리드프레임을 사용하는 패키지가 지금 재평가되고 있다. 리드프레임을 사용하는 패키지에서, 대부분의 열은 리드에서 기판으로의 경로로 방산된다.

이 경우에, 리드 재료 그 자체로 인한 높은 열전도도가 전체 패키징의 방열에 영향을 미친다. 열전도도가 전기전도도와 직선적인 관계이기 때문에, 다시 말해 높은 전기전도도의 재료가 요구된다. 이러한 점에서, 철계 42 합금은 3% IACS만큼이나 낮은 전기 전도도를 갖지만 구리계 재료는 더욱 높은 전기 전도도를 가져 유익하다.

따라서, 리드 재료로서 일반적인 특성을 가지며 또한 42 합금에 비할만한 강도를 가지는 구리계 재료가 요구되며, 높은 강도를 제공할 수 있는 Cu-Ni-Si계열 또는 Cu-Sn계열 합금, 또는 높은 전기전도도를 제공할 수 있는 Cu-Cr계열 또는 Cu-Fe-P계열 합금과 같은 구리합금이 사용되고 있다.

이러한 문제점들을 극복하기 위한 방법으로서, 예를 들어 JP-A-No 298679/1998, 298680/1998 및 199952/1999에서는 Cu-Fe-P계열 합금을 개량함으로써 높은 강도 및 높은 전기 전도도의 구리합금을 제시하였다.

상기한 어느 합금도 0.5% 또는 0.3% 이상의 Fe 및 0.1% 이상의 P를 함유하기 때문에, 소위 내부 산화가 열처리시에 종종 나타나는 경향이 있다. 산화물층은 이것들이 장비분석으로 측정할 수 없을 정도의 미약한 두께로 형성될 경우에서 조차 땜납젖음성을 극도로 악화시킨다. 게다가, JP-A-No. 199952/1999에서는 Mg가 0.05% 이상 포함되어 있기 때문에, Ag도금에서 비정상적인 석출(이후 Ag 도금 돌기라 함)의 우려가 있다.

JP-A-No. 54043/2000에서 개시한 바와 같은 구리합금은 높은 강도 및 높은 전기전도도를 의도하고자 Ni, Fe 및 P의 혼입이 제안되었다. 그러나, 그곳에서 내연화성에 대한 어떠한 고려도 없다.

발명의 개요

상기의 관점에서, 본 발명은, 리드프레임, 터미널 및 커넥터와 같은 전기 및 전자부품용 구리합금으로서 요구되는 강도, 전기전도도 및 굽힘가공성과 같은 특성에 우수할 뿐만아니라, 상기의 문제점들을 극복함으로써 내연화성, 전단가공성 도금 특성 및 땜납젖음성과 같은 특성에 우수한 높은 강도 및 높은 전기전도도의 구리합금을 제공하는 것을 의도한 것이다.

본 발명에 따른 전기 및 전자부품용 구리합금은:

Ni: 0.1 내지 1.0 질량%

Fe: 0.01 내지 0.3 질량%

P: 0.03 내지 0.2 질량%

Zn: 0.01 내지 1.5 질량%

Si: 0.01 질량% 이하 및

Mg: 0.001 질량% 이하를 포함하며, 여기에서 Ni 함량, Fe함량, P 함량 및 Si 함량에 대한 관계는 다음의 관계식들을 동시에 만족한다:

P 함량/Si 함량 ≥ 10

5≤(Ni 함량 + Fe 함량)/P 함량≤7

4≤Ni 함량/Fe 함량≤9.

상기한 구리합금에서, 질량비로 (0.5 내지 5)/(0.1 내지 2)/1의 Ni/Fe/P의 석출물을 석출시키는 것이 바람직하다.

구리합금은, ① Co, Cr 및 Mn중 하나 이상을 총량으로 0.005 내지 0.05% 그리고 ② Al, Sn, Zr, In, Ti, B, Ag 및 Be중 하나 이상을 총량으로 0.005 내지 0.05%, 에서 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 상기한 원소를 불가피한 불순물로서 하한선 미만으로 포함한 구리합금도 물론 본 발명에 포함될 수 있다.

