TW448235B - High-strength and high-conductivity Cu-(Ni, Co)-Si copper alloy for use in leadframes and method of making the same - Google Patents

Description

44823α

五、發明說明（1) 發明範圍 本發明係關於—種應用於-積體電 · 產業之改良型鋼合金。更特別：邮d二:⑴ 产h立it π、*·. 才W的疋，係關於一種具有高強 弓 1線年之制二合金田戎鋼合金之應用範圍很廣泛’如 m之製作和其它應用於積體電路 銅合金為積體電路製造的重要元 枯併Μ ϋ、*找 Α 势疋件之一，隨著電腦與通訊 = 積體，產業的不糧，帶動積體電 展良好的引線架以提供高品質之半導體元件 I %千連接器。 :線架為提供積體電路板上不同零件間電子訊號通訊間的 橋樑，除了傳輸電子訊號外，引線架亦提供散熱之重要功 此，積體電路產業有如下之趨勢：整合越來越快速，越趨 近線性化，頻率較高，價格持續下降，及許多相關的改變 正在進行，例如，塑膠製品被陶瓷製品取代，引線架的材 料由鐵-鍊合金變成銅合金。 多數的銅合金被用於發展製作引線架，近年來已有超過六 十種之銅合金被用於引線架之製作。一般而言，銅合金可 分為三類：第一類為高導電型銅合金，其特點為導電率大 於80 % IACS，強度低於400 MPa，主要應用於電晶體引線 架之製作，如C19210 (KFC、TAMAC4)、C15100 (HCL-151、三菱砷銅C151、ZC2 等）、C 1 8 0 3 0 (EFTEC6)等 (括弧内為商品名）；第二類為中強度-中高導電型銅合 金，其特點為導電率50% IACS以上，強度400〜500

C:\Program Fi1es\Patent\87031. ptd 第5頁 五、發明說明（2) MPa，應用於積體電路之引線架，為引線架銅合金板片的 主流’如商品名為C19400·(〇1inci94 、 TAMAC194 、 HCU94、KLF194)、C18040 (EFTEC64) 'C 1 9 5 0 0 ' C19 6 0 0、TAMAC5、EFTEC5等合金；第三類為高強度之銅合 金’主要應用於1 〇 〇腳以上的I C引電架之製作，特點為強 度600 M Pa以上，導電率35% IACS以上，主要應用於100腳 以上的1C引電架，如C7025及同為銅鎳系的KLF125，其中 C7025合金為目前世界上最重要的高強度銅合金，^7025被 揭露於如下專利中：美專利4, 5 9 4, 2 2 1、美專利4, 729, 3 72 及中華民國專利1 20, 435。 下列美國專利提供了銅合金的背景資料。 美4, 950, 451號專利揭露及界定權利範圍為用於電子元件 的銅合金基本成分包含：1.〇 wt % - 4.0 wt %的鎳，大於 0·2 wt% 及小於0.8 wt% 的磷，0.5 wt% - 6,0 wt%的鋅， 0.05 wt% _ 1_G wt%的鎮’剩餘量為銅和不可避免之不純 物。 美5, 064, 611號專利揭露及界定權利範圍為銅合金之製造 方法，其含步驟為：淬火（quenching)使之固化，其冷卻 速率範圍從100 C/sec到100, 〇〇〇 °C/ sec，炼融態的金屬基 本成分包含：1. 0 wt% - 8· 0 wt% 的鎳，〇, 1 - 8 wt% 的 磷，0 06 wt% - 1，〇 wt%的矽，剩餘量為銅和不可避免之 不純物；繼續冷卻已固化的金屬至室溫使得鎳-磷和鎳-矽 金屬界面變好和均質化。 美5, 2 1 5, 7 11號專利揭露及界定權利範圍為時效熱處理

