专利名称：铜基高强高导性材料及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子材料，尤其涉及一种铜基高强高导性材料及其制备工艺。
表1 我国铜框架材料牌号及性能牌号抗拉强度Mpa延伸率％导电率％IACSTP0 ≥2759≥85TFe0.1≥3924≥80QFe2.5≥4105≥60国外日本、美国等发达国家自60年代起开始研制铜引线框架材料，目前全世界框架铜合金不下100种，其中日本达到77种，主要是铜-铁-磷、铜-铬-锆、铜-镍-硅等系列。国外著名铜引线框架材料及性能见表2。
表2 国外著名铜引线框架材料及性能拉伸强度 导电率 热导率牌号合金成分％ 延伸率％MPa ％IACS W/mKCu-2.3Fe-0.1Zn-C194 4505 60 2640.03PCu-0.6Sn-1.5Fe-C195 617 3-13 50 1970.8Co-0.1PKLF-1 Cu-3Ni-0.7Si 588 6 55 222Cu-0.1Fe-0.1Sn-KLF-2 460 8 82 2680.03PCu-2Sn-0.25Ni-0MF202 529 6 30 155.05P
Cu-1.0Fe-0.5Sn-EFTEC-5 539 8 540.5ZnCu-0.69Fe-0.36TML-21588 14 76i-0.06MgCu-0.3Cr-0.1Zr-OMCL-1 590 8 820.05Mg-0.02Si从表1，2可见，现开发的铜基材料，大多数铜基材料如强度高则导电导热性欠佳，如导电导热性好则强度不够理想，这是因为材料的强度和导性是一对矛盾，这就使得制备高强高导性材料的技术难度很大。近期开发的ML-20和OMCL-1材料亦具有高强高导性，但这二种材料含有Zr或Ti昂贵元素，而且须在真空中熔炼，这就使得制备材料的成本较高。
本发明的目的是这样实现的本发明的铜基高强高导性材料的配方是由如下以质量百分比计的成分组成铜 96.80-99.80铁 0.02-2.00磷0.01-0.10硼 0.001-0.100稀土或稀土混合物 0.001-1.000本发明的铜基高强高导性材料是指铸件、热轧或热锻铜材、冷轧铜材、粉末冶金产品毛坯、粉末冶金热轧或热锻或冷轧铜材。
本发明的铜基高强高导性材料配方中的稀土是指含铈或钇或镧元素的金属或合金或氧化物，稀土混合物是指含铈或钇或镧中的二种或三种元素的合金或氧化物混合物。
本发明的制备工艺为一、铸件的制备工艺为1、配料按化学成份要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铁或含铁合金、含磷合金、含硼合金、稀土或稀土混合物混合，得到配料；2、熔炼将配好的配料放入加热炉中按常规的铜合金冶炼工艺熔化；3、浇铸铸件将熔化了的金属液浇入铸型中得到铸件；4、固溶处理将浇铸后的铸件加热至800-1050℃区间的某一温度，保温1-5小时，然后水冷；5、时效处理将经固溶处理后的铸件加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品；或将经固溶处理后的铸件放置在室内外大气中自然时效1-360天，得到成品。
二、热轧或热锻铜材的制备工艺为制备热轧或热锻铜材的步骤1、2与铸件的步骤1、2相同，不同之处在于3、浇铸铜锭将熔化了的金属液浇入铜锭模中得到铜锭；4、热轧或热锻将浇铸后的铜锭加热至500-1050℃区间的某一温度保温0.5-3小时，然后轧制或锻造成铜材；5、固溶处理热轧或热锻完成后，将制得的铜材立即水冷，热轧或热锻完成后，将制得的铜材先空冷，然后再加热至800-1050℃区间的某一温度，保温1-5小时后水冷；6、时效处理将经固溶处理后的铜材加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品；或将经固溶处理后的铜材放置在室内外大气中自然时效1-360天，得到成品。
