KR840001426B1 - 전기전자 부품용 동합금 및 동합금판의 제조방법 - Google Patents

전기전자 부품용 동합금 및 동합금판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

전기전자 부품용 동합금 및 동합금판의 제조방법
제1도는 본 발명과 일반 동합금의 소둔 온도 및 시간에 따른 변화상태도.
제2도는 본 발명의 다른 실시예와 일반 동합금의 소둔 온도 및 시간에 따른 변화상태도.
본 발명은 고강도, 고전기전도도를 가지는 전기, 전자부품용 동합금 및 동합금판의 제조방법에 관한 것이다.
동은 주지된 바와 같이 우수한 전기전도체로서 고대로부터 널리 사용되고 있는 것이다.
그러나 동은 강도를 유지하는 부품으로서는 적합하지 않은 단점이 있으므로 미국, 일본등 선진각국에서는 동에 합금원소를 첨가하여 강도를 유지시키는 연구가 많이 행하여져 왔던 것이다.
그러나 동은 합금원소를 첨가할 경우 강도가 순동의 경우보다는 높아질 수 있으나 전기전도도는 순동의 경우보다 크게 떨어지므로 트랜지스터, 직접회로등의 리드 프레임(Lead Frame)이나. 전기부속품등 고강도 고전기 전도도를 요구하는 소개로 이용하기에는 적합치 못한 것이다.
이와 같은 문제로 세계 각국에서는 다각적으로 고강도, 고전도도를 동시에 나타낼수 있는 제품 개발을 위해 연구개발 하고 있는 것을 알 수 있으며, 현재까지 알려진 대표적인 고강도, 고전도도의 개발제품으로 미국 OLIN사에서 개발한 “OLIN 194”와 일본 NIPPON BELL PARTS사에서 개발한 “NB105”가 있다.
“OLIN 194”의 경우 그 기본합금 조성은 Fe가 1.5-3.5%, P가 0.01-0.5%, Zn이 0.01-0.5%이고, 나머지는 Cu가 되며, 강도는 37-44㎏/㎜2이고, 전기 전도도는 60%연신율은 6%이상을 나타내고 있으며, “NB 105”의 경우 Ni이 0.5-3.0%, Sn이 0.3-0.9%, P는 0.01-0.5%이며 나머지는 Cu가 되며, 강도는 38-45㎏/㎜2연신율 5-10%, 전기 전도도는 50% 이상을 나타내고 있는 것을 알 수 있다.
그러나 상기의 소재들은 각기 문제점을 내포하고 있는 바, “OLIN 194”의 경우 다량의 Fe가 함유됨으로 인하여 열간 가공시모서리 균열(Corner crack)등 취성을 나타내고 냉간 압연시 높은 압하율을 주는데 문제가 있다.
또한 “NB 105”의 경우 고가의 원소를 첨가함으로써 강도의 증가는 있으나 원가상승의 요인이 되며 첨가원소의 양이 많으므로 전기전도도는 많이 떨어지는 현상을 알 수 있는 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 상기 제품보다 물성치가 더 우수한 즉, 강도와 연신율 및 전기 전도도가 보다 우수하면서도 작업성이 좋으며 경제적인 동합금을 개발하는데 있다.
또한 일반적으로 합금 원소의 첨가량이 적을수록 전기 전도도는 좋아지지만 강도를 증대시키기가 매우 어려운 것이 통례이나 본 발명 소재지는 적은 합금 원소첨가에 의해서도 전기 전도도는 물론 높은 강도를 유지시켜야 하는 점을 감안하여, 이외에도 제조 공정상 어려움 없이 공업적으로 쉽게 활용할 수 있는 함금을 개발하여 손쉽게 구할 수 있고 저가인 첨가원소를 이용함으로써 매우 경제적이고 성능이 우수한 합금을 개발함함이 본 발명의 목적이 된다.
합금의 강도를 증가시키는 방법에는 고용경화, 석출경화, 가공경화등의 방법이 있지만 고용경화 및 가공경화는 전기 전도도를 해치는데 비하여 석출경화는 강도를 증가시키면서도 전기 전도도를 감소시키지 않음으로 석출 경화형 합금을 개발함이 바람직하다.