C:\Program Files\Patent\87031.ptd 第 6 頁 4482 五、發明說明（3) -- (age-hardening)的銅合金，其基本成分包含：（1)鋼' (2) 1.0 wt% -2.5 以％的_錄、（3)大於〇 〇1 wt% 及小於7 wt%的磷、（4)大於0.01 wt%及小於丨〇 wt%的鐵、（5)大 於0,01 wt%及小於7 wt%的鈦、（6)大於〇 〇〇1 及小 於1 wt%的硼，剩餘量為銅和不可避免之不純物。 美5, 248’ 351號專利揭露及界定權利範圍為用於電子元件 的銅合金基本成分包含：2.〇 wt % - 8,0 wt %的鎳’〇 1 wt% _ 0_8 wt%的磷，0,06 wt% _ i wt%的矽，剩餘量為 銅和不可避免之不純物’其中鎳與磷和矽的重量比（Ni · P + Si)從4.12 : 1到6.06 : i，且存在著二磷化五鎳和矽 化二錄化合物。 美5’ 250’ 256號專利揭露及界定權利範圍為一種導電用高 抗張強度的銅合金，其基本成分包含：（n 2〇 wt% _ 4. 0 wt% 的鎳、（2) 〇_4 wt% - 1.0 wt% 的矽、（3) 〇.〇5 wt% -0_ 3 wt% 的、（4) 〇, 〇i wt% _ 〇 2 wt% 的鈷、（5)剩餘量 為銅。 美5’ 3 3 4’ 3 46號專利揭露及界定權利範圍為一種具有高硬 度、高延展性及高導電率的銅合金，其基本成分包含： ⑴ 0_5 wt% - 2.4 wt%M'(2) 〇」wt% _ 〇 5 …的 砂、（3) 0.02 wt% - 0.16 wt% 的磷、（4) 〇 〇2 wt% _ 〇 2 wt%的鎂、（5)剩餘量為銅。 許多的日本專利亦揭露鋼合金，包括Jp_7 —、 JP-4-356284 'JP-7-18355 ^Jp-2522629 > JP-2705875 JP-6-299275 、JP-6-172895 'JP-5-331574 、

C:\Program Files\Patent\8703l. ptd 第7頁 44% 五、發明說明（4) JP-6-128708 、JP-8-503022 、JP-7-62504 。 在較早的揭路中，C7025合金具有高強度，典型的口〇25合 金揭露於中華民國120435專利，其強度同於鐵_42錄合 金’但是’導電率卻高於42合金1〇倍，雖然如此，其導電 率最多亦只能達到35至50% IACS，此意味著其它類型銅合 金的繼續研發可促使積體電路產業中引線架和其它電流^ 導装置性能改善及價格降低。 本發明的主要目的在於發展一種適於製造積體電路引線架 用或電連接器用的銅合金。本發明之另一目的在於發展一 種高強度和高導電率的銅合金’經此改良的鋼合金能滿足 現今高強度和高導電率引線架的需求。 本發明所揭露的銅合金基本上含有鎳、鈷、矽、鎖和/或 磷、及銅等成分，其中鎳的含量為〇,5 wt% - 2.5 wt 鈷 '鎳及矽的含量滿足下列方程式：〇8〈（錄/4 +銘 /6)/矽< 1.2，（鎂和/或磷）的含量為005 _ 〇 wt%，剩餘量為銅，而且2%〈鎳+鈷< 4%是較佳條 件。本發明之銅合金與C 7 0 2 5之銅合金相似，均屬於第= 類具高強度之銅合金’然而’本發明之銅合金之導電率条 C7 025之35至5 0Λ IACS高出許多，且抗張強度不亞於’較 C7025 。 、 在本發明中製得銅合金板片的方法有兩種：高溫製程# 溫製程。對高溫處理方法而言，利用高週波爐（h i gh 低 frequency induction furnace)將銅合金 化，然後快速冷卻鑄成所需大小的鑄錠， 各成分元素熔 將此鑄錠進行均

uQ2 3C 五、發明說明（5) 質化熱處理（homogen i z i ng)，隨即進行熱加工，，之後該 合金板片’必要時可規情.況進行退火熱處理（annealing) 使之軟化’再進行冷軋(^〇1(1 rol 1 ing)，冷軋後板片進行 退火熱處理；上述之冷軋及退火熱處理可視實際需要’重 複為之’最後一次冷軋所得之合金板片進行時效熱處理.t (ag丨ng )，以使該合金達到所需之厚度及導電率等特性。 若有需要亦可於時效熱處理後施以小量之冷加工。 對低溫處理方法而言，利用1¾週波爐將銅合金各成分元素 熔化，然後铸成所需大小的鑄錠，將此鑄錠進行均質化熱 處理，隨即進行熱加工，而後進行冷加工，然後進行時效 熱處理使其析出硬化，冷加工及時效熱處理可視實際情 況，反覆多次施行，以使該合金達到所布之厚度及導電率 等特性。若有需要亦可於時效熱處理後施以小量之冷加 工ΰ 經由上述任一製程製得之銅合金均具有良好的導電率和抗 張強度，實為製作半導體用之引線架之優良材料。 圖示之簡要說明 . 在詳細說明本發明前先以圖示描述本發明之較佳實施例， 包括： 圖1 Α為本發明高溫製程之主要步鰥之流程囷。 圖1 B為本發明低溫製程之主要步驟之流程圓。 本發明之詳細說明