三、冷轧铜材的制备工艺为制备冷轧铜材的步骤1、2、3、4、5与热轧或热锻铜材的步骤1、2、3、4、5相同，不同之处在于6、冷轧将经固溶处理后的铜材在室温下轧制；7、时效处理将经冷轧后的铜材加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品；或将经固溶处理后的铜材放置在室内外大气中自然时效1-360天，得到成品。
或按以下步骤6、时效处理将经固溶处理后的铜材加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却；或将经固溶处理后的铜材放置在室内外大气中自然时效1-360天；7、冷轧将经时效处理后的铜材在室温下轧制；8、回复将经冷轧后的铜材加热至50-500℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品。
四、粉末冶金产品毛坯的制备工艺为1、配料按化学成份要求，将符合配方质量百分比的铜粉、纯铁或含铁合金粉、含磷合金粉、含硼合金粉、稀土或稀土混合物粉混合，搅拌均匀，得到配料；2、制坯按常规的粉末冶金工艺制得产品毛坯；
3、固溶处理将产品毛坯加热至800-1050℃区间的某一温度，保温1-5小时，然后水冷；4、时效处理将经固溶处理后的产品毛坯加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品；或将经固溶处理后的产品毛坯放置在室内外大气中自然时效1-360天，得到成品。
五、粉末冶金热轧或热锻或冷轧铜材的制备工艺为制备粉末冶金热轧或热锻或冷轧铜材的步骤1与产品毛坯的步骤1相同，不同之处在于2、制锭按常规的粉末冶金工艺制得铜锭；后面的步骤与热轧或热锻或冷轧铜材的步骤相同。
本发明是采用金属熔体净化、细晶强化、析出强化和位错强化综合技术，以铜(Cu)为基体，添加铁(Fe)、磷(P)、硼(B)元素和稀土(含铈或钇或镧元素的金属或合金或氧化物)或稀土混合物(含铈或钇或镧中的二种或三种元素的合金或氧化物混合物)，从而制得铜基高强高导性材料。其特点是(1)采用析出强化与位错强化相结合原理进行制备合金化构成加入微量的铁、磷元素，通过固溶处理，使固溶体处于过饱和状态，然后，通过冷轧加工，使材料晶体内和晶间的位错密度增大，再进行时效处理，使过饱和的铁、磷元素析出，在铜基体上形成了弥散分布、细小均匀的析出强化相；或固溶处理后先进行时效处理，然后再冷轧。以上二种工艺路线均可获得析出强化和位错强化效果，大幅度提高材料的强度，同时，使材料保持良好的导性。
(2)添加稀土和硼元素，同时起净化金属熔体、细化晶粒、合金化和改善冷热加工性能四重作用稀土具有脱氧、脱氢和脱硫的作用，硼也具有脱氧的作用，因此，稀土和硼可大大地降低金属熔体的含气量和含硫量，使金属熔体的纯净度提高，这有利于改善材料的强度和塑性，同时提高导电和导热性能；稀土和硼元素细化晶粒的作用明显，可在对导电、导热性基本无影响的前提下，显著提高材料的强度和韧性；稀土和硼还可形成析出强度相，提高材料强度；由于稀土和硼的净化，以及提高材料的塑性作用，使材料具有良好的冷热加工性能，材料的成材率高。
(3)、制备工艺简单、成本低。
本发明的铜基高强高导性材料性能如下(1)铸件、热轧或热锻铜材、粉末冶金产品毛坯、粉末冶金热轧或热锻铜材
拉伸强度(σb)280-380MPA延伸率(δ)20-45％软化温度 500-550℃ 导电率(％IACS)75-85(2)冷轧铜材、粉末冶金冷轧铜材拉伸强度(σb)550-650MPA延伸率(δ)6-15％软化温度 500-550℃ 导电率(％IACS)72-82本发明的铜基高强高导性材料同时具有优良的综合物理性能和力学性能，是一种新型功能材料，可应用于微电子、通讯、航天、航空、高速交通等行业，用于制造集成电路引线框架、电阻焊电极、高速电气机车的架空导线、大型高速涡轮发电机的转子导线、电触点材料、线切割电极丝、电厂锅炉内喷射式点火喷孔、气割机喷嘴等产品。随着科学技术的高速发展，对高强高导性材料的性能提出越来越高的要求，如集成电路正在向大规模和超大规模发展，要求引线框架铜带的性能指标抗拉强度≥600Mpa，导电率≥80％IACS，抗高温软化温度≥500℃；电阻焊电极焊接区的温度达到500-650℃，电极顶端部位的温度甚至高达800℃，通过电极的电流密度为一般电导材料的100-1000倍，要求电极能承受高电流、高温和高压的作用。本发明可基本满足上述性能要求。
