KR900007451B1 - 내마이그레이션성이 우수한 동합금 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

내마이그레이션성이 우수한 동합금

본 발명은 내마이그레이션성(migration resistance)이 우수한 동합금에 관한 것으로, 보다 상세히는 인쇄회로기판 뿐만 아니라 반도체부분품, 기계부품 예컨대 스위치부분품, 버스 바(bar), 터미날 및 코넥터와 같은 전기 및 전자부품용 재료로서 적절하게 사용될 수 있는 내마이그레이션성이 우수한 동합금에 관한 것이다. 가전 및 산업부문 또는 자동차에 사용되는 터미날 및 코넥터와 같은 기계부품용 재료로서, 황동이 일반적으로 사용되어 왔고 인청동은 신뢰성이 특별히 요구되는 경우에 사용되어 왔다.

그러나, 황동은 응력부식균열이라는 문제점을 갖고 있고, 한편 인청동은 수분이 응축되는 상태하에서는 마이그레이션이 유발될 수 있다.

순수한 구리 및 구리-철-인계 합금(CDA11000, CDA12200, CDA19200, CDA19210 및 CDA19400)은 반도체부품인 리드프레임 및 인쇄회로 기판으로 사용되는 전자 및 전기부품용 재료로서 빈번하게 사용되었다.

한편, 최근의 기술적인 진보에 기인하여 전술한 용도에 사용되는 재료로 제조된 구성부품에 대해 소형화와 배선회로의 고밀도화는 급속하게 진행되어 왔다. 냉장고, 텔레비젼수상기 및 비디오 테이프-레코더와 같은 가전제품이 사용되는 전기 또는 전자부품 뿐만 아니라 자동차에 장치된 전기 또는 전자부품에 있어서, 배선회로의 고밀도화 및 인쇄회로기판의 다층화뿐만 아니라 전극상호간의 간격을 감소시키는 것에 대해 벌전이 이루어졌다. 또한 전류의 용량이 향상도 다른 측면에서 시도되었다.

그 결과로서, 인쇄회로 또는 전극부가 전장과(수분을 흡수하기 쉬운)먼지 또는 응축된 습기때문에 악영향을 받기 쉬운데, 이것에 의해서 전기화학적 마이그레이션이 발생하여 종래 재료로는 절연성능이 저하되므로 소형화하고 배선회로를 고밀도화하는 것이 곤란하다. 여기에서 마이그레이션은 금속원소가 전극간의 습기의 응축때문에 이온화되고, 이 이온화된 금속원소는 쿨롱력에 의해서 음극으로 이송되어 거기에 석출하고 금속결정은 음극으로부터 수지상(dendritic)으로 성장하여 전기도금과 같은 방법으로 양극까지 도달하여 그것들 사이에서 단락을 일으키는 현상을 뜻한다.

산화물은 건조 또는 결로와 같은 환경에 따라 금속결정의 표면과 내부에 종종 형성되는데, 거기에서 전극사이에 있는 물질은 플라스틱, 유리, 및 세라믹과 같은 절연체의 표면에 따라 아주 얇은 필름형태로 연장되고 최단부에서 다수의 부분으로 분지된다. 이 현상은 수십볼트 및 수십암페어의 전류를 인가했을때 발생한다. 이것은 일반적으로 은에서 일어나는 것으로 생각되지만, 이와 같은 현상은 전기 또는 전자부품용 인쇄회로기판의 다층화와 고배치밀도(mounting density)에 있어서의 최근 발전에 따라 동 또는 동합금에서도 발생할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이 마이그레이션 문제점은 습기의 응축에 기인하여 침수하는 경우뿐만 아니라 누수 또는 이것과 유사한 것에 의해서 전기 및 전자부품에 물이 부착되는 경우에도 발생하므로 내마이그레이션성 재료의 출련이 요망되었다.