C:\Program Files\Patent\87031. ptd 第 9 頁 五、發明說明（6) 以下藉由本發明之實施例， 本發明揭露-種改良的銅·合金，詳細内容 似’均屬於第三類具高與725之^^ 合金之導電率較C 70 2 5高，而抗張^ ‘"而，本發明之銅 高。 抗張強度和C70 25相當或略 本發明所揭露的銅合金基本上含有 ;鎳含里介於〇· 5 _ 2.5 wt%之間； (b) 鈷含量介於0.5 _ 2.5 wt%之間； (c) 矽含量介於〇‘ 5 - 〇_ 8 wt%之間； 3 二者的含量介於〇.05 _ 〇.15 wt%之間； Q e )剩餘量為銅； 其中鈷、鎳及矽的含量滿足下列方輕式：2% < (鎳+ 録）< 4% 及 0.8 < (錦/4 + 鈷/6 )/矽 < 12。 t ί明的之實施例，為銅鎳_鈷系列，該銅合金基本成分 匕 3 〇· 5 wt% - 2. 5 wt% 的鎳、〇- 5 wt% _ 2. 5 wt% 的 鈷.〇 · 4 w t % - 0. 8 w t % 的矽、〇 · 〇 5 w 1； % . 1 5 w t % 的 (鎖和/或磷）、及剩餘量為铜，其中鎳和鈷的總量介於2.〇 和4. 〇 wt%之間。 本發明之銅合金依需求的性能不同，其製程可分為高溫製 程及低溫製程二種，分別詳述如下：

高溫製程：利用高週波爐將銅合金各成分元素熔化，然後 快速冷卻鑄成所需大小的鑄錠，將此鑄錠於8〇〇 - 9 5 0 °C

CAProgram Files\Patent\87031. ptd 第 10 頁 五、發明說明（7) 進行約〇 · 5 - 5小時之均質化熱處理，隨即進行熱加工， 加工量為7 〇 %或更高，之後該合金板片’必要時可視情況 於8 0 0、95D °C進行30秒到30分鐘之退火熱處理使之軟化， 再進行冷軋，冷軋延量為40%以上，冷軋後板片在800 -9 5 0°C進行3 0秒到3 〇分鐘之退火熱處理；上述之退火熱處 理及冷軋可視實際需要，重複為之’最後一次冷軋所得之 合金板片於3 0 0 - 6 0 0°C進行30分鐘至5小時之時效熱處 理’以使該合金達到所需之厚度及導電率等特性。若有需 要亦可於時效熱處理後施以小量之冷加工，：但此冷加工量 在40¾以下。 ’ * 低溫製程··利用高週波爐將銅合金各成分元素熔化，然後 鎮成所需大小的鑄錠，將此鑄錠於8 0 0 - 95 0 t進行約〇. 5 -5小時之均質化熱處理，隨即進行熱加工，加工量至少 70% ’而後進行冷加工’冷加工量為至少40%，然後於300 -6 0 0 °c進行時效熱處理使其析出硬化，冷加工及時效熱 處理可視實際情況，反覆多次施行，以使該合金達到所需 之強度及導電率。若有需要亦可於時效熱處理後施以小量 之冷加工，但此冷加工量在4〇%以下。 為了更清楚描述本發明，以下列舉數例，包括.較佳-實施 例，以資參考。 實施例： 表1 A描述用於高溫製程（I)和低溫製程（丨的銅合金成 分。個別原子的含量以重量百分率㈠”）表示。

C:\Prograra Files\Patent\87031.ptd 第11頁 4^q 五、發明說明（8) 表ΙΑ 銅 鎳 鈷 矽 鎂 鱗 例1 Bal. 1.86 0,66. 0.56 0.09 - 例2 Bal. 0.99 1.16 0.55 _ 0.096 例3 Bal. 1.99 0.99 0.62 - 0.11 例4 Bal. 1.49 1.46 0.58 - 0.10 例5 Bal. 0.60 2.37 0.62 - 0.099 例6 Bal. 0.98 1.48 0.52 0.096

