SE465272B - Koppar-nickel-tenn-titanlegering, foerfaraande foer framstaellning daerav samt anvaendning daerav - Google Patents

Description

00465 c) d) För det angivna användningsområdet har hittills i stor omfatt-å 272 2 ningstemperaturen T). Härvid är halvhårdhetstemperaturen T tillordnat värdet HV + Hvmax _ Hvmin H min ______ï______' > En termisk belastning uppträder i huvudsak vid fastsättning av halvledarkomponenterna på bäraren, när limmet härdas eller när en eutektisk reaktion erhålles mellan kiselele- mentet och en guldbeläggning på bäraren. Dessutom upp- träder vid sammanbindning av halvledarkomponenten med an- slutningsbenen med s.k. bindetrådar och vid inpressning av den kompletta komponenten i konstharts högre temperaturer.

Under dessa tillverkningssteg kan temperaturer upp till 400°C under längre tid uppträda. Hos halvledarmaterial får därför under 350 till 400°C ingen märkbar mjukning kunna fastställas. av 10 % I regel är på sin höjd en hårdhetsminskning av utgångshårdheten tillåten.

Den elektriska och termiska ledningsförmågan skall vara så hög som möjligt för att de i kiselhalvledaren vid drift uppkomna förlusteffekterna skall kunna bortledas i form av värme och sålunda en självförstöring av komponenten för- hindras. För att säkerställa värmebortledning i erforder- lig grad skall den elektriska ledningsförmågan i möjligaste mån ligga över 40 % IACS (l0O % IACS motsvarar härvid 58,00 m/ohm . mmz).

Framförallt för oförädlade halvledarbärare kräves i till- tagande grad homogena material, dvs. material, vilkas struktur icke innehåller några utskiljningar eller inne- slutningar för att en felfri bindetrådförbindning skall säkerställas. Härigenom undvikes osäkerheten att bindetrå- den träffar på sådana inhomogeniteter, varvid vidhäftningen försämras och övergångsmotståndet förändras. För att höja tillverknings- och funktionssäkerheten kräves därför i ökande grad homogena material för användningsområdet halv- ledarbärare. 465 '272 3 ning använts koppar-järnlegeringar, exempelvis CDA 194, CDA 195 eller andra låglegerade Cu-material, exempelvis '''''''''' J CuNilSnlCrTi. Dessa material uppvisar en tillräcklig hårdhet och en god elektrisk ledningsförmåga. Visserligen innehåller strukturen hos dessa material tydligt synliga, i regel tråd- formiga utskiljningar, som kan störa vid bindningen. Bind- ningstrådar, som helt eller delvis anbringas på dessa inhomo- geniteter, kan icke längre uppfylla den elektriska funktionen eller den erforderliga tillförlitligheten, eftersom övergångs- motståndet förändras och vidhäftningsstyrkan försämras. Låg- legerade material, såsom CuZn0,l5, CuSn0,l2 eller CuFe0,l, är visserligen homogena och har icke de ovan angivna ofördel- aktiga strukturinhomogeniteterna men uppvisar en för många användningsområden alltför ringa hållfasthet.

Till grund för uppfinningen ligger sålunda uppgiften att ange en kopparlegering, som förutom en tillräcklig mjukningsbestän- dighet har en elektrisk ledningsförmåga av över 40 % IACS.

Uppgiften består vidare däri att finna en sammansättning, vars hållfasthet trots frånvaron av synliga utskiljningar ligger tillräckligt högt, dvs. vars struktur enligt kraven är fri från inhomogeniteter, dvs. utskiljningar eller inneslutningar.

Uppgiften löses enligt uppfinningen med en koppar-nickel-tenn- -titanlegering, som kännetecknas av att den består av 0,25 till 3,0 % nickel, 0,25 till 3,0 % tenn, 0,12 till 1,5 % titan, resten koppar och vanliga föroreningar.

Procentuppgifterna hänför sig härvid till vikten.

Tillsatsen enligt uppfinningen av nickel, tenn och titan leder_ till bildning av en nickel-, tenn-, titanhaltig fas, vars lös- lighet i grundmassan är så låg att den elektriska ledningsför- mågan i de angivna legeringsgränserna ligger mellan 40 och 60 % IACS. Fasen utskiljes i extremt fin form. 0465 272 4 På grund av den nickel-, tenn-, titanhaltiga fasen ligger 'halvhårdhetstemperaturen TH vid en termisk varaktig belastning av l timme över 500°C.