본 발명은 종래기술에 있어서 전술한 여러 문제점을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은 스위치부분품, 버스 바, 터미날, 코넥터용 기계부품뿐 아니라 인쇄배선기판과 반도체 부품의 배치밀도의 증가 및 크기의 축소로 부터 비롯되어 1/10인치에서 1/30 또는 1/40인치로 감소된 전극상호간의 거리와 배선회로간의 감소된 절연거리로 인하여 습기가 응축된 경우라도 보다 적은 마이그레이션이 발생하도록 전착물질의 성장을 억제할 수 있고, 전류용량 증대의 목적을 충족시키기 위하여 30% IACS 보다 큰 전기전도도를 갖고 있고, 인장강도가 3Okgf/mm²이상으로서 순동과 인탈산동보다 개선된 기계적 성질을 가지고 있는 내마그레이션성이 우수한 동합금을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 본 발명에 따른 내마그레이션성이 우수한 동합금으로 얻을 수 있는데, 이 합금은 0.05 내지 0.2중량%의 Fe, 0.02 내지 0.05중량%이 P, 1.0 내지 5.0중량%의 Zn, 2.5중량% 미만의 Sn 및 잔부 Cu로 구성된다.

인장강도가 50kgf/mm²이상이 요구되는 특별한 사용예에 있어서, 본 발명에 따른 동합금은 0.05 내지 0.15중량%의 Fe, 0.02 내지 0.05중량% P, 1.0 내지 5.0중량%의 Zn, 1.0 내지 2.5중량%의 Sn 및 잔부 Cu로 구성되는 것이 바람직하다.

60% IACS 보다 높은 전기전도도가 요구되는 특별한 사용예에서는, 본 발명에 따른 동합금은 0.05 내지 0.20중량%의 Fe, 0.025 내지 0.50중량% P, 1.1 내지 3.5중량%의 Zn, 0.1중량% 미만의 Sn 및 잔부 Cu로 구성되는것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내마이그레이션이 우수한 동합금을 지금부터 보다 상세히 기술한다.

본 발명에 따른 내마이그레이션이 우수한 동합금에 함유된 성분비와 성분을 우선 기술한다.

함께 함유된 Fe와 P는 기지상(matrix phase)에 인화철을 형성하여 스프링 한계치(spring limit value)을 향상시키고 상승된 온도에서의 크리이프 특성을 강화하는데 기여한다. Fe 함량이 0.05중량% 미만이라면, 인화철의 형성에 기여하지 않는 과잉 P는 기지상에 고용원소를 남겨 놓아서 전기전도도를 감소시키고 이것에 의해서 P가 0.02 내지 0.050중량%가 함유되었다 하더라도 스프링 한계치를 향상시키는 효과가 감소된다. 반면에, Fe 함량이 0.20중량% 초과하면, 인화철의 형성에 기여하지 않는 과잉 Fe는 P가 0.050중량%까지 함유된 경우 기지상에 고용원소를 남겨놓아서 전기전도도를 감소시킨다. 따라서 Fe함량은 0.05내지 0.20중량%로서 한정된다. 바람직하게는 Fe함량의 상한은 0.15중량%이다. 특히 Sn을 첨가해서 강도와 스프링 한계치를 향상시키는 경우에는, Fe함량이 0.05 내지 0.15중량%인것이 바람직하다.

같은 방식으로, P함량이 0.02중량% 미만이라면, 상승된 온도에서의 크리이프 특성과 스프링 한계치의 향상은 기대되지 않고 Fe가 0.05 내지 0.20중량% 함유되어 있다면 인화철의 형성에 기여하지 않는 Fe는 기지에 고용원소를 남겨놓아서 전기전도도를 감소시킨다. 더욱이, P함량이 0.050중량%를 초과한다면, 통상적인 반연속주조에 의해 제조된 주괴(cast ingot)는 열간압연가공을 견디지 못한다. 따라서, P함량은 0.02 내지 0.050중량%로 제한된다. 전기전도도를 유지하고 강도를 향상시키려고 P를 첨가하는 경우에, 그것은 0.025 내지 0.050중량%가 함유되는 것이 바람직하다.

Zn은 물이 침입하거나 또는 습기가 응축되었을때 이온화되어 Cu 이온의 함량을 감소시키고 그에 의해서 마이그레이션이 억제되도록 하는 필수원소이다. 이것의 함량이 1.0중량% 미만이면, 실질적인 효과는 얻을 수 없고, 그것이 5.0중량%를 초과하면, 전기전도도는 이 성분의 증가에 따라서 감소되고 전자부품용 재료로서 30% IACS보다 더 큰 만족스러운 전기전도도는 마이그레이션을 억제하는 효과와 이것에 의해서 낮은 누설전류가 얻어질 수 있을지라도 Zn 함량의 증가에 따른 전기전도도의 감소때문에 얻을 수 없다. 더구나, 그것은 응력부식균열을 일으키는 경향이 있다. 따라서 Zn함량은 1.0 내지 5.0중량%로 제한된다. 특별히, 60% IACS보다 큰 전기전도도를 얻으려 하는 경우에, Zn함량은 1.1 내지 3.5중량% 인 것이 바람직하다.

