專利名稱：用于制備集成電路引線框的硬化鐵－鎳合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬化的鐵-鎳合金以及一種制備這種合金的薄帶的方法，該合金薄帶尤其可用來制造集成電路引線框或者彩色顯示器陰極射線管的電子槍柵極。
在包括由硅晶片制成的集成電路的電子元件中，硅晶片與專門用于形成集成電路連接引線的引線框相連。這些引線框必須采用具有許多特性的合金制成，以使引線框與硅晶片相匹配，并且能夠?qū)υM行令人滿意的制造。特別是，合金必須具有與硅相當?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，以防止在制造操作所包括的熱循環(huán)期間產(chǎn)生高的機械應(yīng)力。合金必須具有足夠的機械強度，以確保采用自動機械操縱時連接引線不發(fā)生變形，但是，該合金又必須具有足夠延性，以便能夠?qū)σ€進行彎曲成形。合金還必須能夠容易進行化學切割或機械切割，其表面還必須不易氧化，以確保電鍍的適當實施。
通常，集成電路引線框由N42合金制成，這是一種含約41％Ni的Fe-Ni合金。然而，該合金的機械強度不夠高，不能制備具有大量連接引線的薄集成電路引線框。對于連接引線數(shù)高達240個、被稱作“Quad Flat Packs”的集成電路或者總厚度為1mm、被稱作“Thin SmallOutline Packs”的集成電路而言，這一問題尤其突出。
為了克服這一不足和制造具有大量連接引線的薄集成電路，已提出使用各種硬化的Fe-Ni合金，可是都存在不足之處。
例如-在日本專利申請J 04160112，J 04072037和J 04099252中，均提出使用通過固溶處理和加工硬化處理加以硬化的Fe-Ni合金。但這些合金延性低，不適合彎曲成形；-在日本專利申請J 03207835，J 03207834和J 03173740中，提出使用通過添加元素如Be，Ti，Al，Nb或Ta使γ’或γ”NiBe相均勻析出而硬化的Fe-Ni合金，但是與合金N42相比，這些合金的切削速度較低，表面氧化敏感性較大；-在專利US 5026345中，提出使用通過加工硬化形成馬氏體來硬化的Fe-Ni合金，但是，該合金的延性較低，膨脹系數(shù)遠比合金N42大；-在專利申請EP 0489932中，提出使用通過析出Ti，Zr，Hf，V，Nb或Ta的碳化物和加工硬化來硬化的Fe-Ni合金，但是該合金的表面氧化敏感性較大，結(jié)果使電鍍性能下降。
前面剛剛提到的合金中沒有一種具有所要求的全部性能。本發(fā)明的一個目的是通過提供一種比現(xiàn)有合金更適合制造集成電路引線框的具有高屈服強度的合金來克服這一不足。
為此，本發(fā)明的目標是一種Fe-Ni合金的制備方法，該Fe-Ni合金的化學組成為，以重量計36％≤Ni+Co≤43％0％≤Co≤3％0.05％≤C≤0.4％0.2％≤Cr≤1.5％0.4％≤Mo≤3％0％≤Cu≤3％Si≤0.3％Mn≤0.3％余者為鐵和雜質(zhì)。該合金的屈服強度Rp0.2大于750MPa，均勻延伸率Ar大于5％。優(yōu)選屈服強度Rp0.2為800-1100MPa，抗拉強度Rm為900-1130MPa。
優(yōu)選所述化學組成為38.5％≤Ni+Co≤41％0.1％≤C≤0.35％0.5％≤Cr≤1.2％1.5％≤Mo≤2.5％
另外還優(yōu)選均勻延伸率Ar大于7％，屈服強度Rp0.2為800-1000MPa，抗拉強度Rm為900-1040MPa。