본 발명은 동에 Ni,Si 및 P를 첨가하는 방법과 동에 Ni,Si,P 및 Fe를 첨가하는 방법으로 이 두가지 방법 모두 첨가성분의 석출경화 현상을 이용하여 요구되는 모든 물성치를 만족시키는데 있다.
본 발명품에서 형성되는 석출물은 금속학적으로 고찰하면 Ni과 Si가 결합하여 Ni2Si가 Ni과 P가 결합하여 Ni3P와 Ni5P2가, Fe와 P가 결합하여 Fe3P 등이 형성된다.
특히, 이중에서 Ni2Si와 Fe3P는 강도를 증가시키고 전기 전도도를 증가시키는데 결정적인 역할을 한다.
Ni-P계 석출물은 전기전도도의 증가에 일부 영향을 미치고 있다.
본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서의 기본 합금의 조성은,
첫째, Ni이 0.05-3.0%, Si가 0.01-1.0%, P가 0.01-0.1%이고, 나머지는 Cu가 되며,
둘째는, Ni이 0.05-3.0%, Si가 0.01-1.0%,P가 0.01-0.1%, Fe가 0.01-3.0%이고 나머지는 Cu가 된다.
본 발명에서의 대표적인 합금의 조성은,
첫째, Ni이 1%, Si가 0.2%, P가 0.03%이고, 나머지는 Cu가 되며,
둘째는 Ni이 0.5%, Si가 0.1%, P가 0.03%, Fe가 0.7%이고, 나머지는 Cu가 된다.
본 발명에서의 기본합금 조성의 범위는 Ni,Si,P,Fe에 의해 형성되는 석출물의 형태에 따라서 결정되며 이러한 석출물을 형성시키기 위한 대표적인 조성을 Cu-1.0Ni-0.2Si-0.03P와 Cu-0.5Ni-0.1Si-0.03P-0.7Fe로 설정하였으며, 위 조성에 있어서 Ni,Si,P,Fe의 조성을 무게비를 유지하면서 증가시켰을 경우 강도는 증가하나 전기 전도도는 감소하며, 또한 위조성을 감소시켰을 경우 강도는 감소하나 전기전도도는 증가한다.
반면에 그 이상으로 무게 퍼센트를 증가시키는 것은 경제적 및 여타의 측면으로 볼 때 큰 의미가 없다.
따라서 가장 이상적인 합금의 조성은 Ni이 0.05-3.0%, Si가 0.01-1.0%, P가 0.01-0.1%, Fe가 0.01-3.0%이며, Ni이나 Fe의 경우 3.0%를 초과할 경우 첨가량의 과잉으로 재질 내부에 고용상태로 존재함으로써 전기 전도도를 크게 해친다.
그러나 과잉의 Ni이나 Fe는 Si나 P에 비하여 전기 전도도의 감소량은 비교적 적다.
반면에 Si나 P의 경우 과잉의 Si나 P는 전기 전도도를 크게 해침으로 Si의 경우 1.0%, P의 경우 0.1%를 초과시에는 현처한 전기 전도도의 감소를 가져온다.
한편, Ni,Si,P,Fe의 경우 각각 0.05%,0.01%,0.01%,0.01% 미만일 경우 전기 전도도는 일반적으로 향상되나 석출물의 형성 저하와 강도의 감소를 가져옴으로써 요구되는 물성치를 만족하기 어렵다.
또한 Cu,Ni,Si,P로 이루어진 합금에서는 Ni2Si가 석출되어 증가가 이루어지나 여기에 Fe를 첨가시킨 Cu,Ni,Si,P,Fe 합금은 Fe3P가 석출되어, 전기 전도도를 감소시키지 않고 동일한 강도를 얻는데 , Ni2Si 석출물의 양을 감소시킬 수 있어 합금원소의 증가에 따른 작업의 난이도는 증가하나 고가의 Ni과 Si의 양을 줄일 수 있다는 경제적인 잇점이 있다.
그러므로 본 발명에서의 기본 합금 조성은 강도와 전기 전도도를 적정선으로 유지, 향상시키면서 가장 경제적인 측면을 고려하여 설정하였다.