불가피한 불순물중에서 O: 100 ppm 이하 및 H: 5ppm 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

바람직한 구체예의 상세한 설명

상기한 바와 같이 성분 및 조건을 한정하는 이유를 설명한다.

[Ni 함량]

Ni은 후술되는 P과 금속간 화합물을 석출시켜 구리합금의 강도를 향상시킨다. Ni-P화합물은 고온에서 안정한 금속간 화합물이 아니기 때문에 내연화성이 나쁘다. 그러나, Fe를 Ni-P석출물에 혼합하여 3성분계 금속간 화합물을 형성함으로써 실제로 강도를 그대로 유지하면서 내연화성이 현저하게 향상된다. 게다가, 전단가공성 또한 향상된다.

Ni 함량이 0.1% 미만일 때, 금속간 화합물의 석출량이 적기 때문에, 기대하는 높은 강도 및 전단가공성이 얻어질 수 없다. 한편, Ni 함량이 1.0%를 초과할 때, 상당한 양의 조대한 Ni-P화합물 석출물이 주조중에 형성되어 고온 가공성을 극도로 악화시킨다. Ni-P화합물은 특히 700 내지 900℃의 온도 영역에서 고온 가공성을 악화시킨다. 이 온도 범위는 고속작업으로 고온 작업하는 것이 낮은 변형저항성으로 인해 낮은 에너지로 가능하기 때문에 실질적으로 가장 요구되는 온도이다. 더욱이, 고온 제조 또는 작업이 이 온도영역 이하에서 가능할 때 조차도, 잔여 Ni-P화합물은 강도 향상에 거의 기여하지 않으며 제품의 굽힘가공성을 악화시킨다.

따라서, Ni함량은 0.1 내지 1.0%로 한정된다. 더욱 바람직한 범위는 0.3 내지 0.7%이다.

[Fe 함량]

Fe은 상기한 바와 같이 Ni 및 P과 금속간 화합물을 형성함으로써 구리합금에 높은 강도 및 높은 내연화성을 유발한다. Fe함량이 0.01% 미만일 때, Ni-P화합물은 Ni-Fe-P 3성분 화합물로 변태될 수 없고 구리합금은 리드프레임, 터미널 및 커넥터에 요구되는 높은 내연화성에 대한 요구를 효과적으로 만족시킬 수 없다. 두께 및 크기 감소 그리고 다양한 종류의 전기 및 전자 장비에서 실장밀도의 향상에 대한 최근의 요구에 응하기 위해, 프레스 펀칭시의 전단으로 발생된 잔류응력을 감소시키는 기술이 개발되어 일반적으로 사용되고 있다. 이것은 리드펀칭시 리드를 그것의 상부 종단부를 절단하지 않고 그대로 묶으면서 수 초내지 수 분의 단시간 동안 한 번 열처리하여 리드의 변방향 측면 펀칭시에 발생된 잔류응력을 완화하며, 이어서 평탄도 확보를 위해 리드의 상부 종단부를 절단하는 하나의 기술이다. 구리합금의 내연화성이 낮을 때, 재료는 단시간 열처리중에 연화되어 리드의 상부 종단부 절단시에 프레임의 변형을 초래한다. 이 프레임이 성형될 수 있을 때 조차도, 프레임 변형이라는 불이익이 이후의 LSI 조립중에 나타난다.

게다가, Fe 또한 Ni 및 P이 첨가된 구리합금에서 고온 가공성을 향상시키는 효과를 가지고 있다. 상기한 바와 같이, Ni은 주조시 조대한 Ni-P 석출물을 형성하는 경향이 있으며 이 석출물은 700 내지 900℃의 온도 범위에서 고온가공성을 극심하게 악화시킨다. 이경우, Fe-P화합물로 변태하는 Fe은 석출물의 발생량을 억제하는 효과를 제공하여 Ni-P화합물의 고온 가공성을 향상시킨다.