制備帶材的方法包括-熔煉具有上述化學組成的合金，并且，任選進行真空重熔或電渣重熔，獲得半成品；-在高于或等于950℃的溫度下熱軋所獲半成品，獲得2-6mm厚，優(yōu)選3-5mm厚的熱軋帶材，任選在熱軋之前在高于950℃的均熱溫度下進行均勻化處理；軋制后，以足于避免碳化物析出的冷卻速度將所獲帶材冷卻至450℃以下；-采用一個或多個厚度壓下量為5-95％的軋制道次對所述熱軋帶材進行冷軋，每兩個軋制道次之間進行一次溫度高于950℃的退火；以及-在450-850℃下進行硬化熱處理，硬化熱處理之前，厚度壓下量至少達40％。
任選地，硬化處理之后，進行一次補充性冷軋，之后，在550-750℃下進行回復熱處理。
本發(fā)明也涉及由根據(jù)本發(fā)明的Fe-Ni合金制成的帶材，特別是厚度大于或等于0.1mm，均勻延伸率Ar大于或等于5％的帶材。該帶材可以用來制備集成電路的引線框或者用來制備電子槍柵極。結(jié)果，能夠獲得由在20-300℃下的熱膨脹系數(shù)優(yōu)選為4×10-6-6×10-6/K的合金制成的集成電路引線框。
現(xiàn)在，借助實施例對本發(fā)明進行更詳細介紹和說明。
構(gòu)成本發(fā)明主題的Fe-Ni合金是一種通過析出鉻和鉬的碳化物而硬化的Fe-Ni合金，其化學組成含有，以重量計-大于36％，或者最好大于38.5％，但低于43％，或者最好低于41％的鎳，該元素可以用最高含量3％的鈷(鈷的最低含量可等于0％)部分替代。對鎳含量進行優(yōu)選，以使在20℃與任一溫度T(T介于20℃至300℃之間)之間范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)為3.5×10-6-6.5×10-6/K；-大于0.05％，或者最好大于0.1％，但低于0.4％，或者最好低于0.35％的碳，以便能夠形成析出硬化型的碳化物，同時又不損害合金的膨脹系數(shù)和延性；-大于0.2％，或者最好大于0.5％，但低于1.5％，或者最好低于1.2％的鉻，以及，大于0.4％，或者最好大于1.5％，但低于3％，或者最好低于2.5％的鉬，以形成析出硬化型碳化物；將Cr+Mo之和限定為4.5％，以不使膨脹系數(shù)過于增大；-任選地，最多3％的銅(最低含量為0％或痕量)，以改善其在大氣中的耐腐蝕性和抗氧化性，從而改善其電鍍適應(yīng)性；-最多0.3％的硅和最多0.3％的錳，以確保熔煉期間的脫氧，這些元素的最低含量為痕量；該組成的余下部分為鐵以及來自于熔煉的雜質(zhì)。
合金例如在帶有精煉期的電弧爐中熔煉，隨后在加熱的盛鋼桶內(nèi)進行冶煉；也可以在真空感應(yīng)爐內(nèi)進行熔煉。優(yōu)選該熔煉獲得高純度，使S，P，N和O的含量分別為S＜0.01％，優(yōu)選＜0.002％P＜0.02％，優(yōu)選＜0.008％N＜0.01％O＜0.01％然后，將合金澆注成半成品，如板坯，方坯或重熔電極。也可以直接澆注成厚度小于15mm，優(yōu)選為8-12mm的薄帶材。
當將合金澆注成重熔電極時，需對該電極進行真空重熔或電渣重熔，以獲得更純、更均勻的半成品。
對所獲半成品或由直接澆注獲得的薄帶材進行熱軋，熱軋溫度高于950℃，優(yōu)選高于1050℃，但優(yōu)選低于1300℃，以獲得厚度約為2-6mm，優(yōu)選為3-5mm的熱軋帶材。對軋制溫度進行優(yōu)選，以避免碳化物析出和合金發(fā)生過度氧化。熱軋帶材的厚度根據(jù)隨后進行的冷軋條件來選擇，以便能夠使至少一次厚度減薄具有高于40％的壓下比(特別是在硬化熱處理之前)。
熱軋之前，可以在950-1300℃，或者最好在1050-1200℃下進行均勻化熱處理。該處理可以持續(xù)30分鐘到24小時或更長。
