KR20210011951A - 전기 콘택을 제조하기 위한 구리 스트립 그리고 구리 스트립 및 커넥터를 생산하기 위한 프로세스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구리 또는 구리 합금의 기본 재료(2) 및 주석의 코팅(3, 4)을 갖는, 전기 콘택을 제조하기 위한 구리 스트립(1)에 관한 것으로서, 주석의 코팅(3, 4)은 0.003 내지 1.0 중량%, 바람직하게 0.5 중량% 이하, 바람직하게 0.05 중량% 이하, 특히 바람직하게 0.01 중량% 이하의 불용성 석출-형성 요소의 비율을 갖는다. 본 발명은 또한 전기 콘택 및 커넥터의 제조를 위해서 구리 스트립(1)을 생산하는 프로세스에 관한 것이다.
Description
본 발명은 제1항의 일반적인 용어의 특성을 가지는 주석 코팅을 갖는 전기 콘택을 제조하기 위한 구리 스트립, 그리고 제10항 일반적인 용어의 특성을 가지는 구리 스트립 및 제14항의 일반적인 용어의 특성을 가지는 커넥터를 생산하기 위한 프로세스에 관한 것이다.
구리 스트립은 플러그 콘택 연결부 내의 전기 콘택을 생산하기 위해서 이용된다. 상기 플러그 콘택 연결부는, 자동자 전기기기, 원격통신 또는 산업용 플랜트 전자기기에서와 같은, 다양한 적용 분야에서 이용된다. 플러그 콘택 연결부 내의 전기 콘택은 전기 전도적 연결을 실현하기 위한 그리고 그에 따라 플러그 콘택 연결부의 필수 구성요소를 형성하기 위한 역할을 한다. 이러한 이유로, 전기 콘택에는 미리 결정된 수명까지의 그리고 상이한 온도, 습도 및 부하 조건 하에서 미리 결정된 수의 플러깅 사이클(plugging cycle) 이후의 전기 연결의 신뢰성과 관련된 엄격한 요건이 적용된다. 또한, 차량 제조자는 특히, 커넥터의 삽입력이 특정 최대 값을 초과하지 않을 것을 요구한다.
구리 스트립 및 구리 스트립으로 제조된 전기 콘택은, 기본 재료로서, 특히 양호한 전기 전도도로 인해서 유리한 것으로 입증된, 구리 또는 구리 합금으로 제조된다. 부식 및 마모로부터의 보호뿐만 아니라 접촉 저항을 낮추기 위해서 그리고 삽입력을 감소시키기 위해서, 주석 코팅을 갖는 전기 콘택을 제공하는 것이 유리한 것으로 또한 입증되었고, 상기 주석 코팅은, 예를 들어, 구리 스트립을 침지 주석 도금(dip tinning)하는 것에 의해서 달성될 수 있다.
이어서, 전기 콘택이 일반적으로 미리 제조된, 코팅된 구리 스트립으로부터 펀칭되고, 냉간 형성 프로세스에서 다수의 형성 툴 내에서 미리 결정된 형상으로 형성된다.
일반적인, 심지어 가혹한 조건 하의, 전기 콘택의 서비스 수명 및 기능에 관한 차량 제조자의 엄격한 요건으로 인해서, 코팅의 내온성, 내완화성(relaxation resistance), 내식성 및 접착 강도와 관련된 요건을 만족시키는 것이 문제가 될 수 있다. 여기에서 코팅의 접착 강도가 특히 중요한데, 이는, 전기 전도적 연결을 위해서 필요한 접촉 면적이 코팅의 분리(박리)에 의해서 감소되거나, 심지어 완전히 단절되기 때문이다. 코팅 박리는 구리 기본 재료와 주석 코팅 사이의 확산 프로세스 및 그에 의해서 생성되는 커켄달 기공(Kirkendall pore)에 의해서 심화되거나 유발될 수 있다.
상기 코팅된 금속 또는 심지어 구리 스트립이, 예를 들어, 공보 EP 1 288 321 B1, EP 1 158 618 B1 및 EP 1 157 820 B1으로부터 알려져 있다.
상기 구리 스트립의 코팅의 접착 강도를 개선하기 위해서, 다양한 합금화 원소가, 기본 재료로 지칭되는 구리에 첨가되며, 상기 원소는, Cu6Sn5 상 또는 η 상으로부터의, 용해의 원인이 되는 Cu3Sn 상 또는 ε 상의 형성이 감소되도록 하는 범위까지, 구리와 코팅 사이의 금속간 상에서의 확산 거동에 영향을 미친다.
