CN102978429B - 一种制造支架的铜合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造引线支架的铜合金，其包括的组分及各组分重量比为：Fe：2.0～2.6wt％、Ti：0.05～0.1wt％、B：0.01～0.03wt％、Na：0～0.05wt％、Mo：0.01～1.5wt％、其余为Cu和杂质。该合金的抗拉强度高、硬度高、电导率高、延伸率高，能较好地满足电子工业领域对引线框架材料性能的诸多要求。

Description

一种制造支架的铜合金

技术领域

本发明涉及一种合金，尤其涉及一种铜合金，更涉及一种用于半导体器件的引线支架的铜合金。

背景技术

目前，电子信息产业已经成为我国的一个重要支柱产业，半导体器件作为这个支柱产业的基石，其包括外部封装和内部集成电路；集成电路（IC）包括芯片、引线和引线支架、粘接材料、封装材料等。其中，引线支架的主要功能是为芯片提供机械支撑载体，同时也具有连接外部电路、传送电信号以及散热等功能。因此IC封装需要具备高强度、高导电、高导热性及良好的可焊性、耐蚀性、塑封性、抗氧化性等综合性能。

我国引线支架材料的研究、试制、生产起步较晚，引线支架铜带生产规模小、品种规格少，目前只有少数企业可以进行批量生产很少型号的合金，而且存在质量精度差，质量不稳定、软化点低、内应力不均匀、宽度与厚度公差超差、外观要求不合格等问题。目前铜铁合金作为制造引线支架的主要材料，已占到市场总额的80％，合金牌号具有100多种。

其中我国生产的C194合金是其中具有代表性的一种。但是，目前生产的C194引线支架铜铁合金的质量还不能满足要求，精度差，品种规格少，性能不稳定，铜带成品率不到50％，在板型状况、残余内应力、表面光洁度、边部毛刺等方面存有较大缺陷。

发明内容

本发明提供了一种制造引线支架的铜合金，该合金具有良好的抗拉强度、硬度、延伸率、电导率及软化温度等特性。

本发明的用于制造引线支架的铜合金包括的组分及其重量比为：Fe：2.0～2.6wt％、Ti：0.05～0.1wt％、B：0.01～0.03wt％、Na：0～0.05wt％、Mo：0.01～1.5wt％，其余为Cu。

该合金的抗拉强度600MBa以上、硬度180Hv以上、电导率66％IACS以上、延伸率7.0％以上。

优选地，该合金中还含有As、Sb、Bi、Bb、Co、Ni元素中至少一种以上的元素且总量小于0.05wt％。

本发明还公开了一种引线支架，其由上述铜合金制成。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更清楚地理解本发明的铜合金，下面通过具体实施方式详细描述其技术方案。

为满足引线支架等电气电子部件用材料所要求的种种特性，本发明提供了一种制造引线支架的铜合金，其包括的组分和重量比为：Fe：2.0～2.6wt％、Ti：0.05～0.1wt％、B：0.01～0.03wt％、Na：0～0.05wt％、Mo：0.01～1.5wt％，其余为Cu。

优选地，该铜合金中还含有As、Sb、Bi、Bb、Co、Ni元素中至少一种以上的元素且总量小于0.05wt％。

该铜合金的抗拉强度600MBa以上、硬度180Hv以上、电导率66％IACS以上、延伸率7.0％以上。

本发明的铜合金的各成分含量中：Fe是合金中的主要强化元素，合金经过合适的时效处理后，Fe元素以弥散分布的质点形式分布于铜基体中而起到时效强化作用。由于常温下Fe在Cu中的饱和溶解度极小(在300℃以下仅为0.0004％)，合金可以实现较高的电导率；通过添加少量的Fe可以细化晶粒，延迟铜的再结晶过程，提高其强度及硬度，但Fe元素过量会降低铜的塑性、电导率与导热率，Fe元素的添加量控制在2.0～2.6的范围。

Ti的加入可以防止在金属基体与镀层中间出现脆性第二相等作用，可以改善合金的焊接性能，但过量添加Ti元素会降低合金的导电性能，将Ti元素的含量限制在0.05～0.1的范围。

在室温时，B在铜中的溶解度几乎为零，会降低铜的电导率及导热率，但其对铜的力学性能及焊接性能有良好的影响，B还能提高铜铁合金熔体的流动性，B在冶炼铜铁合金时是以脱氧剂的形式加入，多余的B固溶在铜基体中能防止氢脆；在合金的时效过程中，B还与Fe结合，形成Fe3B的析出物而起到一定的时效强化作用。B的加入是为了脱氧，固溶在铜基体中防止氢脆，而不是通过析出Fe3B来强化。在充分发挥B元素的有利作用的同时，应尽量降低B含量，以保证合金的高导电性能，将B元素的含量限定在0.01～0.03的范围。