5、热轧后固溶处理热轧完成后，将制得的铜材先空冷，然后再加热至900℃，保温2小时后水冷；6、时效处理将经固溶处理后的铜材加热至300℃，保温4小时，然后冷却，得到成品。实施例3冷轧铜材的制备1、配料材料化学成份(质量百分比)取铁0.188、磷0.01、硼0.001、镧0.001、剩余为铜。原材料使用电解铜、纯铁、磷铜合金、硼铜合金、金属镧，按常规合金配料方法计算各种原材料的加入量，得到配料；2、熔炼将配好的配料放入加热炉中按常规的铜合金冶炼工艺熔化；3、浇铸铜锭将熔化了的金属液浇入铜锭模中得到铜锭；4、热轧将浇铸后的铜锭加热至880℃，保温3小时，然后轧制；5、热轧后固溶处理热锻完成后，将制得的铜材先空冷，然后再加热至920℃，保温1小时后水冷；6、冷轧将经固溶处理后的铜材在室温下轧制；7、时效处理将经冷轧后的铜材加热至250℃，保温8小时，然后冷却，得到成品。实施例4冷轧铜材的制备1、配料材料化学成份(质量百分比)取铁1.8、磷0.02、硼0.08、含铈和镧的二种元素的合金0.8、剩余为铜。原材料使用电解铜、纯铁、磷铜合金、硼铜合金、含铈和镧的二种元素的合金，按常规合金配料方法计算各种原材料的加入量，得到配料；2、熔炼将配好的配料放入加热炉中按常规的铜合金冶炼工艺熔化；3、浇铸铜锭将熔化了的金属液浇入铜锭模中得到铜锭；4、热轧将浇铸后的铜锭加热至880℃，保温3小时，然后轧制；5、热轧后固溶处理热锻完成后，将制得的铜材先空冷，然后再加热至920℃，保温1小时后水冷；6、时效处理将经固溶处理后的铜材加热至100℃保温3小时，再加热至300℃保温20小时，再加热至600℃保温45小时，然后冷却；或将经固溶处理后的铜材放置在室内外大气中自然时效100天；7、冷轧将经时效处理后的铜材在室温下轧制；8、回复将经冷轧后的铜材加热至400℃保温30小时，然后冷却，得到成品。实施例5粉末冶金产品毛坯的制备1、配料材料化学成份(质量百分比)取铁0.02、磷0.05、硼0.5、含铈和钇的二种元素的合金1、剩余为铜。原材料使用铜粉、铁粉、磷铜合金粉、硼铜合金粉、含铈和钇的二种元素的合金粉，按常规合金配料方法计算各种原材料的加入量，得到配料；2、制坯按常规的粉末冶金工艺制得产品毛坯；3、固溶处理将产品毛坯加热至980℃，保温3小时，然后水冷；4、时效处理将经固溶处理后的产品毛坯加热至500℃，保温1小时，然后冷却，得到成品。实施例6粉末冶金热轧或热锻或冷轧铜材的制备1、配料材料化学成份(质量百分比)取铁1.4、磷0.03、硼0.07、含铈和钇和镧三种元素的氧化物混合物0.5、剩余为铜。原材料使用铜粉、铁粉、磷铜合金粉、硼铜合金粉、含铈和钇和镧三种元素的氧化物混合物，按常规合金配料方法计算各种原材料的加入量，得到配料；2、制锭按常规的粉末冶金工艺制得铜锭；后面的步骤与制备热轧或热锻或冷轧铜材的步骤相同
权利要求
1.一种铜基高强高导性材料，其特征在于配方是由如下以质量百分比计的成分组成铜 96.8 0-99.80铁 0.02-2.00 磷0.01-0.10硼 0.001-0.100 稀土或稀土混合物 0.001-1.000
2.如权利要求1所述的铜基高强高导性材料，其特征在于稀土是指含铈或钇或镧元素的金属或合金或氧化物，稀土混合物是指含铈或钇或镧中的二种或三种元素的合金或氧化物混合物。
3.如权利要求1所述的铜基高强高导性材料，其特征在于所述的铜基高强高导性材料是指铸件、热轧或热锻铜材、冷轧铜材、粉末冶金产品毛坯、粉末冶金热轧或热锻或冷轧铜材。
4.制备如权利要求1或2或3所述的铜基高强高导性材料的工艺，其特征在于铸件的制备工艺为(1)、配料按化学成份要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铁或含铁合金、含磷合金、含硼合金、稀土或稀土混合物混合，得到配料；(2)、熔炼将配好的配料放入加热炉中按常规的铜合金冶炼工艺熔化；(3)、浇铸铸件将熔化了的金属液浇入铸型中得到铸件；(4)、固溶处理将浇铸后的铸件加热至800-1050℃区间的某一温度，保温1-5小时，然后水冷；(5)、时效处理将经固溶处理后的铸件加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品；或将经固溶处理后的铸件放置在室内外大气中自然时效1-360天，得到成品。