그러나, 이러한 해결책의 단점은, 기본 재료의 변경으로 인해서, 극단적인 경우에 기본 재료에 대한 기존 재료 표준을 만족시킬 수 없다는 것이다. 또한, 전기 전도도와 같은 기본 재료의 특성이 부정적인 영향을 받을 수 있다. 또한, 이러한 해결책은, 기본 재료로서 예를 들어 Cu-ETP 또는 Cu-OFE와 같은 순수 구리가 이용될 때에는 사용될 수 없다.
이러한 배경에 대해서, 본 발명은, 코팅의 개선되고 특히 영구적인 접착 강도를 가져야 하고 또한 저비용으로 생산될 수 있는, 주석 코팅과의 전기 콘택을 생성하기 위한 구리 스트립을 제공하는 것과 관련된 과제를 기초로 한다. 또한, 본 발명은, 개선되고 영구적인 접착 강도의 코팅을 갖는 구리 스트립을 생산하기 위한 프로세스를 제공하는 과제를 기초로 한다. 또한, 본 발명은 상기 구리 스트립으로 제조된 개선된 커넥터를 제공하는 과제를 기초로 한다.
문제를 해결하기 위해서, 제1항의 특징을 갖는 구리 스트립이 제시된다. 부가적인 바람직하게 추가적인 개선을 종속항, 도면 및 상응 설명으로부터 확인할 수 있을 것이다.
본 발명에 따라, 구리 또는 구리 합금의 기본 재료 및 주석의 코팅을 갖는, 전기 콘택을 생산하기 위한 구리 스트립이 문제의 해결을 위해서 제시되고, 주석의 코팅은 0.003 내지 1.0 중량%, 바람직하게 0.5 중량% 이하, 바람직하게 0.05 중량% 이하, 특히 바람직하게 0.01 중량% 이하의 불용성 석출-형성 원소의 비율을 갖는다.
제시된 해결책의 장점은, 첫 번째로, 불용성의 석출-형성 원소가 코팅 또는 주석 층 내에 의도적으로 포함된다는 것, 그리고 종래 기술에서의 경우와 같이 기본 재료에는 포함되지 않는다는 것이다. 코팅 또는 주석 층이 기본 재료보다 상당히 얇기 때문에, 기본 재료에 첨가될 때 요구되는 것보다 상당히 더 적은 양의 불용성의 석출-형성 원소가 희망 효과를 충분히 생성한다. 상기 접착 강도의 개선의 효과는, 불용성의 석출-형성 원소가 주석 또는 심지어 주석 자체의 석출물과 함께 금속간 상을 의도적으로 형성한다는 사실을 기초로 하고, 상기 금속간 상의 형성은 Cu3Sn 상(ε 상)의 형성을 감소시키거나 억제한다. 이러한 효과는 소위 커켄달 기공의 형성 위험을 낮추고, 그에 따라 박리 현상을 감소시키고 기부 재료에 대한 코팅의 접착 강도를 개선한다. 불용성의 석출-형성 원소가 코팅 또는 주석 층 내에 의도적으로 제공되기 때문에, 이러한 원소에 의해서 의도적으로 유도되는 효과가 특히 기부 재료와 코팅 사이의 경계 층의 영역 내에서 그리고 그에 근접하여 발생되고, 이는 접착 강도에서 특히 중요하며, 상기 원소들은 특히 결과적인 효과를 달성하기 위해서 특히 잘 이용된다. 따라서, 코팅은 기본 재료로부터의 그 자체적인 탈착도 실질적으로 방지한다. 추가적인 장점은, 본 발명에 따른 해결책에서, 기본 재료, 즉 구리 또는 구리 합금이 변경될 필요가 없다는 것이다. 실질적으로, 전기 전도도의 요건을 만족시키는 한, 특별한 원소를 첨가하지 않고도, 모든 구리 또는 구리 합금이 이용될 수 있다. 또한, 구리 합금은 첨가되는 원소에 의해서 변화되지 않고, 그에 따라 그 전기적 또는 기술적 특성과 관련하여 부정적으로 영향을 받지 않는다.
