CN103205600A - 一种高强导电Cu-Ni-Si-M合金 - Google Patents
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Abstract
一种高强导电Cu-Ni-Si-M合金，属于新材料技术领域。其特征在于：它包括Cu、Ni、Si、Fe和Mo元素，其合金成分的重量百分比分别为Cu-(3.52-4.04%)Ni-(0.93-1.18%)Si-(0.19-0.43%)Fe和Cu-(3.51-4.04%)Ni-(0.93-1.18%)Si-(0.32-0.73%)Mo。材料性能指标为：Cu-Ni-Si-Fe合金的电导率IACS = 13-36 %，硬度HV =240-258；Cu-Ni-Si-Mo合金的电导率IACS = 13-35 %，硬度HV =212-244。本发明的效果和益处在保证Cu合金高导电性基础上，实现了合金的高强度；Cu-Ni-Si-M (M=Fe或Mo)合金的组元元素添加含量合理，在保证合金性能优异的同时，为一种低成本合金材料； Cu-Ni-Si-M (M=Fe或Mo)合金可作为半导体集成电路中引线框架的承载材料。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，涉及一种导电性能优良、高强度、可用于集成电路引线框架材料的Cu-Ni-Si-M(M=Fe或Mo)合金。
背景技术
对于用作半导体引线框架材料的Cu合金而言，要求除保持其良好的导电性和导热性，还要求Cu合金具有高强度，使其具有承载能力。然而，Cu合金的导电性与高强度通常是一对矛盾体，即添加合金化组元提高Cu合金强度的同时会降低合金的导电性。因此，如何在保持Cu合金的高导电性的同时又能提高合金的强度是这类Cu合金研发的关键。目前，人们多以固溶强化、时效强化都等模式来实现导电Cu合金的高强度，且这类引线框架材料大多是Cu-Ni-Si为基的合金材料之一，如Cu-Ni-Si、Cu-Ni-Si-Cr、Cu-Ni-Si-Zn等，但是上述合金体系中添加的合金化元素在提高合金强度的同时又会不同程度地降低其导电性。
在Cu-Ni-Si系列合金中，为提高合金的强度，通常会提高Ni含量至3wt.%以上，但此时会使得合金的电导率IACS下降，如现有合金Cu-3Ni-0.6Si和Cu-1.0Ni-3.0Si，前者硬度Hv =212，抗拉强度σb=851 MPa，电导率IACS=35.4 %，后者合金的σb=550 MPa，IACS=55 %。若Ni含量过高，则会严重降低合金的电导率，如Cu-8Ni-1.8Si (σb=1050 MPa，IACS=27.9 %)。另外需要指出，合金的强度和电导率会随热处理过程发生变化。当在此基础上进一步添加第四和第五元素时，会更进一步提高合金的强度，如Cu-3Ni-0.6Si-0.2Cr (Hv =215，σb=919 MPa，IACS=45 %)。然而，若第四和第五组元的含量添加不当，就会在很大程度上降低合金的导电性，仍需要探讨第四、第五、乃至更多元素添加的成分范围，以此充分发挥Cu-Ni-Si基多元合金的高导电性和高强度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的在多元合金体系中未能获得高导电性和高强度的最佳成分范围的不足，提供一种导电性能优良、高强度、可用于集成电路引线框架材料的Cu-Ni-Si-M(M=Fe或Mo)合金。
本发明采用的技术方案是：
(1)一种高强导电Cu-Ni-Si-M合金，其特征在于：它包括Cu、Ni、Si和Fe元素，其合金成分的重量百分比为Cu-(3.52-4.04%)Ni-(0.93-1.18%)Si-(0.19-0.43%)Fe。
上述合金中优选的合金的重量百分比成分为Cu-3.52%Ni-0.93%Si-0.37%Fe。
(2)一种高强导电Cu-Ni-Si-M合金，其特征在于：它包括Cu、Ni、Si和Mo元素，其合金成分的重量百分比为Cu-(3.51-4.04%)Ni-(0.93-1.18%)Si-(0.32-0.73%)Mo。
上述合金中优选的合金的重量百分比成分为Cu-3.51%Ni-0.93%Si-0.64%Mo。
实现上述技术方案的构思是：利用申请人的“团簇+连接原子”结构模型来设计Cu-Ni-Si-M (M=Fe或Mo)合金成分。“团簇+连接原子”结构模型可将固溶体结构看作由团簇和连接原子两部分构成，并能给出成分式[团簇](连接原子)x。在面心立方Cu固溶体合金中，其局域原子团簇通常用配位数为CN 12的立方八面体来表示。在Cu-Ni-Si-M体系中，Si和M(M=Fe或Mo)元素不能溶于基体Cu中，但它们与Ni具有强交互作用，形成金属间化合物Ni2Si；Ni可Cu形成无限固溶体，由此，Si和M在Cu中的固溶可通过第三方Ni得以实现。前期研究结果表明当Ni与Si的成分比例接近于2:1时合金具有最佳的导电性，即为Ni2Si相成分比例。此相成分可用团簇式可表达为Ni2Si=[Ni-Ni8Si5]Ni，即局域团簇是以Ni为心，周围被8个Ni原子和5个Si原子包围的多面体，多余的一个Ni原子作为连接；当有第四组元M存在时，由于M也会与Si形成M2Si，则M可取代团簇心部的Ni，形成[M-Ni8Si5]Ni= Ni9Si5M。在Cu-Ni二元固溶体中，存在以Ni为心，周围被12个Cu原子占据的CN12团簇[Ni-Cu12]，多余的Cu原子作为连接原子，从而形成[NiCu12]Cux，x为连接原子的个数。当进一步添加Si和M元素时，可将Ni9Si5M成分比例取代Cu-Ni团簇式中的Ni，从而形成多元成分式[(Ni9/15Si5/15M1/15)Cu12]Cux。根据此成分式设计合金成分，然后转化成重量百分比。设计的原则是保证各合金化元素添加含量的最优配比，以保证合金具有最佳的导电性和强度。