加入微量的Na使铜的电导率下降，但能提高铜的抗高温氧化能力，且对铜有脱氧作用。与限定B元素的原则相同，Na元素的含量限制在0～0.05的范围。

混合稀土元素Mo的作用主要是：

(1)脱氧去氢：稀土的化学活性很强，与氧的亲和力远大于铜与氧的亲和力，且生成熔点比铜高、密度比铜小的稀土氧化物，收到良好的脱氧作用；稀土与氢结合成密度小的氢化物，上浮至铜液表面，在高温下重新分解，排出氢气，或被氧化进入熔渣而被除去；

(2)熔体净化：稀土对其它有害元素的脱除作用也很明显，这些高熔点的稀土化合物将保持固体状态与熔渣一起从液体铜中排出，从而达到脱除有害杂质的作用，稀土尤其可以明显地去除晶界杂质元素，杂质元素去除后增加了Fe、B等元素的有效量，可大幅度提高合金的强度；

(3)细化晶粒：在合金中添加Mo，熔铸过程中可明显细化晶粒，使合金经后续形变热处理后合金塑性提高；

(4)促进第二相粒子析出：在合金中添加Mo后，带材中析出的第二相粒子(单质铁)细小、弥散，尺寸大概在5～20nm；此外，添加Mo后可以提高合金的再结晶温度，从而改善合金的抗高温软化性能，本发明中合金的软化温度均在480℃以上，添加适量的混合稀土Mo，成分范围控制在0.01～1.5。

在本发明技术方案中，基于主料不纯物中硫对工艺及产品的影响，其主料选用1号电解铜，不纯物里要尽可能少地含硫，而且要防止冲压加工时由于机油污染而混入S，即使少量的S也会使热轧加工时的变形性能急剧下降，控制S的含量，可以避免热轧时工件开裂。通常，S的含量必须小于0.0025wt％，理想值是小于0.0015wt％。

本发明的用于引线支架的合金制造方法包括如下步骤：

（1）首先将1号电解铜在1250～1350℃熔化，加入铜铁中间合金、铜硼中间合金、钠单质、钛单质和混合稀土等熔融后进行小型立式半连续铸造，利用坯模进行一次冷却和利用水淋进行二次冷却，使液相线至380℃的温度范围内的冷却速度在80℃/min以上，在制造过程中控制成分含量Fe为2.0～2.6wt％、Ti为0.05～0.1wt％、B为0.01～0.03wt％、Na为0～0.05wt％、Mo为0.01～1.5wt％；

（2）铸坯在900～1000℃的温度范围内加热后，经热轧压延使其厚度达到6mm，热轧压延的结束温度为700℃，通过急冷使晶粒尺寸小于50μm，在制造过程中控制成分含量Fe为2.0～2.6wt％、Ti为0.05～0.1wt％、B为0.01～0.03wt％、Na为0～0.05wt％、Mo为0.01～1.5wt％；

（3）将热轧带材反复进行冷轧压延使其厚度为1mm，在300℃～600℃的温度范围内进行双级退火，使退火后的压延带材的晶粒直径小于50μm，在制造过程中控制成分含量Fe为2.0～2.6wt％、Ti为0.05～0.1wt％、B为0.01～0.03wt％、Na为0～0.05wt％、Mo为0.01～1.5wt％；

（4）冷轧压延使厚度达到0.5mm，再进行低温退火，得到带材成品；在制造过程中控制成分含量Fe为2.0～2.6wt％、Ti为0.05～0.1wt％、B为0.01～0.03wt％、Na为0～0.05wt％、Mo为0.01～1.5wt％。

（5）采用上述带材制成引线支架。

本发明的制造工艺中：合金原料为1号电解铜、铜铁中间合金、铜硼中间合金、钠单质、钛单质和混合稀土，采用中频感应炉熔炼。

原料熔化后的铸造工艺以连续铸造为最好，半连续铸造也可。铸造过程中在液相线至380℃的温度范围内，以80℃/min以上的冷却速度进行冷却，冷却速度低于80℃/min时，将会发生元素的偏析，对以后的热轧加工性带来不利的影响，并引起生产效率的降低；控制冷却速度，优选液相线温度至380℃的温度范围；在380℃以下，铸造时冷却时间的长短变化不会发生合金元素的过度偏析。

熔化铸造后，进行热加工。热加工的加热温度应在900～1000℃的范围，如果温度超过上限温度，将会发生过热，并引发热轧开裂，降低生产效率。在900～1000℃的温度范围内进行热轧加工时，微小偏析及铸造组织将会消失，在本发明的Fe、Ti、B等元素含量范围内，能得到组织均匀的轧制带材，更理想的热轧加工温度为950℃左右。热轧加工后晶粒直径在50μm以下，晶粒直径大于50μm，其后的冷轧加工率、退火的条件范围就会变窄，使特性劣化。

热轧加工后，根据需要进行表面切削，其后反复进行冷轧加工和300～600℃的温度范围内的退火。采用先高温后低温的双级连续退火，达到控制晶粒尺寸和析出相的目的(晶粒直径小于50μm)。温度低于300℃时，进行组织性能控制所需的时间较长；超过600℃，短时间内晶粒就会变得粗大。如果退火后的结晶晶粒大于50μm，会使抗拉强度等机械特性和加工性能降低。因此使晶粒直径小于50μm，更理想晶粒直径小于25μm。

