專利名稱：銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子材料，尤其涉及一種銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料及其制備工藝。
表1 我國銅框架材料牌號(hào)及性能牌號(hào)抗拉強(qiáng)度Mpa延伸率％導(dǎo)電率％IACSTP0 ≥2759≥85TFe0.1≥3924≥80QFe2.5≥4105≥60國外日本、美國等發(fā)達(dá)國家自60年代起開始研制銅引線框架材料，目前全世界框架銅合金不下100種，其中日本達(dá)到77種，主要是銅-鐵-磷、銅-鉻-鋯、銅-鎳-硅等系列。國外著名銅引線框架材料及性能見表2。
表2 國外著名銅引線框架材料及性能拉伸強(qiáng)度 導(dǎo)電率 熱導(dǎo)率牌號(hào)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從表1，2可見，現(xiàn)開發(fā)的銅基材料，大多數(shù)銅基材料如強(qiáng)度高則導(dǎo)電導(dǎo)熱性欠佳，如導(dǎo)電導(dǎo)熱性好則強(qiáng)度不夠理想，這是因?yàn)椴牧系膹?qiáng)度和導(dǎo)性是一對(duì)矛盾，這就使得制備高強(qiáng)高導(dǎo)性材料的技術(shù)難度很大。近期開發(fā)的ML-20和OMCL-1材料亦具有高強(qiáng)高導(dǎo)性，但這二種材料含有Zr或Ti昂貴元素，而且須在真空中熔煉，這就使得制備材料的成本較高。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料的配方是由如下以質(zhì)量百分比計(jì)的成分組成銅 96.80-99.80鐵 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本發(fā)明的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料是指鑄件、熱軋或熱鍛銅材、冷軋銅材、粉末冶金產(chǎn)品毛坯、粉末冶金熱軋或熱鍛或冷軋銅材。
本發(fā)明的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料配方中的稀土是指含鈰或釔或鑭元素的金屬或合金或氧化物，稀土混合物是指含鈰或釔或鑭中的二種或三種元素的合金或氧化物混合物。
本發(fā)明的制備工藝為一、鑄件的制備工藝為1、配料按化學(xué)成份要求，將符合配方質(zhì)量百分比的電解銅、純鐵或含鐵合金、含磷合金、含硼合金、稀土或稀土混合物混合，得到配料；2、熔煉將配好的配料放入加熱爐中按常規(guī)的銅合金冶煉工藝熔化；3、澆鑄鑄件將熔化了的金屬液澆入鑄型中得到鑄件；4、固溶處理將澆鑄后的鑄件加熱至800-1050℃區(qū)間的某一溫度，保溫1-5小時(shí)，然后水冷；5、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的鑄件加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的鑄件放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天，得到成品。
二、熱軋或熱鍛銅材的制備工藝為制備熱軋或熱鍛銅材的步驟1、2與鑄件的步驟1、2相同，不同之處在于3、澆鑄銅錠將熔化了的金屬液澆入銅錠模中得到銅錠；4、熱軋或熱鍛將澆鑄后的銅錠加熱至500-1050℃區(qū)間的某一溫度保溫0.5-3小時(shí)，然后軋制或鍛造成銅材；5、固溶處理熱軋或熱鍛完成后，將制得的銅材立即水冷，熱軋或熱鍛完成后，將制得的銅材先空冷，然后再加熱至800-1050℃區(qū)間的某一溫度，保溫1-5小時(shí)后水冷；6、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的銅材加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的銅材放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天，得到成品。
三、冷軋銅材的制備工藝為制備冷軋銅材的步驟1、2、3、4、5與熱軋或熱鍛銅材的步驟1、2、3、4、5相同，不同之處在于6、冷軋將經(jīng)固溶處理后的銅材在室溫下軋制；7、時(shí)效處理將經(jīng)冷軋后的銅材加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的銅材放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天，得到成品。
或按以下步驟6、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的銅材加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的銅材放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天；7、冷軋將經(jīng)時(shí)效處理后的銅材在室溫下軋制；8、回復(fù)將經(jīng)冷軋后的銅材加熱至50-500℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品。