한편, Fe함량이 0.3%를 초과할 때, Fe-P 화합물은 Ni-Fe-P화합물 보다 압도적으로 석출한다. 결과적으로, Ni-Fe-P 화합물의 석출에 의해 얻어지는 높은 강도 및 높은 내연화성이 얻어질 수 없을 뿐만 아니라 전단가공성(프레스펀칭 성능)역시 개선되지 않는다.

게다가, Fe은 Mg 또는 Si와 같은 원소 다음으로 어닐링시에 내부 산화물층을 형성할 만한 원소이다. Cu의 외부 산화를 억제하기 위해 저산소 분위기에서 열처리할 때, 내부 산화물층의 성장은 주변 공기에서 더욱 진전된다. 더욱이, 이것은 매트릭스 재료의 표면에서 벌크의 내부로 진행하기 때문에, 일단 성장된 산화물층은, 예를 들어 황산 및 과산화 수소의 혼합용액을 사용하여 매트릭스의 표면을 에칭하여 제거되어야 한다. 따라서, 산화물층의 성장은 산세특성을 악화시킨다. 이때, 산화물층이 심지어 약간이라도 남아있을 경우에도, 그것은 표면특성에 Ag 도금에서 불완전한 광택 또는 땜납젖음성의 악화와 같은 원치않은 영향을 끼친다. 상기한 바와 같이, 상기한 바와 같은 리드 펀칭시에 형성된 잔류응력을 제거할 목적으로 단시간 어닐링을 채택하는 한편, 터널 등을 사용하여 열처리하며 그 안에서의 분위기는 내부 산화를 촉진시키는 저산소 분위기로 한다. 내부 산화는 Fe이 0.3%를 초과할 때 두드러지게 생성되는 경향이 있다.

따라서, Fe함량은 0.01 내지 0.3%로 한정된다. 보다 바람직한 범위는 0.05 내지 0.2%이다.

[P 함량]

P은 Ni 및 Fe과 금속간 화합물을 형성하며, 이것은 동매트릭스상 내에 석출하여 구리합금의 강도 및 내연화성을 증가시킨다. 더욱이, 이것은 후술되는 Co, Cr, Mn과 더불어 Ni-Fe-P 석출물과 다른 석출물을 형성하여 전단가공성을 향상시키는 효과를 부여한다. 그러나, P함량이 0.03%미만일 때, Ni-Fe-P 석출물의 석출량은 기대하는 강도 및 내연화성을 얻기에는 불충분하다. 게다가, P함량이 0.2%를 초과하면, 상기한 Ni-P 화합물의 거대한 양의 석출물이 형성되어 고온가공성을 극도로 악화시킨다.

따라서, P함량은 0.03% 내지 0.2%로 제한된다. 보다 바람직한 범위는 0.06 내지 0.15%이다.

[Zn 함량]

Zn은 프레싱 몰드의 마모 감소 및 미그레이션 방지의 효과를 가지고 있으며 땜납 및 Sn 도금의 내열박리성을 향상시킨다. Zn함량이 0.01% 미만일 경우, 기대하는 효과를 얻을 수 없다. 한편, 그 함량이 1.5%를 초과할 경우, 전기전도도가 낮아지고 땜납젖음성 또한 악화된다.

따라서, Zn 함량은 0.01% 내지 1.5%로 한정된다. 보다 바람직한 범위는 0.05 내지 0.5%이며 더욱 바람직한 범위는 0.05 내지 0.2%이다.

[Si 함량]

Si은 Ni과 화학적으로 결합되어 금속간화합물 Ni₂Si를 형성하며, 이것은 합금중에 석출한다. 그러나, 만일 온도가 상기한 Ni-Fe-P 화합물이 석출되는 온도영역 보다 높지 않다면 충분한 석출이 일어날 수 없다. 따라서, Si이 Ni-Fe-P 화합물의 석출을 위해 최적화된 열처리 조건하에서 Ni-Si 화합물을 형성하는 것은 어렵다. 결과적으로, 대부분의 Si은 합금의 매트릭스 재료내에 고용되기 때문에, 후술되는 P함량과의 관계가 충족되지 않을 때, 전기전도도가 낮아질 뿐만 아니라 땜납 및 Sn 도금의 내열박리성이 악화된다. 더욱이, Si은 상기한 Fe과 같은 내부 산화를 유발하는 경향이 있는 원소이며 고용된 Si은 내부 산화를 크게 촉진시키며 또한 굽힘가공성을 악화시킨다. 이러한 효과는 Si 함량이 0.01%를 초과할 때 두드러진다.

