用于电气和电子部件的铜合金材料及其制造方法

用于电气和电子部件的铜合金材料及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于电气和电子部件的铜合金材料及其制造方法。更特别地，本发明公开了一种具有卓越的机械强度特性、高电导率和高热稳定性的铜合金材料以及这种铜合金材料的制造方法，这种铜合金材料作为一种用于信息传输和用于家用电器及汽车的连接器等的电器插头（包括半导体引线框架）的材料。
【专利说明】用于电气和电子部件的铜合金材料及其制造方法
[0001]本申请要求2012年11月9日提交的韩国专利申请10_2012_0126595的优先权，
在此援引该专利申请作为参考，如同在这里完全阐述一样。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种用于电气和电子部件的铜合金材料及其制造方法，更特别地，涉及一种具有卓越机械强度特性、高电导率和高热稳定性的铜合金材料以及这种铜合金材料的制造方法，这种铜合金材料作为一种用于信息传输和用于家用电器及汽车的连接器等的电器插头(包括半导体引线框架)的材料。
【背景技术】
[0003]作为用于诸如半导体引线框架、连接器等的电气/电子部件的材料，一般来说，主要使用沉淀硬化型铜(Cu)合金材料。在这种铜合金材料当中，Corson铜合金(Cu-N1-Si)材料具有非常高的强度和卓越的电导率，因此用于各种各样的应用中，但是为了达到高电导率，这种材料需要非常严苛地控制杂质(即，300-500ppm)。
[0004]众所周知,Cu是优良的电导体，从古代就已经广泛应用。但是,纯Cu具有弱强度，因此不适合用作需要高强度的部件。由此，在诸如美国、日本等的很多国家已正在进行通过将各种合金元素添加到Cu中来制造合金以获得高强度材料的研究。
[0005]但是，铜合金材料，例如利用合金元素通过固溶强化(solid-solutionstrengthening)或加工硬化(work hardening)所制得的普通黄铜或青铜，由于合金元素的添加可能会具有高于纯Cu的强度，但是具有明显低于纯Cu的电导率。因此，这种铜合金材料不适合用作需要兼具高强度和高电导率的电气/电子部件的材料，所述电气/电子部件例如晶体管、集成电路的引线`框架等、电器配件、或诸如此类的部件。
[0006]在目前为止开发出的沉淀硬化型Corson铜合金中，以一确定比例包括于其中的Ni和Si是代表沉淀硬化的主要元素。
[0007]按照常规，为了在将电导率的降低减至最小的范围内增强强度特性，已经研究过，除了 Ni和Si之外还添加非常小量的诸如镁(Mg)、铁(Fe)、磷(P)、锡(Sn)、钴(Co)、铬(Cr)、锰(Mn)、锌(Zn)、钛(Ti)等的合金元素。这些合金元素当中，特别是，当制作引线框架时，Mg仅发生很小的电导率降低并具有卓越的固溶强化效果，卓越的应力释放性能和高热稳定性，因此，已经采用Mg并将其用作主要的合金元素。但是，在实际操作中，Mg的强氧化强度导致氧化物的形成并降低在浇铸时熔融金属的流动性，因此在实践中导致诸如发生铸块的表面缺陷或者深层皱纹(de印wrinkles)和发生所形成的氧化物滚进铸块中或者在铸块中形成微孔这样的问题，以及在热轧中发生表面破裂和当通过冷轧制造条带时发生表面缺陷，这些都是有待解决的问题。此外，诸如P、Sn、Mn、和Ti的合金元素具有卓越的固溶强化效果，但是即使是少量添加这些合金元素，也会明显降低所制造的铜合金材料的电导率，因此，即使这些合金元素是主要的合金元素，也必须非常少量地使用这些合金元素。
[0008]为了解决这些存在的问题，目前已经公开了一些发明，其中通过优化N1、Si和其它所添加的合金元素来控制沉淀物的尺寸以确保其质量，和当添加其它合金元素时，根据电导率降低程度适当调整其组成比率，从而增强合金的性能。但是，仍然必须严格限制当添加时会很大程度降低电导率的杂质元素的总量，所述杂质元素例如T1、Co、Fe、砷(As)、Mn、锗(Ge)、Cr、铌(Nb)、锑(Sb)、铝(Al)、Sn 等(参见韩国专利注册:10-0679913、10-0403187和 10-0674396)。