四、粉末冶金產(chǎn)品毛坯的制備工藝為1、配料按化學(xué)成份要求，將符合配方質(zhì)量百分比的銅粉、純鐵或含鐵合金粉、含磷合金粉、含硼合金粉、稀土或稀土混合物粉混合，攪拌均勻，得到配料；2、制坯按常規(guī)的粉末冶金工藝制得產(chǎn)品毛坯；
3、固溶處理將產(chǎn)品毛坯加熱至800-1050℃區(qū)間的某一溫度，保溫1-5小時(shí)，然后水冷；4、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的產(chǎn)品毛坯加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的產(chǎn)品毛坯放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天，得到成品。
五、粉末冶金熱軋或熱鍛或冷軋銅材的制備工藝為制備粉末冶金熱軋或熱鍛或冷軋銅材的步驟1與產(chǎn)品毛坯的步驟1相同，不同之處在于2、制錠按常規(guī)的粉末冶金工藝制得銅錠；后面的步驟與熱軋或熱鍛或冷軋銅材的步驟相同。
本發(fā)明是采用金屬熔體凈化、細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化綜合技術(shù)，以銅(Cu)為基體，添加鐵(Fe)、磷(P)、硼(B)元素和稀土(含鈰或釔或鑭元素的金屬或合金或氧化物)或稀土混合物(含鈰或釔或鑭中的二種或三種元素的合金或氧化物混合物)，從而制得銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料。其特點(diǎn)是(1)采用析出強(qiáng)化與位錯(cuò)強(qiáng)化相結(jié)合原理進(jìn)行制備合金化構(gòu)成加入微量的鐵、磷元素，通過固溶處理，使固溶體處于過飽和狀態(tài)，然后，通過冷軋加工，使材料晶體內(nèi)和晶間的位錯(cuò)密度增大，再進(jìn)行時(shí)效處理，使過飽和的鐵、磷元素析出，在銅基體上形成了彌散分布、細(xì)小均勻的析出強(qiáng)化相；或固溶處理后先進(jìn)行時(shí)效處理，然后再冷軋。以上二種工藝路線均可獲得析出強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化效果，大幅度提高材料的強(qiáng)度，同時(shí)，使材料保持良好的導(dǎo)性。
(2)添加稀土和硼元素，同時(shí)起凈化金屬熔體、細(xì)化晶粒、合金化和改善冷熱加工性能四重作用稀土具有脫氧、脫氫和脫硫的作用，硼也具有脫氧的作用，因此，稀土和硼可大大地降低金屬熔體的含氣量和含硫量，使金屬熔體的純凈度提高，這有利于改善材料的強(qiáng)度和塑性，同時(shí)提高導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能；稀土和硼元素細(xì)化晶粒的作用明顯，可在對(duì)導(dǎo)電、導(dǎo)熱性基本無影響的前提下，顯著提高材料的強(qiáng)度和韌性；稀土和硼還可形成析出強(qiáng)度相，提高材料強(qiáng)度；由于稀土和硼的凈化，以及提高材料的塑性作用，使材料具有良好的冷熱加工性能，材料的成材率高。
(3)、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低。
本發(fā)明的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料性能如下(1)鑄件、熱軋或熱鍛銅材、粉末冶金產(chǎn)品毛坯、粉末冶金熱軋或熱鍛銅材
拉伸強(qiáng)度(σb)280-380MPA延伸率(δ)20-45％軟化溫度 500-550℃ 導(dǎo)電率(％IACS)75-85(2)冷軋銅材、粉末冶金冷軋銅材拉伸強(qiáng)度(σb)550-650MPA延伸率(δ)6-15％軟化溫度 500-550℃ 導(dǎo)電率(％IACS)72-82本發(fā)明的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料同時(shí)具有優(yōu)良的綜合物理性能和力學(xué)性能，是一種新型功能材料，可應(yīng)用于微電子、通訊、航天、航空、高速交通等行業(yè)，用于制造集成電路引線框架、電阻焊電極、高速電氣機(jī)車的架空導(dǎo)線、大型高速渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)線、電觸點(diǎn)材料、線切割電極絲、電廠鍋爐內(nèi)噴射式點(diǎn)火噴孔、氣割機(jī)噴嘴等產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)高導(dǎo)性材料的性能提出越來越高的要求，如集成電路正在向大規(guī)模和超大規(guī)模發(fā)展，要求引線框架銅帶的性能指標(biāo)抗拉強(qiáng)度≥600Mpa，導(dǎo)電率≥80％IACS，抗高溫軟化溫度≥500℃；電阻焊電極焊接區(qū)的溫度達(dá)到500-650℃，電極頂端部位的溫度甚至高達(dá)800℃，通過電極的電流密度為一般電導(dǎo)材料的100-1000倍，要求電極能承受高電流、高溫和高壓的作用。本發(fā)明可基本滿足上述性能要求。