Existensen av den nickel-, tenn-, titanhaltiga fasutskiljning- en är visserligen känd från flerkomponentiga koppar-, nickel-, tenn-, titan-, kromhaltiga legeringar (DE-PS 29 48 916) men helt överraskande kunde visas att hos en kromfri legering är strukturen i huvudsak homogen. De nickel-, titan- och tenn- haltiga fasbeståndsdelarna är mindre än 500 Ä och därför icke störande i det i det föregående angivna avseendet för använd- ningen såsom halvledarbärare. Det är samtidigt överraskande att de mekaniska egenskaperna förändras endast i ringa grad.

Andra föredragna legeringssammansättningar framgår av patent- kraven 2 till 7.

Framställningen av legeringarna enligt uppfinningen kan genom- föras såsom för vanliga naturhårda legeringar, eftersom den NiSnTi-haltiga fasen utskiljes utan en normalt vid utskilj- ningshärdbara legeringar nödvändig störtkylning på det sättet, att den elektriska lednängsförmågan höjes optimalt och mjuk- ningen förhindras. D Koppar-nickel-tenn-titanlegeringarna enligt uppfinningen kan gjutas på vanligt sätt. För åstadkommande av gynnsamma egen- skapskombinationer underkastas legeringen efter gjutningen företrädesvis homogenisering vid temperaturer från 850 till 950°C mellan l och 24 timmar, varmvalsning i ett eller fler stick vid temperaturer från 600 till 800°C och avkylning med en avkylningshastighet mellan lO°C per minut och¿ 2000°C per minut till rumstemperatur.

Det är lämpligt att genomföra varmvalsningen i synnerhet vid .650 till 750°C, avkylningen i synnerhet med en avkylningshas- ftighet mellan 50°C per minut och l000°C per minut. Enligt en 465 '272 5 föredragen utföringsform av förfarandet kallvalsas efter av- kylningen med en deformationsgrad av upp till 95 % i ett eller fler stick. Mellan kallvalsningssticken kan legeringen före- trädesvis för åstadkommande av en likformig dispersion enligt uppfinningen av den utskilda fasen glödgas upp till maximalt 10 timmar.

För en maximal elektrisk ledningsförmåga lämpar sig härvid en glödgning såsom band i huvugn vid temperaturer från 350 till 500°C och för maximal hållfasthet glödgas kontinuerligt i genomdragningsugn vid temperaturer från 450 till 600°C.

Till det sista kallvalsningssticket ansluter sig företrädesvis en anlöpningsbehandling vid de i det föregående angivna tempe- raturerna.

Enligt uppfinningen kan koppar-nickel-tenn-titanlegeringen användas såsom bärarmaterial för halvledare, i synnerhet tran- sistorer eller integrerade kopplingskretsar.

För klarläggande av begreppen mjukning och halvhårdhetstempe- ratur TH anges på figur l schematiskt förloppet av en mjuk- ningskurva. Härvid har vickershårdheten HV avsatts över glödgningstemperaturen T. Efter bestämning av hårdhetsmaximum Hvmax och hårdhetsminimum Hvmin erhåller halvhårdhetstempera- turen T värdet HV + ÉÉEÉÉ-:-ÉÉEÅE H min 2 ' Uppfinningen beskrives närmare i samband med följande utföringsexempel: EXEMPEL A Tabell l visar sammansättningen av en legering enligt uppfin- -ningen (nr 1) samt en genom DE-PS 2 948 916 känd kromhaltig jämförelselegering CuNilSnlCrTi (nr 2) (värden i viktprocent):; “4e5 272 f Tabell l Sammansättning av prover Provbeteckning Sn Ni Ti Cr Cu l 1,09 0,98 0,54 i.p. rest 2 l,09 0,93 0,42 0,73 rest i.p. = icke påvisbar Legeringarna framställdes på följande sätt: Elektrolytkoppar nedsmältes tillsammans med katodnickel och fintenn i en induktionsugn vid ca l200°C under ett träkols- skikt. Efter fullständig upplösning därav tillsattes titan i form av en lämplig förlegering koppar-titan. Förlegeringen innehöll 28 % titan i ren form. Efter upplösning därav göts smältan i en järnkokill med måtten 25 x 50 x 100 mm. Göten homogeniserades l timme vid 900°C och varmvalsades därefter vid 750°C till 1,87 mm. Avkylningen av bandremsan genomfördes kontinuerligt i luft. Därefter framställdes därav genom kall- valsning, en slutglödgning vid l h/470°C och efterföljande betning i utspädd HZSO4 bandremsor med tjockleken 0,3 mm.