熱軋之后，將熱軋帶材冷卻至接近室溫的溫度。該冷卻在仍保持高于950℃的終軋溫度與450℃之間必須以一定冷卻速度進行，該冷卻速度應(yīng)足以避免碳化物形成。優(yōu)選在950℃和450℃之間的停留時間小于10分鐘，最好小于5分鐘。熱軋之后的冷卻可以通過軋制發(fā)熱實現(xiàn)。所述冷卻也可以包括在將帶材加熱至950℃以上，最好1050℃之后進行的快速淬火，以便使可能已形成的碳化物重新變成固溶態(tài)。
然后，冷軋熱軋帶材，以獲得厚度優(yōu)選為50-250μm，例如80-150μm的冷軋帶材。所述冷軋以一系列厚度壓下量為5-95％的道次進行，各道次之間需進行退火，退火溫度高于950℃，或者最好為1050℃，以避免碳化物形成，但優(yōu)選低于1200℃。該退火例如可以在隧道爐中進行，時間為幾秒至幾分鐘。
另外，對冷軋帶材進行硬化處理，該處理包括一次或多次在450℃-850℃下進行的保溫，以便通過析出鉻和鉬的碳化物來實現(xiàn)硬化。該處理必須對變形率高于40％的加工硬化的金屬進行。該處理之后，可以進行一次補充軋制操作。該熱處理可以在靜態(tài)爐中進行，此時，保溫處理優(yōu)選在450-700℃下進行30分鐘至幾個小時；或者在隧道爐中進行，此時，保溫處理優(yōu)選在700℃以上進行約10秒至10分鐘。
當對具有最終厚度的帶材進行硬化熱處理時，之后馬上進行硬化熱處理時的厚度壓下量必須至少40％，并且，隨后不許在950℃下進行退火。
當對厚度大于最終厚度的帶材進行硬化熱處理時，之后馬上進行硬化熱處理時的厚度壓下量必須至少40％，并且，隨后不許在高于950℃的溫度下進行退火。硬化熱處理之后，馬上進行獲得最終厚度所必需的補充冷軋操作。該補充冷軋操作不能包括退火，但是在該操作之后，需在550-750℃下進行回復熱處理，該處理可持續(xù)幾秒至幾分鐘。
采用這種方法，能夠獲得由屈服強度Rp0.2大于750MPa，均勻延伸率Ar大于5％(均勻延伸率是拉伸實驗中頸縮出現(xiàn)之前的延伸率)的合金制成的冷軋帶材。一般地，屈服強度Rp0.2為800-1100MPa，抗拉強度為900-1130MPa。尤其是處于優(yōu)選組成范圍時，如果厚度大于或等于100μm(0.1mm)，斷裂時的延伸率大于7％。屈服強度Rp0.2為800-1000MPa，抗拉強度為900-1040MPa。
該合金在20℃與任一溫度T(T介于20℃至300℃之間)之間范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)為3.5×10-6-6.5×10-6/K。當鎳含量為38.5-41％時，熱膨脹系數(shù)為4×10-6-6×10-6/K，而且，其在20-300℃之間的變化很小，這是該合金用于集成電路引線框的一個優(yōu)點。
可以通過本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員熟知的傳統(tǒng)方法，采用如此獲得的帶材制造集成電路引線框或者例如電視機彩色顯示器陰極射線管的電子槍柵極。有利的是，采用厚度為80-125μm，斷裂時的延伸率大于5％或者最好大于7％的帶材制造集成電路引線框。對合金組成進行優(yōu)選，以使熱膨脹系數(shù)在20℃至300℃之間的變化盡可能小，保持在4×10-6-6×10-6/K之間。
作為實例，對根據(jù)本發(fā)明的合金A1-A12以及現(xiàn)有技術(shù)的合金B(yǎng)，C和D(B對應(yīng)N42，C對應(yīng)N42Nb，D對應(yīng)γ’-N42)進行熔煉。
這些合金的化學組成(wt.％)示于表1中。
合金A1，A2和B在電弧爐中熔煉，而合金A3-A12以及C和D在真空感應(yīng)爐中熔煉。