석출-형성 원소가 이하의 원소 중 하나 이상에 의해서 형성되는 것이 더 제안된다: 각각 0.003 내지 0.5의 중량% 비율의 은, 게르마늄, 니켈, 코발트. 은(Ag)은 주석(Sn) 내에서 매우 적은 양으로도 용해될 수 없고, 주석과 함께 금속간 상 Ag3Sn을 형성하고, 이는 Cu3Sn 상의 형성을 방지한다. 유사한 효과가 또한, 유사한 금속간 상 또는 석출물을 형성하는, 그리고 이들이 다시 Cu3Sn 상의 형성을 방지하는, 게르마늄(Ge), 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 이용에 의해서 달성될 수 있다. 은과 같은 원소가 매우 고가이기 때문에, 상기 원소가 의도적으로 코팅 내에만 제공되고 기본 재료에는 제공되지 않는다는 것은 특별한 장점이 된다. 구리 스트립의 코팅은 기본 재료보다 훨씬 적은 부피를 가지며, 그에 따라, 희망 효과를 달성하는데 있어서, 원소가 기본 재료에서 사용되는 경우에 필요한 것 보다, 훨씬 더 적은 양의 첨가 원소가 필요하다. 그에 따라, 구리 스트립의 생산비가 상당히 절감될 수 있다. 제시된 원소의 몇몇이 제공되는 경우에, 개별적인 원소의 중량 비율들의 합이 제1항에서 제시된 한계 값을 초과하지 않거나 그 미만이 되지 않아야 한다.
불용성의 석출-형성 원소인 은이, Ag3Sn 상의 형태로 0.08 내지 0.5 중량%의 비율로, 코팅 내에 존재하는 것이 더 제시된다. 불용성의 석출-형성 원소로서의 은이 특히 바람직한 것으로 입증되었는데, 이는 은이 Ag3Sn 상을 형성하고, 이는 Cu6Sn5 상으로부터의 구리의 확산을 방지하고 그에 따라 바람직하지 않은 Cu3Sn 상의 형성을 특히 양호하게 방지하기 때문이다. 특히, 금속간 상 영역 내에서의 구리 및 주석의 확산이 영향을 받고, 그에 따라 바람직하지 않은 Cu3Sn 상의 형성이 방지된다. 제시된 은의 비율은, 유효성과 관련하여, 그리고 동시에 고가의 은의 양을 가능한 한 적게 유지하는데 있어서 특히 효과적인 것으로 입증되었다. 은-함유 Ag3Sn 상은 Cu6Sn5 입자의 영역 내에서 또는 그 주위에서 우선적으로 형성되고, 그에 따라 Cu3Sn 상의 성장을 방지하고 그에 따라 커켄달 기공의 형성 위험을 특히 효과적으로 방지한다.
Ag3Sn 상은 코팅 내에서 바람직하게, 평균 면적 값이 0.01 내지 0.03 ㎛2, 바람직하게 0.0140 내지 0.0180 ㎛2인 입자로 존재하고, 이는 Cu3Sn 성장을 방지하기에 충분한 것으로 입증되었다. 이러한 면적 값은, 코팅 내의 은의 양을 측정하는 것에 의해서 그리고 구리 스트립의 냉각 방법을 선택하는 것에 의해서 조정될 수 있다. Ag3Sn 상은 침상 형태 또는 판상 형태로 미세조직 내에 존재할 수 있고, 평균 면적 값은 미세조직 내의 Ag3Sn 상의 폐쇄된 섹션(closed section)에서 유효하다.
또한, 코팅 내의 Ag3Sn 상은 바람직하게 0.2 내지 0.8 ㎛, 바람직하게 0.4 내지 0.6 ㎛의 평균값 원주(average circumference)를 갖는 입자 크기로 존재하고, 이는 Cu3Sn 성장을 방지하는데 있어서 충분한 것으로 입증되었다. 이러한 원주 값은 또한, 코팅 내의 은의 양을 측정하는 것에 의해서 그리고 구리 스트립의 냉각 형태를 선택하는 것에 의해서 조정될 수 있다. 평균 면적 값에서와 같이, Ag3Sn 상은 판상 조직뿐만 아니라 침상 조직으로 존재할 수 있다. 이러한 경우에, 또한, Ag3Sn 상은 폐쇄된 섹션 내에서 침상 조직으로 또는 판상 조직으로 존재하고, 제시된 둘레 값은 조직 내의 침상 또는 판상의 평균화된 원주 값이다.
코팅 내에서 및/또는 기부 재료에 인접한 코팅의 경계 층 내에서, 구리의 일부가 Cu6Sn5 상 내에 존재하는 것 그리고 Ag3Sn 상이 Cu6Sn5 상을 둘러싸는 것이 더 제시된다. 그에 따라, Cu6Sn5 상은, Ag3Sn 상에 의해서, 경계 층의 외부로 확산되는 구리로부터 격리되며, 그에 따라 커켄달 기공에 기여하는 Cu3Sn 상의 형성이 특히 양호하게 방지될 수 있다.