Sn은 Cu내에 고용되는 원소이므로, 이것에 의해서 강도 및 스프링 한계치가 향상된다. 그것은 상한 2.5중량%까지 첨가될 수 있으며, 이것에 의해서 30kgf/mm²이상의 인장강도가 제공된다. 그러나 그것이 2. 5중량%를 초과하면, 전기전도도는 감소되어 30% IACS보다 높은 전기전도도를 충족시키지 못한다. 인장강도를 50kgf/mm²보다 더 크게 유지할 경우에, Sn을 1.0중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 전기전도도를 60% IACS보다 높게 유지하는 경우에, Sn함량을 0.1중량% 미만으로 유지하는 것이 바람직하다.

상기에 기술한 필수원소 Fe,P,Zn 및 Sn에 추가로, Be, B, Mg, Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Co, Zr, Ag, In 및 sb중 1종 또는 2종이상도 함유될 수 있으며, 그것들은 30kgf/mm²보다 큰 인장강도와 30% IACS 보다 높은 전기전도도를 상기 언급한 원소의 함량이 0.1중량% 미만인 한 충족시킬 수 있다. 더욱이, 특정한 범위내에있는 상기 언급된 원소의 함량이 첨가될때 다른 특성은 손상되지 않는다.

본 발명을 실시예를 참조하여 지금부터 보다 상세히 기술하겠다.

실시예 1

표 1에 도시된 조성의 합금을 탄소 피복하에 대기중의 전기로내에서 용융하고 주철로 제조된 경사 주형내에 주입하여 두께가 60mm이고, 폭이 60mm이며 길이가 180mm인 주괴를 얻었다.

이를 주괴의 표면 및 배면을 각각 2.5mm씩 깎아내고, 황동은 740℃에서, 황동이외의 다른 재료는 850℃에서 열간압연하여 두께가 10mm인 스트립재료를 얻었다. 상기 황동이외의 다른 재료는 800℃로 재가열하여 물로

칭했다.

열간압연된 재료의 표면으로부터 산화스케일을 20부피% 황산수용액으로 제거한 후에, 그것들을 두께 0.64mm로 냉간압연했다. 어닐링을 황동에는 430℃에서 2시간동안 했고 황동이외의 재료에는 500℃에서 2시간동안 했다. 산화스케일을 20부피% 황산수용액으로 제거한 후에, 그것들을 두께 0.32mm로 냉간압연했다. 그리고나서, 번호 1 내지 9의 합금을 20초동안 375℃에서 초석로(niter bath furnace)에서 어닐링을 하고, 번호 10의 합금을 20초동안 325℃에서 어닐링하였다. 그런다음에 표면산화스케일을 20부피% 황산수용액으로 제거했다. 번호 11의 합금은 압연된 형태 그대로 사용되는 것이 통상적이다.

[표 1]

내마이그레이션시험

한쌍의 두 시편쉬이트를 표1에 도시한 스트립재료로 부터 두께 0.32mm, 폭 3.0mm, 길이 80mm로 제작하여 시험시편을 얻었다.

내마이그레이션에 대해서 직류전압 14V를 인가했을때 최대 누설전류를 판정기준으로서 사용하였다.

지름이 10mm인 방전구멍이 형성된 두께 1mm의 ABS 수지층을 두개의 쉬이트모양의 시험편 사이에 놓았다. 유지판(retainer plate)을 시편의 각각의 단부에 설치하고 그것들을 크립에 의해서 상방으로부터 고착시켰다. 그 다음에 도전성 선을 두개의 시험시편의 각각의 단부에 연결하고, 이들 두개의 선들을 배터리의 캐소드 및 애노드터미날에 연결하여 한 시편은 애노드판으로서 다른 시편은 캐소드판으로서 각각 작용하도록 하였다.

전술한 상태하에 놓여진 시험편에 대하여 직류 14V를 인가하면서 5분동안 수도물에 침지시키고 10분동안 건조시키는 건조/습윤(drying/wetting)시험을 하였다. 50사이클까지의 최대 누설전류를 고감도 기록기로 측정했다. 시험결과는 표2에 도시되어 있다.