上述例子中所得到的合金板片，對其硬度、電傳導率、抗 張強度及伸長率（e 1 ongat i on)作測試，測試結果紀錄於表 i B及表1 C ’ 1 B為時效熱處理後所得合金之測試結果，1 c為 時效熱處理後再冷軋1 G%後的材料特性之測試結果 表1B 硬度 (Hv) 導電率 (%IACS) 抗張強度 (MPa) 伸長率 (%) 製程 I II I II I II I II 例 1 212 257 46.8 51.5 708 851 8.80 4.45 例2 190 210 46.3 53.7 604 677 9.07 4.24 例3 216 204 47.2 63.2 641 635 7.16 7.035 例4 201 200 48.1 68.7 629 624 8.44 6.465 例5 179 202 54.9 63.8 589 .668 6.26 5.994 例6 187 211 51.0 58.6 614 669 11.1 7.54

C:\Program Files\Patent\67Q31. ptd 第 12 頁 五、發明說明（9)

表1C 硬度 導電率 抗張強度 伸長率 (Hv) (%IACS) (MPa) (%) ^製程 I II I II I II I II 例1 212 233 51.9 53.3 709 905 10.81 3.07 例2 193 212 46.5 49.7 623 627 8.32 3.49 例3 209 203 48.4 56.5 704 705 7.16 4.00 例4 197 194 49.2 65.3 682 705 5.69 4.41 例5 181 209 52.5 66.5 600 651 6.73 3.25 例6 183 205 50.8 55.4 623 730 6.125 4.11 相較於目前商業化之產品如KLF125、C7025板片，其硬 度、導電率、抗張強度及伸長率分別落在1 8 0 - 22 0 Hv、 35 - 50¾ IACS、600 - 660 Mpa 及6 - 8¾，因此，本發明 之銅合金明顯地較一般商品化之高強度銅合金提供更好之 導電率及同等級或更好的強度。 比較例： 商品化銅合金C7025被用於製作高腳數積體電路元件，該 合金成分列於表2A，合金經時效熱處理後再施以3〇%冷軋： r * 後所得之板片’其硬度、導電度 '抗張強度及伸長率測試

C:\Program Files\Patent\87031. ptd 第 13 頁 五'發明說明（10) 結果紀錄於表2B。

•表2A 銅 鎳 始 鐵 矽 鎂 磷 比較例 Bal. 3.03 - 甲 0.71 0.17 -

表2B 硬度 導電率 抗張強度 伸長率 (Hv) (%IACS) (MPa) (%) 製程 I II I II I II I II 比較例 - 46.1 38.7 696 970 1.5 2 由上述之結果顯示本發明之銅合金相較於已商品化之第二 類銅合金有更高的導電率（高於45% I ACS)，且滿足高腳& 積體電路元件所…需的抗張強度（高於6〇〇MPa)。 _，_ 综合上述各比較之結果，可得知本發明之前述和其他目 及特徵經由以上針對較佳實施例的敘述，將更為顯著，攰 敘述僅係用於例示說明本發明於較佳狀況下之操作蚌4 而非企圖以之對發明範圍作任何限制，其他在不脫^明 精神下所作之修飾及變更，皆屬本發明之保護範圍。

Claims (1)

1. 公、菩本 庚號 87121944 年 月 费 公、菩本 庚號 87121944 年 月 费 1苯"'上含有下列成分： \a^r J** 2.5 w t %之間 2 . 5 w t %之間 0 . 8 w t %之間 (a )錄含量介於0 . 5 (b ) 結含量介於0 . 5 (c )矽含量介於0 . 5 及 鎳 (d)鎂或磷或二者的含量介於0.05 - 0,15 wt%之間 (e ) 剩餘量為銅： (f ) 其中鈷、鎳及矽的含量滿足下列方程式：2 % < ( 鈷）< 4 % 及 0 . 8 < (鎳/4 + 鈷/6 ) /矽 < 1 2 ° 2. 如申請專利範圍第1項之銅合金，其基本成分包含 w t 0/ 0 . 8 w t % 的石夕、0 . 0 5 w t 5 w t % 的結、0 . 4 0 . 1 5 w t %的（鎮和/或 碟）、及剩餘量為銅，其中錄和钻的總量介於2 . 0和4. 0 wt%之間。 3. 如申請專利範圍第1項之銅合金，其抗張強度至少為 6 0 0 MPa且導電率至少為 4. 一種製備銅合金的製驟所組成： (a )金屬混合物基本上包含下列成分： (i )錄含量介於0. 5 - 2. 5 w t %之間； (i i ) 結含量介於0 . 5 - 2 . 5 w t %之間； (iii) s夕含量介於0.5 - 0.8 wt%之間； (IV)錤或鱗或二者的含量介於0.05 - 0.15 wt%之間； (v i)其中鈷、鎳及矽的含量滿足下列方程式：2 %〈（鎳 + 鈷）< 4 % 及 0. 8 < (鎳 / 4 + 鈷 / 6 ) / 矽 < 1 2 ; (b )利用高週波爐熔化組成金屬，然後快速冷卻鑄成所需