[0009]关于以上描述，在参考文献中公开了电导率随着向Cu中添加合金元素而降低(参见[Niedriglegierte Kupferlegierungen, Deutsche Kupfer Institut, ρ.22])。举例来说，该参考文献公开了，诸如银(Ag)、氧(O)、Zn等的合金元素按照其添加量引起相当小的电导率降低，而诸如T1、Co、Fe、Mn、Ge、Cr、Nb、Sb、Al、Sn等的合金元素引起相当大的电导率降低。
[0010]根据现有技术，向Cu合金中引入P主要引起脱氧效应(deoxidation effects),且使得熔融金属的流动性能够得以保障，从而增强可铸造性。此外，少量加入合金成分的合金化纯铜的方法用于防止氢脆变。
[0011]在工业上广泛使用的磷脱氧铜是如此地制造的Cu合金，即，用P将纯铜进行脱氧以将在其中所存在的氧减至最少且可允许的P的残余量是介于200和500ppm之间，和相对于纯铜该铜合金的电导率降低了 80至85%。此外，这种情况下，当包括作为杂质的其它合金元素时，Cu合金的电导率非常显著地降低。举例来说，当仅包括IOOppm含量的诸如Ti或Co的兀素时，Cu合金的电导率即明显降低。
[0012]同时,还有一些文献报道了在这种沉淀硬化型Corson铜合金(Cu-N1-Si)中添加磷的效果，但是所有这些文献仅公开了通过与主要成分以金属间化合物形式的沉淀物的磷添加效果。也就是说，已经证实了，Ni结合P形成Ni3P或Ni5P2,Fe结合P形成Fe3P或诸如此类，和因此这些化合物在 增加所形成的Cu合金的强度和电导率方面起到至关重要的作用(韩国专利注册:10-0018127),以及P结合Mg形成Mg3P2或MgP4形式的化合物，从而在封装半导体引线框架的集成电路中的模制工艺中该化合物在增强强化效果和增强热稳定性方面起到作用(韩国专利注册:10-0082046)。
[0013]但是，未见报道在现有技术中所添加的P担当了合金元素和过渡金属杂质之间的沉淀中介物以形成第三金属间化合物，从而抑制了由于过渡金属杂质导致的电导率降低，且电导率得以相反地增加。

【发明内容】

[0014]抟术问是页
[0015]因此，本发明涉及一种用于电气和电子部件的铜合金材料及其制造方法，基本避免了由于现有技术的限制和不足导致的一个或多个问题。
[0016]本发明的一个目的是提供一种用于电气和电子部件的铜合金材料及其制造方法，所述铜合金材料包括杂质成分并显示出高强度、高热稳定性和高电导率。
[0017]在下面的描述中将部分列出本发明的其它优点、目的和特征，这些优点、目的和特征的一部分从下面的描述对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，或者可从本发明的实施领会到。通过说明书、权利要求以及附图中特别指出的结构可实现和获得本发明的这些目的和其它优点。[0018]技术方案
[0019]为了实现这些目的和其它优点并根据本发明的目的，如在此具体和概括描述的，用于电气和电子部件的铜(Cu)合金材料包括0.5-4.0wt%的镍(Ni)，0.l-1.0wt%的硅
(Si), 0.02-0.2wt%的磷(P)，其余是Cu和不可避免的杂质。不可避免的杂质可包括至少一种过渡金属，所述过渡金属选自由钛(Ti)、钴(Co)、铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr)、铌(Nb)、钒(V)、锆(Zr)和铪(Hf)构成的组，其中至少一种过渡金属利用P作为中介物与N1-S1-P基沉淀物进行化学地结合以形成N1-S1-P-X形式的化合物(其中X是过渡金属)。不可避免的杂质的总量(wt%)在Cu合金材料的Ni和Si的总量的10%以内。
[0020]Cu合金材料可进一步包括0.3wt%或以下的镁(Mg)、0.3wt%或以下的银(Ag)、1.0wt%或以下的锌(Zn)、或者0.8wt%或以下的锡(Sn)。Cu合金材料中的沉淀物可具有Ιμπι或以下的尺寸。
[0021]在本发明的另一方面，一种制造Cu合金材料的方法包括，通过熔融和浇铸获得一铸块，使得该铸块具有以下成分:0.5-4.0wt%的Ni,0.1-1.0wt%的Si,0.02-0.2wt%的P，其余为Cu和不可避免的杂质，在介于750和1050°C之间的温度下热加工该铸块并水冷该热加工的铸块，冷加工该经由热加工获得的产品至所需厚度并在介于300和600°C之间的温度下重复地退火和空气冷却该冷加工的产品长达I至15小时，以及在介于300和700°C之间的温度下持续地应力去除热处理该经由冷加工获得的产品长达10至600秒。在所述熔融工艺中，可进一步添加0.3wt%或以下的Mg、0.3wt%或以下的Ag、1.0wt%或以下的Zn、或0.8被％或以下的Sn。在使用上述制造方法制得的Cu合金材料中所形成的沉淀物具有I μ m或以下的尺寸。
