用于電氣和電子部件的銅合金材料及其制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于電氣和電子部件的銅合金材料及其制造方法。更特別地，本發明公開了一種具有卓越的機械強度特性、高電導率和高熱穩定性的銅合金材料以及這種銅合金材料的制造方法，這種銅合金材料作為一種用于信息傳輸和用于家用電器及汽車的連接器等的電器插頭（包括半導體引線框架）的材料。
【專利說明】用于電氣和電子部件的銅合金材料及其制造方法
[0001]本申請要求2012年11月9日提交的韓國專利申請10_2012_0126595的優先權，
在此援引該專利申請作為參考，如同在這里完全闡述一樣。
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種用于電氣和電子部件的銅合金材料及其制造方法，更特別地，涉及一種具有卓越機械強度特性、高電導率和高熱穩定性的銅合金材料以及這種銅合金材料的制造方法，這種銅合金材料作為一種用于信息傳輸和用于家用電器及汽車的連接器等的電器插頭(包括半導體引線框架)的材料。
【背景技術】
[0003]作為用于諸如半導體引線框架、連接器等的電氣/電子部件的材料，一般來說，主要使用沉淀硬化型銅(Cu)合金材料。在這種銅合金材料當中，Corson銅合金(Cu-N1-Si)材料具有非常高的強度和卓越的電導率，因此用于各種各樣的應用中，但是為了達到高電導率，這種材料需要非常嚴苛地控制雜質(即，300-500ppm)。
[0004]眾所周知,Cu是優良的電導體，從古代就已經廣泛應用。但是,純Cu具有弱強度，因此不適合用作需要高強度的部件。由此，在諸如美國、日本等的很多國家已正在進行通過將各種合金元素添加到Cu中來制造合金以獲得高強度材料的研究。
[0005]但是，銅合金材料，例如利用合金元素通過固溶強化(solid-solutionstrengthening)或加工硬化(work hardening)所制得的普通黃銅或青銅，由于合金元素的添加可能會具有高于純Cu的強度，但是具有明顯低于純Cu的電導率。因此，這種銅合金材料不適合用作需要兼具高強度和高電導率的電氣/電子部件的材料，所述電氣/電子部件例如晶體管、集成電路的引線`框架等、電器配件、或諸如此類的部件。
[0006]在目前為止開發出的沉淀硬化型Corson銅合金中，以一確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]按照常規，為了在將電導率的降低減至最小的范圍內增強強度特性，已經研究過，除了 Ni和Si之外還添加非常小量的諸如鎂(Mg)、鐵(Fe)、磷(P)、錫(Sn)、鈷(Co)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋅(Zn)、鈦(Ti)等的合金元素。這些合金元素當中，特別是，當制作引線框架時，Mg僅發生很小的電導率降低并具有卓越的固溶強化效果，卓越的應力釋放性能和高熱穩定性，因此，已經采用Mg并將其用作主要的合金元素。但是，在實際操作中，Mg的強氧化強度導致氧化物的形成并降低在澆鑄時熔融金屬的流動性，因此在實踐中導致諸如發生鑄塊的表面缺陷或者深層皺紋(de印wrinkles)和發生所形成的氧化物滾進鑄塊中或者在鑄塊中形成微孔這樣的問題，以及在熱軋中發生表面破裂和當通過冷軋制造條帶時發生表面缺陷，這些都是有待解決的問題。此外，諸如P、Sn、Mn、和Ti的合金元素具有卓越的固溶強化效果，但是即使是少量添加這些合金元素，也會明顯降低所制造的銅合金材料的電導率，因此，即使這些合金元素是主要的合金元素，也必須非常少量地使用這些合金元素。
[0008]為了解決這些存在的問題，目前已經公開了一些發明，其中通過優化N1、Si和其它所添加的合金元素來控制沉淀物的尺寸以確保其質量，和當添加其它合金元素時，根據電導率降低程度適當調整其組成比率，從而增強合金的性能。但是，仍然必須嚴格限制當添加時會很大程度降低電導率的雜質元素的總量，所述雜質元素例如T1、Co、Fe、砷(As)、Mn、鍺(Ge)、Cr、鈮(Nb)、銻(Sb)、鋁(Al)、Sn 等(參見韓國專利注冊:10-0679913、10-0403187和 10-0674396)。
