专利名称：高导电性、膨胀系数可控制的铜基合金及其制造方法
技术领域：
属于热加工或冷加工法改变有色金属或合金物理结构的技术领域，特别涉及到了高导电性、膨胀系数可控制的铜基合金设计及制造方法。
背景技术：
随着大规模、超大规模集成电路(IC)的发展，与半导体芯片相连接引线的数量不断增加，引线的间距不断减小，因此采用了铜基合金或Fe-Ni因瓦合金制造的引线框架。但铜基合金因其膨胀系数约为17×10-6/K与半导体材料的膨胀系数约为(4～7)×10-6/K匹配得不好，当工作温度上升较高后就容易失效。而Fe-Ni因瓦合金由于其导电性、导热性差而无法满足导电、散热的需要。因此，急需设计和制造兼备高导电性、导热性，又能在-50℃～150℃温度区间内满足多种膨胀系数使用要求的新材料来替代上述材料。另外还有一些特殊的工程要求，需要材料具有导热率高、在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数为0。以上这些都需要研制高导电性、在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数可控制的铜基合金。
发明内容
针对以上要求本发明设计出两种铜基合金Cu-Al-Mn和Cu-Zn-Al，是具有热弹性马氏体可逆相变的铜基合金，并提出了一种生产高导电性、在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数可控制的铜基合金的方法。通过在室温(10～30℃)下控制冷轧方向及轧制压延率的方法，进而获得了导电率为15～30％IACS，导热率106～128W/m·k，在-50℃～150℃温度区间内热膨胀性系数-500×10-6/K～300×10-6/K可控制的铜基合金。
(1)研究高导电性、在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数可控制的合金的原理是采用马氏体转变开始温度(Ms)为-50℃～+50℃的，电导率为15～30％IACS的Cu-Al-Mn，Cu-Zn-Al等具有热弹性马氏体可逆相变的铜基合金(形状记忆合金)，通过控制冷轧方向及轧制的压延率的方法，在室温(10°～30℃)利用冷加工应力诱发出具有择优取向结构的一定体积分数的马氏体晶核。当环境温度变化时，应力诱发马氏体晶核的生长和消失所产生的尺寸效应与正常的热膨胀效应相反而产生共同作用的结果；在特定的方向上即可产生热膨胀的各向异性，根据轧制条件的变化，可以获得可控制膨胀系数的铜基合金；特别当应力诱发马氏体的体积分数合适时，马氏体可逆相变的尺寸效应刚好与合金正常的热膨胀效应相抵消，在一定温度范围内使合金在轧制方向上的热膨胀性接近于0。
因此，通过控制冷轧的压延率及轧制方向的方法，可以在室温附近的一定温度范围内(-50°～+150℃)，在轧制方向上任意获得正、负或是0的膨胀性。
轧制过程中，母相合金在轧制方向上受到拉应力作用，在轧制面法线方向上受到压应力作用。因此，Bcc母相的[110]晶向切变成6M马氏体的
方向，晶格在该方向上膨胀约7％。随着温度的降低马氏体生长，7％的膨胀与正常的热膨胀造成的尺寸收缩相抵消，就产生在-50℃～150℃温度区间内负膨胀或低膨胀效应。
(2)高导性、在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数可控制的铜基合金成份及组织控制通过合金成分的设计与控制，可以获得所要求的马氏体相变开始温度在-50°～50℃的温度区间的某一温度如-25℃的铜基合金。
对于Cu-Al-Mn合金一般其成分(原子百分数)范围为Al10～25(at.％)；Mn5～15(at.％)；对于Cu-Zn-Al合金一般其成分(原子百分数)范围为Zn10～30(at.％)；Al5～20(at.％)；可以通过添加合金元素来改变晶粒尺寸等组织形态。
如加入Ti、Ni、V、B、Fe等元素组成为0.05～3(at.％)，合金晶粒尺寸就减少。
(3)高导性、在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数可控制的铜基合金的制造。
a、母相合金的制备按合金的成要要求选用工业纯的铜、铝、锰、锌金属原料配置合金料，进行熔炼，对熔炼得到的要求成分的母合金在800～900℃左右进行热轧至厚度为产品要求厚度的约1～2倍的板材。如产品是1mm，热轧后的产品厚度为1.5mm。
b、获得具有热弹性马氏体可逆相变的合金的热处理工艺热轧板材在600°～950℃区间中一温度下，固溶处理5～30分钟后淬火，使合金获得具有近Bcc结构的母相，即可获得所要求的马氏体转变开始温度(Ms)的母相合金。
c、获得膨胀系数可控制的合金的冷轧方法及工艺参数对母相合金板材上下表面进行抛光，去除氧化层，使材料厚度均匀，表面光亮。测量初始厚度，在室温进行轧制，每次轧制的压延率为0.001％～0.5％。当总压延率很小时(0.5～1％)，在轧制方向上即可产生强烈的负热膨胀性，在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数可达-150×10-6/K；而垂直于轧制面方向上，可产生强烈的正热膨胀性，在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数可达300×10-6/K。