[표 2]

표 2에서 알수 있는 것처럼, 본 발명에 따른 실시예의 합금(번호 1 내지 번호 7)은 0.5 내지 0.6암페어의 누설전류를 나타내는데, 이 누설전류는 번호 11의 황동과 비슷하고 4암페어의 누설전류를 나타내는 번호 10의 인청동 보다 우수하다.

더욱이, 번호 8 및 9의 합금이 Zn 함량을 1%미만, 5%이상 포함하는 비교합금으로서 도시되었지만, 전자는 누설전류에 있어서 충분한 향상이 없었고, 반면에 후자는 전기전도도에 있어서 황동에 비해 열등하다는 것이 나타나 있다.

자동차용으로 사용된 직류 14V가 이 실시예에 있어서 누설전류 측정을 위하여 사용되었을지라도, 본 발명에 따른 동합금으로 제조된 터미날 코넥터는 통상의 100 내지 120V의 교류회로에도 역시 사용될 수 있다. 종래의 인청동은 습기가 응축되는 상태에서 전기방전 및 마이그레이션이 유발되지만, 본 발명에 따른 합금은 자동차뿐만 아니라 산업용 용도에도 매우 적합하다.

응력이완율

내마이그레이션 시험에서 기술한 것과 같은 방식으로 시험시편의 길이방향이 압연방향과 평행한 일본공업표준규격(JIS) 13. No. B에 따라 시험시편을 제작하여 인장강도를 측정하였다. 또한, 스프링 한계치는 일본공업표준규격(JIS) H3130에 따라 시험측정하였다.

응력이완율은 중앙부의 응력이 내력의 80%로 되도록 시편을 U자 모양의 형태로 벤딩하고 150℃에서 500시간동안 유지하여 아래의 식으로부터 벤딩경향으로서의 비율을 계산함으로써 측정하였다.

(응력이완율은 작은 값일수록 좋다)

I₀: 지그의 길이(mm)

I₁: 시험개시시의 시편의 길이(mm)

I₂: 500시간 경과후에 시편단부간의 수평거리

시험결과는 표2에 도시되어 있다. 표2에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 실시예의 어느합금도 30kgf/mm²이상의 인장강도를 갖고 있으며 스프링 한계치 및 응력이완율에 있어서 우수하며, 여기에 인장강도는 Sn을 1중량%이상 첨가하면 50kgf/mm²이상까지 증가될 수 있다.

전기전도도

시험시편의 전기전도도는 시편의 길이방향을 압연방향에 평행하도록 배열하여 일본공업표준규격 JISH0505에 따라 측정하였다. 그 결과는 표2에 도시되어 있다. 표 2에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 실시예의 어느합금도 30% IACS보다 높은 전기전도도를 나타내며, 본 발명에 따른 어느합금도 비교예와 비교할때 우수하다.

더욱이 본 발명에 따른 합금은 응력부식균열이 발생하지 않고 황동과 비슷한 내마이그레이션성을 나타낸다.

실시예 2

본 발명에 따른 동합금의 다른 실시예를 설명하려고 하는데, 이것은 내마이그레이션성이 우수하고 60% IACS보다 높은 전기전도도를 갖고 있다.

표3에 도시된 비율의 성분을 함유하고 있는 동합금을 탄소피복하에 대기중에 전기로에서 용융하여 주철로 제조된 주형으로 주입하여 두께가 60mm이고, 폭이 60mm이며, 길이가 180mm인 주괴를 제조하였다. 이를 주괴의 표면 및 배면은 각각 2.5mm씩 깎아내고, 황동은 740℃에서 다른 합금은 850℃에서 각각 열간압연하여 두께가 10mm인 스트립재료를 제조하였다. 상기 황동이외의 다른 재료는 800℃까지 재가열하여 물로

칭하였다.

이들 열간압연된 재료의 표면으로부터 산화스케일을 제거한 후에, 이것들을 두께 1.11mm로 냉간압연하였다. 다음에, 황동은 430℃에서 2시간동안, 번호 7의 합금은 450℃에서 2시간동안, 다른 합금은 500℃에서 2시간동안 각각 어닐링하였다. 스케일을 제거하기 위해 산세척한 후에, 그것들을 두께 1.0mm로 압연하였다.

