SE456427B - Laglegerad kopparlegering och forfarande vid framstellning av denna samt anvendning av legeringen - Google Patents

Description

456 427 Under dessa tillverkningssteg kan temperaturer upp till 400°C upp- träda under en tidrymd av en timme. Därför får hos halvledarbärar- material ingen märkbar mjukningfikpnna fastställas under 350-400°C. c) Den elektriska och termiska ledningsförmågan skall vara så hög som möjligt för att den hos kiselhalvledare vid drift uppkommande färlusteffekten skall kunna bortledas i form av värme och sålunda en självförstöring av komponenten förhindras. För att i nödvändig grad säkerställa värmebortledningen skall den elektriska lednings- förmâgan i möjligaste mån ligga över 80% IACS. (100% IACS motsvarar härvid se, oo m/ohfltmmz .) d) Materialet skall i hög grad vara beständigt mot oxidation av ytan för att under tillverkningsstegen, som förlöper vid förhöjd tempe- ratur, minsta möjliga oxidbetäckning på bärarytan skall uppkomma så att vidhäftningen av kiselkomponenten, bondtrådarna och konstharts- pressmassan icke försämras.

För det angivna användningsfallet användes hittills i stor omfatt- ning koppar-järn-legeringar, exempelvis CDA 194. Dessa material upp- visar en tillräcklig hårdhet och gott böjningsförhållande samt långt- gående oxidationsbeständighet, men den elektriska ledningsförmágan ligger vid ca 60-70% IACS så att ingen tillräcklig värmebortledning är säkerställd vid högeffekthalvledare. Andra låglegerade material, exempelvis CuZnO,15, CuSn0,12 eller CuFeD,1, uppnår visserligen en högre elektrisk ledningsförmåga över 80% IACS men har på grund av den höga Cu-halten vid högre temperaturer tendens till förstärkt ytoxidation.

En lâglegerad CuNiSn-legering med 0,03 till O,5% Ni och 0,03 till 0,5% Sn enligt JA-OS 48-19425 uppvisar visserligen en tillräcklig elektrisk ledningsförmåga men endast en förhållandevis låg halvhàrd- hetstemperatur.

Dessutom är det känt att vid uppträdande av de vanliga förorening- arna starka variationer ifråga om egenskaperna kan uppträda hos lågä legerade material.

Till grund för uppfinningen ligger sålunda uppgiften att ange en 456 427 kopparlegering som förutom hög hâllfasthet och en elektrisk led- ningsförmâga av över 80% IACS har en tillräcklig mjukningsbestän- dighet. Uppgiften består vidare däri att finna en sammansättning vars oxidationsbenägenhet icke ligger högre än för vanliga materi- al och vars egenskaper dessutom är okänsliga mot de vanliga förore- ningsmängderna.

Uppgiften löses enligt uppfinningen med en kopparlegering beståen- de av: 0,03 till 0,2% nickel 0,03 till 0,2% tenn 0,015 till 0,1% titan resten koppar och vanliga föroreningar.

Procentuppgifterna hänför sig härvid till vikten.

Tillsatsen enligt uppfinningen av titan till en CuNiSn-legering le- der till en nickel-, tenn-, titanhaltig fasutskiljning, vars lös- lighet i grundmassan är så låg, att den elektriska ledningsförmâgan uppvisar i det närmaste samma värde som vid tillsats av samma mäng- der av nickel och tenn eller nickel och titan eller tenn och titan.

Den elektriska ledningsförmâgan rör sig i de angivna legeringsgrän- serna mellan 80 och 90% IACS.

Existensen av den NiSn-Ti-haltiga fasutskiljningen är visserligen känd från en flerkomponenthaltig koppar-, nickel-, tenn-, titan-, kromhaltig legering (DE-PS 2 948 916) men däremot icke dess gynn- samma inverkan på mjukningsbeständighetenheten hos láglegerade kop- parlegeringar. Den NiSnTi-haltiga fasen höjer nämligen halvhårdhets- temperaturen kraftigare än samma mängder av nickeloch tenn eller nickel och titan eller tenn och titan.

Dessutom kunde fastställas att den NiSnTi-haltiga fasen uppvisar en förhållandevis hög kemisk stabilitet så att vanliga föroreningar har en förhållandevis ringa inverkan på egenskaperna framför allt på den elektriska och termiska ledningsförmâgan. Det är därför icke nöd- vändigt att vid framställningen av legeringen enligt uppfinningen använda renare utgângsmaterial än vad som vanligen är nödvändigt för andra legeringar. 1456 427 Vidare har man helt överraskande funnit att legeringen enligt upp- finningen trots den höga kopparandelen icke uppvisar någon starka- re oxidationsbenägenhet än kopparmaterial med högre legeringsandelar, exempelvis en Cu-Fe-legering motsvarande CDA 194.

