專利名稱：高導電性、膨脹系數可控制的銅基合金及其制造方法
技術領域：
屬于熱加工或冷加工法改變有色金屬或合金物理結構的技術領域，特別涉及到了高導電性、膨脹系數可控制的銅基合金設計及制造方法。
背景技術：
隨著大規模、超大規模集成電路(IC)的發展，與半導體芯片相連接引線的數量不斷增加，引線的間距不斷減小，因此采用了銅基合金或Fe-Ni因瓦合金制造的引線框架。但銅基合金因其膨脹系數約為17×10-6/K與半導體材料的膨脹系數約為(4～7)×10-6/K匹配得不好，當工作溫度上升較高后就容易失效。而Fe-Ni因瓦合金由于其導電性、導熱性差而無法滿足導電、散熱的需要。因此，急需設計和制造兼備高導電性、導熱性，又能在-50℃～150℃溫度區間內滿足多種膨脹系數使用要求的新材料來替代上述材料。另外還有一些特殊的工程要求，需要材料具有導熱率高、在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數為0。以上這些都需要研制高導電性、在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數可控制的銅基合金。
發明內容
針對以上要求本發明設計出兩種銅基合金Cu-Al-Mn和Cu-Zn-Al，是具有熱彈性馬氏體可逆相變的銅基合金，并提出了一種生產高導電性、在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數可控制的銅基合金的方法。通過在室溫(10～30℃)下控制冷軋方向及軋制壓延率的方法，進而獲得了導電率為15～30％IACS，導熱率106～128W/m·k，在-50℃～150℃溫度區間內熱膨脹性系數-500×10-6/K～300×10-6/K可控制的銅基合金。
(1)研究高導電性、在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數可控制的合金的原理是采用馬氏體轉變開始溫度(Ms)為-50℃～+50℃的，電導率為15～30％IACS的Cu-Al-Mn，Cu-Zn-Al等具有熱彈性馬氏體可逆相變的銅基合金(形狀記憶合金)，通過控制冷軋方向及軋制的壓延率的方法，在室溫(10°～30℃)利用冷加工應力誘發出具有擇優取向結構的一定體積分數的馬氏體晶核。當環境溫度變化時，應力誘發馬氏體晶核的生長和消失所產生的尺寸效應與正常的熱膨脹效應相反而產生共同作用的結果；在特定的方向上即可產生熱膨脹的各向異性，根據軋制條件的變化，可以獲得可控制膨脹系數的銅基合金；特別當應力誘發馬氏體的體積分數合適時，馬氏體可逆相變的尺寸效應剛好與合金正常的熱膨脹效應相抵消，在一定溫度范圍內使合金在軋制方向上的熱膨脹性接近于0。
因此，通過控制冷軋的壓延率及軋制方向的方法，可以在室溫附近的一定溫度范圍內(-50°～+150℃)，在軋制方向上任意獲得正、負或是0的膨脹性。
軋制過程中，母相合金在軋制方向上受到拉應力作用，在軋制面法線方向上受到壓應力作用。因此，Bcc母相的[110]晶向切變成6M馬氏體的
方向，晶格在該方向上膨脹約7％。隨著溫度的降低馬氏體生長，7％的膨脹與正常的熱膨脹造成的尺寸收縮相抵消，就產生在-50℃～150℃溫度區間內負膨脹或低膨脹效應。
(2)高導性、在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數可控制的銅基合金成份及組織控制通過合金成分的設計與控制，可以獲得所要求的馬氏體相變開始溫度在-50°～50℃的溫度區間的某一溫度如-25℃的銅基合金。
對于Cu-Al-Mn合金一般其成分(原子百分數)范圍為Al10～25(at.％)；Mn5～15(at.％)；對于Cu-Zn-Al合金一般其成分(原子百分數)范圍為Zn10～30(at.％)；Al5～20(at.％)；可以通過添加合金元素來改變晶粒尺寸等組織形態。
如加入Ti、Ni、V、B、Fe等元素組成為0.05～3(at.％)，合金晶粒尺寸就減少。
(3)高導性、在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數可控制的銅基合金的制造。
a、母相合金的制備按合金的成要要求選用工業純的銅、鋁、錳、鋅金屬原料配置合金料，進行熔煉，對熔煉得到的要求成分的母合金在800～900℃左右進行熱軋至厚度為產品要求厚度的約1～2倍的板材。如產品是1mm，熱軋后的產品厚度為1.5mm。
b、獲得具有熱彈性馬氏體可逆相變的合金的熱處理工藝熱軋板材在600°～950℃區間中一溫度下，固溶處理5～30分鐘后淬火，使合金獲得具有近Bcc結構的母相，即可獲得所要求的馬氏體轉變開始溫度(Ms)的母相合金。
c、獲得膨脹系數可控制的合金的冷軋方法及工藝參數對母相合金板材上下表面進行拋光，去除氧化層，使材料厚度均勻，表面光亮。測量初始厚度，在室溫進行軋制，每次軋制的壓延率為0.001％～0.5％。當總壓延率很小時(0.5～1％)，在軋制方向上即可產生強烈的負熱膨脹性，在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數可達-150×10-6/K；而垂直于軋制面方向上，可產生強烈的正熱膨脹性，在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數可達300×10-6/K。