[0009]關于以上描述，在參考文獻中公開了電導率隨著向Cu中添加合金元素而降低(參見[Niedriglegierte Kupferlegierungen, Deutsche Kupfer Institut, ρ.22])。舉例來說，該參考文獻公開了，諸如銀(Ag)、氧(O)、Zn等的合金元素按照其添加量引起相當小的電導率降低，而諸如T1、Co、Fe、Mn、Ge、Cr、Nb、Sb、Al、Sn等的合金元素引起相當大的電導率降低。
[0010]根據現有技術，向Cu合金中引入P主要引起脫氧效應(deoxidation effects),且使得熔融金屬的流動性能夠得以保障，從而增強可鑄造性。此外，少量加入合金成分的合金化純銅的方法用于防止氫脆變。
[0011]在工業上廣泛使用的磷脫氧銅是如此地制造的Cu合金，即，用P將純銅進行脫氧以將在其中所存在的氧減至最少且可允許的P的殘余量是介于200和500ppm之間，和相對于純銅該銅合金的電導率降低了 80至85%。此外，這種情況下，當包括作為雜質的其它合金元素時，Cu合金的電導率非常顯著地降低。舉例來說，當僅包括IOOppm含量的諸如Ti或Co的兀素時，Cu合金的電導率即明顯降低。
[0012]同時,還有一些文獻報道了在這種沉淀硬化型Corson銅合金(Cu-N1-Si)中添加磷的效果，但是所有這些文獻僅公開了通過與主要成分以金屬間化合物形式的沉淀物的磷添加效果。也就是說，已經證實了，Ni結合P形成Ni3P或Ni5P2,Fe結合P形成Fe3P或諸如此類，和因此這些化合物在 增加所形成的Cu合金的強度和電導率方面起到至關重要的作用(韓國專利注冊:10-0018127),以及P結合Mg形成Mg3P2或MgP4形式的化合物，從而在封裝半導體引線框架的集成電路中的模制工藝中該化合物在增強強化效果和增強熱穩定性方面起到作用(韓國專利注冊:10-0082046)。
[0013]但是，未見報道在現有技術中所添加的P擔當了合金元素和過渡金屬雜質之間的沉淀中介物以形成第三金屬間化合物，從而抑制了由于過渡金屬雜質導致的電導率降低，且電導率得以相反地增加。

【發明內容】

[0014]摶術問是頁
[0015]因此，本發明涉及一種用于電氣和電子部件的銅合金材料及其制造方法，基本避免了由于現有技術的限制和不足導致的一個或多個問題。
[0016]本發明的一個目的是提供一種用于電氣和電子部件的銅合金材料及其制造方法，所述銅合金材料包括雜質成分并顯示出高強度、高熱穩定性和高電導率。
[0017]在下面的描述中將部分列出本發明的其它優點、目的和特征，這些優點、目的和特征的一部分從下面的描述對于本領域普通技術人員來說是顯而易見的，或者可從本發明的實施領會到。通過說明書、權利要求以及附圖中特別指出的結構可實現和獲得本發明的這些目的和其它優點。[0018]技術方案
[0019]為了實現這些目的和其它優點并根據本發明的目的，如在此具體和概括描述的，用于電氣和電子部件的銅(Cu)合金材料包括0.5-4.0wt%的鎳(Ni)，0.l-1.0wt%的硅
(Si), 0.02-0.2wt%的磷(P)，其余是Cu和不可避免的雜質。不可避免的雜質可包括至少一種過渡金屬，所述過渡金屬選自由鈦(Ti)、鈷(Co)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)和鉿(Hf)構成的組，其中至少一種過渡金屬利用P作為中介物與N1-S1-P基沉淀物進行化學地結合以形成N1-S1-P-X形式的化合物(其中X是過渡金屬)。不可避免的雜質的總量(wt%)在Cu合金材料的Ni和Si的總量的10%以內。
[0020]Cu合金材料可進一步包括0.3wt%或以下的鎂(Mg)、0.3wt%或以下的銀(Ag)、1.0wt%或以下的鋅(Zn)、或者0.8wt%或以下的錫(Sn)。Cu合金材料中的沉淀物可具有Ιμπι或以下的尺寸。
[0021]在本發明的另一方面，一種制造Cu合金材料的方法包括，通過熔融和澆鑄獲得一鑄塊，使得該鑄塊具有以下成分:0.5-4.0wt%的Ni,0.1-1.0wt%的Si,0.02-0.2wt%的P，其余為Cu和不可避免的雜質，在介于750和1050°C之間的溫度下熱加工該鑄塊并水冷該熱加工的鑄塊，冷加工該經由熱加工獲得的產品至所需厚度并在介于300和600°C之間的溫度下重復地退火和空氣冷卻該冷加工的產品長達I至15小時，以及在介于300和700°C之間的溫度下持續地應力去除熱處理該經由冷加工獲得的產品長達10至600秒。在所述熔融工藝中，可進一步添加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]如從上文描述顯而易見的，本發明提供了一種用于電氣和電子部件的Cu合金材料及其制造方法，在所述的Cu合金材料中雜質得以有效控制和利用，因此最大程度地增強了用于電氣和電子部件的材料最需要的強度、熱穩定性和電導率。