Ytterligare föredragna legeringssammansättningar framgår av patent- kraven 2 - 4.

Framställningen av legeringen enligt uppfinningen kan genomföras så- som för vanliga naturhårda legeringar, eftersom den NiSnTi-haltiga fasen utan en normalt för utskiljningshärdande legeringar erforder- lig störtkylning utskiljes på ett sätt, vid vilket den elektriska ledningsförmågan höjes optimalt och mjukning hindras.

Kopparlegeringarna enligt uppfinningen kan gjutas på vanligt sätt.

För åstadkommande av gynnsamma egenskapskombinationer underkastar man efter gjutningen legeringen företrädesvis a) homogenisering vid temperaturer av 850-950°C mellan 1 och 24 h, b) varmvalsning vid temperaturer av 600-800°C i ett eller flera steg och c) avkylning med en avkylningshastighet mellan 10°C/min. och 2000°C/min. till rumstemperatur.

Det är lämpligt att genomföra förfaringssteg b) i synnerhet vid 650-700°C, förfaringssteg c) i synnerhet med en avkylningshastighet mellan 5006/min. och 1000°C/min. Enligt en föredragen utföringsform av förfarandet genomföres efter förfaringssteg c) en kallformning d) till 99,9% i ett eller flera stick eller steg, företrädesvis ge- nom kallvalsning. Mellan kallvalsningsstegen kan legeringen före- trädesvis glödgas upp till maximalt 10 timmar för âstadkommande av en likformig dispersion av den utskilda fasen enligt uppfinningen.

För maximal elektrisk ledningsförmåga lämpar sig härvid en glödg- ning såsom band i huvugn vid temperaturer från 350 till 500°C eller kontinuerligt i genomdragningsugn vid temperaturer från 400 till 55o°c.

Till det sista kallvalsningssticket anslutes företrädesvis en an- löpningsbehandling. 456 427 EH1i9t uppfinninyen kan;kopparlegeringen användas såsom bärarma- terial för halvledare, i synnerhet transistorer eller integrerade kretsar.

För förklaring av begreppen mjukning och halvhårdhetstemperatur T är på ritningen det schematiska förloppet av en mjukningskurva H angiviet. Härvid är Vickershárdheten HV utsatt över glödningstem- peraturen T. Efter bestämning av hârdhetsmaximum Hvmax och hârdhets- minimum Hvmin tillordnas till halvhårdhetsgemperaturen TH värdet Hvmin + lnvmax - Hmin) . 2 Exempel 1 Tabell 1 visar sammansättningen av en legering enligt uppfinningen (nr. 7) samt sex jämförelselegeringar med Sn-, Ni- och Ti-tillsats och Ni- och Ti-, Sn- och Ni- eller Sn- och Ti-tillsats (uppgifter i viktprocent). gabeil 1 Sammansättning av proverna Provbeteckn. Sn Ni Ti Cu 1 i.p. 0,0615 i.p. resten 2 0,Û726 i.p. i.p. resten 3 i.p. i.p. 0,042? resten 4 i.p. _ 0,0626 0,0480 resten 5 0,0627 0,0695 i.p. resten 6 0,0676 i.p. 0,0442 resten 7 0,0470 0,0S65 0,0283 resten i.p. = icke påvisbar Legeringarna framställdes på följande sätt: Elektrolytkopparen nedsmältes tillsammans med katodnickel och fin- tenn i en induktionsugn vid ca 1200oC under ett träkolsskikt. Efter fullständig upplösning därav tillsattes Ti i form av en lämplig förlegering CuTi. Förlegeringen innehöll 28% titan i ren form. Ef- ter upplösning därav göts smältan i en järnkokill med måtten 25 x 50 x 100 mm. Blocken homogeniserades i 1 h vid 900°C. Avkylning av bandremsorna genomfördes kontinuerligt i luft. Därefter framställdes 456 427 därav genom kallvalsning en slutglödgning vid 1 h/500°C och efter- följande betning i utspädd HZSO4 bandremsor med tjockleken 0,75 mm.

Slutvalsningen uppgick för alla prover enhetligt till 96,6%. Efter anlöpning fastställdes dessas halvhârdhetstemperatur TH och elekt- riska ledningsförnåga. Resultaten är sammanställda i tabell 2.

Tabell 2 Elektrisk ledningsförmåga och halvhårdhetstemperatur TH för legering nr. 7 enligt uppfinningen och jämförelselegeringar nr. 1-6 Provbeteckn. Elektr. ledningsförmåga Halvhårdhetstemp. THOC % IACS (1 h i glödgningstid) 1 92 150 2 94 340 3 97 175 4 81 400 5 90 325 5 82 375 7 83 420 De angivna värdena visar de överraskande förbättrade egenskaperna hos kopparlegeringen enligt uppfinningen. Legering nr. 7 har t.ex. jämfört med jämförelselegeringarna nr. 4 och 6 högre halvhårdhets- temperatur och högre elektrisk ledningsförmåga. Legering nr. 1, 2 och 5 har visserligen högre elektrisk ledningsförmâga men faller på grund av alltför låg mjukningsbeständighet för det angivna an- vändningsfallet.