석출-형성 원소가 이하의 원소 중 하나 이상에 의해서 형성되는 것이 더 제안된다: 각각 0.02 내지 1.0의 중량% 비율의 안티몬 또는 비스무트. 제시된 원소의 몇몇이 제공되는 경우에, 개별적인 원소의 중량 백분율의 합이 제1항에서 제시된 한계를 초과하지 않거나 그 미만이 되지 않아야 한다. 제시된 중량 백분율 내에서 비스무트 및 안티몬을 이용하는 것에 의해서, 은, 게르마늄, 코발트 및 니켈의 이용에 의해서 달성되는 효과와 유사한 효과가 달성될 수 있으나, 또한 설명된 상기 원소들의 조합을 물론 생각할 수 있다.
구리 합금은, 재료 표준에 의해서 허용되는 원소 첨가를 벗어나는 구리의 상호 확산(interdiffusion)에 영향을 미치는 임의의 다른 원소 첨가를 가지지 않으며, 그에 따라 달성되는 효과는 코팅만을 기초로 한다. 또한, 전류 운반 용량 및 전기 전도도와 관련된 구리 합금의 긍정적인 특성은 일반적으로 부정적인 영향을 받지 않는다.
코팅이 기본 재료보다 더 큰 경도를 가지는 것이 더 제안된다. 코팅의 큰 경도로 인해서, 구리 스트립은 외부의 기계적 영향에 대해서 그리고 특히 침식 및 마모에 대해서 더 내성을 갖는다. 더 큰 경도의 형성은 여기에서 불용성의 석출-형성 원소의 첨가에 의해서 지원되고, 그에 따라 이러한 원소의 첨가는 커켄달 기공의 형성을 감소시키는 장점을 가질뿐만 아니라, 기계적 특성의 개선이라는 장점을 갖는다. 더 큰 경도는 석출-형성 원소의 첨가뿐만 아니라 특정 온도에서의 그리고 특정 기간에 걸친 구리 스트립의 시효 처리에 의해서 지원될 수 있다. 상기 시효 처리 프로세스는, 예를 들어, 80 내지 150 ℃, 바람직하게 130 ℃에서 500 내지 1500 시간, 바람직하게 1000 시간의 기간에 걸쳐 이루어질 수 있다. 상기 시효 처리 프로세스는, 코팅 내에 자유 Sn이 더 이상 존재하지 않는 범위까지, Cu-Sn 상이 성장될 수 있게 한다. Ag3Sn 상의 존재에 의해서 유발되는, 시효 처리 중의 이러한 미세조직 변태는 초기 상태에 비해서 코팅의 경도를 의도적으로 증가시키고, 그에 따라 코팅의 경도는 그 이후에 기본 재료의 경도보다 높아진다. 미세조직 변태는, 온도 및 시간에 의해서 유발되는, 확산 프로세스 형태의 금속간 상의 성장을 포함한다. 더 큰 경도로의 미세조직 변태는 또한 Ag3Sn 상이 존재하지 않는 상태에서 이루어질 수 있으나, Ag3Sn 상에 의해서 촉진될 수 있고, 그에 따라 Ag3Sn의 존재는 또한 유리하게 더 큰 경도의 형성에 바람직한 영향을 미친다. 시효 처리 및 미세조직 변태는 전술한 제어된 조건 하에서뿐만 아니라, 구리 스트립을 먼 거리에 걸쳐 운송하는 것에 의해서, 예를 들어 선적에 의해서 운반하는 것에 의해서, 또는 비교적 긴 기간 동안, 프로세스된 형태의 구리 스트립을 커넥터로서 이용하는 것에 의해서 이루어질 수 있다. 미세조직 변태에서 중요한 것은, 단지, 구리 스트립의 코팅 내의 또는 그러한 것으로 제조된 제품 내의 미세조직이 열 처리에서 변태되고, 상기 열 처리는 또한 충분히 긴 냉각 단계(cooling phase)에서 실현될 수 있다는 것, 그리고 더 큰 경도가 달성되는 것이다. 제어된 조건 하의 또는 단순한 사용에 의한 시효 처리 또는 냉각은 열적으로 유도된 조직의 변태를 나타내고, 이는 더 큰 경도를 유발한다. 어떠한 경우에도, 후속되는 큰 경도는 구리 스트립 및 그로부터 제조되는 제품의 내구성 증가라는 장점을 갖는다.