따라서, Si함량은 0.01% 이하(0% 포함)로 억제된다. 더욱 바람직한 범위는 0.005% 이하이다.

[Mg 함량]

Mg은 매트릭스에 불가피하게 유입되는 S과 화합물을 이루고 Mg-S 화합물을 형성하여 Ag도금 특성을 악화시킨다. 이 화합물이 존재할 때, 비정상적인 석출이 Ag 도금상에 발생하여 Ag 돌기를 발생시킨다. 형성된 대로 돌기를 남기면서 Si 칩이 결합될 때, 국부화된 응력이 돌기에 가해져 칩균열을 유발한다. 더욱이, Mg은 Fe 또는 Si과 유사하게 내부 산화를 발생시키는 경향이 있으며 또한 굽힘가공성을 악화시키는 경향이 있다. 이들 효과는 Mg 함량이 0.001%를 초과할 때 두드러진다.

따라서, Mg 함량은 0.001% 이하로 억제된다. 보다 바람직한 범위는 0.0005% 이하 이다.

[P 함량/Si 함량]

P 함량 및 Si 함량간의 관계는 Ni과의 금속간화합물의 형성에 관련된다. 상기한 바와 같이, P함량과의 관계에 따라, 땜납 및 Sn 도금의 내열박리성을 악화시킨다. P 함량/Si 함량에 대한 값이 10 미만일 때, Si의 고용량이 증가하기 때문에 땜납 및 Sn 도금의 내열박리성은 기대밖으로 현저하게 악화된다.

따라서, P 함량 및 Si 함량간의 관계식은: P 함량/Si 함량≥10으로 정의된다. 보다 바람직한 범위는: P 함량/Si 함량≥15 이다.

[(Ni 함량 + Fe 함량)/P 함량]

[Ni 함량/Fe 함량]

Ni 함량, Fe 함량 및 P 함량이 동시에: 5≤(Ni 함량 + Fe 함량)/P 함량≤7 및 4≤Ni 함량/Fe 함량≤9의 관계식을 만족할 때, 강도 및 내연화성은 현저하게 향상된다. 즉, 두 관계가 충족되면, Ni-Fe-P 화합물이 보다 바람직한 범위의 후술되는 조성비로 석출된다. 석출물이 미세하고 일정하게 석출되면, 강도는 석출강화에 의해 향상되며 Ni-P 화합물과는 달리 고온에서 안정성을 가지기 때문에 내연화성이 우수하다.

따라서, Ni 함량, Fe 함량 및 P 함량이 상기한 두 관계식을 충족시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는: 5≤(Ni 함량 + Fe 함량)/P 함량≤6 및 4≤Ni 함량/Fe 함량≤8 이다.

[Ni/Fe/P에 대한 조성비]

상기한 바와 같이, 석출물의 조성은 Ni 함량, Fe 함량 및 P 함량에 대한 관계에 따라 변한다. 높은 강도 및 높은 내연화성은 Ni/Fe/P의 조성(질량)비가: (0.5 내지 5)/(0.1 내지 2)/1일 경우 동시에 얻어질 수 있다. 따라서, Ni/Fe/P의 석출물 조성비가 상기한 범위내에서 석출되는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는: (2내지 5)/(0.5 내지 1)/1이다.

[Co, Cr, Mn 함량]

Co, Cr 및 Mn은 P와 화합물을 형성하여 구리합금내에 석출하고 전단가공성을 향상시킨다. 화합물이 구리합금에 분산될 경우, 매트릭스와의 야금학적인 연속성은 석출거동이 상기한 Ni-Fe-P의 그것과 다르기 때문에 차단되는 경향이 있으며(비교적 큰 석출물이 형성됨), 그로 인해 전단가공성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 이 효과는 Co, Cr 및 Mn의 총함량이 0.005 이상일 때 두드러지게 나타난다.