在1050-1200℃下對所獲半成品均勻化處理2-5小時，然后，在高于950℃的溫度下熱軋，將由A1-A12合金制成的帶材自1050℃快速淬火。
根據(jù)軋制方案LA對A1-A12合金帶材進行冷軋，而A2合金則根據(jù)方案LB進行冷軋。
LA冷軋方案包括中間被在高于1050℃的再結(jié)晶退火隔開的一系列厚度減薄道次，最終厚度壓下比τ1大于40％，之后，在溫度T1進行硬化熱處理。
LB冷軋方案的第一部分與LA冷軋方案相同，其第二部分包括厚度壓下比為τ2的補充冷軋操作，之后是在溫度T2下進行的回復退火。
根據(jù)通常的軋制方案對合金B(yǎng)和C進行軋制，其包括中間被再結(jié)晶退火隔開的一系列厚度減薄道次，軋制終止時的厚度壓下比大于10％。根據(jù)與LA方案不同的方案對合金D進行軋制，其在熱處理前的變形比為25％，硬化處理在750℃進行2分鐘，以發(fā)生γ’相析出硬化。
就上述所有情況而言，帶材的最終厚度均為100-150μm(0.1-0.15mm)。
表1
所獲得的A2合金帶材的機械性能于表2中給出。
這些結(jié)果尤其表明在上述所有情形下，均勻延伸率遠大于5％，甚至高于7％，而屈服強度明顯高于750MPa。
所獲得的合金A1，A7-A12和B的機械性能于表3中給出。
這些結(jié)果表明根據(jù)本發(fā)明合金的屈服強度總是高于750MPa，均勻延伸率遠大于5％；而對于合金B(yǎng)，只有當其屈服強度低于700MPa時，均勻延伸率才大于5％。
表2
也測量了20-100℃之間的平均膨脹系數(shù)α20100和20-200℃之間的平均熱膨脹系數(shù)α20200。結(jié)果示于表4和表5中。
這些結(jié)果尤其表明膨脹系數(shù)保持在3.5×10-6-6.5×10-6/K之間，而且，至少對于合金A3和A4而言，它們的熱膨脹系數(shù)在20℃/300℃的范圍內(nèi)變化極小。
表3
表4
表5
也對化學腐蝕速率進行了測量，以便評價化學切割的適合性。這些實驗通過將合金A2，B和C的試樣浸泡在FeCl3/6H2O∶550g/1+HCl，d＝1.18∶10ml/l的酸溶液中進行。
這些實驗表明在浸泡8分鐘后，合金A2和合金B(yǎng)的平均腐蝕速率為約8.2μg/min.mm2，而合金C的平均腐蝕速率僅為6.7μg/min.mm2。
通過測量杯狀斷口區(qū)的平均高度(h)與帶材厚度(t)之比值h/t，以及該比值的偏差σ，對A2和B的0.1mm厚的合金帶材的機械切削性能進行了比較。合金A2根據(jù)方案LA進行軋制，其中壓下比τ1為73％，硬化退火在750℃下進行0.3分鐘或者在800℃下進行0.3分鐘。
對于合金A2，h/t比值為0.25，偏差σ為0.06；而對于合金B(yǎng)，其h/t比值為0.22-0.31，偏差σ為0.10。由于h/t比值平均而言是可比的，因此，合金A2的偏差σ較低表明其比合金B(yǎng)具有更優(yōu)的機械切削性。
最后，通過測量表面氧化層厚度，對合金A，B，C和D的氧化敏感性進行了比較，該表面氧化層厚度[單位納米(nm)]是加工硬化狀態(tài)的合金在420℃的空氣中熱處理時間的函數(shù)。
所獲結(jié)果示于表6中。
表6
這些結(jié)果表明與現(xiàn)有技術(shù)的合金相比，合金A2不容易氧化，這有利于獲得良好的電鍍性能。該性能已得到電鍍實驗的證實，該電鍍實驗中的鍍層包括Sn60/Pb40，預鍍Ni和完全銀鍍層，預鍍Ni和選擇鍍金層，預鍍Ni和選擇鍍銀層，以及選擇鍍銅層和鍍銀層。在上述所有情形中，所獲結(jié)果均令人滿意厚度可以控制，沒有水泡，而且結(jié)合良好。
