KR100429109B1 - 전기적도전성이좋고연화온도가높은전자회로부품용지지대및그제조방법 - Google Patents

Abstract

"전자공학적 응용분야에 이용되는 전기적 도전성이 높고 연화온도가 높은 구리합금". 전자 회로 부품을 위한 지지대의 제조에 사용되는 구리합금에 있어서, 상기 구리합금은 질량 백분율 0.1% 내지 1%인 니켈과 0.005% 내지 0.1%인 인과 나머지로서 완전 또는 대부분이 구리로 이루어지고, 고온에서 납땜, 접착제에 의한 접합 그리고/또는 압착하는 전자 회로 부품의 지지대의 제조를 위한 구리합금의 이용.

Description

전기적 도전성이 좋고 연화 온도가 높은 전자 회로 부품용 지지대 및 그 제조방법.

본 발명은 부품 지지대의 제조에 전자공학적으로 이용되는 구리합금에 관한 것이다.

공지된 바와 같이, 구리는 우수한 전기적 도체로서 그 응용의 범위가 매우 넓으며 특히 전자 분야에 이용된다. 구리는 매우 다양한 부품들, 특히 전자 칩을 위한 전자 회로 부품(리드 프레임)의 지지대로서 이용된다. 회로 제조에 있어서, 일반적으로 부품들을 브레이즈 용접하고 접착제로 접합하거나 그리고/또는 압착한 후 구리 지지대를 플라스틱 물질로 열간 코팅하기 때문에 구리 지지대는 내열성이 커야하고 그 기계적 특성을 보전해야 한다.

이와 같은 내열성(복원강도)이 요구되기 때문에, 우수한 도전성을 유지하면서도 복원강도를 증가시킬 수 있는 구리합금이 사용되어 왔다.

온도강도(또는, 그밖에 복원강도를 대체할 만한 것)는 고온으로 재가열시켰을 때 전위 소멸을 활성시켜 구리합금을 연화시키는 메커니즘에 해당한다. 복원저항은 상승 온도에서 유지기간이 최대(예: 450℃에서 10분 이상인 경우)이고 그 이후에는 금속의 경도가 소정치 이상을 유지하는 것을 특징으로 한다.

백분율로 나타낸 본 발명에 따른 합금의 측정 전도도는, 순수 구리의 전도도를 100%로 하였을 때의 상대적인 합금의 전도도로서, 이와 같은 백분율 전도도를 IACS(International Annealed Copper Standard) 전도도라고 한다.

예를 들면, 구리와 주석의 합금인 합금 Cu Sn 0.15가 사용된다.

전자공학에서 사용되는 구리 지지대는 기계적 강도가 크고 온도강도가 우수할뿐만 아니라 용접성 및/또는 브레이즈 용접성이 우수해야 한다. 이를 위하여 구리합금을 니켈막으로 피복한다. 니켈막은 지지대와 같은 제품의 커팅 작업 전에 합금에 피복한다. 그 결과 니켈 도금한 구리합금의 폐기물이 발생하는데, 니켈 도금된 구리합금에서 구리를 니켈로부터 분리하고 복구하기 위해서는 전기전해법을 이용해야 하기 때문에 값이 비싼 단점이 있다.

본 발명의 목적은 온도강도가 크고 전도성이 우수하며 제조상 폐기물의 복구가 수월한 합금을 얻기 위하여 전자공학적으로 이용되는 개선된 구리합금을 제공하는 것이다.

도 1은 425℃에서의 온도강도를 나타내고 있는 도면이며,

도 2는 여러 가지 IACS 백분율에 대한 전도도를 나타내는 도면.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전자 회로 부품을 위한 지지대의 제조에 사용되는 구리합금에 있어서, 상기 구리합금은 질량 백분율 0.1% 내지 1%인 니켈과 0.005% 내지 0.1%인 인과 나머지로서 완전 또는 대부분이 구리로 이루어지고, 고온에서 납땜, 접착제에 의한 접합 그리고/또는 압착하는 전자 회로 부품의 지지대의 제조를 위한 구리합금의 이용에 관한 것이다.

발명에 따르면, 합금은 0.1%의 철과 그리고/또는 0.5%의 아연을 함유한다.