5、熱軋后固溶處理熱軋完成后，將制得的銅材先空冷，然后再加熱至900℃，保溫2小時(shí)后水冷；6、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的銅材加熱至300℃，保溫4小時(shí)，然后冷卻，得到成品。實(shí)施例3冷軋銅材的制備1、配料材料化學(xué)成份(質(zhì)量百分比)取鐵0.188、磷0.01、硼0.001、鑭0.001、剩余為銅。原材料使用電解銅、純鐵、磷銅合金、硼銅合金、金屬鑭，按常規(guī)合金配料方法計(jì)算各種原材料的加入量，得到配料；2、熔煉將配好的配料放入加熱爐中按常規(guī)的銅合金冶煉工藝熔化；3、澆鑄銅錠將熔化了的金屬液澆入銅錠模中得到銅錠；4、熱軋將澆鑄后的銅錠加熱至880℃，保溫3小時(shí)，然后軋制；5、熱軋后固溶處理熱鍛完成后，將制得的銅材先空冷，然后再加熱至920℃，保溫1小時(shí)后水冷；6、冷軋將經(jīng)固溶處理后的銅材在室溫下軋制；7、時(shí)效處理將經(jīng)冷軋后的銅材加熱至250℃，保溫8小時(shí)，然后冷卻，得到成品。實(shí)施例4冷軋銅材的制備1、配料材料化學(xué)成份(質(zhì)量百分比)取鐵1.8、磷0.02、硼0.08、含鈰和鑭的二種元素的合金0.8、剩余為銅。原材料使用電解銅、純鐵、磷銅合金、硼銅合金、含鈰和鑭的二種元素的合金，按常規(guī)合金配料方法計(jì)算各種原材料的加入量，得到配料；2、熔煉將配好的配料放入加熱爐中按常規(guī)的銅合金冶煉工藝熔化；3、澆鑄銅錠將熔化了的金屬液澆入銅錠模中得到銅錠；4、熱軋將澆鑄后的銅錠加熱至880℃，保溫3小時(shí)，然后軋制；5、熱軋后固溶處理熱鍛完成后，將制得的銅材先空冷，然后再加熱至920℃，保溫1小時(shí)后水冷；6、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的銅材加熱至100℃保溫3小時(shí)，再加熱至300℃保溫20小時(shí)，再加熱至600℃保溫45小時(shí)，然后冷卻；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的銅材放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效100天；7、冷軋將經(jīng)時(shí)效處理后的銅材在室溫下軋制；8、回復(fù)將經(jīng)冷軋后的銅材加熱至400℃保溫30小時(shí)，然后冷卻，得到成品。實(shí)施例5粉末冶金產(chǎn)品毛坯的制備1、配料材料化學(xué)成份(質(zhì)量百分比)取鐵0.02、磷0.05、硼0.5、含鈰和釔的二種元素的合金1、剩余為銅。原材料使用銅粉、鐵粉、磷銅合金粉、硼銅合金粉、含鈰和釔的二種元素的合金粉，按常規(guī)合金配料方法計(jì)算各種原材料的加入量，得到配料；2、制坯按常規(guī)的粉末冶金工藝制得產(chǎn)品毛坯；3、固溶處理將產(chǎn)品毛坯加熱至980℃，保溫3小時(shí)，然后水冷；4、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的產(chǎn)品毛坯加熱至500℃，保溫1小時(shí)，然后冷卻，得到成品。實(shí)施例6粉末冶金熱軋或熱鍛或冷軋銅材的制備1、配料材料化學(xué)成份(質(zhì)量百分比)取鐵1.4、磷0.03、硼0.07、含鈰和釔和鑭三種元素的氧化物混合物0.5、剩余為銅。原材料使用銅粉、鐵粉、磷銅合金粉、硼銅合金粉、含鈰和釔和鑭三種元素的氧化物混合物，按常規(guī)合金配料方法計(jì)算各種原材料的加入量，得到配料；2、制錠按常規(guī)的粉末冶金工藝制得銅錠；后面的步驟與制備熱軋或熱鍛或冷軋銅材的步驟相同
權(quán)利要求
1.一種銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料，其特征在于配方是由如下以質(zhì)量百分比計(jì)的成分組成銅 96.8 0-99.80鐵 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.如權(quán)利要求1所述的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料，其特征在于稀土是指含鈰或釔或鑭元素的金屬或合金或氧化物，稀土混合物是指含鈰或釔或鑭中的二種或三種元素的合金或氧化物混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料，其特征在于所述的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料是指鑄件、熱軋或熱鍛銅材、冷軋銅材、粉末冶金產(chǎn)品毛坯、粉末冶金熱軋或熱鍛或冷軋銅材。
4.制備如權(quán)利要求1或2或3所述的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料的工藝，其特征在于鑄件的制備工藝為(1)、配料按化學(xué)成份要求，將符合配方質(zhì)量百分比的電解銅、純鐵或含鐵合金、含磷合金、含硼合金、稀土或稀土混合物混合，得到配料；(2)、熔煉將配好的配料放入加熱爐中按常規(guī)的銅合金冶煉工藝熔化；(3)、澆鑄鑄件將熔化了的金屬液澆入鑄型中得到鑄件；(4)、固溶處理將澆鑄后的鑄件加熱至800-1050℃區(qū)間的某一溫度，保溫1-5小時(shí)，然后水冷；(5)、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的鑄件加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的鑄件放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天，得到成品。
