摘要:銅因其具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和良好的工藝性能,在電子元器件制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著電子元器件工業(yè)的發(fā)展和對(duì)材料性能要求的不斷提高,目前大量使用的普通銅材被無(wú)氧銅及銅銀合金材料逐步取代將是近期的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:無(wú)氧銅;電子銅;發(fā)展趨勢(shì);上引連鑄工藝

中圖分類(lèi)號(hào):TM205.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671- 8887(2006)01- 0010- 04

1.引言

銅及銅合金由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和良好的工藝性能,耐腐蝕,易加工,焊接性好及相對(duì)低廉的價(jià)格,在電線(xiàn)電纜、電氣觸點(diǎn)和電子元器件制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。為了滿(mǎn)足電子工業(yè)發(fā)展的需求,近年來(lái)新型銅及銅合金材料如無(wú)氧銅及銅銀合金電接觸材料、銅鐵合金引線(xiàn)框架材料以及單晶銅材料等的研制開(kāi)發(fā)、工藝技術(shù)的改進(jìn)和產(chǎn)品推廣應(yīng)用取得了顯著的進(jìn)步。本文介紹了無(wú)氧銅的制備方法并對(duì)電子銅的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了論述。

2.上引法生產(chǎn)無(wú)氧銅的冶金原理及工藝特點(diǎn)

上引法生產(chǎn)無(wú)氧銅坯料(板坯、管坯和線(xiàn)坯)是國(guó)際20世紀(jì)80年代日趨成熟的工藝技術(shù)。上引連鑄的工藝過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是向上的連續(xù)鑄造過(guò)程。在工頻或中頻爐內(nèi)熔化和精煉(主要是脫氧和除氣)后的銅液經(jīng)過(guò)橋進(jìn)入保溫爐,通過(guò)插入銅液的結(jié)晶器內(nèi)的石墨模(圖1),在籽晶桿的牽引帶動(dòng)下,隨著熱量的導(dǎo)出而凝固結(jié)晶,成形的板坯和線(xiàn)坯經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、收卷機(jī)構(gòu)***后成卷。單卷重量根據(jù)后工序的設(shè)備能力隨意用等離子切割機(jī)進(jìn)行剪切,生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。質(zhì)量檢驗(yàn)每班一次,包括雜質(zhì)分析、氧含量測(cè)定、坯料尺寸精度和外觀(guān)質(zhì)量等。工藝參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)根據(jù)生產(chǎn)情況由工藝人員調(diào)整,不合格的坯料由于較為純凈可以回爐重熔,合格坯料轉(zhuǎn)入后工序加工。用于制備無(wú)氧銅的原料為優(yōu)質(zhì)電解銅,原材料需經(jīng)嚴(yán)格的表面處理。銅液的溫度、牽引速度、結(jié)晶器水冷效果是影響鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵工藝因素。

銅液在保溫爐中的溫度對(duì)鑄坯質(zhì)量影響較大,溫度過(guò)高會(huì)使晶粒粗化,含氧量上升,對(duì)石墨模的使用壽命帶來(lái)不利影響;溫度過(guò)低,銅液流動(dòng)性差,易出現(xiàn)冷隔和裂紋以及疏松和斷坯等。實(shí)驗(yàn)表明,銅液溫度控制在(1150± 5)℃是***佳的生產(chǎn)溫度。銅液在熔化和精煉過(guò)程中,自始至終處于木炭和鱗片狀石墨的覆蓋之下。木炭入爐前需進(jìn)行烘烤,水含量< 8%,粒度為 30～ 50mm。在精煉過(guò)程中發(fā)生如下反應(yīng): 4Cu+ O2※2Cu2O, 2Cu2O+C※4Cu+ CO2←,***終達(dá)到脫氧的目的。銅液進(jìn)入結(jié)晶器石墨模中,熱量主要通過(guò)石墨模※結(jié)晶器※循環(huán)冷卻水向外散發(fā)。凝固過(guò)程的固液界面見(jiàn)圖2。在銅液凝固過(guò)程中,冷卻速度越快,柱狀晶越細(xì)小,組織越致密,因此,快速凝固是獲得細(xì)化的結(jié)晶組織,改善偏析狀況,從而獲得質(zhì)量較好鑄坯的重要方法。實(shí)踐表明,在設(shè)備條件允許的情況下,通常將結(jié)晶器進(jìn)出水溫差由12℃減小到7℃左右,可以使鑄坯粗大的柱狀晶得到明顯改善。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在銅液凝固過(guò)程中,若牽引速度過(guò)慢,不僅影響產(chǎn)量,而且無(wú)助于改善鑄坯質(zhì)量;而過(guò)快的牽引速度則會(huì)出現(xiàn)縮孔和斷坯。一般引桿速度為1180～ 1200mm/min,引板速度為80～ 100mm/min,節(jié)距為3～ 4mm,可以獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的鑄坯。此外,生產(chǎn)車(chē)間的環(huán)境條件如溫度、濕度以及天氣狀況等都會(huì)給無(wú)氧銅生產(chǎn)帶來(lái)影響,必須通過(guò)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.無(wú)氧銅及銅銀合金的主要技術(shù)特性