Slutvalsningen uppgick för alla proverna enhetligt till 60 %.

Efter anlöpning vid l h/500°C undersöktes proverna beträffande deras mekaniska och fysikaliska egenskaper och beträffande homogeniteten hos strukturen. Värdena för hållfasthet, fjäderböjgräns och elektrisk ledningsförmåga är sammanställda i tabell 2 och strukturutformningen framgår av figurerna 2 och 3. f 7 Tabell 2 Hållfasthet, fjäderböjgräns och elektrisk lednings- förmåga hos 0,3 mm bandprover i anlöpningsbehandlat- tillstånd Lege- Sträck- Drag- Töj- Vickers- Fjäder- Elektrisk ring gräns hållfafir-ning hårdhet böj- lednings- RpO,2 het Rm A10 HVl gräns förmåga (N/mmz ) (N/mm* ) (%) (N/mm2 ) (m/:Lmmz ) %IAcs l 603 640 10 200 543 26,0 44,8 600 629 10 205 551 29,9 51,5 De angivna värdena visar i föreliggande fall endast en ringa minskning av den elektriska ledningsförmågan hos kopparlege- ringen enligt uppfinningen jämfört med den kromhaltiga lege- ringen.

Framförallt framgår emellertid vid en jämförelse av slipade prover av den homogeniserade gjutstrukturen för de båda lege- ringarna att strukturen hos legeringen enligt uppfinningen är praktiskt taget fri från trådformiga utskiljningar.

I detta avseende visar Figur 2 med en förstoringsgrad av 500:l en slipbild av gjut- strukturen hos jämförelselegeringen CuNilSnlCrTi. Partikel- formiga utskiljningar är betecknade med A.

Figur 3 visar med samma förstoringsgrad en slipbild av struk- turen hos legeringen enligt uppfinningen som är fri från sådana utskiljningar.

Den ovannämnda grundformen av koppar-nickel-tenn-titanlege- ringen uppvisar en gynnsam kombination beträffande mekaniska _egenskaper, såsom hållfasthet och mjukningsbeständighet, samt __J :beträffande den elektriska ledningsförmågan. 465 272 8 Denna kopparlegering lämpar sig i synnerhet såsom oförädlad mhalvledarbärare, på vilken på grund av den homogena strukturen' bindetrådarna kan anbringas direkt.

Tidigare har halvledarbärare emellertid även i betydande omfattning erhållit metalliska beläggningar.

Utgående från den ovannämnda grundformen av kopparlegering ligger till grund för en vidareutveckling av uppfinningen upp- giften att ange en ytterligare legeringssammansättning, som med bibehållande av den gynnsamma egenskapskombinationen enligt grundformen lämpar sig såväl för direkt bindning som även för en felfri ytförädling av bärarmaterialet.

Uppgiften löses enligt uppfinningen med en ringa kromtillsats av 0,05 till 0,45 %, i synnerhet 0,1 till 0,3 %. (Procentupp- gifterna hänför sig härvid till vikten).

Genom kromtillsatsen bildas visserligen utskiljningar i struk- turen, vilka emellertid på grund av deras fina fördelning icke stör vid den direkta bindningen och ger gynnsamma förutsätt- ningar för galvanisk behandling. Dessutom visar den kromhal- tiga legeringen helt överraskande en god oxidationsbeständig- het, eftersom uppenbarligen på grund av den fina fördelningen ett relativt tätt oxidskikt bildas redan vid förhållandevis låga temperaturer, som bromsar en vidare oxidation.