본 발명의 구리합금은 일반적으로 제안된 조성 범위에 있어서 전도도가 80% IACS 이상이고, 특히 첨가 원소(니켈 및 인)와 관련하여 온도강도 즉, 복원저항이 우수하다.

본 발명에 따른 구리합금은 또한 니켈막으로 피복되기 때문에, 전자공학에 사용되는 지지대 또는 소자의 제조 공정 중에 발생하는 폐기물의 재생이 수월하므로 경제적인 관점에서 볼 때 매우 가치 있는 물질이다. 본 발명에 따른 합금의 기계적 특성은 특히 가치가 높다.

본 발명에 의한 합금은 구리합금에 일반적으로 적용되는 주조 공정에 의해 제조 가능하다. 특정 공정을 채택하여 합금을 주조하였다 하더라도 생산되는 제품에는 영향을 미치지 않는다.

그러나, 800℃ 이상의 온도에서 모든 합금원소를 녹여서 합금을 사전 균질화하는 것이 특히 철이 첨가된 경우에 바람직하다.

기판을 생성하려면, 예를 들어, 합금을 띠 형태로 주조하고 분쇄한 다음에, 약간 경화시킨 후 약 1시간 동안 800℃ 내지 850℃에서 균질화 어닐링(annealing)을 하고 담금질 경화 작업을 실시한다. 그 밖에 가능하고 바람직한 방법에 의하면,합금을 종래의 입체 형태의 판상으로 주조하고, 원소에 따라 다르지만 650℃ 내지 1000℃ 사이의 온도에서 열간 압연하여 수 밀리미터의 두께로 형성한 다음에 냉간 압연한다.

그런 다음에, 합금을 중간 어닐링 작업으로 냉간 압연하여 원하는 두께로 만들 수 있다. 두 가지 연속되는 어닐링 작업 사이는 최대한으로, 적어도 50% 줄이는 것이 바람직하다. 최종적으로 개선된 전도성에 의해 각각의 어닐링 작업기간이 감축된다. 어닐링 작업의 적정온도는 400℃ 내지 600℃이고 어닐링 온도는 적어도 2시간, 가능하면 4시간을 유지해야 한다. 인 이외에 첨가 원소의 경쟁적인 침전 반응이 일어나는 바람직하지 못한 경우를 제외하고는 어닐링 작업기간이 길수록 전도성이 커진다.

본 발명은 이후 구리합금의 두 가지 실시예로서 설명된다.

경도와 전도도의 측정치는 첨부된 도 1과 도 2에 나타나 있다. 도 1은 시간을 가로 좌표로 그리고 HV 경도를 세로좌표로 나타낸 도면으로서 425℃에서의 온도강도를 나타내고 있다. 도면에는 Cu Sn, Cu Ni 0.4, Cu Ni 0.2 및 FPG 합금(950 내지 1000 ppm의 철과 330 내지 370 ppm의 인을 함유하고 있는 구리합금)에 대한 그래프를 보여주고 있다.

테스트에 있어서, 온도를 425℃까지 증가시키고 도면에 나타나 있는 눈금 이상의 기간동안 상승 온도를 유지한다.

도 2는 여러 가지 IACS 백분율에 대한 전도도를 그래프를 나타내는 것으로, 가로좌표는 ppm으로 나타낸 Ni의 양이고 세로좌표는 ppm으로 나타낸 구리합금에 포함되는 인의 양이다.

실시예 1

본 실시예에 따른 합금은 다음과 같은 방법에 의해 마련된다. 니켈로 도금한 인 합금(Cu-b1, Cu-b2)의 절단편들을 채널 유도 도가니 안에서 녹인다: 용융 과정의 마지막에 분광분석을 바탕으로 하여 인의 함량을 조절함으로써 원하는 조성비를 얻을 수 있다. 용융물을 목탄의 환원 커버로 덮은 상태에서 수 분간 같은 온도(약 1200℃)로 유지한다. 그리고 200 ×400 ㎜ 으로 측정되는 수냉 잉곳 성형물로 주조한다. 본 실시예에서 마련된 합금의 조성비는 다음에 나타나 있는 표에 주어진다.