無(wú)氧銅及銅銀合金線(xiàn)、帶材廣泛用于制造各種開(kāi)關(guān)、繼電器、連接器等電子元器件及家用電器、電動(dòng)工具、汽車(chē)、摩托車(chē)配套電機(jī)的換向器等。無(wú)氧銅及銅銀合金產(chǎn)品的牌號(hào)、化學(xué)成分和機(jī)械性能見(jiàn)表1。無(wú)氧銅及銅銀合金的主要性能特點(diǎn)是:①導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好,電阻率ρ20℃≤ 0.017593Ψ mm2/m,相對(duì)導(dǎo)電度≥ 98%;②可以提供T、Y、Y2、M各種狀態(tài)的產(chǎn)品;③材料含氧量低,含氧量≤ 0.02× 10- 3,具有良好的抗氧化、耐腐蝕性能;④成形工藝性好,在進(jìn)行復(fù)雜元器件的加工時(shí),不出現(xiàn)開(kāi)裂、起皮和扭曲變形等缺陷;⑤強(qiáng)度高,塑性好,有助于提高元器件的耐磨性和使用壽命。

4.電子銅的發(fā)展趨勢(shì)

電子銅是制造電子元器件的基礎(chǔ)材料。隨著電子元器件制造業(yè)的發(fā)展,對(duì)電子銅材料的尺寸精度和表面質(zhì)量提出了更新更高的要求,尤其是要求在不致給銅的本質(zhì)特性(優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性等)帶來(lái)較大影響的情況下,努力改善其機(jī)械性能將是銅合金的發(fā)展趨勢(shì)。

4.1銅銀合金

無(wú)氧銅中摻入少量銀,通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?可以使銅得到強(qiáng)化,而對(duì)其導(dǎo)電導(dǎo)熱性不會(huì)造成太大的影響。目前這種材料主要用于微型電機(jī)的換向器和牽引機(jī)車(chē)的接觸線(xiàn)等。它不僅保持了無(wú)氧銅的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性及良好的工藝性能,而且強(qiáng)度和耐磨性有了明顯提高。

4.2銅鐵合金

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,集成電路(IC)封裝用引線(xiàn)框架材料已經(jīng)成為電子合金材料的一大系列,主要有銅合金和鐵鎳合金兩大類(lèi)。由于銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能,隨著低合金強(qiáng)化工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步和高密度封裝技術(shù)要求的提高,銅合金引線(xiàn)框架材料已經(jīng)在90%的范圍內(nèi)取代了鐵鎳合金。其中,銅稀鐵合金就是一種固溶強(qiáng)化型的引線(xiàn)框架材料系列。據(jù)調(diào)查,目前我國(guó)每年IC封裝用引線(xiàn)框架材料的用量均在2000t以上,由于國(guó)內(nèi)銅基引線(xiàn)框架材料還處于研制階段,尚未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),因此目前基本依賴(lài)進(jìn)口。表2、表3分別是常用IC封裝引線(xiàn)框架材料的化學(xué)成分和主要性能指標(biāo)。