Från DE-PS 2 948 916 är visserligen en CuNiSnTi-legering med en kromtillsats av 0,5 till 1,0 % känd men denna DE-PS kunde emellertid icke göra en ringa kromtillsats till CuNiSnTi-lege-_ ringen enligt grundformen av Cu-legeringen näraliggande, l reftersom i denna DE-PS i synnerhet frågan om oxidationsbestän-5 pdigheten icke behandlas. i iEnligt patentkraven 6 och 7 erhålles genom kromtillsatsen Eenligt uppfinningen likartade positiva resultat för de före- fdragna områdena av legeringsbeståndsdelarna nickel, tenn och Étitan enligt grundformen för Cu-legeringen. f ____.___.Lí *__- 465 272 9 För åstadkommande av gynnsamma egenskapskombinationer fram- ställes legeringen enligt vidareutvecklingen företrädesvis med förfarandet för framställning av grundformen.

Legeringen homogeniseras företrädesvis efter gjutningen vid temperaturer från 850 till 950°C mellan l och 24 timmar, varmvalsas i ett eller fler stick vid temperaturer från 600 till 800°C och kyles med en avkylningshastighet mellan l0°C per minut och 2000°C per minut till rumstemperatur.

Det är lämpligt att genomföra varmvalsningen i synnerhet vid 650 till 750°C, avkylningen i synnerhet med en avkylningshas- tighet mellan 50°C per minut och l000°C per minut. Enligt en föredragen utföringsform av förfarandet kallvalsas efter av- kylningen med en deformationsgrad av upp till 95 % i ett eller fler stick. Mellan kallvalsningssticken kan legeringen företrädesvis glödgas upp till högst 10 timmar för åstadkom- mande av en likformig dispersion av utskiljningsfasen enligt uppfinningen.

För åstadkommande av de önskade egenskaperna lämpar sig en glödgning såsom knippe eller band i huvugn vid temperaturer från 350 till 500°C resp. kontinuerligt i genomdragningsugn vid temperaturer från 450 till 600°C.

Till det sista kallvalsningssticket ansluter sig företrädesvis en anlöpningsbehandling vid de i det föregående angivna tempe-ï raturerna.

På ett fördelaktigt sätt kan legeringen enligt uppfinningen användas såsom bärarmaterial för halvledare, i synnerhet transistorer eller integrerade kopplingskretsar.

Uppfinningen förklaras närmare i samband med följande utföringsexempel: ”4e5 272 10 EXEMPEL B Tabell 3 visar sammansättningen av en kromfri jämförelselege- ring CuNilSnlTi (nr l) enligt grundformen (den första utfö- ringsformen) samt två legeringar (nr 3, 4) enligt denna vidareutveckling med låg kromhalt och en genom DE-PS 2 948 916 känd kromhaltig jämförelselegering CuNilSnlTiCr (nr 5).

Tabell 3 Sammansättning av legeringarna (uppgifter i viktprocent) Legering Sn Ni Ti Cr Cu l l,09 0,98 0,54 i.p. rest 3 1,07 0,94 0,49 0,25 rest 4 1,08 0,94 0,47 0,43 rest 5 1,09 0,93 0,42 0,65 rest i.p. = icke påvisbar Legeringarna framställdes i enlighet med utföringsexempel A.

Efter anlöpning vid l h/400°C (legering l: l h/500°C) under- söktes proverna beträffande deras mekaniska och elektriska egenskaper, beträffande homogeniteten hos strukturen och beträffande oxidationsbeständigheten.

Värdena för hållfasthet, fjäderböjgräns och elektrisk led- ningsförmåga är sammanställda i tabell 4. 465 '272 ll Tabell 4 Mekaniska och elektriska egenskaper hos 0,3 mm bandprover i anlöpt tillstånd Lege- Sträck- Drag- Töj- Vickers- Fjäderböj- Elektrisk ring gräns hållfast- ning hårdhet gräns lednings- Rpo,2 het Rm A10 Hvl dbß förmåga (N/mrrf) (N/mrrf) (%) (N/mïnz) (m/nmmz) %IAcs l 603 640 l0 200 543 26,0 44,8 3 663 696 l3 229 610 29,8 5l,4 4 661 697 ll 238 624 28,2 48,6 5 679 720 ll 241 581 28,1 48,5 :totala viktökningen hos proverna angiven. Enligt denna upp- Under det att värdena för sträckgräns, draghållfasthet och hårdhet tilltager med stigande kromhalt, uppträder vid lege- ringarna 3 och 4 enligt uppfinningen helt överraskande ett maximum hos fjäderböjgränsen.