그러나, 이 화합물은 Ni-Fe-P 화합물에 비해 불균일한 석출물을 형성하는 경향이 있다. 특히, 이것은 결정립계에 우선적으로 석출하기 때문에, 미세구조가 불균일하게 성장하여 굽힘가공성을 악화시키는 경향이 있다. 이 현상은 Co, Cr 및 Mn의 총함량이 0.05%를 초과할 때 현저하게 나타난다.

따라서, 이들을 첨가시에, Co, Cr 및 Mn의 총함량은 0.005 내지 0.05%로 한정된다.

＜Al, Sn, Zr, In, Ti, B, Ag, Be 함량＞

상기한 바와 같이, 프레스 펀칭시 전단변형에 의해 형성된 잔류응력를 감소시키는 기술이 개발되어 일반적으로 채택되고 있다. 이 기술에서는, 재료 자체가 펀칭 공정중에 어닐링에 의해 연화되지 않도록 높은 내연화성을 가져야한다. 상기한 원소들은 구리합금으로의 고용화에 의해 강도를 향상시키며, 게다가 Ni-Fe-P 석출물과의 공존상태로 구리합금에 더욱 우수한 내연화성을 제공한다.

프레스 펀칭시 전단변형으로 형성된 잔류응력을 제거하기 위해, 재료내의 전위들이 쉽게 변위될 수 있도록 재료를 가열할 필요가 있다. 잔류응력은 전위의 이동에 의해 제거된다. 그러나, 전위가 변위될 때, 전위는 쌍으로 소멸하여 전위밀도가 낮아진다. 달리 말하면, 전위의 이동에 의해 가공경화된 재료가 연화된다. 이 경우, 상기한 원소들이 고용될 때, 원자가 공공과 높은 친화성을 가지게 되어 공공자리가 원자로 채워진다. 그러므로, 합금중의 공공의 양이 감소하여 전위의 상향 이동이 억제되고 Ni-Fe-P 석출물에 트랩된 전위들은 이동이 어려워지는 경향이 있다. 결과적으로, 전위의 쌍소멸이 억제되어 구리합금의 내연화성이 증가된다.

이 효과는 상기한 원소의 총함량이 0.005% 미만일 때는 충분하지 않으며, 한편 이것이 0.05%를 초과할 때 전기 전도도는 낮아지며 땜납젖음성은 악화된다. 따라서, 원소의 함량은 이들의 하나 또는 둘 이상의 총함량으로서 0.005% 내지 0.05%로 한정된다.

＜O 함량＞

O는 P과 쉽게 반응하는 경향이 있다. O가 100ppm을 초과하면, 반응된 P은 상기한 Co, Cr 및 Mn과의 화합물을 더이상 형성할 수 없다. 결과적으로, 이것은 전단가공성을 향상시키는 효과를 제공할 수 없다. 더욱이, 땜납젖음성 또한 악화된다.

따라서, O 함량은 100 ppm 이하, 보다 바람직하게는 40 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 20 ppm 이하 이다.

＜H 함량＞

상기한 바와 같이 O가 100 ppm 이상 함유될 때, H는 H함량이 10 ppm을 초과할 때 주조시의 냉각공정에서 O와 결합하여 증기상태가 되며, 이 증기는 주괴에서블로우 홀결함을 유발한다. 결과적으로, 겹친표면(overlapped surface)으로 불리는 내부결함 또는 스웰링은 열처리 동안 제품내에 생성된다.

따라서, H함량은 10 ppm 이하이고, 보다 바람직하게는 4 ppm 이하, 더욱 바람직하게는 2 ppm 이하이다.

실시예

본 발명에 따르는 실시예 1 내지 2를 설명한다. 각 실시예에서, 인장강도, 전기전도도, 내연화성, 전단가공성, 굽힘가공성, 땜납내열박리성, 땜납젖음성, Ag 도금 특성 및 내부 산화물 두께에 대한 측정, 그리고 석출물에 대한 식별을 다음의 방법으로 조사하였다.

