摘要:铜因其具有优良的导电导热性能和良好的工艺性能,在电子元器件制造业中得到广泛应用。随着电子元器件工业的发展和对材料性能要求的不断提高,目前大量使用的普通铜材被无氧铜及铜银合金材料逐步取代将是近期的发展趋势。

关键词:无氧铜;电子铜;发展趋势;上引连铸工艺

  中图分类号:TM205.1文献标识码:A文章编号:1671- 8887(2006)01- 0010- 04

  1.引言

  铜及铜合金由于具有优良的导电导热性能和良好的工艺性能,耐腐蚀,易加工,焊接性好及相对低廉的价格,在电线电缆、电气触点和电子元器件制造业中得到广泛应用。为了满足电子工业发展的需求,近年来新型铜及铜合金材料如无氧铜及铜银合金电接触材料、铜铁合金引线框架材料以及单晶铜材料等的研制开发、工艺技术的改进和产品推广应用取得了显著的进步。本文介绍了无氧铜的制备方法并对电子铜的发展趋势进行了论述。

  2.上引法生产无氧铜的冶金原理及工艺特点

  上引法生产无氧铜坯料(板坯、管坯和线坯)是国际20世纪80年代日趋成熟的工艺技术。上引连铸的工艺过程实质上就是向上的连续铸造过程。在工频或中频炉内熔化和精炼(主要是脱氧和除气)后的铜液经过桥进入保温炉,通过插入铜液的结晶器内的石墨模(图1),在籽晶杆的牵引带动下,随着热量的导出而凝固结晶,成形的板坯和线坯经传动机构、收卷机构***后成卷。单卷重量根据后工序的设备能力随意用等离子切割机进行剪切,生产过程连续进行。质量检验每班一次,包括杂质分析、氧含量测定、坯料尺寸精度和外观质量等。工艺参数在规定范围内根据生产情况由工艺人员调整,不合格的坯料由于较为纯净可以回炉重熔,合格坯料转入后工序加工。用于制备无氧铜的原料为优质电解铜,原材料需经严格的表面处理。铜液的温度、牵引速度、结晶器水冷效果是影响铸坯质量的关键工艺因素。

  铜液在保温炉中的温度对铸坯质量影响较大,温度过高会使晶粒粗化,含氧量上升,对石墨模的使用寿命带来不利影响;温度过低,铜液流动性差,易出现冷隔和裂纹以及疏松和断坯等。实验表明,铜液温度控制在(1150± 5)℃是***佳的生产温度。铜液在熔化和精炼过程中,自始至终处于木炭和鳞片状石墨的覆盖之下。木炭入炉前需进行烘烤,水含量< 8%,粒度为 30～ 50mm。在精炼过程中发生如下反应: 4Cu+ O2※2Cu2O, 2Cu2O+C※4Cu+ CO2←,***终达到脱氧的目的。铜液进入结晶器石墨模中,热量主要通过石墨模※结晶器※循环冷却水向外散发。凝固过程的固液界面见图2。在铜液凝固过程中,冷却速度越快,柱状晶越细小,组织越致密,因此,快速凝固是获得细化的结晶组织,改善偏析状况,从而获得质量较好铸坯的重要方法。实践表明,在设备条件允许的情况下,通常将结晶器进出水温差由12℃减小到7℃左右,可以使铸坯粗大的柱状晶得到明显改善。

  实验发现,在铜液凝固过程中,若牵引速度过慢,不仅影响产量,而且无助于改善铸坯质量;而过快的牵引速度则会出现缩孔和断坯。一般引杆速度为1180～ 1200mm/min,引板速度为80～ 100mm/min,节距为3～ 4mm,可以获得质量优良的铸坯。此外,生产车间的环境条件如温度、湿度以及天气状况等都会给无氧铜生产带来影响,必须通过工艺参数进行调整。

  3.无氧铜及铜银合金的主要技术特性

  无氧铜及铜银合金线、带材广泛用于制造各种开关、继电器、连接器等电子元器件及家用电器、电动工具、汽车、摩托车配套电机的换向器等。无氧铜及铜银合金产品的牌号、化学成分和机械性能见表1。无氧铜及铜银合金的主要性能特点是:①导电、导热性好,电阻率ρ20℃≤ 0.017593Ψ mm2/m,相对导电度≥ 98%;②可以提供T、Y、Y2、M各种状态的产品;③材料含氧量低,含氧量≤ 0.02× 10- 3,具有良好的抗氧化、耐腐蚀性能;④成形工艺性好,在进行复杂元器件的加工时,不出现开裂、起皮和扭曲变形等缺陷;⑤强度高,塑性好,有助于提高元器件的耐磨性和使用寿命。