Figur 4 visar en förstoring 200:l av en slipbild av den homo- geniserade gjutstrukturen hos legeringen 3 enligt uppfin- ningen.

Man ser tydligt den fina fördelningen av de med A betecknade utskiljningarna, som varken stör vid direkt bindning eller vid. galvanisk behandling.

Oxidationsbeständigheten hos legeringarna l och 2 till 5 undersöktes genom glödgning i luft i temperaturområdet från 200 till 500°C. Härvid hölls proverna i samtliga fall 30 minuter vid 200°C, 250°C, 300°C, etc. På figur 5 är dessutom _visar legeringarna 3 och 4 med kromhalten enligt uppfinningen :den minsta viktökningen. 1 I s , É _____f

Claims (13)

465 10 15 20 25 30 272 ., Patentkrav

1. Koppar-nickel-tenn-titanlegering, k ä n n e t e c k n a d av att den består av 0.25 till 3.0 % nickel. 0.25 till 3.0 % tenn. 0.12 till 1.5 % titan. resten koppar. eventuellt 0.05 till 0.45 2 krom och vanliga föroreningar.

2. Kopparlegering enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller 0.3 till 2,8 % nickel. företrädesvis 0,5 till 1.5 % nickel och i synnerhet 0.9 till 1.1 % nickel.

3. Kopparlegering enligt krav 1 eller 2. k ä n n e - t e c k n a d av att den innehåller 0.3 till 2,8 % tenn, företrädesvis 0.5 till 1.5 % tenn och i synnerhet 0,9 till 1,1 2 tenn.

4. Kopparlegering enligt något av krav 1-3, k ä n n e - t e c k n a d av att den innehåller 0.2 till 1,4 % titan. företrädesvis 0,25 till 0.75 % titan och i synnerhet 0,45 till 0.55 % titan.

5. Kopparlegering enligt något av krav l-4. k ä n n e - t e c k n a d av att den innehåller legeringsbeståndsdnlarna nickel. tenn. titan i förhållande a:b:c. varvid a = 1.8 till 2,2. b = 1.8 till 2.2 och c = 0.9 till l,l. i synnerhet ett förhållande av 2:2:l.

6. Kopparlegering enligt krav l. k ä n n e t e c k n a d av att den innehåller 0,1 till 0.3 % krom.

7. Förfarande för framställning av en koppar-nickel-tenn- -titanlegeríng bestående av MI <7 10 15 20 25 30 35 465 272 lf! 0.25 till 3.0 % nickel 0,25 till 3.0 % tenn. 0.12 till 1,5 % titan, resten koppar. eventuellt 0.05 till 0.45 % krom och vanliga föroreningar. enligt något av krav 1-6. k ä n n e t e c k n a L av att man homogeniserar legeringen vid temperaturer från 850 till 950°C mellan 1 och 24 timmar. varmvalsar legeringen vid temperaturer från 600 till 800°C i ett eller fler stick och kyler legeringen med en avkylningshastighet mellan 10 och 2000°C per minut till rumstemperatur.

8. Förfarande enligt krav 7. k ä n n e t e c k n a L av att varmvalsningen genomföres vid temperaturer från 650 till 750°C.

9.Förfarande enligt krav 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a t av att kylningen genomföres med en avkylningshastighet mellan 50 och l00O°C per minut.

10. Förfarande enligt något av krav 7-9. k ä n n e - t e c k n a t av att man efter avkylning genomför kallvals- ning i ett eller fler stick med en deformationsgrad av upp till 95 %.

11. ll. Förfarande enligt krav 10. k ä n n e t e c k n a t av att mellan kallvalsningssticken glödgas under en Lidrymd av vid varje glödgning mindre än 10 timmar.

12. Förfarande enligt krav 10 eller 11. k ä n n e t e c k - n a t av att en anlöpningsbehandling genomföras efter det sista kallvalsningssticket.

13. Användning av koppar-nickel-tenn-titanlegeringnn bustånnåe av 0,25 till 3.0 % nickel. 0.25 till 3.0 % tenn. 0,12 till 1,5 % titan. resten koppar, eventuellt 0.05 till 0.45 % krum och vanliga föroreningar enligt något av krav 1-6 såsom bärarmateríal för haïvledare, i synnerhet transístorer eller integrerade koppïïngskretsar.