(인장강도)

길이 방향을 압연방향과 평행하게 한 JIS No. 5에 따르는 시험편을 제조하고 측정하였다.

(전기전도도)

밀링으로 장방형의 시험편을 제조하고 더블 브리지 타입의 저항측정기로 측정하였다.

(내연화성)

넓이 30 mm x 30 mm, 두께 0.25 mm의 박판시편을 제조하고 가열되지 않은 상태에서 시험편의 비커스 경도를 측정하였다. 그런 다음, 시험편을 예정된 온도로 가열된 염욕에 1 분간 유지하였다. 그 다음, 온도를 수냉으로 실온까지 낮추고, 표면에서 산화물층을 제거하고 이 단계에서 비커스 경도를 측정하였다. 열보유온도의여러지점에서 측정하였으며, 열보유온도에서 가열후의 비커스 경도는 가열전의 0.9 배이었다. 이 온도를 내연화에 대한 지수로 정의하였다. 즉, 가열후 가열온도를 이 온도로 되돌릴 경우조차도 가열온도가 다소 높을 때 경도는 더 이상 초기 경도로 회복되지 않았기 때문에, 내연화성을 이러한 관점에서 평가하였다. 내연화성은 경도가 초기 경도 근처로 회복될 수 있는 한계 가열온도로서 편의상 언급될 수 있다.

(전단가공성)

기계식 프레스로 폭 0.3 mm의 리드를 펀칭함으로써 판 두께에 대한 전단 단면의 높이 비율(이후 전단면 비율이라 칭함) 및 버 높이의 관점에서 버를 평가하였다. 전단면 비율은 주사형 전자현미경으로 펀칭된 리드의 변방향 표면에 대해 관찰하였으며 플레이트 두께에 대한 전단면의 높이 비율을 관찰하였다. 더욱이, 버의 높이는 주사형 전자현미경에 의해 버가 형성된 리드의 표면에 대해 n=10으로 관측하였으며, 각각 최대 버 높이의 평균 값을 표시하고 5 단계의 레벨로 나타내었다. 전단면 비율이 클 경우, 펀칭 작업중 과도한 압력이 가해져 몰드의 마모를 증가시킨다.

(굽힘가공성)

JIS H3130에 따라 플레이트 두께와 동일한 곡률반경을 갖는 W 형의 굽힘지그를 사용하여 가공하였다. 제조후 W 굴곡된 부분을 육안으로 관찰하고 균열의 유무에 따라 가공성을 평가하였다.

(땜납내열박리)

장방형의 시험편에 약하게 활성 플럭스를 피복하고 245 ± 5℃(Sn/Pb=60/40)에서 유지된 땜납조에서 땜납한 후, 150℃에서 1000시간 동한 오븐에서 가열하였다. 180℃에서 시험편을 뒤로 접어 가공된 부분에서 땜납의 박리여부를 관찰하였다.

(땜납젖음성)

장방형 시험편에 비활성 플럭스를 피복하였다. 245 ± 5℃에서 유지된 땜납조(Sn/Pb=60/40)에 5초 동안 침적한 후 끌어 올려 시험편에 대한 땜납의 침적상태를 관찰하였다. 기피상태(repelling state)를 관찰하여 5 단계로 분류하였다.

(Ag 도금특성)

시아네이트 Ag 도금을 1㎛두께로 하고 실체현미경으로 국부적으로 증가하는 두께(돌기)의 유무를 관찰하였다.

(내부산화물 층의 두께 측정)

스퍼터링에 의해 시험편의 표면으로부터 방출되는 이온화된 입자들을 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometer)로 질량분석하고 깊이 방향으로 산화물의 프로필을 측정하였다. 매트릭스 내부와의 차이가 제거된 깊이를 내부 산화물 층에 대한 두께로 정의 하였다.

(석출물 식별)

석출물 조성을 투과 전자현미경(TEM)에 부착된 에너지 분산형 X선 분석기(EDX)로 반정량적으로 측정하였다.