각각 두께가 1.00mm이고, 폭이 3.00mm이며 길이가 60mm인 한쌍의 두 시험시편을 이와 같이 스트립재료로부터 제조하고 전기전도도는 이 시험시편을 거리 1.0mm로 시편을 떼어 놓고 측정했다. 14V의 전압을 인가하면서 물속에 10분동안 침지하고 10분동안 건조시키는 건조/습윤시험을 수도물 침지시험에 따라 반복적으로 실행하여 100사이클가지의 최대 누설전류를 측정하고 이에 의하여 마이그레이션 특성을 평가했다. 실시예 1과 같은 방법으로 전류는 고감도 기록기로 측정했다.

인장강도 및 연신율은 시편의 길이방향을 압연방향과 평행하도록 배열하여 JIS No.5에 따라 시편에 대해 측정하였다. 이 결과는 표4에 도시하였다.

[표 4]

표4로부터 다음설명은 명백해진다.

본 발명에 따른 내마이그레이션성이 우수한 고전기전도도의 동합금(번호 3 및 4)모두는 60% IACS 이상의 전기전도도를 가지고 있으며 7/3 황동(번호6)과 동등한 누설전류값을 나타낸다. 마이그레이션성과 누설전류의 숫자는 비례관계에 있다는 것을 알 수 있고, 회로간의 거리가 인쇄회로기판의 다층화 또는 인쇄회로 기판의 배치밀도가 증가함에 따라 보다 밀접해질 경우에도 종래의 재료와 비교할때에 마이그레이션에서 기인하는 절연능력의 감소가 보다 작다는 것을 알수 있다. 반면에 비교합금(번호 1,2,5 및 7)은 60% IACS보다 큰 고전기전도도를 갖고 있을지라도, Zn이 함유되지 않은 합금(번호 5 및 7)은 큰 최대누설전류를 나타내고, 보다 적게 Zn이 함유되어 있는 합금(번호 1과 2)는 번호 6에 비교할때에 다소 보다 큰 누설전류를 나타내는데, 이 합금은 마이그레이션 평가시험시 시험편에 약간의 결락(depletion)이 초래되고 절연성능은 충분하지 않다. 또한, 본 발명에 따른 합금은 인장강도와 연신율간의 균형에 있어서도 또한 순동(번호7)보다 우수하다.

게다가, 7/3 황동(번호6)은 보다 적은 누설전류를 나타내고 보다 적은 마이그레이션을 유발할지라도, 전기전도도는 28% IACS만큼 낮으므로 배치밀도를 증가시키고 소형화하는데 제한을 받는다.

전술한 사실은 직류전압을 인가해서 나탄났더라도, 습기가 응축될때 Cu 이온의 용출은 교류전류하에서도 역시 일어나고 전착물 및 산화물은 플라스틱, 유리 및 세라믹의 절연능력을 감소시키는 것으로 역시 생각된다. 그러나 이와 같은 바람직하지 않은 현상은 본 발명에 따른 60% IACS보다 높은 전기전도도를 갖추고 있고 내마이그레이션성이 우수한 높은 전기전도도의 동합금에 의해 해결될 수 있다.

상기에 기술한 것처럼, 본 발명에 따른 내마이그레이션성이 우수한 동합금은 30% IACS보다 높은 전기전도도와 30kgf/mm²보다 큰 인장강도를 갖고 있는데, 이러한 성질은 버스 바, 터미날, 코넥터와 같은 반도체 부품 및 기계부품뿐만 아니라 인쇄회로기판등에 사용되는 전자 및 전기부분품의 재료에 요구되며, 이동합금은 내마이그레이션성, 황동에 필적할만한 응력부식균열 및 강도가 요구되는 재료로서 사용될 수 있으 며, 순동 및 인탈산동보다 더 큰 내마이그레이션성 및 더 높은 강도가 요구되는 재료로서 또한 사용될 수 있다.

Claims (2)

1. 0.05 내지 0.15중량%의 Fe, 0.02 내지 0.05중량% P, 1.0 내지 5.0중량%의 Zn, 1.0 내지 2.5중량%의 Sn 및 잔부 Cu와 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스프링한계 성질 및 내마이그레이션성이 우수한 동합금.
2. 0.05 내지 0.20중량%의 Fe, 0.025 내지 0.050중량%의 P, 1.1 내지 3.5중량%의 Zn, 0.1중량% 미만의 Sn 및 잔부 Cu와 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기전도도 및 내마이그레이션성이 우수한 동합금.