(모든 함량은 ppm 단위로 주어짐)

주조된 플레이트를 840℃ 이상의 온도로 재가열하고 200㎜ 내지 13㎜ 사이의 두께로 열간 압연한다. 그리고 나서, 600℃ 이상의 온도에서 담금질 경화 작업을 선택적으로 실시한다. 블랭크를 분쇄하고 1.5㎜의 두께로 냉간 압연한 다음 4시간 동안 480℃를 유지하면서 후드 아래에서 어닐링한다. 어닐링 후의 경도는 54 내지 57HV이다. 이 상태에서 합금 Cu Ni 0.4 및 Cu Ni 0.2의 전도성은 78.1% IACS 및 79.4% IACS로 측정된다.

잔류 아연이 많이 함유되면 전도성에 영향을 미친다. 전도성에 대한 용액에 녹인 아연의 효과를 기본으로 하여 볼 때, 지정된 함량의 니켈 및 인 이외에 다른 원소를 포함하지 않는 Cu Ni 0.2 및 Cu Ni 0.4합금은 각각 83% IACS 및 79% IACS의전도성을 갖는다고 추정할 수 있다.

이러한 야금 상태에서, 20% 압연하여 프레시 환원한 후에는 전도도는 변하지 않고 경도가 107 내지 110HV에 달한다. 이와 같은 결과는 같은 조건하에 Cu Sn 0.15 합금에서 얻을 수 있는 결과와 동일하다.

이같은 경도 수준에서, 띠 형태의 샘플을 10분 동안 360℃ 내지 480℃사이의 여러 가지 온도에서 어닐링한다. Cu Ni 0.4 합금의 경우 온도에 따른 경도 감소는 Cu Sn 0.15합금의 경우와 비교된다. Cu Ni 0.15 합금의 연화온도가 440℃ 선인 것에 비하여 Cu Ni 0.4 합금의 연화온도는 460℃ 이상이다.

실시예 2

실시예 2에 의한 신규 합금은 다음에 설명되는 바와 같은 방법으로 마련된다. 고순도의 구리를 채널 유도 도가니 안에서 녹인다. 합금원소는, 원하는 조성비를 얻을 때까지 순수 니켈과 인화구리 85-15 및 금속 실리콘을 넣는다. 용융물을 목탄 커버 아래에 일정한 온도(약 1200℃)로 둔다. 서서히 조성비를 조절하여 넓은 범위의 여러 가지 합금을 얻는다. 배스에서 합금 조각을 꺼내어 각각을 새로운 조성(직경: 25㎜, 높이: 40㎜)으로 주조한다. 본 실시예에서 마련한 각 합금의 조성비는 다음 표에 나와 있는 범위 내에 해당한다.

(모든 함량은 ppm 단위로 주어짐)

각각의 조각을 1시간 동안 850℃에 두어서 균질하게 하고 물에 넣어 담금질 경화시킨다. 이 상태에서, 액압 프레스에 의해 70% 이상 (높이 감소) 변형된다. 그런 다음, 각 합금에 대하여 어닐링하여 최대의 전도도를 얻는다. 이렇게 하여 얻은 전도도의 측정값과 합금의 조성비를 보정하였다. 이때, 실시예 1에서 언급한 이전의 특성화를 고려하였다.

다른 첨가 원소를 포함하지 않고 순수한 구리-니켈-인 합금인 경우, 니켈과 인을 함유한 평면상에서 같은 전도도에 대한 선을 그어 그래프를 작성한 결과 도 2를 얻었다.

본 발명에 의한 합금은 많은 이점을 갖는다. 예를 들면, 전기적 전도성이 매우 좋고, 70% IACS 이상의 전도도를 얻을 수 있다. 이상의 실시예에서 증명된 바와 같이 니켈과 철의 기능으로서 첨가되는 인의 양을 변화시키고 잔류 원소(아연,...)의 함유량을 제한하여 전도도를 80% IACS 이상을 얻을 수 있다. 따라서 어닐링 사이클과 침전물 Ni_αP_β의 형성을 최적화하기 위한 특별한 생산 계획을 세울 수 있다.

강렬한 침전반응이 일어난 후에 용액 내에 니켈과 인의 잔류량이 포함되기 때문에 우수한 복원저항을 얻을 수 있다. 이상의 실시예에서 증명된 바와 같이, 합금이 450℃ 이상의 도가니 내에서 연화가 매우 미미하게 나타나므로 370℃ 내지 425℃사이의 온도에서 이루어지는 솔더링, 브레이징 또는 플라스틱 인켑슐레이션에는 아무런 영향을 주지 않는다.