当总压延率小于7％时，在轧制方向上可以获得在-50℃～150℃温度区间内负的膨胀系数(一般为-150×10-6/K～0)；当总压延率等于7～8％时，可以获得在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数接近0；当总压延率大于7％时，可以获得在-50℃～150℃温度区间内正的膨胀系数(一般为0～17×10-6/K)。在轧制面法线方向上可以获得在-50℃～150℃温度区间内17～300×10-6/K的膨胀系数。
在母相合金轧制面内进行90°换向交叉轧制，可以在整个二维平面内在-50℃～150℃温度区间内使合金的膨胀系数为-150×10-6/K～17×10-6/K。此时，总压延率为单方向轧制的1.2～1.5倍左右。
d、本发明铜基合金的物理性能通过上述方法，可以在-50°～+150℃温度范围内，通过对冷轧压延率的控制，在轧制方向上可以获得任意的膨胀性，在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数范围约为-150×10-6/K～17×10-6/K。而在轧制面的法线方向上，可以获得的在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数范围约为17×10-6/K～300×10-6/K。通过垂直交叉轧制，在轧制平面内获得在-50℃～150℃温度区间内可控制的膨胀系数。该合金的导电率为15～30％IACS。在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数在-150×10-6/K～300×10-6/K区间可控制的任意一膨胀系数。
具体实施例方式
1、集成电路制造用引线框架材料半导体芯片的膨胀系数一般为(4～7)×10-6/K，大大低于普通铜基合金的17×10-6/K。因此需要膨胀系数能与半导体相配合的、导电率及热传导性能好的引线框架材料。用工业纯的电解铜、铝锭、锌锭以含按原子百分数配比制成Zn26at％，Al11at％，余下为Cu的铜基合金，铸成合金锭。其马氏体相变开始温度为-25℃。在850℃下热轧成合金板材，在700℃下固溶处理30分钟、淬火，冷却到室温；在室温下经过总压延率为8～10％的冷轧，即可在单方向上获得所要求的膨胀系数。如果对合金板材进行每次90°换向的交叉轧制，总压延率为12～15％。其导电率为22％IACS，在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数约为5×10-6/K，导热率约为120W/m·k。
2、高精度国际标准度量直尺利用本方法可以制造长度不随温度变化的高精度国际标准度量直尺。用工业纯的电解铜、铝锭、电解金属锰或是以含Al45～55％的铜铝中间合金、含Mn28～32％的铜锰中间合金，按原子百分数配比制成Al18at％，Mn11at％，余下为Cu的铜基合金，铸成合金锭。制备了具有热弹性马氏体相变的Cu-18Al-11Mn合金板材，其马氏体相变开始温度为-25℃。在850℃下热轧成合金板材，在800℃下固溶处理30分钟、淬火，冷却到室温；经过总压延率为7.5％的冷轧，即可在轧制方向上获得在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数为0。该方法成本低、精度高、具有较好的耐腐蚀性能。
权利要求
1.高导电性、膨胀系数可控制的铜基合金及其制造方法，其特征在于设计了两种具有热弹性马氏体可逆相变的铜基合金；其合金成份为Cu-Al-Mn合金原子百分数配比Al10～25at.％，Mn5～15at.％，Cu为余量；Cu-Zn-Al合金原子百分数配比Zn10～30at.％，Al5～20at.％，Cu为余量。
2.权利要求1所说的高导电性、膨胀系数可控制的铜基合金及其制造方法，其特征在于该铜合金制造的方法由以下三个主要步骤组成(1)按权利要求1成份配制的母相合金板材，首先要在800～900℃下进行热轧，使热轧后板材厚度约为所得到产品要求厚度的1～2倍；(2)热轧后的母相合金板材在600°～900℃温度区间中的一个温度下固溶处理5～30分钟，得到马氏体转变开始温度为-50°～+50℃某一要求温度的母相合金；(3)按照不同膨胀系数需要实施不同的冷轧工艺，在轧制方向上当总压延率小于7％时，可以获得在-50℃～150℃温度区间内负的膨胀系数(一般为-150×10-6/K～0)；当总压延率等于7～8％时，可以获得在-50℃～150℃温度区间内膨胀系数接近0；当总压延率大于8％时，可以获得在-50℃～150℃温度区间内正的膨胀系数(一般为0～17×10-6/K)；在轧制面的法线上，在-50℃～150℃温度区间内，可以获得正的膨胀系数(一般为17～300×10-6/K)；当对母相合金轧制面内进行90°换向交叉轧制时，可以在整个二维平面内在-50℃～150℃温度区间内使合金的膨胀系数为-150×10-6/K～17×10-6/K。
全文摘要
高导电性、膨胀系数可控制的铜基合金及其制造方法，属于热加工或冷加工改变有色金属或合金物理结构的技术领域；合金成分为，Cu－Al－Mn合金的原子百分数配比为Al10～25at％，Mn5～15at％的铜基合金，Cu－Zn－Al合金的原子百分数配比为Zn10～30at％，Al5～20at％的铜基合金；其生产方法为在800～900℃温度下对配制的母相合金板材热轧到要求的厚度；在600～900℃区间中的一个温度值固溶处理、淬火和在室温下按照不同总压延率冷轧或是90°交叉冷轧三个重要环节组成；制得了导电率为15～30％IACS，在－50℃～150℃温度区间内膨胀系数可在－150×10
文档编号C22C9/01GK1664136SQ20041002133
公开日2005年9月7日 申请日期2004年3月4日 优先权日2004年3月4日
发明者王继杰, 刘沿东, 左良, 连法增, 郝士明 申请人:东北大学