또한, 구리 합금으로 제조된 기본 재료 및 주석의 코팅을 갖는, 전기 콘택의 제조를 위한 구리 스트립의 생산을 위한 프로세스가 과제의 해결을 위해서 제시되며, 여기에서 주석의 코팅이 침지 프로세스 및/또는 전기도금 프로세스에서 기본 재료에 도포되고, 불용성의 석출-형성 원소의 비율은 0.003 내지 1.0 중량%, 바람직하게 0.5 중량% 이하, 바람직하게 0.05 중량% 이하, 특히 바람직하게 0.01 중량% 이하이다. 제시된 프로세스에서, 개선된 접착성을 가지고, 구리 합금을 변경할 필요가 없이, 임의의 구리 합금이 주석 코팅으로 코팅될 수 있다. 코팅의 접착 강도의 개선은 코팅 자체만에 의해서 달성된다. 침지 프로세스 및 전기 도금 프로세스 모두는, 미리 결정된 최소 두께로 코팅을 균일하게, 큰 면적에 걸쳐 그리고 비용 효과적으로 도포하는데 있어서 적합하다. 가능한 침지 프로세스는, 예를 들어, 용융-침지 주석 도금 프로세스(hot-dip tinning process)이고, 여기에서 코팅은 코팅 프로세스 중에 액체이고, 이어서 희망하는 미세조직이 냉각 중에 자동적으로 형성된다.
불용성의 석출-형성 원소가 전기 도금 프로세스의 제1 단계에서 기본 재료 상으로 침착되는(deposited) 것, 그리고 주석 코팅이 침지 프로세스에 의해서 제2 단계에서 도포되는 것이 더 제시된다. 실제 주석 코팅이 침지 프로세스에서 도포되기 전에, 주석 내에서 용해되지 않는 석출-형성 원소가 먼저 매우 얇은 코팅으로, 구리 합금에 의해서 형성된 구리 스트립 또는 기본 재료에 도포된다. 접착 강도를 개선시키는 원소 또는 주석과 관련하여 상기 원소에 의해서 형성된 원소의 상이 그에 따라 구리 합금과 주석 사이에 직접 형성되고, 그에 따라, 구리 합금에 대한 코팅의 연결 영역 내에서, Cu3Sn 상의 형성에 필요한 구리의 확산이 직접적으로 방지되거나 차단된다. 불용성의 석출-형성 원소를 이용한 구리 합금의 갈바닉 코팅(galvanized coating)은, 주석과 함께, 중간 상을 형성하고, 이는 구리에 대한 장벽 층으로서의 역할을 한다. 그에 더하여, 중간 층이 비스무트 재료와 코팅 사이에 또한 제공될 수 있다. 중간 층이 구리로 제조되거나 구리를 포함하는 경우에, 금속간 층은 또한 하위 구리(undercopper)로 지칭될 수 있다.
주석 코팅이 전기 도금에 의해서 도포되는 것 그리고 이어서 도포 후에 리플로우 처리(reflow treatment)를 실시하는 것이 또한 제안된다. 리플로우 처리에서, 코팅의 주석이 짧은 기간 동안 재-용융된다. 이러한 방식으로, 코팅 내에서, 긴 단결정(위스커(whisker))과 같은, 바람직하지 못한 미세조직이 형성되는 것이, 재결정에 의해서 추후에 개선될 수 있다.
또한, 구리 스트립이 공기 중에 시효 처리되는 것이 제안된다. 공기 중의 구리 스트립의 시효 처리 및 연관된 냉각은, 후속되는 구리의 확산을 특히 효과적으로 방지하는 입자 크기 또는 미세조직 형태의, Cu3Sn 상의 방지에 필요한 석출-형성 원소의 상의 형성을 초래한다. 공기 중의 시효 처리에 의해서, 냉각 프로세스는 상당히 긴 기간에 걸쳐 이루어지고, 이는 바람직한 Ag3Sn 상의 형성에 특히 유리하다.
또한, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 구리 스트립 또는 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 프로세스에 의해서 생산된 구리 스트립으로 제조된 커넥터가 과제 해결을 위해서 제시된다. 커넥터는 코팅된 구리 스트립으로부터 펀칭되고, 다수의 성형 툴을 이용하여 복잡하고 미리 결정된 기하형태로 굽혀진다.
이하에서, 첨부 도면을 참조한 바람직한 실시 형태를 기초로 본 발명을 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 주석 코팅을 갖는 구리 스트립을 통한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 합금에 의해서 형성된 코팅의 미세조직의 절취부의 확대도이다.