5.制備如權(quán)利要求1或2或3所述的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料的工藝，其特征在于熱軋或熱鍛銅材的制備工藝為步驟1、2與權(quán)利要求4的步驟1、2相同，不同之處在于(3)、澆鑄銅錠將熔化了的金屬液澆入銅錠模中得到銅錠；(4)、熱軋或熱鍛將澆鑄后的銅錠加熱至500-1050℃區(qū)間的某一溫度保溫0.5-3小時(shí)，然后軋制或鍛造成銅材；(5)、固溶處理熱軋或熱鍛完成后，將制得的銅材立即水冷，熱軋或熱鍛完成后，將制得的銅材先空冷，然后再加熱至800-1050℃區(qū)間的某一溫度，保溫1-5小時(shí)后水冷；(6)、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的銅材加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的銅材放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天，得到成品。
6.制備如權(quán)利要求1或2或3所述的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料的工藝，其特征在于冷軋銅材的制備工藝為步驟1、2、3、4、5與熱軋或權(quán)利要求5的步驟1、2、3、4、5相同，不同之處在于(6)、冷軋將經(jīng)固溶處理后的銅材在室溫下軋制；(7)、時(shí)效處理將經(jīng)冷軋后的銅材加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的銅材放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天，得到成品。或按以下步驟(6)、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的銅材加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的銅材放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天；(7)、冷軋將經(jīng)時(shí)效處理后的銅材在室溫下軋制；(8)、回復(fù)將經(jīng)冷軋后的銅材加熱至50-500℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品。7、制備如權(quán)利要求1或2或3所述的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料的工藝，其特征在于粉末冶金產(chǎn)品毛坯的制備工藝為(1)、配料按化學(xué)成份要求，將符合配方質(zhì)量百分比的銅粉、純鐵或含鐵合金粉、含磷合金粉、含硼合金粉、稀土或稀土混合物粉混合，攪拌均勻，得到配料；(2)、制坯按常規(guī)的粉末冶金工藝制得產(chǎn)品毛坯；(3)、固溶處理將產(chǎn)品毛坯加熱至800-1050℃區(qū)間的某一溫度，保溫1-5小時(shí)，然后水冷；(4)、時(shí)效處理將經(jīng)固溶處理后的產(chǎn)品毛坯加熱至50-600℃區(qū)間的某一溫度保溫或某幾個(gè)溫度分級(jí)保溫0.2-72小時(shí)，然后冷卻，得到成品；或?qū)⒔?jīng)固溶處理后的產(chǎn)品毛坯放置在室內(nèi)外大氣中自然時(shí)效1-360天，得到成品。
8.制備如權(quán)利要求1或2或3所述的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料的工藝，其特征在于粉末冶金熱軋或熱鍛或冷軋銅材的制備工藝為(1)、配料按化學(xué)成份要求，將符合配方質(zhì)量百分比的銅粉、純鐵或含鐵合金粉、含磷合金粉、含硼合金粉、稀土或稀土混合物粉混合，攪拌均勻，得到配料；(2)、制錠按常規(guī)的粉末冶金工藝制得銅錠；后面的步驟與權(quán)利要求4或5的步驟相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料及其制備工藝，它是采用金屬熔體凈化、細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化綜合技術(shù)，以銅為基體，添加鐵、磷、硼元素和稀土或稀土混合物，從而制得銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料。本發(fā)明具有不僅強(qiáng)度高而且導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、制備工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的銅基高強(qiáng)高導(dǎo)性材料同時(shí)具有優(yōu)良的綜合物理性能和力學(xué)性能，是一種新型功能材料，可應(yīng)用于微電子、通訊、航天、航空、高速交通等行業(yè)。
文檔編號(hào)H01L23/48GK1436868SQ03114720
公開日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2003年1月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月1日
發(fā)明者陸德平, 李放, 孫寶德, 張友亮, 曾衛(wèi)軍, 劉勇, 謝仕芳, 鄧鳴 申請(qǐng)人:江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所