KR20040090716A

KR20040090716A - Ｃｕ-Ｎｉ-Ｓｉ 합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20040090716A
Application number: KR1020040025904A
Authority: KR
Inventors: 이시까와야스노부; 니이미도시히로; 하따노다까아끼
Original assignee: 닛꼬 긴조꾸 가꼬 가부시키가이샤
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2004-10-26
Also published as: KR100622320B1; JP2004315940A; TWI247816B; CN1540013A; TW200426232A; CN1291052C

Abstract

본 발명은 고강도 및 고전도성을 양립시킨 전자재료용 Cu-Ni-Si 합금을 제공한다.

Ni 를 1.0 ∼ 4.5 질량% (이하 % 로 함), Si 를 0.25 ∼ 1.5 % 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 구리기(基) 합금에 있어서, Ni 와 Si 의 질량 농도를 [Ni], [Si] 로 표시한 경우 Ni 와 Si 의 질량 농도비 (이하, [Ni]/[Si] 로 함) 가 4 ∼ 6 이고 또한 식 1 에서 정의하는 χ가 0.1 ∼ 0.45 가 되는 [Ni], [Si] 인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고전도성을 양립시킨 Cu-Ni-Si 합금이다.

([Ni]-4χ)²([Si]-χ) = 1/8 ……( 식 1 )

Description

Ｃｕ-Ｎｉ-Ｓｉ 합금 및 그 제조방법{Cu-Ni-Si ALLOY AND ITS PRODUCTION METHOD}

본 발명은 강도 및 전도성이 우수한 전자재료 등의 전자부품의 제조에 사용하는 Cu-Ni-Si 합금에 관한 것이다.

리드프레임, 전자기기의 각종 단자, 커넥터 등에 사용되는 구리합금은, 높은 강도 및 높은 전도성을 양립시키는 것이 요구된다. 또한, 최근 리드프레임, 전자기기의 각종 단자, 커넥터 등에 있어서 리드수 등의 증가, 피치의 협소화가 진행되고, 전자부품의 고밀도 장착성, 고신뢰성이 요구되고 있다. 이들 전자부품에 사용되는 재료에 있어서도 박판화, 가공성이 좋은 것, 고전도율 등 요구되는 특성은 점점 엄격해지고 있다.

리드프레임, 전자기기의 각종 단자, 커넥터 등에 사용되는 재료는 높은 강도 및 높은 전도성이 필요하여, 종래의 인청동, 황동 등으로 대표되는 고용 강화형 합금 대신에, 전자기기류 및 부품의 경량화, 고강도, 고전도성의 관점에서 시효 경화형의 구리합금의 사용량이 증가하고 있다. 시효 경화형의 구리합금은 용체화 처리된 과포화 고용체를 시효처리함으로써, 미세입자가 균일하게 석출되어 인장 강도나 내력, 스프링 한계치 등의 기계적 특성이 향상되고, 동시에 구리 중의 고용원소량이 감소하여 전도율이 향상된다.

시효 경화형 구리합금 중, Cu-Ni-Si 합금은 고강도와 고전도성을 겸비하는 대표적인 구리합금이다. 이 구리합금은 미세한 Ni-Si계 금속간 화합물 입자가 석출되어 강도와 전도성이 우수하고, 리드프레임, 전자기기의 각종 단자, 커넥터 등의 재료로서 실용화되고 있다 (예컨대, 일본 특허출원 2000-18319호 참조).

Cu-Ni-Si 합금은 Ni-Si계 금속간 화합물 입자의 석출에 의해 강도와 전도성이 향상된다. 그러나, 일반적으로 합금의 강도와 전도율은 상반관계가 있어서, 강도가 높으면 전도성은 저하되고, 전도성이 높으면 강도는 저하된다. Cu-Ni-Si 합금의 경우, 첨가하는 Ni 및 Si 를 저농도로 하면 Ni-Si계 금속간 화합물 입자의 석출물을 형성하지 않는 고용원소가 적어져 충분한 전도성은 얻어지지만, 저농도이기 때문에 석출량은 적어져 강도가 불충분해진다. 한편, 고농도로 하면 석출량이 많아져 충분한 강도는 얻어지지만, Ni-Si계 금속간 화합물 입자의 석출물을 형성하지 않는 고용원소가 많아져 전도성이 불충분해지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 고강도 및 고전도성을 양립시킨 전자재료용 Cu-Ni-Si 합금을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 문제를 해결하기 위해 본 발명자들은 Cu-Ni-Si 합금의 연구를 거듭한 바, 고강도 및 고전도성을 양립시킨 Cu-Ni-Si 합금의 개발을 성공하였다.