도 3은 상이한 냉각 프로세스들 이후의 경계 층 부근의 그리고 경계 층으로부터 소정 거리의 상이한 미세조직들을 도시한다.
도 2는 본 발명의 합금에 의해서 형성된 코팅의 미세조직의 절취부의 확대도이다.
도 3은 상이한 냉각 프로세스들 이후의 경계 층 부근의 그리고 경계 층으로부터 소정 거리의 상이한 미세조직들을 도시한다.
도 1은 단면도의 양 측면에서 주석(Sn) 코팅(3, 4)을 갖는 전기 콘택의 제조를 위한 본 발명에 따른 구리 스트립(1)의 절취부를 도시한다. 구리 스트립(1)은 알려진 구리 합금으로 제조된 기본 재료(2)를 가지며, 상기 구리 합금은 본 발명에 따른 해결책의 실현을 위해서 어떠한 특별한 요건을 만족시킬 필요가 없고, 특히 변경될 필요도 없다.
기본 재료(2)는 침지 프로세스에서 주석(Sn)의 얇은 층으로 이루어진 코팅(3, 4)으로 양 측면 상에서 코팅된다. 이러한 주석은 본 발명에 의해서 제안되는 은의 비율을 포함한다. 은은 주석 내에서 매우 적은 양으로도 용해되지 않는 원소이고, 그에 따라 의도적으로 석출물, 본 경우에 금속간 중간 상인 Ag3Sn를 형성한다. 금속간 중간 상은 침지 프로세스에서 주석을 도포하는 동안, 주석이 기본 재료 상에서 응고될 때, 형성된다. 아울러, 입자 크기 및 형상이 또한, 예를 들어 열 처리에 의해서, 추후에 영향을 받을 수 있다. 주석에 대한 은의 비율이 1.0 중량% 미만, 바람직하게 0.5 중량% 미만이 되도록, 은 대 주석의 양의 비율이 결정된다. 비용적인 이유로, 고가의 은의 중량 백분율이 0.1 중량% 미만 또는 심지어 0.05 중량% 미만, 바람직하게 0.01 중량% 미만까지 더 감소될 수 있다. 주석 코팅 내의 이러한 매우 적은 양의 은도 중간 상인 Ag3Sn를 충분히 형성하고, 상기 중간 상은 구리의 확산을 방지하고 그에 따라 Cu3Sn 상의 형성을 방지하며, 따라서 커켄달 기공의 방지로 인해서 접착 강도를 증가시킨다.
안티몬(Sb), 게르마늄(Ge), 니켈(Ni), 비스무트(Bi) 및 코발트(Co)가 또한 대안적인 불용성의 석출-형성 원소로서 고려될 수 있다. 불용성 및 석출-형성이라는 용어는 코팅 내의 석출물 생성 특성을 설명하기 위해서 사용되며, 상기 석출물은 원소와 주석이 함께하는 금속간 중간 상에 의해서 또는 원소 자체의 석출에 의해서 형성될 수 있다. 이러한 석출물은 확산을 방지하는 그리고 결과적으로 Cu3Sn 상이 형성되는 것을 방지하는 역할을 하고, 상기 Cu3Sn 상은 커켄달 기공의 형성에 기여하며, 그에 따라 첨가된 원소는 커켄달 기공의 형성을 감소시키고 접착 강도를 증가시킨다.
석출-형성되는, 불용성 원소인 은은 침지 프로세스에 의해서, 바람직하게 용융-침지 주석 도금 프로세스에 의해서 기본 재료(2)에 도포되었다. 그러나, 은 및 주석을 하나의 단계에서 또는 2개의 단계에서, 각각 전기 도금 프로세스에서 및/또는 침지 프로세스 및 전기 도금 프로세스의 조합에서 도포하는 것을 생각할 수 있다.
이러한 경우에, 코팅(3, 4)은 부가적으로 리플로우 프로세스에서 짧은 시간 동안 재-용융될 수 있고, 그에 의해서 바람직하지 못한 조직적 특성이 제거될 수 있다.
도 2는 주석-기반의 코팅의 확대된 미세조직을 도시하고, 상기 코팅은 은을 코팅(3, 4) 내에서 0.08 내지 0.5 중량%의 비율로 첨가하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 은의 첨가로 인해서, Ag3Sn 상(6)이 코팅(3, 4) 내에 그리고 특히 기본 재료(2)에 대한 경계 층(5) 내에 형성되고, 이는 도 3에서 확인될 수 있고, 상기 Ag3Sn 상은 바람직하게 Cu6Sn5 상(5)의 주위에 자체적으로 형성된다. 따라서, Ag3Sn 상(6)은 Cu6Sn5 상(5)과 주석(7) 사이에서 일종의 장벽 또는 차단 층을 형성하고, 이는, 커켄달 기공을 유발하는 Cu3Sn 상의 형성을 방지하거나 적어도 차단한다.