[0024]應當理解，本發明前面的一般性描述和下面的詳細描述都是例示性的和解釋性的，意在對要求保護的內容提供進一步的解釋。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]給本發明提供進一步理解并組成說明書的一部分的附圖圖解了本發明的實施方式并與說明書一起用于說明本發明的原理。在附圖中:
[0026]圖1A是示出使用根據本發明的Cu合金材料所制造的條帶樣品的透射電子顯微鏡(TEM)圖像，該Cu合金材料是按照表2中所示的N0.3的組成(Cu-3.0N1-0.7S1-0.05P-0.3Mn)而制得；
[0027]圖1B至IE分別示出圖1A中所示的點I至點4的能量散射譜(EDS)分析峰值；
[0028]圖2A是示出根據本發明的Cu合金材料所形成的條帶樣品的TEM圖像，該Cu合金材料是按照表2中所示的N0.12的組成(Cu-3.0N1-0.7Si_0.05P-0.3Mn)而制得；和
[0029]圖2B和2C分別示出了圖2A中所示的點I和點2的EDS分析峰值。
【具體實施方式】[0030]現在將詳細描述本發明的優選實施方式，附圖中示出了這些實施方式的實例。只要可以，貫穿附圖使用相同參考數字表示相同或相似部分。
[0031]根據本發明的銅(Cu)合金材料
[0032]本發明提供了一種用于電氣和電子部件的Cu合金材料，其中對電導率產生不利影響的雜質得以有效控制。
[0033]用于電氣和電子部件的Cu合金材料包括0.5-4.0wt%的鎳(Ni)、0.1-1.0wt%的硅(Si)、0.02-0.2wt%的磷(P)，其余是Cu和不可避免的雜質，其中不可避免的雜質包括至少一種過渡金屬，該過渡金屬選自由鈦(Ti)、鈷(Co)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)和鉿(Hf)構成的組。雜質的總量在Ni和Si的總量的10%以內。Cu合金材料包括N1-S1-P-X形式的化合物，其中X是雜質。
[0034](I)Ni 和 Si
[0035]為了達到本發明所需性能，基于最終獲得的Cu合金材料的量，Ni的含量是介于0.5和4.0wt%之間。當基于最終獲得的Cu合金材料的量，Ni的含量低于0.5wt%時，不能達到用于半導體引線框架或連接器所需的強度。另一方面，當Ni的含量超出4.0wt%時，通過與其它雜質的反應而在鑄塊狀態中形成粗N1-Si化合物，并因此在熱軋期間由于該粗N1-Si化合物和基體結構之間的延性差別而產生諸如破裂的缺陷。
[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，該Cu合金材料包括0.1-1.0wt%的Si。當Si的含量過小時,不能充分地形成所需沉淀物。另一方面，當Si的含量過大時，在粗沉淀 物的形成期間和熱軋期間Si可能有不利影響且對可鍍性有很大影響。
[0037]當Cu合金材料進行老化處理時，Ni和Si形成N1-S1-基沉淀物，主要是微米級Ni2Si沉淀物，這即是主要的強化機理，并因此，基體的強度和電導率得以明顯增強。
[0038](2)P
[0039]P是用作脫氧劑和強化沉淀物的極其重要的元素，它充填了熔融時P-Cu形式的母合金的5wt%或以上，以便在老化期間形成Ni3P形式的穩定沉淀物(參見[Journal ofMaterials Science, vol21.1986.pp.1357-1362])。此外，P 形成 Mg2S1、Mg3P2 或 MgP4 形式的化合物，這有助于增強強化效果(參見韓國專利注冊:10-0082046-0000)。