   第16頁 2001.02.06.016 _案號 87121944_年片曰_fhi_ 六、申請專利範圍 大小的i壽館；： (c ) 將鑄錠於8 0 0 - 9 5 0 'C進行0 . 5 - 6小時之均質化處 理： (d ) 均f化後之鑄錠直接進行熱加工使之形成銅合金板 片，加工量為7 0 %或更高，該合金板片必要時可視情況於 8 0 0 - 9 5 (TC進行3 0秒到3 0分鐘之退火熱處理使之軟化，或 直接進行〔e )步驟之冷軋； (e ) 板片進行冷軋，冷軋量須達4 0 %以上； (f ) 冷軋後銅合金板片於8 0 0 - 9 5 0 3C進行3 0秒至3 0分鐘 之退火熱處理； (g )步驟（e )及（f)可重複實施直到板片達到所需之厚度及 導電率等特性；及 (h) 最後一次冷軋後之合金板片，於300 - 60Q°C進行30 分鐘至5小時之時效熱處理a 5. 如申請專利範圍第4項所述之製備銅合金的製程，其 中，金屬混合物基本成分包含：0.5 wt % - 2.5 wt%的 鎳、0.5 wt% - 2.5 古、0.4 wt% - 0.8 wt% 的石夕、 0 . 0 5 w t % - 0 . 1 5 w t %的（鎮和/或鱗）、及剩餘量為銅，其 中錄和钻的總量介於2 . 0和4. 0 w t %之間。 6. 如申請專利範圍第4項所述之製備銅合金的製程，其 中，進一步包含銅合金相(熱處理後之冷加工。 7. 一種製備銅合金的步驟所組成： (a ) 金屬混合物基本上包含下列成分： (1) 鎳含量介於0.5 - 2.5 wt%之間；

   第17頁 2001.02.06.017 案號87121944 年月曰 修正 六、申請專利範園 (1 1 ) 結含量介於0 . 5 - 2 . 5 w t °ίι之間： (1 i i ) 矽含量介於0 . 5 - 0 . 8 w t %之間； (1 v )鎂或磷或二者的含量介於0 . 0 5 - 0 . 1 5 w t %之間； (v ) 剩餘量為銅； (V 1 ) 其中鈷、鎳及矽的含量滿足下列方程式：2 %〈（鎳 + 鈷）< 4 % 及 0 8 < (.錯 Μ + 結 / 6 ) / Ψ < 1.2 ; (b ) 利用高週波爐熔化組成金屬，然後快速冷卻鑄成所需 大小的鑄錠； (c ) 將此熱鑄錠於8 0 0 - 9 5 0 aC進行0 · 5 - 5小時之均質化 熱處理； (d )均質化後之鑄錠直接進行熱加工使之形成銅合金板 片，加工量為7 0 %或更高； (e ) 熱加工後銅合金板片進行冷加工，冷加工量為至少 4 0 %或更南1 (f) 冷加工後於3 (3 0 - 6 Q (TC進行時效熱處理使其析出硬 化；及 (g )步驟（d )及（e )可重複實施直到板片達到所需之厚度及 導電率等特性。 8. 如申請專利範圍第7項所述之製備銅合金的製程，其 中，金屬混合物基本成分包含：0.5 wt % - 2.5 wt %的 錄、0·5 wt% - 2.5 wt% 的結、0.4 wt% - 0.8 wt% 的石夕、 0 . 0 5 w t % - 0 . 1 5 w t %的（鎂和/或麟）、及剩餘量為銅，其 中鎳和鈷的總量介於2 . 0和4 · 0 w t %之間。 9. 如申請專利範圍第7項所述之製備銅合金的製程，進

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   第18頁 2001.02. 06.018 案號 8712ί944 年 月 ϋ 降正

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