所得到的退火材料，进行冷轧压延加工使其厚度变化量达到40％以上，还进行420℃以下的低温退火，得到抗拉强度600MBa以上、硬度180Hv以上、电导率66％IACS以上、延伸率7.0％以上的铜铁合金。冷轧加工率不满40％时，因加工硬化而产生的强度不够，不能完全提高机械特性。因此理想的加工率在50％以上。为了进一步提高合金的抗拉强度、硬度、延伸率，尤其电导率等特性，低温退火工艺十分必要，高于420℃的温度下，因热容量过大，使得材料在短时间内发生软化，并且无论采用间歇式或连续式，都容易产生材料内部的特性不均。因此，低温退火的条件应在420℃以下。

实施例：

如表1所示组成(wt％)的铜铁合金№1～6，

表1

值得注意的是，在合金的熔炼过程中，各个元素均有不同程度的烧损，其烧损率Fe：1～2％，Ti：1～3％，B：2～5％，Na：20～30％，Mo：30～50％；在配料的过程中应给予补足。熔炼开始时先加入电解铜和铜铁中间合金，开始加热，待其熔化后先加入1/3的铜硼中间合金，保温1～3min；之后加入钛、钠和稀土，待其熔化后保温3～5min，再加入剩余2/3的铜硼中间合金，全熔后保温10min浇铸；使用小型立式半连续铸造机铸造70×180×1000(mm)的铸坯，利用坯模进行一次冷却和利用水淋进行二次冷却，使液相线至380℃的温度范围内的冷却速度在80℃/min以上。其后，各铸坯在900～1000℃的温度范围内加热后，经热轧压延以使其厚度为6mm，从表面及边缘的裂纹来评价热轧加工性。经过酸洗后，在50倍的光学显微镜下观察不到裂纹的实验材料评价为好，能观察到裂纹的实验材料评价为差。热轧压延的结束温度为700℃，通过急冷而使晶粒尺寸控制在50μm左右。然后进行冷轧压延使其厚度为1mm，在300～600℃的温度范围内进行双级退火处理，促使第二相粒子析出提高性能，之后再进行冷轧压延使其厚度为0.5mm，最后进行低温退火。

从以上所得到的带材上剪取试验片，进行抗拉强度、硬度、延伸率和电导率的测定，各项性能指标均按照国标测定。以上所得到的结果记录于表2中。

表2

显然，此铜铁合金具有良好的热加工性，有利于生产制造，尤其具有优良的抗拉强度、硬度、延伸率和电导率等特性，是生产引线支架等电气电子部件的最佳材料；该铜铁合金属于Cu-Fe系合金C194之列。

以上通过具体实施例对本发明技术方案作了进一步说明，给出的例子仅是应用范例，不能理解为对本发明权利要求保护范围的一种限制。

Claims (4)

1.一种制造引线支架的铜合金，其特征在于，该铜合金的组分及其重量比为：Fe：2.0～2.6wt％、Ti：0.05～0.1wt％、B：0.01～0.03wt％、Na：0～0.05wt％、Mo：0.01～1.5wt％，其余为Cu和不可避免的杂质；

所述铜合金的制造方法包括以下步骤：

(1)首先将主料及辅料在1250～1350℃熔融后注入坯模，在液相线温度至380℃的温度范围内以80℃/min以上的冷却速度进行冷却，在制造过程中控制合金成分及含量Fe为2.0～2.6wt％、Ti为0.05～0.1wt％、B为0.01～0.03wt％、Na为0～0.05wt％、Mo为0.01～1.5wt％、其余组分为Cu和不可避免的杂质；

(2)将得到的铸坯在1000℃以下的加热温度进行热轧压延，在制造过程中控制成分含量Fe为2.0～2.6wt％、Ti为0.05～0.1wt％、B为0.01～0.03wt％、Na为0～0.05wt％、Mo为0.01～1.5wt％、其余组分为Cu和不可避免的杂质；

(3)将热轧带材反复进行冷轧压延和300℃～600℃双级连续退火，在制造过程中控制成分含量Fe为2.0～2.6wt％、Ti为0.05～0.1wt％、B为0.01～0.03wt％、Na为0～0.05wt％、Mo为0.01～1.5wt％、其余组分为Cu和不可避免的杂质；

(4)进行冷轧压延加工使其厚度变化量达到40％以上，再进行420℃以下的低温退火，得到带材成品，在制造过程中控制成分含量Fe为2.0～2.6wt％、Ti为0.05～0.1wt％、B为0.01～0.03wt％、Na为0～0.05wt％、Mo为0.01～1.5wt％、其余组分为Cu和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的制造引线支架的铜合金，其特征在于，该铜合金的抗拉强度600MBa以上、硬度180Hv以上、电导率66％IACS以上、延伸率7.0％以上。

3.如权利要求1所述的制造引线支架的铜合金，其特征在于，所述不可避免的杂质为As、Sb、Bi、Co、Ni元素中至少一种以上的元素且总量小于0.05wt％。

4.一种引线支架，其特征在于，采用权利要求1～3中任一项所述的铜合金制成。