5.制备如权利要求1或2或3所述的铜基高强高导性材料的工艺，其特征在于热轧或热锻铜材的制备工艺为步骤1、2与权利要求4的步骤1、2相同，不同之处在于(3)、浇铸铜锭将熔化了的金属液浇入铜锭模中得到铜锭；(4)、热轧或热锻将浇铸后的铜锭加热至500-1050℃区间的某一温度保温0.5-3小时，然后轧制或锻造成铜材；(5)、固溶处理热轧或热锻完成后，将制得的铜材立即水冷，热轧或热锻完成后，将制得的铜材先空冷，然后再加热至800-1050℃区间的某一温度，保温1-5小时后水冷；(6)、时效处理将经固溶处理后的铜材加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品；或将经固溶处理后的铜材放置在室内外大气中自然时效1-360天，得到成品。
6.制备如权利要求1或2或3所述的铜基高强高导性材料的工艺，其特征在于冷轧铜材的制备工艺为步骤1、2、3、4、5与热轧或权利要求5的步骤1、2、3、4、5相同，不同之处在于(6)、冷轧将经固溶处理后的铜材在室温下轧制；(7)、时效处理将经冷轧后的铜材加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品；或将经固溶处理后的铜材放置在室内外大气中自然时效1-360天，得到成品。或按以下步骤(6)、时效处理将经固溶处理后的铜材加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却；或将经固溶处理后的铜材放置在室内外大气中自然时效1-360天；(7)、冷轧将经时效处理后的铜材在室温下轧制；(8)、回复将经冷轧后的铜材加热至50-500℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品。7、制备如权利要求1或2或3所述的铜基高强高导性材料的工艺，其特征在于粉末冶金产品毛坯的制备工艺为(1)、配料按化学成份要求，将符合配方质量百分比的铜粉、纯铁或含铁合金粉、含磷合金粉、含硼合金粉、稀土或稀土混合物粉混合，搅拌均匀，得到配料；(2)、制坯按常规的粉末冶金工艺制得产品毛坯；(3)、固溶处理将产品毛坯加热至800-1050℃区间的某一温度，保温1-5小时，然后水冷；(4)、时效处理将经固溶处理后的产品毛坯加热至50-600℃区间的某一温度保温或某几个温度分级保温0.2-72小时，然后冷却，得到成品；或将经固溶处理后的产品毛坯放置在室内外大气中自然时效1-360天，得到成品。
8.制备如权利要求1或2或3所述的铜基高强高导性材料的工艺，其特征在于粉末冶金热轧或热锻或冷轧铜材的制备工艺为(1)、配料按化学成份要求，将符合配方质量百分比的铜粉、纯铁或含铁合金粉、含磷合金粉、含硼合金粉、稀土或稀土混合物粉混合，搅拌均匀，得到配料；(2)、制锭按常规的粉末冶金工艺制得铜锭；后面的步骤与权利要求4或5的步骤相同。
全文摘要
本发明公开了一种铜基高强高导性材料及其制备工艺，它是采用金属熔体净化、细晶强化、析出强化和位错强化综合技术，以铜为基体，添加铁、磷、硼元素和稀土或稀土混合物，从而制得铜基高强高导性材料。本发明具有不仅强度高而且导电导热性好、制备工艺简单、成本低的优点，本发明的铜基高强高导性材料同时具有优良的综合物理性能和力学性能，是一种新型功能材料，可应用于微电子、通讯、航天、航空、高速交通等行业。
文档编号H01L23/48GK1436868SQ03114720
公开日2003年8月20日 申请日期2003年1月1日 优先权日2003年1月1日
发明者陆德平, 李放, 孙宝德, 张友亮, 曾卫军, 刘勇, 谢仕芳, 邓鸣 申请人:江西省科学院应用物理研究所