석출물을 시험편당 n=3의 석출물을 측정하고 조성비를 평균값을 기준하여 질량비로 측정하였다.

[실시예 1]

표 1에서 보여주는 화학조성의 구리합금을 대기 상태에서 전기로로 용융하여 두께 50 mm, 폭 80 mm 및 길이 200 mm의 주괴로 제조하였다. 이어서, 주괴를 950℃에서 1 시간 동안 가열한 후, 두께 15 mm로 열간 압연하고, 냉각 속도가 20℃/초 이상이 되도록 즉시 수중에 급냉하였다. 이어서, 열간 압연된 재료의 표면을 스크래핑하여 산화물층을 제거한 후, 이들을 1.0 mm로 냉간 압연하였다. 이어서, 이들을 750℃ x 1 분으로 단시간 급속가열하고 40 %의 가공률로 냉간압연하고 450℃ x 2 시간으로 시효 석출처리하였다. 이어서, 60 %의 가공률로 냉간 압연하여 각 0.25 mm두께의 시험편을 제조하고 상기한 시험을 행하였다. 이 경우, 급속 단시간 가열에서 승온속도는 5℃/초 이었고, 단시간 가열 후의 냉각속도는 10℃/초 이상이었고 시효석출 열처리시의 온도상승 속도는 0.01℃/초 이었으며 두 열처리는 연소가스중의 산소농도가 500 내지 2000 ppm인 분위기에서 행하였다. 또한, 열처리후 표면산화물을 20℃ 묽은 황산으로 제거하였다.

표 2 및 표 3은 시험결과를 보여준다. 표 2로부터 명백하게 알 수 있듯이, 실시예 No. 1 내지 9는 강도, 전기전도도 및 내연화성에 우수하였고 전단가공성 및 굽힘가공성과 같은 어느 특성에서도 양호하였다.

반대로, 표 3에서 보여주듯이, 비교예 No. 10 내지 20은 시험편을 제조할 수 없었거나 어떠한 특성에서도 뒤떨어졌다. Ni함량이 적은 No. 10은 강도 및 전단가공성에서 불량하였다. Fe함량이 많은 No. 13은 강도, 내연화성 및 전단가공성에서 불량하였으며, 게다가, 내부 산화층이 성장하였기 때문에 땜납젖음성에서도 불량하였고 P함량이 적은 No. 14는 강도, 전기전도도 및 내연화성에서 불량하였다. Zn함량이 적은 No. 16은 땜납내열박리성에서 불량하였다. Si함량이 많은 No. 19는 더욱 증가된 두께의 내부 산화물층을 가지며 땜납젖음성에 불량하였다. Zn함량이 많은 No.17 및 No. 18은 전기전도도가 낮고 또한 땜납젖음성에 불량하였다. Mg함량이 많은 No. 20은 Ag 도금에서 돌기를 형성하였다. 더욱이, Ni 함량이 많은 No. 11, Fe함량이 적은 No. 12 및 P함량이 많은 No. 15는 재료를 제조할 수 없었다.

[실시예 2]

표 4에서 보여주는 화학조성의 구리합금을 사용하여 실시예 1에서와 동일한 공정으로 각 0.25 mm두께의 시험편을 제조하고 상기한 시험을 행하였다.

표 5는 시험결과를 보여준다. 표 5에서 알 수 있듯이, No. 21 내지 26에 대한 실시예들은 강도, 전기전도도 및 내연화성에서 우수하였고 전단가공성 및 굽힘가공성과 같은 어느 특성에서도 양호하였다. No. 1 내지 No. 9와 비교할 때 내연화성 및 전단가공성은 전반적으로 향상되었다.

