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)展和對材料性能要求的不斷提高,目前大量使用的普通銅材被無氧銅及銅銀合金材料逐步取代將是近期的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:無氧銅;電子銅;發(fā)展趨勢;上引連鑄工藝

中圖分類號:TM205.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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,焊接性好及相對低廉的價格,在電線電纜、電氣觸點和電子元器件制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。為了滿足電子工業(yè)發(fā)展的需求,近年來新型銅及銅合金材料如無氧銅及銅銀合金電接觸材料、銅鐵合金引線框架材料以及單晶銅材料等的研制開發(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。本文介紹了無氧銅的制備方法并對電子銅的發(fā)展趨勢進(jìn)行了論述。

2.上引法生產(chǎn)無氧銅的冶金原理及工藝特點

上引法生產(chǎn)無氧銅坯料(板坯、管坯和線坯)是國際20世紀(jì)80年代日趨成熟的工藝技術(shù)。上引連鑄的工藝過程實質(zhì)上就是向上的連續(xù)鑄造過程。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)過橋進(jìn)入保溫爐,通過插入銅液的結(jié)晶器內(nèi)的石墨模(圖1),在籽晶桿的牽引帶動下,隨著熱量的導(dǎo)出而凝固結(jié)晶,成形的板坯和線坯經(jīng)傳動機(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)過程連續(xù)進(jìn)行。質(zhì)量檢驗每班一次,包括雜質(zhì)分析、氧含量測定、坯料尺寸精度和外觀質(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鑄坯質(zhì)量影響較大,溫度過高會使晶粒粗化,含氧量上升,對石墨模的使用壽命帶來不利影響;溫度過低,銅液流動性差,易出現(xiàn)冷隔和裂紋以及疏松和斷坯等。實驗表明,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,熱量主要通過石墨模※結(jié)晶器※循環(huán)冷卻水向外散發(fā)。凝固過程的固液界面見圖2。在銅液凝固過程中,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。

實驗發(fā)現(xiàn),在銅液凝固過程中,若牽引速度過慢,不僅影響產(chǎn)量,而且無助于改善鑄坯質(zhì)量;而過快的牽引速度則會出現(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)量優(yōu)良的鑄坯。此外,生產(chǎn)車間的環(huán)境條件如溫度、濕度以及天氣狀況等都會給無氧銅生產(chǎn)帶來影響,必須通過工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.無氧銅及銅銀合金的主要技術(shù)特性

無氧銅及銅銀合金線、帶材廣泛用于制造各種開關(guān)、繼電器、連接器等電子元器件及家用電器、電動工具、汽車、摩托車配套電機(jī)的換向器等。無氧銅及銅銀合金產(chǎn)品的牌號、化學(xué)成分和機(jī)械性能見表1。無氧銅及銅銀合金的主要性能特點是:①導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好,電阻率ρ20℃≤ 0.017593Ψ mm2/m,相對導(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,不出現(xiàn)開裂、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

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。

4.1銅銀合金

無氧銅中摻入少量銀,通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?可以使銅得到強(qiáng)化,而對其導(dǎo)電導(dǎo)熱性不會造成太大的影響。目前這種材料主要用于微型電機(jī)的換向器和牽引機(jī)車的接觸線等。它不僅保持了無氧銅的導(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。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)化型的引線框架材料系列。據(jù)調(diào)查,目前我國每年IC封裝用引線框架材料的用量均在2000t以上,由于國內(nèi)銅基引線框架材料還處于研制階段,尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn),因此目前基本依賴進(jìn)口。表2、表3分別是常用IC封裝引線框架材料的化學(xué)成分和主要性能指標(biāo)。

C引線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)備無法達(dá)到,必須采用高精度的全套加工設(shè)備才能滿足。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,± 0.01mm;寬度公差:產(chǎn)品寬度≤ 100mm時,± 0.05mm;側(cè)向彎曲:產(chǎn)品寬度< 60mm時,≤ 1mm;寬度≥ 60mm時,≤ 1.5mm/m;橫向彎曲:產(chǎn)品寬度< 43mm時,≤ 0.1mm/m;寬度≥ 43～ 60mm時,≤ 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,又稱為Ohno Continuous Casting,簡稱OCC法。由于鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)實現(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)?；a(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。定向凝固裝置的示意圖見圖

單晶銅的特點是:①無晶界或少晶界。由于鑄坯實現(xiàn)了單向凝固,整個斷面由一個或幾個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、無裂紋,為后工序加工帶來方便; ④經(jīng)過加工成材的單晶銅電阻率ρ20℃≤0.01690Ψ mm2/m,相對導(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)到無氧銅(TU1,TU2)再到單晶銅(TG1,TG2,PuRe,Copper OCC),說明了電子銅材料的發(fā)展趨勢。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)展對所需電子材料的技術(shù)要求越來越高的必然結(jié)果。

單晶銅的主要應(yīng)用領(lǐng)域為:

(1)音像設(shè)備。由于單晶銅無晶界或少晶界,信號的傳輸不受晶界的反射、折射等現(xiàn)象的影響,減少了信號的變形、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)元器件和傳輸線路,從根本上改善了傳輸效果。

(3)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及外圍設(shè)備。由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)必須傳輸***數(shù)字信號,用普通銅材甚至無氧銅來制作相關(guān)元器件和傳輸線路,其強(qiáng)烈的集膚效應(yīng)和晶界損耗都會造成信號衰減和失真,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。要求使用0.05～ 0.019mm微細(xì)銅線制作,只有單晶銅才能進(jìn)行這種微細(xì)線的加工,并可逐步取代金線以降低制造成本。

(5)電子元器件的制造。隨著電子工業(yè)的發(fā)展,對各種開關(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、輕量化的要求愈來愈高,在此領(lǐng)域用單晶銅替代普通銅材甚至無氧銅是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

來源：中國知網(wǎng)  作者：于朝清

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