  4.电子铜的发展趋势

  电子铜是制造电子元器件的基础材料。随着电子元器件制造业的发展,对电子铜材料的尺寸精度和表面质量提出了更新更高的要求,尤其是要求在不致给铜的本质特性(优良的导电导热性等)带来较大影响的情况下,努力改善其机械性能将是铜合金的发展趋势。

  4.1铜银合金

  无氧铜中掺入少量银,通过适当的热处理,可以使铜得到强化,而对其导电导热性不会造成太大的影响。目前这种材料主要用于微型电机的换向器和牵引机车的接触线等。它不仅保持了无氧铜的导电导热特性及良好的工艺性能,而且强度和耐磨性有了明显提高。

  4.2铜铁合金

  随着微电子技术的发展,集成电路(IC)封装用引线框架材料已经成为电子合金材料的一大系列,主要有铜合金和铁镍合金两大类。由于铜具有优良的导电导热性能,随着低合金强化工艺技术的不断进步和高密度封装技术要求的提高,铜合金引线框架材料已经在90%的范围内取代了铁镍合金。其中,铜稀铁合金就是一种固溶强化型的引线框架材料系列。据调查,目前我国每年IC封装用引线框架材料的用量均在2000t以上,由于国内铜基引线框架材料还处于研制阶段,尚未实现批量生产,因此目前基本依赖进口。表2、表3分别是常用IC封装引线框架材料的化学成分和主要性能指标。

  C引线框架材料的尺寸精度要求特别严格,普通的金属材料生产设备无法达到,必须采用高精度的全套加工设备才能满足。其主要尺寸精度指标为:厚度公差:产品厚度0.25～ 0.45mm时,± 0.01mm;宽度公差:产品宽度≤ 100mm时,± 0.05mm;侧向弯曲:产品宽度< 60mm时,≤ 1mm;宽度≥ 60mm时,≤ 1.5mm/m;横向弯曲:产品宽度< 43mm时,≤ 0.1mm/m;宽度≥ 43～ 60mm时,≤ 0.15mm/m;挠曲度:≤ 10°/m;卷状弯曲:≤ 1.5mm/200mm;毛刺:< 0.01mm。

  4.3单晶铜

  单晶铜的热型连铸工艺技术是日本大野笃美教授发明的,又称为Ohno Continuous Casting,简称OCC法。由于铸坯在结晶器内实现单向凝固,并且由牵引机械不断引出,可以进行连铸生产,因此为规模化生产创造了有利条件。定向凝固装置的示意图见图

  单晶铜的特点是:①无晶界或少晶界。由于铸坯实现了单向凝固,整个断面由一个或几个轴向排列的平行晶体构成,即所谓单晶或单向结晶组织。显微组织特征是无晶界或少晶界; ②由于单晶体的结构比较完备,基本消除了缩孔、疏松、气孔、夹杂等缺陷;③铸坯表面光洁、无裂纹,为后工序加工带来方便; ④经过加工成材的单晶铜电阻率ρ20℃≤0.01690Ψ mm2/m,相对导电度≥ 102%;⑤抗拉强度为140～ 250MPa,延伸率为28%～ 75%;⑥氧含量≤ 1× 10- 5,氢含量≤ 1× 10- 6。在国外,尤其在日本单晶铜已得到广泛应用。由普通铜材(T1,T2)到无氧铜(TU1,TU2)再到单晶铜(TG1,TG2,PuRe,Copper OCC),说明了电子铜材料的发展趋势。这不仅代表着电子功能材料的技术进步状况,而且也是随着电子元器件工业发展对所需电子材料的技术要求越来越高的必然结果。

  单晶铜的主要应用领域为:

  (1)音像设备。由于单晶铜无晶界或少晶界,信号的传输不受晶界的反射、折射等现象的影响,减少了信号的变形、失真、衰减等,显著改善了音像质量。

  (2)通信设备用元器件和传输系统。采用单晶铜制造相关元器件和传输线路,从根本上改善了传输效果。

  (3)计算机网络系统及外围设备。由于计算机网络必须传输***数字信号,用普通铜材甚至无氧铜来制作相关元器件和传输线路,其强烈的集肤效应和晶界损耗都会造成信号衰减和失真,因此必须用单晶铜才能获得完善的传输效果。

  (4)集成电路引线。要求使用0.05～ 0.019mm微细铜线制作,只有单晶铜才能进行这种微细线的加工,并可逐步取代金线以降低制造成本。

  (5)电子元器件的制造。随着电子工业的发展,对各种开关、继电器、连接器、扬声器、蜂鸣器、中周、微型变压器等电子元器件的高性能、微型化、轻量化的要求愈来愈高,在此领域用单晶铜替代普通铜材甚至无氧铜是技术发展的必然趋势。