Ag3Sn 상(6)은, 제시된 비율 범위 내의 첨가에 의해서, 평균 면적 범위가 0.01 내지 0.03 ㎛2, 바람직하게 0.0140 내지 0.0180 ㎛2이고 평균값 원주가 0.2 내지 0.8 ㎛, 바람직하게 0.4 내지 0.6 ㎛인 입자 크기를 갖는 입자를 형성하고, 상기 입자 크기는 Ag3Sn 상을 방지하는데 있어서 그리고 동시에 은의 양을 가능한 한 적게 유지하는데 있어서 최적이다. Ag3Sn 상(6)은 Cu6Sn5 상(5)에 근접한 지역 내에서 Cu3Sn 상을 형성하는데 필요한 구리의 확산을 방지하고, 그에 따라 Cu3Sn 상의 형성이 방지된다. 상기 목적을 위해서 Cu6Sn5 상(5)이 Ag3Sn 상(6)에 의해서 완전히 둘러싸이는 것이 반드시 달성될 필요는 없다. Cu6Sn5 상(5)의 하나의 입자가 Ag3Sn 상(6)에 의해서 둘러싸이지 않는 것이 또한 불리한 것이 아니다.
도 3은 Cu6Sn5 상(5) 및 Ag3Sn 상(6)의 상이한 미세조직들을 도시하고, 상기 미세조직은 상부의 2개의 도면에서 물을 이용한 냉각에 의해서 형성되었고, 중간의 도면들에서 공기 중의 냉각에 의해서 형성되었으며, 하부 도면에서 퍼니스(furnace) 내의 냉각에 의해서 형성되었다. 좌측 이미지들에서, 미세조직은 Cu6Sn5 상(5)(미도시)으로부터 소정 거리에서 확인될 수 있는 반면, 우측 이미지에서는 Cu6Sn5 상(5)에 인접한 미세조직이 확인될 수 있다.
상부 도면에서, Ag3Sn 상(6)이 물에 의한 급냉 또는 시효 처리 중에 주석의 나머지 부분(7) 사이에서 입자 조직으로 형성되고, 그에 의해서 Cu6Sn5 상(5) 부근의 미세조직이 보다 더 미세하다는 것이 확인될 수 있다. 중간 도면에서, 미세조직은 공기 중의 구리 스트립(1)의 시효 처리 후에 확인될 수 있고, 여기에서 주석의 나머지 부분(7)은, 더 긴 냉각 단계로 인해서, 더 조대한 입자로 성장하였고, Ag3Sn 상(6)은 나머지 부분(7)의 주석 사이에서 미세한 침상 조직으로 배열된다. 중간의 우측 도면에서 확인될 수 있는 바와 같이, Ag3Sn 상(6)의 침상 조직은 Cu6Sn5 상(5)의 부근에서 더 현저하다. 하부 도면에서, Ag3Sn 상(6)이 또한 퍼니스 내의, 즉 더 긴 냉각 시간을 이용한 시효 처리 중에 더 현저한 침상 조직으로 성장된다는 것, 그리고 Ag3Sn 상(6)이 또한 더 현저한 침상 조직으로 성장된다는 것을 확인할 수 있다.
미세조직은, Ag3Sn 상(6)의 희망하는 침상-유사 형태 및 Ag3Sn 상(6)에 의한 Cu6Sn5 상(5)의 충분한 포위(encapsulation)가 공기 중의 시효 처리에 의해서 달성될 수 있다는 것을 보여준다. 또한, 공기 중의 시효 처리가 시효 처리 중에서 가장 비용 효과적인 방법이기 때문에, 공기 중의 시효 처리는 이러한 목적을 위해서 바람직한 방법이다.
여기에서, 경계 층은 Cu6Sn5 상(5)의 층에 의해서 형성되고, 10 내지 100 ㎛의 두께를 갖는다. 은의 양에 따라, 이러한 경계 층은 더 두껍거나 얇을 수 있고, 경계 층은 부가적인 Ag3Sn 상(6)의 입자를 포함할 수 있다.