즉, 본 발명은,

(1) Ni 를 1.0 ∼ 4.5 %, Si 를 0.25 ∼ 1.5 % 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 구리기 합금에서, Ni 와 Si 의 질량 농도를 [Ni], [Si] 로 표시한 경우 Ni 와 Si 의 [Ni]/[Si] 가 4 ∼ 6 이고 또한 식 1 에서 정의하는 χ가 0.1 ∼ 0.45 가 되는 [Ni], [Si] 인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고전도성을 양립시킨 Cu-Ni-Si 합금,

([Ni]-4χ)²([Si]-χ) = 1/8 ……( 식 1 )

(2) Mg 를 0.05 ∼ 0.3 % 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 에 기재된 Cu-Ni-Si 합금,

(3) Zn, Sn, Fe, Ti, Zr, Cr, Al, P, Mn, Ag 또는 Be 중 1 종 이상을 총량으로 0.005 ∼ 2.0 % 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 Cu-Ni-Si 합금이다.

발명의 실시형태

이하에서 본 발명에 있어서 구리합금의 조성범위를 상기와 같이 한정한 이유를 구체적으로 설명한다.

Ni 및 Si 농도

Ni 및 Si 는 시효처리를 통해 미세한 Ni₂Si 를 주로 한 금속간 화합물의 석출 입자를 형성하고, 합금의 강도가 현저히 증가하며, 전도성도 크게 향상된다. 단, Ni 농도가 1.0 % 미만인 경우, 또는 Si 농도가 0.25 % 미만인 경우에는 다른성분을 첨가해도 원하는 강도를 얻을 수 없다. 또한, Ni 농도가 4.5 % 를 초과하는 경우, 또는 Si 농도가 1.5 % 를 초과하는 경우에는 충분한 강도가 얻어지지만, 전도성이 낮아지고 나아가서는 강도의 향상에 기여하지 않는 조대한 Ni-Si계 입자 (정출물 및 석출물) 가 모상 내에 생성되어 굽힘 가공성, 에칭성 및 도금성의 저하를 초래한다. 따라서, Ni 농도를 1.0 ∼ 4.5 %, Si 농도를 0.25 ∼ 1.5 % 로 정하였다.

[Ni]/[Si] 질량 농도비

합금 중의 고용 Ni 량 및 고용 Si 량이 감소하면 전도율이 증가한다. Cu-Ni-Si 합금에 시효처리를 실시하면, Ni₂Si 가 석출되어 고용 Ni 량 및 고용 Si 량이 감소되어 전도율이 향상된다. 시효 후의 고용 Ni 량 및 고용 Si 량은 후술하는 용해도곱의 관계 (식 1) 에 따라 증감한다. 예컨대, 합금 중의 Ni 농도 및 Si 농도의 비 ([Ni]/[Si]) 가 증가하면, 고용 Ni 량이 증가하고 고용 Si 량이 감소한다. 한편, 전도율 저하에 대한 영향도를 비교하면, 고용 Si 쪽이 고용 Ni 량보다 매우 크다. 따라서, 최대의 전도율을 부여하는 [Ni]/[Si] 는 석출물 Ni₂Si 에서의 Ni/Si 비 (= 4.18) 와는 일치하지 않는다.

본 발명자들은 [Ni]/[Si] 와 송전률의 관계를 실험에 의해 검토하여, 큰 전도율을 얻기 위해서는 [Ni]/[Si] 를 4 ∼ 6 의 범위로 조정하는 것이 필요하고, 4.2 ∼ 4.7 의 범위로 조정하는 것이 가장 바람직함을 알아내었다. 이 조성은 Ni₂Si 의 조성에 비해 Ni 가 약간 과잉인 조성이다.

[Ni]/[Si] 가 4 미만에서는 고용 Si 량이 증가하므로, 전도율이 현저히 저하하고, 열처리시 재료 표면에 Si 산화막 생성이 쉬워져 납땜성 및 도금성 열화의 원인이 된다. 한편, [Ni]/[Si] 가 6 을 초과하면 고용 Ni 량이 증가하므로 원하는 전도율을 얻을 수 없다.

식 1 에 대해서

Cu-Ni-Si 합금은 Ni₂Si 입자가 석출됨에 따라 강도가 향상된다. 상기한 바와 같이, 전도율의 관점에서는 Ni₂Si 조성에 비해 Ni 량이 약간 과잉인 경향이 좋다. 이렇게 Ni 가 과잉인 경우, Ni₂Si 입자의 석출량은 Si 농도에 따라 결정된다는 것이 종래의 견해이었다. 즉, Ni 과잉 조성의 경우에는 시효 후의 강도가 Si 농도에 의해 결정된다고 생각되었다.