Exempel 2 Detta exempel visar den förhållandevis ringa oxidationsbenägen- heten trots den höga kopparandelen hos legeringen enligt uppfinnin- gen.

Tabell 3 vissr sammansättningen av tvâ legeringar enligt uppfinnin- gen, nr. 7 och 8, i jämförelse med en vanlig CuFe2,4-legering (cnA 194). 456 427 Tabell 3 Sammansättning av prover (uppgifter i viktprocent) -Provbeteckn. Sn Ni Ti Fe Zn P Cu 7 0,0470 0,0565 0,0283 i.p. i.p. i.p. resten 8 0,0864 0,0881 0,0455 i.p. i.p. i.p. resten CDA 194 i.p. i.p. i.p. 2,4 0,12 0,3 resten Legeringarna 7 och 8 framställdes på det sätt som anges i exempel 1.

CuFe-bandmaterialet (CDA 194) tillverkades på för produktionen van- ligt sätt.

Man avfettade bandremsor med måtten 20 x 40 mm i trikloretan, beta- de i utspädd H2SO4, sköljde grundligt och torkade omsorgsfullt. Ef- ter oxidering av de allsidigt öppet tillgängliga provstyckena i luftugn bestämdes den på hela ytan uppkomna viktökningen. Följande glödgningsbehandlingar valdes: a) En värmebehandling 4 h/20000 skulle efterlikna inbäddningen av de kompletterade bärarelementen i en konsthartspressmassa. b) En glödgning vid 1 min./SOOOC efterliknande de termiska kraven vid förening av kiselhalvledaren med bärarbandet med bildning av ett Au3Si-eutektikum. c) En glödgning vid 5 min./700°C skulle ge uppgift om oxideringen vid uppvärmning till varmvalsningstemperaturen.

Iabell 4 Viktökning 10-1 mg . cm2 i beroende av glödgningsbetingelserna i luft Glödgnings- Provbeteckning betingelser 7 8 CDA 194 4 h/z0o°c 0,059 0,058 0,117 1 min./s00°c 0,232 0,298 0,236 s minL/700°c 4,03 3,56 3,77 Enligt detta visar det sig att viktökningen hos legeringen enligt uppfinningen i huvudsak kan sättas lika med viktökningen hos en vanlig CuFe2,44egering (CDA 194).

Claims (11)

456 427 Patentkrav

1. Lâglegerad kopparlegering, k ä n n e t e c k n a d av att den består av: 0,03 till 0,2% nickel 0,03 till 0,2% tenn 0,015 till O,1% titan resten koppar och vanliga föroreningar.

2. Kopparlegering enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den består av: 0,03 till 0,06% nickel 0,03 till 0,06% tenn 0,015 till 0,03% titan resten koppar och vanliga föroreningar.

3. Kopparlegering enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att legeringsbestândsdelarna nickel, tenn, titan föreligger i förhållandet a : b : c, varvid a = 1,8 till 2,2, b = 1,8 till 2,2 och c = 0,9 till 1,1.

4. Kopparlegering enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att legeringsbeståndsdelarna nickel, tenn, titan föreligger i viktför- hâllandet 2 : 2 : 1.

5. Förfarande för framställning av en kopparlegering enligt krav 1 - 4, k ä n n e t e c k n a t av att kopparlegeringen a) homogeniseras vid temperaturer från 850-900°C mellan 1 och 24 timmar _ b) varmvalsas.vid temperaturer från 600-800°C i ett eller flera stick och 7 c) kyles till rumstemperatur med en avkylningshastighet mellan 1o°c/minut och 2ooo°c/minut .

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att varm- valsningen genomföres vid temperaturer från 650 till 750°C.

7. Förfarande enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a t av att avkylningen genomföres med en avkylningshastighet mellan SOOC/ minut och 1000°C/minut. | t § 456 427 9

8. Förfaranàeïenliåtïkraven 5 - 7, k ä n n e t e c k n a t av att man efter avkylning genomför kallvalsning i ett eller flera stick med en deformationsgrad upp till 99,9%-

9. Förfarande enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att mel- lan kallvalsningssticken glödgning genomföres under mindre än 10 timmar för varje glödgning.

10. Förfarande enligt krav 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a t av att efter det sista kallvalsningssticket följer en anlöpningsbehand- ling.

11. Användning av kopparlegeringen enligt krav 1 - 4 såsom bärarma- terial för halvledare, i synnerhet transistorer eller integrerade kretsar. :-