[0022]有益.效果
`[0023]如从上文描述显而易见的，本发明提供了一种用于电气和电子部件的Cu合金材料及其制造方法，在所述的Cu合金材料中杂质得以有效控制和利用，因此最大程度地增强了用于电气和电子部件的材料最需要的强度、热稳定性和电导率。
[0024]应当理解，本发明前面的一般性描述和下面的详细描述都是例示性的和解释性的，意在对要求保护的内容提供进一步的解释。
【专利附图】

【附图说明】
[0025]给本发明提供进一步理解并组成说明书的一部分的附图图解了本发明的实施方式并与说明书一起用于说明本发明的原理。在附图中:
[0026]图1A是示出使用根据本发明的Cu合金材料所制造的条带样品的透射电子显微镜(TEM)图像，该Cu合金材料是按照表2中所示的N0.3的组成(Cu-3.0N1-0.7S1-0.05P-0.3Mn)而制得；
[0027]图1B至IE分别示出图1A中所示的点I至点4的能量散射谱(EDS)分析峰值；
[0028]图2A是示出根据本发明的Cu合金材料所形成的条带样品的TEM图像，该Cu合金材料是按照表2中所示的N0.12的组成(Cu-3.0N1-0.7Si_0.05P-0.3Mn)而制得；和
[0029]图2B和2C分别示出了图2A中所示的点I和点2的EDS分析峰值。
【具体实施方式】[0030]现在将详细描述本发明的优选实施方式，附图中示出了这些实施方式的实例。只要可以，贯穿附图使用相同参考数字表示相同或相似部分。
[0031]根据本发明的铜(Cu)合金材料
[0032]本发明提供了一种用于电气和电子部件的Cu合金材料，其中对电导率产生不利影响的杂质得以有效控制。
[0033]用于电气和电子部件的Cu合金材料包括0.5-4.0wt%的镍(Ni)、0.1-1.0wt%的硅(Si)、0.02-0.2wt%的磷(P)，其余是Cu和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质包括至少一种过渡金属，该过渡金属选自由钛(Ti)、钴(Co)、铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr)、铌(Nb)、钒(V)、锆(Zr)和铪(Hf)构成的组。杂质的总量在Ni和Si的总量的10%以内。Cu合金材料包括N1-S1-P-X形式的化合物，其中X是杂质。
[0034](I)Ni 和 Si
[0035]为了达到本发明所需性能，基于最终获得的Cu合金材料的量，Ni的含量是介于0.5和4.0wt%之间。当基于最终获得的Cu合金材料的量，Ni的含量低于0.5wt%时，不能达到用于半导体引线框架或连接器所需的强度。另一方面，当Ni的含量超出4.0wt%时，通过与其它杂质的反应而在铸块状态中形成粗N1-Si化合物，并因此在热轧期间由于该粗N1-Si化合物和基体结构之间的延性差别而产生诸如破裂的缺陷。
[0036]Si通常可以5:1至4:1的N1: Si含量比包括于Cu合金材料中，该Cu合金材料包括0.1-1.0wt%的Si。当Si的含量过小时,不能充分地形成所需沉淀物。另一方面，当Si的含量过大时，在粗沉淀 物的形成期间和热轧期间Si可能有不利影响且对可镀性有很大影响。
[0037]当Cu合金材料进行老化处理时，Ni和Si形成N1-S1-基沉淀物，主要是微米级Ni2Si沉淀物，这即是主要的强化机理，并因此，基体的强度和电导率得以明显增强。
[0038](2)P
[0039]P是用作脱氧剂和强化沉淀物的极其重要的元素，它充填了熔融时P-Cu形式的母合金的5wt%或以上，以便在老化期间形成Ni3P形式的稳定沉淀物(参见[Journal ofMaterials Science, vol21.1986.pp.1357-1362])。此外，P 形成 Mg2S1、Mg3P2 或 MgP4 形式的化合物，这有助于增强强化效果(参见韩国专利注册:10-0082046-0000)。