當總壓延率小于7％時，在軋制方向上可以獲得在-50℃～150℃溫度區間內負的膨脹系數(一般為-150×10-6/K～0)；當總壓延率等于7～8％時，可以獲得在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數接近0；當總壓延率大于7％時，可以獲得在-50℃～150℃溫度區間內正的膨脹系數(一般為0～17×10-6/K)。在軋制面法線方向上可以獲得在-50℃～150℃溫度區間內17～300×10-6/K的膨脹系數。
在母相合金軋制面內進行90°換向交叉軋制，可以在整個二維平面內在-50℃～150℃溫度區間內使合金的膨脹系數為-150×10-6/K～17×10-6/K。此時，總壓延率為單方向軋制的1.2～1.5倍左右。
d、本發明銅基合金的物理性能通過上述方法，可以在-50°～+150℃溫度范圍內，通過對冷軋壓延率的控制，在軋制方向上可以獲得任意的膨脹性，在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數范圍約為-150×10-6/K～17×10-6/K。而在軋制面的法線方向上，可以獲得的在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數范圍約為17×10-6/K～300×10-6/K。通過垂直交叉軋制，在軋制平面內獲得在-50℃～150℃溫度區間內可控制的膨脹系數。該合金的導電率為15～30％IACS。在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數在-150×10-6/K～300×10-6/K區間可控制的任意一膨脹系數。
具體實施例方式
1、集成電路制造用引線框架材料半導體芯片的膨脹系數一般為(4～7)×10-6/K，大大低于普通銅基合金的17×10-6/K。因此需要膨脹系數能與半導體相配合的、導電率及熱傳導性能好的引線框架材料。用工業純的電解銅、鋁錠、鋅錠以含按原子百分數配比制成Zn26at％，Al11at％，余下為Cu的銅基合金，鑄成合金錠。其馬氏體相變開始溫度為-25℃。在850℃下熱軋成合金板材，在700℃下固溶處理30分鐘、淬火，冷卻到室溫；在室溫下經過總壓延率為8～10％的冷軋，即可在單方向上獲得所要求的膨脹系數。如果對合金板材進行每次90°換向的交叉軋制，總壓延率為12～15％。其導電率為22％IACS，在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數約為5×10-6/K，導熱率約為120W/m·k。
2、高精度國際標準度量直尺利用本方法可以制造長度不隨溫度變化的高精度國際標準度量直尺。用工業純的電解銅、鋁錠、電解金屬錳或是以含Al45～55％的銅鋁中間合金、含Mn28～32％的銅錳中間合金，按原子百分數配比制成Al18at％，Mn11at％，余下為Cu的銅基合金，鑄成合金錠。制備了具有熱彈性馬氏體相變的Cu-18Al-11Mn合金板材，其馬氏體相變開始溫度為-25℃。在850℃下熱軋成合金板材，在800℃下固溶處理30分鐘、淬火，冷卻到室溫；經過總壓延率為7.5％的冷軋，即可在軋制方向上獲得在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數為0。該方法成本低、精度高、具有較好的耐腐蝕性能。
權利要求
1.高導電性、膨脹系數可控制的銅基合金及其制造方法，其特征在于設計了兩種具有熱彈性馬氏體可逆相變的銅基合金；其合金成份為Cu-Al-Mn合金原子百分數配比Al10～25at.％，Mn5～15at.％，Cu為余量；Cu-Zn-Al合金原子百分數配比Zn10～30at.％，Al5～20at.％，Cu為余量。
2.權利要求1所說的高導電性、膨脹系數可控制的銅基合金及其制造方法，其特征在于該銅合金制造的方法由以下三個主要步驟組成(1)按權利要求1成份配制的母相合金板材，首先要在800～900℃下進行熱軋，使熱軋后板材厚度約為所得到產品要求厚度的1～2倍；(2)熱軋后的母相合金板材在600°～900℃溫度區間中的一個溫度下固溶處理5～30分鐘，得到馬氏體轉變開始溫度為-50°～+50℃某一要求溫度的母相合金；(3)按照不同膨脹系數需要實施不同的冷軋工藝，在軋制方向上當總壓延率小于7％時，可以獲得在-50℃～150℃溫度區間內負的膨脹系數(一般為-150×10-6/K～0)；當總壓延率等于7～8％時，可以獲得在-50℃～150℃溫度區間內膨脹系數接近0；當總壓延率大于8％時，可以獲得在-50℃～150℃溫度區間內正的膨脹系數(一般為0～17×10-6/K)；在軋制面的法線上，在-50℃～150℃溫度區間內，可以獲得正的膨脹系數(一般為17～300×10-6/K)；當對母相合金軋制面內進行90°換向交叉軋制時，可以在整個二維平面內在-50℃～150℃溫度區間內使合金的膨脹系數為-150×10-6/K～17×10-6/K。
全文摘要
高導電性、膨脹系數可控制的銅基合金及其制造方法，屬于熱加工或冷加工改變有色金屬或合金物理結構的技術領域；合金成分為，Cu－Al－Mn合金的原子百分數配比為Al10～25at％，Mn5～15at％的銅基合金，Cu－Zn－Al合金的原子百分數配比為Zn10～30at％，Al5～20at％的銅基合金；其生產方法為在800～900℃溫度下對配制的母相合金板材熱軋到要求的厚度；在600～900℃區間中的一個溫度值固溶處理、淬火和在室溫下按照不同總壓延率冷軋或是90°交叉冷軋三個重要環節組成；制得了導電率為15～30％IACS，在－50℃～150℃溫度區間內膨脹系數可在－150×10
文檔編號C22C9/01GK1664136SQ20041002133
公開日2005年9月7日 申請日期2004年3月4日 優先權日2004年3月4日
發明者王繼杰, 劉沿東, 左良, 連法增, 郝士明 申請人:東北大學