반대로, 비교예 No. 27 내지 32는 시험편을 제조할 수 없었거나 어떠한 특성에서도 뒤떨어졌거나 특성이 향상되지 않았다. Co, Cr 및 Mn의 총함량이 적은 No. 27은 전단가공성에서 실시예 1: No. 1 내지 No. 9에 비해 적게 향상되었고, Al, Sn, Zr, In, Ti, B, Ag 및 Be의 총함량이 적은 No. 29는 실시예 1: 각각 No. 1 내지 19에 비해 내연화성에서 향상을 보이지 않았다. 게다가 Co, Cr 및 Mn의 총함량이 많은 No. 28은 굽힘가공성에서 불량하였고, Al, Sn, Zr, In, Ti, B, Ag 및 Be의 총함량이 많은 No. 30은 낮은 전기전도도를 가졌을 뿐만 아니라 그 안에 내부 산화물층이 형성되었으며 땜납젖음성에서 불량하였다. 또한 O함량이 많은 No. 31은 전단가공성에 대한 향상을 보이지 안았고, 그 안에 내부 산화물층이 약하게 형성되었으며 땜납젖음성이 불량하였다. H함량이 많은 No. 32는 주괴의 내부 결함때문에 시험편을 제조할 수 없었다.

본 발명에 따른 구리합금은 높은 강도 및 높은 전기전도도를 가지며, 내연화성 및 전단가공성에 우수하며, 또한 내부 산화를 억제함으로써 땜납젖음성, 땜납과 Sn 도금의 내열박리성, Ag 도금특성 및 굽힘가공성에 우수하다. 더욱이, 전단가공성 및 내연화성은 명시된 원소를 첨가함으로써 더욱 향상될 수 있다.

본 발명에 따른 구리합금은 내연화성에 우수하기 때문에, 프레스 펀칭시 형성된 잔류응력을 제거하는 기술, 즉 펀칭공정에서 가해지는 어닐링에 의해서 조차도 재료 그 자체는 연화되지 않는다. 또한, 내부 산화물층은 저산소 분위기에서의 어닐링과정에서 억제되어 표면특성(땜납젖음성과 땜납내열박리성 및 Ag 도금 특성)에 우수한 구리합금을 제공할 수 있다. 더욱이, 전단가공성 또한 좋고 높은 체적 정밀도로 펀칭 가공할 수 있다.

또한, 내부 산화물층의 형성이 억제되기 때문에, 본 발명에 따른 동 합금은 산세특성에 우수하고, 게다가, 스프링 특성 및 응력완화 특성에서 또한 우수하다.

Claims

전기 및 전자 부품용 구리합금으로서,

Ni : 0.1 내지 1.0 질량%,

Fe : 0.01 내지 0.3 질량%,

P : 0.03 내지 0.2 질량%,

Zn : 0.01 내지 1.5 질량%,

Si : 0.01 질량% 이하; 및

Mg : 0.001 질량% 이하를 포함하며, 여기에서

Ni함량, Fe함량, P함량 및 Si함량에 대한 관계가 다음의 관계식들:

P 함량/Si 함량 ≥ 10,

5 ≤ (Ni 함량 + Fe 함량)/P 함량 ≤7,

4 ≤ Ni함량/Fe함량 ≤9를 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 전기 및 전자 부품용 구리합금.
제 1 항에 있어서, 상기 구리합금이 질량비를 기준하여 다음의 조건들:

0.5 ≤ Ni/P ≤ 5, 및

0.1 ≤ Fe/P ≤ 2 하에서 석출물을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기 및 전자 부품용 구리합금.
제 1 항에 있어서, Co, Cr 및 Mn의 원소들중 적어도 한가지를 더 함유하며, 여기에서 Co, Cr 및 Mn의 총량이 0.005 내지 0.05 질량%인 것을 특징으로 하는 전기 및 전자 부품용 구리합금.
제 1 항에 있어서, Al, Sn, Zr, In, Ti, B, Ag 및 Be의 원소들중 적어도 한가지를 더 함유하며, 여기에서 Al, Sn, Zr, In, Ti, B, Ag 및 Be의 총량이 0.005 내지 0.05 질량%인 것을 특징으로 하는 전기 및 전자 부품용 구리합금.
제 1 항에 있어서, 합금내에 O가 100 ppm 이하 함유되고 H가 5 ppm 이하 함유되는 것을 특징으로 하는 전기 및 전자 부품용 구리합금.