上述所有結(jié)果表明根據(jù)本發(fā)明的合金比現(xiàn)有技術(shù)的合金更適于制造集成電路的引線框。同樣地，所述合金非常適合制造陰極射線管的電子槍柵極(grid)。集成電路引線框和電子槍本身均是著名產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種由屈服強度Rp0.2大于750MPa，均勻延伸率Ar大于5％的Fe-Ni合金制成的帶材的制備方法，根據(jù)該方法對一種合金進行熔煉，該合金的化學組成為，以重量計36％≤Ni+Co≤43％0％≤Co≤3％0.05％≤C≤0.4％0.2％≤Cr≤1.5％0.4％≤Mo≤3％Cu≤3％Si≤0.3％Mn≤0.3％余者為鐵和雜質(zhì)；-任選地，對所述合金進行真空重熔或電渣重熔，獲得半成品；-在高于或等于950℃的溫度下熱軋所獲半成品，獲得2-6mm厚，優(yōu)選3-5mm厚的熱軋帶材，任選在熱軋之前在高于950℃的均熱溫度下進行均勻化處理；軋制后，以足于避免碳化物析出的冷卻速度將所獲帶材冷卻至450℃以下；-采用一個或多個厚度壓下量為5-95％的軋制道次對所述熱軋帶材進行冷軋，每兩個軋制道次之間進行一次溫度高于950℃的退火；以及-在450-850℃下進行硬化熱處理，硬化熱處理之前的厚度壓下量至少達40％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在硬化熱處理之后，進行補充性冷軋操作，之后，在550-750℃下進行回復熱處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其中，所述合金的化學組成使得38.5％≤Ni+Co≤41％0.1％≤C≤0.35％0.5％≤Cr≤1.2％1.5％≤Mo≤2.5％
4.采用根據(jù)權(quán)利要求1-3中之任何一項的方法獲得的帶材，其屈服強度Rp0.2為800-1100MPa，抗拉強度Rm為900-1130MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的帶材，其屈服強度Rp0.2為800-1000MPa，抗拉強度Rm為900-1130MPa，均勻延伸率大于7％。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求5的帶材，其厚度大于0.1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中之任何一項的帶材在集成電路引線框或者電子槍柵極的制備中的應(yīng)用。
8.由根據(jù)權(quán)利要求4-6中之任何一項的帶材制備的集成電路引線框，所述合金在20-300℃下的熱膨脹系數(shù)優(yōu)選為4×10-6-6×10-6/K。
9.由根據(jù)權(quán)利要求4-6中之任何一項的帶材制備的例如用于彩色電視機管的電子槍柵極。
全文摘要
本發(fā)明涉及Fe－Ni帶材的制備方法，所述帶材的化學組成含有，以重量計6％≤Ni+Co≤43％；0％≤Co≤3％；0.05％≤C≤0.4％；0.2％≤Cr≤1.5％；0.4％≤Mo≤3％；0％≤Cu≤3％；Si≤0.3％；Mn≤0.3％；余者為鐵和雜質(zhì)。該合金的彈性極限R
文檔編號C22C38/52GK1437657SQ01811349
公開日2003年8月20日 申請日期2001年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月30日
發(fā)明者R·科扎, P－L·瑞戴特 申請人:安費尤吉納精密公司