불용성의 석출-형성 원소를 첨가하는 것과 관련된 다른 긍정적인 효과는 열 처리 또는 시효 처리 후에 코팅(3, 4)의 경도가 증가된다는 것 그리고 이상적으로 기본 재료(2)의 경도보다 크다는 것이다. 은이 불용성의 석출-형성 원소로서 첨가되는 경우에, 전술한 원리에 따른 시효 처리 중에 Ag3Sn 상(6)이 형성되고 그에 따라 경도 증가를 초래한다. 바람직하게, 희망하는 효과 및 미세조직의 형성을 달성하기 위해서, 시효 처리는 500 내지 1500 시간의 기간에 걸쳐 80 내지 150 ℃의 온도 범위에서 실행된다.
Claims (14)
- - 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 기본 재료(2), 및
- 주석의 코팅(3, 4)을 갖는,
전기 콘택을 제조하기 위한 구리 스트립(1)으로서,
- 상기 주석의 코팅(3, 4)은 0.003 내지 1.0 중량%, 바람직하게 0.5 중량% 이하, 바람직하게 0.05 중량% 이하, 특히 바람직하게 0.01 중량% 이하의 불용성의 석출-형성 원소의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 구리 스트립(1). - 제1항에 있어서,
- 상기 불용성의 석출-형성 원소는, 각각 0.003 내지 0.5 중량% 비율의, 이하의 원소:
은, 게르마늄, 니켈, 코발트 중 하나 이상에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 구리 스트립(1). - 제1항에 있어서,
- 상기 불용성의 석출-형성 원소인 은이, Ag3Sn 상(6)의 형태로 0.08 내지 0.5 중량%의 비율로 상기 코팅(3, 4) 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 구리 스트립(1). - 제3항에 있어서,
- 상기 Ag3Sn 상(6)은 0.01 내지 0.03 ㎛2, 바람직하게 0.0140 내지 0.0180 ㎛2의 평균 면적 값을 갖는 입자 크기로 상기 코팅(3, 4) 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 구리 스트립(1). - 제3항 또는 제4항에 있어서,
- 상기 Ag3Sn 상(6)은 0.2 내지 0.8 ㎛, 바람직하게 0.4 내지 0.6 ㎛의 평균값 원주를 갖는 입자 크기로 상기 코팅(3, 4) 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 구리 스트립(1). - 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 코팅(3, 4) 및/또는 상기 기본 재료(2) 내에서, 상기 구리의 일부가 Cu6Sn5 상(5)으로 존재하고, 상기 Ag3Sn 상(6)은 상기 Cu6Sn5 상(5)의 지역 내에 존재하거나 상기 Cu6Sn5 상(5)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 구리 스트립(1). - 제6항에 있어서,
- 상기 Cu6Sn5 상(5)은, 상기 기본 재료(2)와 상기 코팅(2, 3) 사이의 경계 층 내에서 Ag3Sn 상(6)에 인접하여 또는 경계 층에 인접하여 배열되는 것을 특징으로 하는 구리 스트립(1). - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 불용성의 석출-형성 원소는, 각각 0.02 내지 1.0 중량% 비율의, 이하의 원소:
안티몬 또는 비스무트 중 하나 이상에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 구리 스트립(1). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 코팅(3, 4)이 상기 기본 재료(2)보다 큰 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 구리 스트립(1). - - 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 기본 재료(2), 및
- 주석의 코팅(3, 4)을 갖는,
전기 콘택을 제조하기 위한 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 구리 스트립(1)을 생산하기 위한 방법으로서,
- 상기 주석의 코팅(3, 4)은, 침지 프로세스 및/또는 전기 도금 프로세스에서, 0.003 내지 1.0 중량%, 바람직하게 0.5 중량% 이하, 바람직하게 0.05 중량% 이하, 특히 바람직하게 0.01 중량% 이하의 불용성의 석출-형성 원소의 비율로 상기 기본 재료(2)에 도포되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제10항에 있어서,
- 상기 불용성의 석출-형성 원소는 제1 단계에서 상기 전기 도금 프로세스에서 상기 기본 재료(2) 상에 침착되고, 그리고
- 상기 주석의 코팅(3, 4)은 제2 단계에서 상기 침지 프로세스에 의해서 도포되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
- 상기 주석 코팅(3, 4)이 전기 도금 프로세스에 의해서 도포되고, 상기 도포 후에, 리플로우 처리되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 구리 스트립(1)이 공기에 노출되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 구리 스트립(1)으로부터 또는 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해서 생산된 구리 스트립(1)으로부터 제조된 커넥터.
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