1)용해방법은 Cu 지금을 먼저 장입하여 완전 용해시킨후 온도를 승온하여 약 1300-1400℃에서 Ni지금 (또는 Ni 및 Fe지금)을 투입하고 P로 탈산시킨후에 이를 Cu박(箔)(foil)에 싸서 투입 용해한후 온도를 내려서 주조하여 주괴를 만들었다.
2)열간가공은 750-950℃에서 시행하여 용체화처리와 두께 감소를 도모하여 이때의 열간 가공은 열간압연이다.
열간 가공시 석출되는 석출물은 전체 설출량의 65%를 차지함으로 이러한 석출물의 형성시 미치는 온도의 영향은 상당히 중요하다.
이때 가장 적정한 온도는 750-950℃ 사이이며, 750℃ 미만에서는 석출물의 형성이 저하되며 950℃ 이상에서도 동일한 현상으로 나타났다.
3) 열간 가공후에는 급냉을 실시하였다.
열간 가공후의 급냉이라고 함은 상온의 냉각수를 살포(SPRAY) 해주는 것과 공기중에서 자연 냉각시키는 공냉이 조합된 것을 말한다.
4) 1차 냉간 가공은 압하율 60-80%로 압연한후 시효처리와 재결정을 위하여 400-520℃에서 1-6시간 소둔을 행한후 실온으로 냉각을 시킨다.
5) 2차 냉간 가공을 압하율 50-70%로 압연한후 400-520℃로 1-6시간 소둔한후 상온 대기 중에서 실온으로 냉각시킨다.
냉간 가공의 가공률은 소둔 온도와 밀접한 관계를 가지고 있으며 1차 냉각 압연에서의 높은 가공율(60-80%)은 전체 조직상의 균질화와 소둔시의 석출물 형성으 촉진시키는데 결정적인 열활을 담당한다.
실제 냉간 가공에 의해 감소되는 전기전도도의 저하보다는 냉간 가공에 의한 소둔시석출물 형성 촉진에 따른 전기 전도도의 증가가 더 크다고 할 수 있으며, 동시에 강도와 경도의 향상을 도모하고 있다.
냉간 압연에 의하여 슬립밴드(Slip band)상에 치밀하게 분포되는 석출물의 양은 소둔 이전의 냉간가공의 양이 많을수록 더욱 커짐으로 1차 냉간 가공시 가공을 60-80%에서와 2차 냉간 가공시 가공을 50-70%에서의 걱정소둔 온도가 400-520℃이다.
소둔 온도가 520℃를 초과할 경우 강도에 직접적인 영향을 미치며 높은 온도에서는 오히려 전기전도가 감소하는 현상을 나타내고 있으며, 400℃ 미만에서는 높은 가공에 의한 석출물의 형성이 상당히 늦게 진행됨으로써 장시간 소둔을 행하여야 하므로 공업적인 경제성이 없다.
또한 3차 냉간 압연후의 소둔은, 저온 소둔으로 기본적인 물성치에서의 강도 및 전기전도도는 그대로 유지하므로서 연신율을 향상시키는데 그 목적이 있으므로 소둔 온도가 400℃를 초과할 경우 강도가 감소하여 250℃ 미만일 경우에는 연신율의 향상이 이루어지지 않는다.
이와 같이 냉간 가공율과 소둔 온도는 밀접한 관계를 가지고 있으며, 소둔 시간은 1-6시간이 경제적으로 가장 적정한 시간으로 1시간 미만일 경우 석출물의 형성이 불안정하며 소둔 시간이 6시간을 넘을 경우 오히려 전기전도도는 감소현상을 나타낸다.
또한 냉간압연 및 소둔 이후의 냉각은 공기중에서 지연냉각시키는 공냉을 의미하며 급격한 냉각인 켄칭(Quenching)을 하게 되면 석출물의 형성이 적어지며, 느린 냉각인 로냉(勞冷)을 하게 되면 석출물의 형성이 너무 많아 연신율이 저하되어 취약해지거나 생산속도의 지연으로 공업적인 경제성이 없게 된다.