본 발명자들은 고전도율이 얻어지는 Ni 과잉 조성을 베이스로 하여 Ni 및 Si 농도와 강도의 관계에 대해서 연구를 거듭한 결과, 동일한 Si 농도에서도 [Ni]/[Si] 가 상이하면 크게는 수십 MPa 의 강도차가 발생하고, 또한 Si 농도와 강도에 반드시 상관관계가 존재하지 않음이 발견하였다. 바꾸어 말하면, Ni₂Si 의 석출량을 결정하는 파라미터는 Si 농도가 아님을 발견한 것이다.

그리고, 용해도곱의 개념에 의거하여 실험 데이터를 해석한 결과, Ni 및 Si 농도와 Ni₂Si 의 석출량의 관계에 대해서 이하의 실험식을 얻었다.

([Ni]-4χ)²([Si]-χ) = 1/8 ……( 식 1 )

여기에서, χ는 석출량을 나타내는 파라미터이다. 보다 구체적으로는 χ는 석출된 Si 농도에 상당하고, 4χ는 석출된 Ni 농도에 상당하다. 따라서, ([Ni]-4χ) 는 고용하고 있는 Ni 농도에 상당하고, ([Si]-χ) 는 고용된 Si 농도에 상당하다.

시효 후의 강도는 이 χ와 강한 상관관계를 나타낸다. 즉, χ를 적정한 값으로 조정함으로써 원하는 강도가 얻어지고, 이를 위해서는 식 1 을 사용하여 [Ni] 및 [Si] 를 적정한 값으로 하면 된다. 이상과 같이, χ라는 석출의 상태를 나타내는 파라미터를 도입하고, 용해도곱의 관계에 의거하여 Ni 와 Si 농도를 조정함으로써, 시효 후의 강도를 억제하는 기술은 본 발명에서 처음으로 발명된 것이다.

용해도곱의 값 (식 1 의 우변) 은 온도의 함수이다. 저온에서는 이 값은 작고, 즉 저온에서 시효처리를 실시하면 이론적으로는 석출물의 양이 많아지져 고강도이고 고전도율의 재료가 얻어지게 되지만, 이것은 어디까지나 평형 상태에서의 이론이다. 저온에서 금속 재료를 평형 상태까지 시효처리를 실시하기 위해서는, 무한에 가까운 시효 시간이 필요하다. 본 발명자들은 여러 가지 조성 및 석출 상태를 조사하여, 공업적인 시효처리에 대한 용해도곱의 적정값은 1/8 이고, 이 경우 χ의 값이 0.1 ∼ 0.45 라면 고강도, 고전도율의 재료가 공업적으로 안정되게 얻어짐을 알아내었다.

Mg 농도

Mg 는 응력 완화 특성을 큰 폭으로 개선하는 효과 및 열간 가공성을 개선하는 효과가 있지만, 0.05 % 미만에서는 그러한 효과가 얻어지지 않고, 0.3 % 를 초과하면 주조성 (주조표면 품질의 저하), 열간 가공성 및 도금 내열 박리성이 저하하기 때문에, Mg 의 농도를 0.05 ∼ 0.3 % 로 정한다.

Zn, Sn, Fe, Ti, Zr, Cr, Al, P, Mn, Ag 또는 Be

Zn, Sn, Fe, Ti, Zr, Cr, Al, P, Mn, Ag 또는 Be 는 Cu-Ni-Si 합금의 강도 및 내열성을 개선하는 작용을 한다. 또한, 이들 중 Zn 에는 땜납 접합의 내열성을 개선하는 효과도 있고, Fe 에는 조직을 미세화하는 효과도 있다. 또한, Ti, Zr, Al 및 Mn 은 열간 압연성을 개선하는 효과가 있다. 그 이유는 이들 원소가 황과의 친화성이 강하기 때문에 황과 화합물을 형성하여, 열간 압연 균열의 원인인 잉곳 입계에 대한 황의 편석을 경감시키기 때문이다. Zn, Sn, Fe, Ti, Zr, Cr, Al, P, Mn, Ag 또는 Be 의 농도가 총량으로 0.005 % 미만이면 상기의 효과는 얻어지지 않고, 총 함유량이 2.0 % 를 초과하면 전도성이 현저히 저하된다. 따라서, 이들 함유량을 총량으로 0.005 ∼ 2.0 % 로 정한다.

실시예

이하에서 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 대기 용해로로 표 1 의 각종 성분 조성의 구리합금을 용제하고, 두께 30 ㎜ 의 잉곳으로 주조하였다.

