一种高功率器件用高强高导铜铬合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高功率器件用高强高导铜铬合金及其制备方法 (High-strength high-conductivity copper-chromium alloy for high-power device and preparation method thereof ) 是由 晏弘 王铭 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高功率器件用高强高导铜铬合金,所述合金所含元素及各元素的重量百分数为：Cr 0.2-1％,Mg 0.01-0.1％,Al 0.01-0.1％,Ag 0.01-0.1％,余量为铜和不可避免的杂质。所述高强高导铜合金的制备方法包括如下步骤：(1)称取原材料；(2)真空熔炼形成铜铬合金熔体；(3)浇铸成扁锭；(4)冷轧成板材；(5)时效处理。本发明铜铬合金具有强度高、导电性好、导热性好的特点,该铜铬合金主要用于集成电路,特别是超大规模集成电路框架、高功率电子器件以及多种电子产品的接插件。(The invention discloses a high-strength high-conductivity copper-chromium alloy for a high-power device, which comprises the following elements in percentage by weight: 0.2 to 1 percent of Cr, 0.01 to 0.1 percent of Mg, 0.01 to 0.1 percent of Al, 0.01 to 0.1 percent of Ag, and the balance of copper and inevitable impurities. The preparation method of the high-strength and high-conductivity copper alloy comprises the following steps: (1) weighing raw materials; (2) vacuum smelting to form a copper-chromium alloy melt; (3) casting into a flat ingot; (4) cold rolling into a plate; (5) and (5) aging treatment. The copper-chromium alloy has the characteristics of high strength, good electrical conductivity and good thermal conductivity, and is mainly used for integrated circuits, in particular very large scale integrated circuit frames, high-power electronic devices and connectors of various electronic products.)
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其是涉及一种高功率器件用高强高导铜铬合金及其制备方法。
背景技术
国内外用于集成电路和半导体的引线框架材料分为铁镍合金(Fe42Ni)和铜合金两大类。铁镍合金的强度和软化温度较高，但电导率和热导率较低，主要用于陶瓷和玻璃封装。铜合金由于优良的导电性和低廉的价格，进入二十一世纪以来，铜合金引线框架的消耗已占总量的90％。
对引线框架，电子设备的端子，连接件等所使用的铜合金，除了要求具备高强度和高导电性外，更由于端子及连接器上引线数量的增加，小节距化的进展较快，要求电子部件具有高密度组装性和高可靠性。因此对电子器件所使用的材料也提出了加工性优良的要求。
在这些合金中，铜时效硬化型合金是典型的代表性合金，其典型的工艺为：铸锭-热轧-固溶处理-冷轧-时效处理。由于此加工工艺较为复杂，直接影响了产品的性能。
为了提高产品的性能，不少专利提出添加不同微量元素的方法：为了细化铜合金的晶粒，进而起到同时提高铜合金强度和韧性的效果，加入了低于0.05％的Y。此外，Y的加入还促进了铜合金的抗氧化作用。为了提高铜合金的强度和导电性，有专利在铜合金冶炼过程中加入了0.05％的Zr，改善效果明显。此外，还有专利同时加入Co及Sn微量元素来综合提高铜合金的强度和电导率。这些微量元素的加入虽然在一定程度上改进了合金的性能，但由于没有改变合金的加工工艺，尚不足以使合金的性能有质的飞跃，无法在强度、导电性等方面都达到足够的程度。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种高功率器件用高强高导铜铬合金及其制备方法。本发明铜铬合金具有强度高、导电性好、导热性好的特点，该铜铬合金主要用于集成电路，特别是超大规模集成电路框架、高功率电子器件以及多种电子产品的接插件。
本发明的技术方案如下：
一种高功率器件用高强高导铜铬合金，所述合金所含元素及各元素的重量百分数为：Cr 0.2-1％，Mg 0.01-0.1％，Al 0.01-0.1％，Ag 0.01-0.1％，余量为铜和不可避免的杂质。
高纯铬金属块提供Cr元素；高纯镁金属块提供Mg元素；电解铝提供Al元素；高纯银金属块提供Ag元素；TU2无氧铜提供剩余的铜元素。