형성된 침전물(최신의 열역학적 계산에 의해 결정된 Ni_αP_β또는 투과 현미기술에서 에너지 손실에 의한 분석에 따라 보다 확실히 추정되는 Ni₂P)로 인하여 본 발명의 합금을 경화시킬 수 있다. 이 때, 침전물은 응력이완에 대한 저항을 증가시킨다.

본 발명에 따른 합금은 비용이 저렴하다. 기존의 첨가 원소만을 사용하고 니켈 도금된 구리의 폐기물을 경제적으로 재생할 수 있다. 공지된 법칙에 따라 제품의 전도성을 약화시키는 소량의 불순물(아연, 실리콘,...)이 포함되어도 무방하다. 철(100 ppm 까지, 바람직하게 100 ppm 이하)과 같은 다른 합금 원소를 첨가하면 어닐링을 촉진하고 전도성에는 영향을 주지 않으면서도 기계적인 특성을 개선할 수 있다.

그러므로 본 발명에 따른 합금은 특히 전자공학적인 응용(그리드, 전원부품,...)에 적합하고 Cu Sn 0.15와 같은 합금을 대체할 수 있는 장점을 갖는다.

Claims (13)

1. 지지대의 제조 후에 납땜, 부착 또는 열간 고정되는 전자 회로 부품용 지지대를 제조하는 방법에 있어서,

   (a) 구리합금을 인과 니켈 성분들과 함께 표면 용융하며,

   (b) 상기 용융 후에 0.005% 내지 0.1%의 인을 첨가하고,

   (c) 상기 용융 후에, 환원제로 작용하는 목탄 커버 아래에서 약 1,200℃의 용융 온도를 수분 간 유지하며,

   (d) 상기 용융물을 플레이트 또는 띠 형태로 몰드에서 주조하고, 필요하다면 상기 몰드를 냉경함을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 주조 플레이트를 약 840℃ 이상의 온도까지 다시 가열하고, 그 후에 열간 압연하여 두께를 감소시키며, 필요하다면 경화시킴을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 열간 압연과 필요한 경화 후에, 블랭크(blank)를 분쇄하여 약 1.5mm 두께로 냉간 압연함을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 어닐링하여 경화시키고, 필요하다면 벨(bell) 아래에서 약 480℃의 온도에서 2 내지 4시간 동안 유지함을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 주조된 지지대들을 먼저 약 650℃ 내지 1000℃에서 열간 압연하고, 그 후 수 밀리미터의 두께로 냉간 압연하며, 필요하다면, 상기 합금을 중간 어닐링하고 냉간 압연하여 요구된 두께로 만들 수 있음을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 구리로 이루어진 상기 지지대의 용융 중에, 니켈, 인화 구리, 철 및 아연 형태의 첨가물들이 상기 합금에 첨가됨을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 지지대를 제조하기 위해서, 재료 성분들이 용융 중에 니켈 도금된 인과 함께 구리합금이 첨가되며, 상기 합금의 조성은 용융 후에 인의 첨가에 의해 영향을 받음을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지대를 제조하고, 경화 납땜, 접착 또는 고정에 의해 전자 부품들을 부착한 후에, 상기 지지대는 마무리 주조 지지대에 부착되어 플라스틱 코팅으로 피복됨을 특징으로 하는 방법.
9. 전자 회로 부품용 지지대에 있어서, 상기 지지대는 구리합금으로 이루어지며, 0.1% 내지 1%의 니켈과 0.005% 내지 0.1%의 인이 상기 구리합금에 첨가됨을 특징으로 하는 지지대.
10. 제9항에 있어서, 상기 구리합금은 철을 0.1%까지 함유함을 특징으로 하는 지지대.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 합금은 아연을 0.5%까지 함유함을 특징으로 하는 지지대.
12. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 합금은 Ni_αP_β의 미세입자 침전물을 함유함을 특징으로 하는 지지대.
13. 제11항에 있어서, 상기 합금은 Ni_αP_β의미세입자 침전물을 함유함을 특징으로 하는 지지대.

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