[0040]隨著Ni3P、Ni5P2、Fe3P、Mg3P2或MgP4形式的沉淀物的形成，P增強了強度，并作為中介物用于結合其它不可避免的雜質元素，特別是諸如鈷(Co)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)和鉿(Hf)的過渡金屬(以下定義為其它雜質)。根據用作合金原材料的、諸如廢棄銅或者電解銅之類的材料的純度，上述其它雜質元素不可避免地存在于Cu合金材料中。也就是說，P化學結合N1-Si基沉淀物以及其它雜質以形成N1-S1-P-X形式的化合物。
[0041 ] 因此，其它雜質沉淀出來并得以從Cu基體結構中分離出來，從而可將由于這些雜質導致的電導率降低減至最低，并可進一步預期到該沉淀物在強度特性方面的增強效果。
[0042](3)雜質(T1、Co、Fe、Mn、Cr、Nb、V、Zr 或 Hf)
[0043]本發明中使用的雜質可是至少一種過渡金屬，該過渡金屬選自由T1、Co、Fe、Mn、Cr、Nb、V、Zr和Hf構成的組。藉由與P的結合能，在沉淀處理時這些雜質從基體中以N1-S1-P-X形式沉淀出來(其中X是上述雜質)。[0044]同時，利用P作為中介物將雜質與N1-Si基沉淀物進行結合的前提在于雜質和P的結合能的絕對值必須大于其它主要合金元素和P的結合能的絕對值。至于另外，在根據本發明的Cu合金材料中作為雜質所包括的每一種過渡金屬的結合能都高于主要合金元素Ni的結合能，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，當作為雜質的過渡金屬的含量遠遠小于該主要合金元素的含量時，則可有助于而非抑制該主要合金元素的沉淀。
[0045]〈表1>
[0046]
【權利要求】
1.一種用于電氣和電子部件的銅合金材料，包括:0.5-4.0wt%的鎳,0.1-1.0wt%的娃，0.02-0.2wt%的磷，其余為Cu和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的銅合金材料，其中所述的不可避免的雜質包括至少一種過渡金屬，所述過渡金屬選自由鈦、鈷、鐵、錳、鉻、鈮、釩、鋯和鉿構成的組，其中所述至少一種過渡金屬利用P作為中介物與N1-S1-P基沉淀物進行化學地結合以形成N1-S1-P-X形式的化合物，其中X是過渡金屬。
3.如權利要求1所述的銅合金材料，其中所述的不可避免的雜質的總量在所述銅合金材料的Ni和Si的總量的10wt%以內。
4.如權利要求1所述的銅合金材料，還包括0.3wt%或以下的鎂。
5.如權利要求1所述的銅合金材料，還包括0.3wt%或以下的銀。
6.如權利要求1所述的銅合金材料，還包括1.0wt%或以下的鋅。
7.如權利要求1所述的銅合金材料，還包括0.8wt%或以下的錫。
8.如權利要求1所述的銅合金材料，其中所述的銅合金材料中的沉淀物具有Iμ m或以下的尺寸。
9.一種制造銅合金材料的方法，所述方法包括: 通過熔融和澆鑄獲得 鑄塊，使得該鑄塊具有以下組成:0.5-4.0wt%的Ni，0.1-1.0wt%的Si,0.02-0.2wt%的P，其余為Cu和不可避免的雜質； 在介于750和1050°C之間的溫度下熱加工所述鑄塊和水冷該熱加工的鑄塊； 冷加工該通過熱加工所獲得的產品至所需厚度，和在介于300和600°C之間的溫度下重復地退火和空氣冷卻該冷加工的產品達1-15小時；和 在介于300和700°C之間的溫度下持續地應力去除熱處理該通過冷加工獲得的產品達10-600 秒。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述的不可避免的雜質的總量在所述銅合金材料的Ni和Si的總量的10%以內。
11.如權利要求9所述的方法，其中在所述熔融中，進一步添加0.3wt%或以下的Mg。
12.如權利要求9所述的方法，其中在所述熔融中，進一步添加0.3wt%或以下的Ag。
13.如權利要求9所述的方法，其中在所述熔融中，進一步添加1.0wt%*以下的Zn。
14.如權利要求9所述的方法，其中在所述熔融中，進一步添加0.8wt%*以下的Sn。
15.如權利要求9所述的方法，其中在所述銅合金材料中所形成的沉淀物具有Iμ m或以下的尺寸。
【文檔編號】C22C9/06GK103805807SQ201310553345
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2012年11月9日
【發明者】樸哲民, 黃寅曄 申請人:株式會社豊山