本发明的成分合金采用高纯度组元元素按重量百分比合金成分进行配比；然后利用非自耗电弧熔炼炉在Ar气保护下对配比的混合物进行多次熔炼，以得到成分均匀的合金锭；对其在950 oC下固溶1h，水淬，然后再在450 oC下时效4h；利用显微维氏硬度计测试所设计的系列Cu合金的硬度HV；利用D60K型数字金属电导率测量仪测试Cu合金的电导率IACS。由此确定出本发明中导电性能优良、高强度、可用于集成电路引线框架材料的Cu-Ni-Si-Fe合金的成分为Cu-(3.52-4.04%)Ni-(0.93-1.18%)Si-(0.19-0.43%)Fe (重量百分比)，其力学性能参数范围分别为：电导率IACS = 13-36 %，硬度HV =240-258；Cu-Ni-Si-Mo合金的成分为Cu-(3.51-4.04%)Ni-(0.93-1.18%)Si-(0.32-0.73%)Mo (重量百分比)，其力学性能参数范围分别为：电导率IACS =13-35 %，硬度HV =212-244。
本发明的效果和益处是：①在保证Cu合金高导电性基础上，实现了合金的高强度；② Cu-Ni-Si-M (M=Fe或Mo)合金的组元元素添加含量合理，在保证合金性能优异的同时，为一种低成本合金材料；③ Cu-Ni-Si-M (M=Fe或Mo)合金可作为半导体集成电路中引线框架的承载材料。
具体实施方式
以下结合技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1 Cu95.18Ni3.52Si0.93Fe0.37合金
步骤一：合金制备
Cu95.18Ni3.52Si0.93Fe0.37合金，此成分源自团簇式[(Ni9/15Si5/15Fe1/15)Cu12]Cu3。Cu、Ni、Si和Fe纯金属按照给定的合金重量百分比成分进行配料；将混合料放在电弧熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用非自耗电弧熔炼法在氩气的保护下进行熔炼，如此反复熔炼3次，得到成分均匀的合金锭；然后对其进行950 oC/1h+水淬和450 oC/4h热处理。
步骤二：合金结构和性能测试
利用金属电导率测量仪及硬度计测试其性能参数，分别为：电导率IACS = 35 %，硬度HV =258。
实施例2 Cu94.92Ni3.51Si0.93Mo0.64合金
步骤一：合金制备
Cu94.92Ni3.51Si0.93Mo0.64合金，此成分源自团簇式[(Ni9/15Si5/15Mo1/15)Cu12]Cu3。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用金属电导率测量仪及硬度计测试其性能参数，分别为：电导率IACS = 33 %，硬度HV =244。
实施例3 Cu95.27Ni3.52Si1.03Fe0.19合金
步骤一：合金制备
Cu95.27Ni3.52Si1.03Fe0.19合金，此成分源自团簇式[(Ni9/15Si5.5/15Fe0.5/15)Cu12]Cu3。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用金属电导率测量仪及硬度计测试其性能参数，分别为：电导率IACS = 36 %，硬度HV =247。
实施例4 Cu95.14Ni3.51Si1.03Mo0.32合金
步骤一：合金制备
Cu95.14Ni3.51Si1.03Mo0.32合金，此成分源自团簇式[(Ni9/15Si5.5/15Mo0.5./15)Cu12]Cu3。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用金属电导率测量仪及硬度计测试其性能参数，分别为：电导率IACS = 35%，硬度HV =236。
实施例5 Cu94.48Ni4.03Si1.07Fe0.43合金
步骤一：合金制备
Cu94.48Ni4.03Si1.07Fe0.43合金，此成分源自团簇式[(Ni9/15Si5/15Fe1/15)Cu12]Cu1。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用金属电导率测量仪及硬度计测试其性能参数，分别为：电导率IACS = 13 %，硬度HV =240。
实施例6 Cu94.19Ni4.02Si1.07Mo0.73合金
步骤一：合金制备
Cu94.19Ni4.02Si1.07Mo0.73合金，此成分源自团簇式[(Ni9/15Si5/15Mo1/15)Cu12]Cu1。同实施例一中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能测试
利用金属电导率测量仪及硬度计测试其性能参数，分别为：电导率IACS = 13 %，硬度HV =212。
Claims (2)
1.一种高强导电Cu-Ni-Si-M合金，其特征在于：它包括Cu、Ni、Si和Fe元素，其合金成分的重量百分比为Cu-(3.52-4.04%)Ni-(0.93-1.18%)Si-(0.19-0.43%)Fe。
2.一种高强导电Cu-Ni-Si-M合金，其特征在于：它包括Cu、Ni、Si和Mo元素，其合金成分的重量百分比为Cu-(3.51-4.04%)Ni-(0.93-1.18%)Si-(0.32-0.73%)Mo。
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- 2013-04-18 CN CN2013101366383A patent/CN103205600A/zh active Pending
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