[0040]随着Ni3P、Ni5P2、Fe3P、Mg3P2或MgP4形式的沉淀物的形成，P增强了强度，并作为中介物用于结合其它不可避免的杂质元素，特别是诸如钴(Co)、铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr)、铌(Nb)、钒(V)、锆(Zr)和铪(Hf)的过渡金属(以下定义为其它杂质)。根据用作合金原材料的、诸如废弃铜或者电解铜之类的材料的纯度，上述其它杂质元素不可避免地存在于Cu合金材料中。也就是说，P化学结合N1-Si基沉淀物以及其它杂质以形成N1-S1-P-X形式的化合物。
[0041 ] 因此，其它杂质沉淀出来并得以从Cu基体结构中分离出来，从而可将由于这些杂质导致的电导率降低减至最低，并可进一步预期到该沉淀物在强度特性方面的增强效果。
[0042](3)杂质(T1、Co、Fe、Mn、Cr、Nb、V、Zr 或 Hf)
[0043]本发明中使用的杂质可是至少一种过渡金属，该过渡金属选自由T1、Co、Fe、Mn、Cr、Nb、V、Zr和Hf构成的组。藉由与P的结合能，在沉淀处理时这些杂质从基体中以N1-S1-P-X形式沉淀出来(其中X是上述杂质)。[0044]同时，利用P作为中介物将杂质与N1-Si基沉淀物进行结合的前提在于杂质和P的结合能的绝对值必须大于其它主要合金元素和P的结合能的绝对值。至于另外，在根据本发明的Cu合金材料中作为杂质所包括的每一种过渡金属的结合能都高于主要合金元素Ni的结合能，如下表1中所示(引用自[Cohesion in metals, 1988, F.R.de Boer etal., North-Holi and Physics Publishing])。因此，当作为杂质的过渡金属的含量远远小于该主要合金元素的含量时，则可有助于而非抑制该主要合金元素的沉淀。
[0045]〈表1>
[0046]
【权利要求】
1.一种用于电气和电子部件的铜合金材料，包括:0.5-4.0wt%的镍,0.1-1.0wt%的娃，0.02-0.2wt%的磷，其余为Cu和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的铜合金材料，其中所述的不可避免的杂质包括至少一种过渡金属，所述过渡金属选自由钛、钴、铁、锰、铬、铌、钒、锆和铪构成的组，其中所述至少一种过渡金属利用P作为中介物与N1-S1-P基沉淀物进行化学地结合以形成N1-S1-P-X形式的化合物，其中X是过渡金属。
3.如权利要求1所述的铜合金材料，其中所述的不可避免的杂质的总量在所述铜合金材料的Ni和Si的总量的10wt%以内。
4.如权利要求1所述的铜合金材料，还包括0.3wt%或以下的镁。
5.如权利要求1所述的铜合金材料，还包括0.3wt%或以下的银。
6.如权利要求1所述的铜合金材料，还包括1.0wt%或以下的锌。
7.如权利要求1所述的铜合金材料，还包括0.8wt%或以下的锡。
8.如权利要求1所述的铜合金材料，其中所述的铜合金材料中的沉淀物具有Iμ m或以下的尺寸。
9.一种制造铜合金材料的方法，所述方法包括: 通过熔融和浇铸获得 铸块，使得该铸块具有以下组成:0.5-4.0wt%的Ni，0.1-1.0wt%的Si,0.02-0.2wt%的P，其余为Cu和不可避免的杂质； 在介于750和1050°C之间的温度下热加工所述铸块和水冷该热加工的铸块； 冷加工该通过热加工所获得的产品至所需厚度，和在介于300和600°C之间的温度下重复地退火和空气冷却该冷加工的产品达1-15小时；和 在介于300和700°C之间的温度下持续地应力去除热处理该通过冷加工获得的产品达10-600 秒。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述的不可避免的杂质的总量在所述铜合金材料的Ni和Si的总量的10%以内。
11.如权利要求9所述的方法，其中在所述熔融中，进一步添加0.3wt%或以下的Mg。
12.如权利要求9所述的方法，其中在所述熔融中，进一步添加0.3wt%或以下的Ag。
13.如权利要求9所述的方法，其中在所述熔融中，进一步添加1.0wt%*以下的Zn。
14.如权利要求9所述的方法，其中在所述熔融中，进一步添加0.8wt%*以下的Sn。
15.如权利要求9所述的方法，其中在所述铜合金材料中所形成的沉淀物具有Iμ m或以下的尺寸。
【文档编号】C22C9/06GK103805807SQ201310553345
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2012年11月9日
【发明者】朴哲民, 黄寅晔 申请人:株式会社豊山