표 1

다음으로, 두께 9 ㎜ 까지 열간 압연을 실시하고, 표면 스케일 제거를 위해 면삭을 실시한 후, 냉간 압연에 의해 두께 1 ㎜ 의 판으로 만들었다. 그 후, 750 ℃ ∼ 850 ℃ 의 온도에서 용체화 처리를 실시한 후, 두께 0.4 ㎜ 까지 냉간 압연하였다. 그리고, 각 합금의 조성에 대해서, 인장 강도가 최대가 되는 온도에서 3 시간의 시효처리를 실시하였다. 이 온도는 400 ∼ 600 ℃ 이었다.또한, 냉간 압연으로 두께 0.25 ㎜ 의 판으로 만들었다. 최종 열처리 후 시료의 강도는 인장 시험기에 있어서 인장 강도에 의해 평가하였다. 전도성은 4단자법으로 전도율 (%IACS) 에 의해 평가하였다. 또한, [Ni]/[Si] 및 χ의 값이 청구항 1 의 범위 내를 ○, 범위 밖을 ×로 표시하여 평가하였다. 표 1 에 결과를 나타낸다.

표 1 에서 알 수 있듯이, 발명예 No. 1 ∼ 13 은 [Ni]/[Si] 및 χ의 값 모두가 청구항 1 의 범위내이다. 따라서, 발명예는 인장 강도 720 MPa 이상, 전도율 45 %IACS 이상으로, 고강도, 고전도성을 갖고 있다.

또한, 응력 완화 특성을 개선하기 위해 Mg 를 첨가한 발명예 No. 2, 4, 6, 7, 8 에서도 Mg 를 첨가하지 않은 것과 동일하게, 높은 강도와 전도율이 얻어지고 있다.

또한, Zn, Sn, Fe, Ti, Zr, Cr, Al, P, Mn, Ag 또는 Be 중 1 종 이상을 총량으로 0.005 ∼ 2.0 % 첨가한 발명예 No. 7 ∼ 13 은, 첨가되어 있지 않은 발명예 No. 1 ∼ 6 에 비해 전도성은 약간 떨어지지만 강도의 면에서는 우수하다.

한편, 비교예를 보면, No. 14 및 16 은 χ의 값이 0.45 보다 크기 때문에, 강도는 그다지 증가하지 않고 전도율이 작아졌다. 이것은 강도에 기여하지 않는 조대한 Ni-Si계 입자 (정출물 및 석출물) 가 생성되기 때문이다. No. 15 는 큰 전도율을 나타냈지만, 석출량을 의미하는 χ의 값이 작기 때문에 강도가 작아졌다. No. 17 은 [Ni]/[Si] 가 작고, Si 과잉이 되어 전도율이 작아졌다. No. 18 은 [Ni]/[Si] 가 크고 고용 Ni 가 많아 전도율이 작아졌다. No. 19 는χ의 값이 크고 또한 [Ni]/[Si] 가 작기 때문에 전도율이 현저히 작아졌다.

No. 20 은 Mg 의 첨가량이 너무 많기 때문에, 열간 압연에서의 가공성이 나쁘고 균열이 발생하여, 후공정을 진행할 수 없었다.

No. 21 ∼ 23 에서는 Zn, Sn, Fe, Ti, Zr, Cr, Al, P, Mn, Ag 또는 Be 중 1 종 이상의 원소가 첨가되었을 때의 총량이 2.0 % 를 초과하기 때문에, 전도율이 현저하게 나빴다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 합금은 우수한 강도와 전도성을 갖고 있어 리드프레임, 단자, 커넥터 등의 전자재료용 구리합금으로서 바람직하다.

Claims

Ni 를 1.0 ∼ 4.5 질량% (이하 % 로 함), Si 를 0.25 ∼ 1.5 % 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지는 구리기(基) 합금에 있어서, Ni 와 Si 의 질량 농도를 [Ni], [Si] 로 표시한 경우 Ni 와 Si 의 질량 농도비 (이하, [Ni]/[Si] 로 함) 가 4 ∼ 6 이고 또한 식 1 에서 정의하는 χ가 0.1 ∼ 0.45 가 되는 [Ni], [Si] 인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고전도성을 양립시킨 Cu-Ni-Si 합금.

([Ni]-4χ)²([Si]-χ) = 1/8 ……( 식 1 )
제 1 항에 있어서, Mg 를 0.05 ∼ 0.3 % 함유하는 것을 특징으로 하는 Cu-Ni-Si 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Zn, Sn, Fe, Ti, Zr, Cr, Al, P, Mn, Ag 또는 Be 중 1 종 이상을 총량으로 0.005 ∼ 2.0 % 함유하는 것을 특징으로 하는 Cu-Ni-Si 합금.