또한 최종 냉간압연의 압하율을 적게 하여 미려한 가공품의 표면과 안정된 요구물 성취를 얻기 위해서 1) - 5)의 용해, 주조, 열간압연, 급냉, 1차 냉간 가공, 소둔 및 냉각, 2차 냉간 가공 소둔 및 냉각을 동일하게 실시하고,
7)3차, 냉간 가공을 압하율 30-50%로 하고 350-500℃에서 1-6시간 소둔한후 상온대기중에 노출시켜 실온으로 냉각시킨 뒤
8) 4차, 최종냉각 가공을 압하율 10-25%로 하고 250-400℃에서 1-6시간 소둔한 뒤 냉각시킨다. 3차 냉간압연후에 소둔 온도도 500℃를 초과할 경우 강도와 전기 전도도가 감소하며, 350℃ 미만에서는 석출물의 형성이 늦어 장시간 소둔을 하여야 하므로 공업적인 경제성이 없다.
또한 최종 소둔은, 저온 소둔으로 기본적인 물성치에서의 강도 및 전기 전도도는 그대로 유지하면서 연신율을 향상시키는데 그 목적이 있으므로 소둔 온도가 400℃를 초과할 경우 강도가 감소하며, 250℃ 미만일 경우에는 연신율의 향상이 이루어지지 않는다.
3차,4차 냉간압연후의 소둔 시간은 역시 1-6시간이 적정 시간이며 냉각방법도 앞에서와 같은 이유로 공냉이 가장 적당하다.
9) 이상의 제조공정에 의해 본 발명에 의한 소재는 전기 전도도가 IACS 60%이상이 되며 , 강도는 45-60㎏/㎜2이고, 연신율은 8% 정도를 나타냄으로써 반도체 등의 리드 프레임 소재로서는 아주 적합한 특성을 가지는 것임을 알 수 있는 것이다.
10) 본 발명품의 특징은 종래의 리드 프레임 소재들보다 고가의 합금 원소가 적게 함유됨으로써 제조 단가가 저렴하고 가공성이 좋으며 첨가되는 합금 원소의 양이 소량이 면서도 높은 강도와 높은 전기 전도도 및 높은 연신율을 유지함으로써 리드 프레임등 전기, 전자부품의 소재뿐만 아니라 가공성이 높은 굴곡 가공 재료와 기타 다른 특성에 맞는 다양한 용도로 사용할 수 있다는 것이다.
[실시예 1]
중주파 유도로를 사용하여 표1과 같이 합금을 용해 주조하였다.
용해는 고순도 동지금을 장입하여 용락후 목탄(charcoal)으로 피복한다.
1200℃ 정도에서 가열용해한 다음 온도를 1320℃정도로 올려서 Ni지금(또는 Ni 및 Fe 지금)을 장입하여 완전 용해한후 인으로 탈산처리한 후 금속 실리콘을 투입하고 용융후 온도를 내려서 주조하여 주괴를 만든다.
주괴(Ingot)를 750℃-950℃에서 열간 압연하여 두께치수를 7-9㎜로 맞추어서 급냉시킨다.
열간 압연된 소재를 압하율 70% 정도로 냉간 압연하여(2-2.5㎜)치수를 맞춘 다음 450℃-480℃ 정도로 2시간 소둔하여 공냉하고 다시 압하율 65% 정도로 냉간압연하여 (0.8㎜정도) 치수를 맞춘후 460℃-500℃ 정도에서 2시간 소둔한후 공냉한 뒤 최종 냉간 압연의 치수를 0.25㎜ 정도로 하여 250℃-400℃ 사이에서 2시간 저온 소둔을 하고 공냉을 실시하였다.
그 결과는 표2와 같으며 최종 저온 소둔온도 및 시간에 따른 재질의 변화는 제1도와 같으며, 도면중 합금(A)는 본 발명 동합금이고, 합금(B)는 일반 동합금이다.
[표 1]
Figure kpo00001
[표 2]
Figure kpo00002
[실시예 2]
중주파 유도로를 사용하여 표1과 같이 합금을 용해주조하였다.
용해는 고순도 동지금을 장입하여 용락후 목탄(charcoal)으로 피복한다.