一种所述高强高导铜合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)原料：称取原材料，所述原材料中含有的化学成分及其重量百分比为：Cr 0.2-1％，Mg 0.01-0.1％，Al 0.01-0.1％，Ag 0.01-0.1％，余量为铜和不可避免的杂质；
(2)真空熔炼：将步骤(1)中称取的原材料放入真空感应炉中，在真空度为6.0-3.0×10-2Pa，温度为1200-1500℃条件下保温20-30分钟，使原料完全熔融，真空熔炼，形成铜铬合金熔体；
(3)浇铸：将步骤(2)中获得的铜铬合金熔体浇注成扁锭，并快速水冷却到室温，以达到固溶处理的目的；
(4)冷轧：将步骤(3)中获得的扁锭冷轧成厚度为0.2-0.4mm的板材；
(5)时效处理：将步骤(4)中获得的板材在350-450℃的温度下时效处理5-15小时，获得所述铜铬合金。
本发明有益的技术效果在于：
本发明在Cu基体中加入微量的Cr元素。Cr原子倾向于进入Cu的晶格中引起一定的晶格畸变，产生固溶强化的效果，这将显著提高Cu合金的强度，同时并不会较大损失合金的韧性。
本发明在Cu合金中加入Mg元素和Ag元素。Mg元素可以除去合金中的氧，使缺陷下降、对降低冶炼真空度条件也有促进作用，另外，还可以提高导电率。Mg元素在防止软化、提高强度方面也有作用。Ag元素主要的作用也是提高Cu合金的导电性。
本发明在Cu合金中加入Al元素。几种合金化元素共同作用，使合金其具有高的强度和良好的导电性、导热性。
本发明合金组分合理，成本较低，制备获得的铜铬合金具有强度高、导电性好、导热性好等优点，铜铬合金可用于集成电路及高功率器件，尤其是大规模和超大规模集成电路框架以及多种高功率电子器件和电子产品的接插件。本发明铜铬合金的制备原料降低了贵金属银和铬的含量，使成本下降，但提高了导热、导电和强度，制备方法排除了热轧工序，使加工工序更为简单，成本进一步降低。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1
一种铜铬合金，按重量百分比计，包括的化学成分如下：Cr(铬)0.2％、Mg(镁)0.03％、Al(铝)0.03％、Ag(银)0.01％，余量为铜和不可避免的杂质。
所述铜铬合金的制备方法包括如下步骤：
(1)原料：根据上述的各化学成分的重量百分比，经计算，称取相应重量的高纯铬金属块，高纯镁金属块，电解铝，高纯银金属块，TU2无氧铜；
(2)熔炼：将称取的高纯铬金属块，高纯镁金属块，电解铝，高纯银金属块，TU2无氧铜加入真空感应炉中，调节感应炉的真空度至6.0×10-2Pa，然后加热至1250℃下保温25分钟，使原料完全熔融，形成合金熔体；
(3)浇注：将步骤(2)获得的合金熔体浇铸在铸膜内，快速水冷却到室温，以达到固溶处理的目的，获得厚度为40mm，宽度为105mm铸锭；
(4)冷轧：将步骤(3)获得的铸锭冷轧成厚度为0.3mm的板材；
(5)时效处理：将冷轧后的板材在400℃下时效处理12小时，获得最终的铜铬合金。性能测试结果如表1所示。
实施例2
一种铜铬合金，按重量百分比计，包括的化学成分如下：Cr(铬)0.4％、Mg(镁)0.06％、Al(铝)0.06％、Ag(银)0.01％，余量为铜和不可避免的杂质。
所述铜铬合金的制备方法包括如下步骤：
(1)原料：根据上述的各化学成分的重量百分比，经计算，称取相应重量的高纯铬金属块，高纯镁金属块，电解铝，高纯银金属块，TU2无氧铜；
(2)熔炼：将称取的高纯铬金属块，高纯镁金属块，电解铝，高纯银金属块，TU2无氧铜加入感应炉中，调节感应炉的真空度至4.0×10-2Pa，然后加热至1250℃下保温30分钟，使原料完全熔融，形成合金熔体；
(3)浇注：将步骤(2)获得的合金熔体浇铸在铸膜内，快速水冷却到室温，以达到固溶处理的目的，获得厚度为40mm，宽度为105mm铸锭；
(4)冷轧：将步骤(3)获得的铸锭冷轧成厚度为0.4mm的板材；
(5)时效处理：将冷轧后的板材在420℃下时效处理10小时，获得最终的铜铬合金。性能测试结果如表1所示。
实施例3
一种铜铬合金，按重量百分比计，包括的化学成分如下：Cr(铬)0.5％、Mg(镁)0.06％、Al(铝)0.06％、Ag(银)0.03％，余量为铜和不可避免的杂质。
所述铜铬合金的制备方法包括如下步骤：
(1)根据上述的各化学成分的重量百分比，经计算，称取相应重量的高纯铬金属块，高纯镁金属块，电解铝，高纯银金属块，TU2无氧铜；
(2)熔炼：将称取的高纯铬金属块，高纯镁金属块，电解铝，高纯银金属块，TU2无氧铜加入感应炉中，调节感应炉的真空度至3.0×10-2Pa，然后加热至1250℃下保温25分钟，使原料完全熔融，形成合金熔体；
(3)浇注：将步骤(2)获得的合金熔体浇铸在铸膜内，快速冷却(水冷)到室温，以达到固溶处理的目的，获得厚度为40mm，宽度为105mm铸锭；
(4)冷轧：将步骤(3)获得的铸锭冷轧成厚度为0.2mm的板材；
(5)时效处理：将冷轧后的板材在450℃下时效处理10小时，获得最终的铜铬合金。性能测试结果如表1所示。
采用CN1769507-一种高强度高导电铜合金，作为对比例，性能对比如表1所示。
表1
由表1可以看出，本发明申请：1、降低了Ag含量，用Mg和Al代替，降低了原料成本，降低了氧缺陷，并可以使用低冶炼的真空度条件；2、提高了延伸率，得到塑性韧性更为优良的合金；3、强度维持基本一致，但导电率有所提高；4、有较好的导热系数。5、使用高纯金属原料，使性能提升。因此，本发明合金特别适用于高功率器件。