C引線(xiàn)框架材料的尺寸精度要求特別嚴(yán)格,普通的金屬材料生產(chǎn)設(shè)備無(wú)法達(dá)到,必須采用高精度的全套加工設(shè)備才能滿(mǎn)足。其主要尺寸精度指標(biāo)為:厚度公差:產(chǎn)品厚度0.25～ 0.45mm時(shí),± 0.01mm;寬度公差:產(chǎn)品寬度≤ 100mm時(shí),± 0.05mm;側(cè)向彎曲:產(chǎn)品寬度< 60mm時(shí),≤ 1mm;寬度≥ 60mm時(shí),≤ 1.5mm/m;橫向彎曲:產(chǎn)品寬度< 43mm時(shí),≤ 0.1mm/m;寬度≥ 43～ 60mm時(shí),≤ 0.15mm/m;撓曲度:≤ 10°/m;卷狀彎曲:≤ 1.5mm/200mm;毛刺:< 0.01mm。

4.3單晶銅

單晶銅的熱型連鑄工藝技術(shù)是日本大野篤美教授發(fā)明的,又稱(chēng)為Ohno Continuous Casting,簡(jiǎn)稱(chēng)OCC法。由于鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)實(shí)現(xiàn)單向凝固,并且由牽引機(jī)械不斷引出,可以進(jìn)行連鑄生產(chǎn),因此為規(guī)模化生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。定向凝固裝置的示意圖見(jiàn)圖

單晶銅的特點(diǎn)是:①無(wú)晶界或少晶界。由于鑄坯實(shí)現(xiàn)了單向凝固,整個(gè)斷面由一個(gè)或幾個(gè)軸向排列的平行晶體構(gòu)成,即所謂單晶或單向結(jié)晶組織。顯微組織特征是無(wú)晶界或少晶界; ②由于單晶體的結(jié)構(gòu)比較完備,基本消除了縮孔、疏松、氣孔、夾雜等缺陷;③鑄坯表面光潔、無(wú)裂紋,為后工序加工帶來(lái)方便; ④經(jīng)過(guò)加工成材的單晶銅電阻率ρ20℃≤0.01690Ψ mm2/m,相對(duì)導(dǎo)電度≥ 102%;⑤抗拉強(qiáng)度為140～ 250MPa,延伸率為28%～ 75%;⑥氧含量≤ 1× 10- 5,氫含量≤ 1× 10- 6。在國(guó)外,尤其在日本單晶銅已得到廣泛應(yīng)用。由普通銅材(T1,T2)到無(wú)氧銅(TU1,TU2)再到單晶銅(TG1,TG2,PuRe,Copper OCC),說(shuō)明了電子銅材料的發(fā)展趨勢(shì)。這不僅代表著電子功能材料的技術(shù)進(jìn)步狀況,而且也是隨著電子元器件工業(yè)發(fā)展對(duì)所需電子材料的技術(shù)要求越來(lái)越高的必然結(jié)果。

單晶銅的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?/span>:

(1)音像設(shè)備。由于單晶銅無(wú)晶界或少晶界,信號(hào)的傳輸不受晶界的反射、折射等現(xiàn)象的影響,減少了信號(hào)的變形、失真、衰減等,顯著改善了音像質(zhì)量。

(2)通信設(shè)備用元器件和傳輸系統(tǒng)。采用單晶銅制造相關(guān)元器件和傳輸線(xiàn)路,從根本上改善了傳輸效果。

(3)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及外圍設(shè)備。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)必須傳輸***數(shù)字信號(hào),用普通銅材甚至無(wú)氧銅來(lái)制作相關(guān)元器件和傳輸線(xiàn)路,其強(qiáng)烈的集膚效應(yīng)和晶界損耗都會(huì)造成信號(hào)衰減和失真,因此必須用單晶銅才能獲得完善的傳輸效果。

(4)集成電路引線(xiàn)。要求使用0.05～ 0.019mm微細(xì)銅線(xiàn)制作,只有單晶銅才能進(jìn)行這種微細(xì)線(xiàn)的加工,并可逐步取代金線(xiàn)以降低制造成本。

(5)電子元器件的制造。隨著電子工業(yè)的發(fā)展,對(duì)各種開(kāi)關(guān)、繼電器、連接器、揚(yáng)聲器、蜂鳴器、中周、微型變壓器等電子元器件的高性能、微型化、輕量化的要求愈來(lái)愈高,在此領(lǐng)域用單晶銅替代普通銅材甚至無(wú)氧銅是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng)  作者：于朝清