1200℃정도에서 가열용해한 다음 1320℃로 온도를 올려서 Ni지금(또는 Ni 및 Fe지금)을 장입하여 완전 용해한후 인으로 탈산처리한후 온도를 내려서 1200℃정도에서 Cu박 (foil)에싼 Si 지금을 투입하고 완전 용융후 주조하여 주괴(Ingot)를 만든다.
주괴(Ingot)는 750°-950℃에서 열간 압연하여 두께치수를 6-7㎜로 맞추어서 급냉시킨다.
열간 압연한 소재를 압하율 70% 정도로 냉간 압연하여 (1.5-1.7㎜)치수를 맞춘 다음 470-520℃ 정도로 2시간 소둔하여 공냉하고, 다시 압하율 65% 정도로 냉간 압연하여 (0.6㎜정도) 치수를 맞춘후 470°-520℃ 정도에서 2시간 소둔한 후 공냉하고, 다시 압하율 45% 정도로 냉간 압연하여(0.33mm 정도) 치수를 맞춘후 350℃-450℃ 정도에서 2시간 소둔한 후 공냉하여 압하율 20% 정도로서 최종 냉간 치수를 10.254㎜로 하여 250°-350℃ 에서 2시간 저온 소둔한 후 공냉하였다.
그 결과는 표 3과 같으며, 최종 소둔온도 및 시간에 따른 재질변화는 제2도와 같다.
[표 3]
Figure kpo00003
[실시예 3]
중주파 유도로를 사용하여 표 4와 같이 합금을 용해주조하였다.
용해는 고순도 동지금을 장입하여 용락후 목탄(charcoal)으로 피복한다.
1200℃정도에서 가열 용해한 다음 1320℃로 온도를 올려서 Ni 지금(또는 Ni 및 Fe지금)을 장입하여 완전 용해한후 인으로 탄산처리후 온도를 내려서 1200℃정도에서 Cu박에 싼 Si 지금을 투입하고 완전 용융후 주조하여 주괴(Ingot)를 만든다.
주괴는 750-950℃에서 열간압연하여 두께 치수를 6-7㎜로 맞추어서 급냉시킨다.
열간 압연된 소재를 압하율 70%정도로 냉간 압연하여 (1.5-1.7㎜)치수를 맞춘 다음 470-520℃ 정도로 2시간 소둔하여 공냉하고 다시 압하율 65% 정도로 냉간압연하여 (0.6㎜정도)치수를 맞춘후 470-520℃정도에 2시간 소둔한후, 공냉하며, 압하율 20%정도로서 최종 냉간치수를 0.254㎜로 하여 250-350℃에서 2시간 정도 소둔한후 공냉하였다.
그 결과는 표 5와 같다.
[표 4]
Figure kpo00004
[표 5]
Figure kpo00005

Claims (3)

  1. Ni 0.05%-3.0%, Si 0.01-1.0%, P 0.01-0.1% 잔부는 Cu로된 합금, 또는 상기에 Fe 0.01-3.0%가 첨가된 전기 전자부품용 동합금.
  2. 본 발명의 조성물로된 동합금을 주조한 후, (1) 750-950℃에서 열간 압연, (2) 상온의 냉각수를 살포하여 급냉, (3) 압하율 60-80%로 1차 냉간 압연, (4) 400-520℃에서 1-6시간 소둔, (5) 상온 대기중에 노출시켜 실온으로 공냉, (6) 압하율 50-70%로 2차 냉간압연, (7) 400-520℃에서 1-6시간 소둔, (8) 상온 대기중에 노출시켜 실온으로 공냉, (9) 압하율 50-70%로 최종 냉간압연, (10) 250-400℃에서 1-6시간 저온소둔, (11) 상온 대기중에 노출시켜 실온으로 공냉함을 특징으로 하는 전기 전잠부품용 동합금판의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, (9)의 최종 냉간압연을 (1) 압하율 30-50%로 냉간압연, (2) 350-500℃에서 1-6시간 시간소둔, (3) 상온 대기중에 노출시켜 실온으로 공냉, (4) 압하율 10-25%로 냉각압연 함을 특징으로 하는 전기 전자부품용 동합금판의 제조방법.
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