Brevet FR2585727A1 — publié le 19870206

Alliage cuivre-chrome-titane-silicium et son utilisation L'invention concerne un alliage cuivre-chrome- titane-silicium, ainsi que son utilisation. Il existe un besoin important en alliages de cuivre pour des applications électriques. Ces alliages sont nécessaires, entre autres, comme matériaux pour les composants électroniques, en particulier les supports de semiconducteurs pour les transistors, les circuits intégrés, etc., et pour les éléments destinés à l'électricité d'automobile. Les matériaux pour les composants électroniques, en particulier pour les supports de semiconducteurs de la technique antérieure, doivent présenter une combinaison particulière de propriétés: a) La conductivité électrique et thermique doit être le plus élevée possible (supérieure à 65 % IACS (norme interna- tionale pour le cuivre recuit) environ); b) une grande solidité mécanique en même temps qu'une flexibilité suffisante sont exigées; c) une grande stabilité au ramollissement est en outre exigée. Une mesure de la stabilité au ramollissement est ici la température dite "de demi-dureté" TH, qui est obtenue à partir de la courbe de ramollissement (dureté Vickers HV en fonction de la température de recuit T). A la température de demi-dureté TH est ici associée la HV - HV. valeur HVmin + max min; min 2 d) Il est exigé, dans une mesure croissante, des matériaux homogènes, c'est-à-dire des matériaux dont la structure ne contient pas de grosses précipitations ni de grosses inclusions. On obtient ainsi, d'une part une liaison parfaite entre les "fils de liaison" et le support de semi-conducteur et, d'autre part, quand c'est nécessaire pour les opérations de traitement ultérieures, une bonne aptitude de la surface extérieure au traitement galvanique ou chimique. Pour les cas d'utilisation connus, on est parti jusqu'à présent, pour une large part, d'alliages tels que les alliages de fer et de nickel ou les alliages de cuivre, comme par exemple CuFe2P (C 19400) ou CuFeSnP (C 19520). Même avec les alliages de cuivre connus, la conductivité électrique et, à cause de la proportion relativement forte d'éléments d'alliage, qui entraîne partiellement trop de grosses précipitations non désirées, également l'homogénéité des matériaux, laissent encore à désirer. Pour les éléments de raccordement dans l'électricité d'automobile, on exige, à cause de la forte charge électrique, un matériau ayant la conductivité électrique et thermique la plus élevée possible, en même temps qu'une grande solidité et donc une stabilité mécanique suffisante, ainsi qu'une meilleure résistance à la corrosion que les alliages de laiton. En outre, le matériau doit pouvoir être fabriqué de manière économique. L'invention a donc pour objectif de procurer un alliage de cuivre qui, en particulier pour les domaines d'utilisation connus, présente des propriétés particuliè- rement favorables pour un prix de revient relativement faible. Cet objectif est atteint, selon l'invention, grâce à un alliage cuivre-chrometitane-silicium qui se caractérise en ce qu'il se compose de 0,1 à 0,5 % de chrome, 0,05 à 0,5 % de titane, 0,01 à 0,1 % de silicium, le reste étant constitué par du cuivre et par les impuretés habituelles (les pourcentages sont exprimés ici en poids). Les propriétés avantageuses de l'alliage selon l'invention vont être exposées plus en détail ci-dessous au moyen d'un exemple de réalisation. L'alliage est en outre d'un prix de revient avantageux, du fait de sa faible teneur en éléments d'alliage relativement peu coûteux, et du fait de la simplicité de sa fabrication. On connait certes déjà, d'après la demande de brevet allemand publiée sous le N 1.758.055, un alliage contenant 0,3 à 7 % de chrome et/ou de titane et 0,1 à 3 % de silicium, mais l'homme du métier ne peut en déduire qu'il faut abaisser la teneur en silicium au-dessous de 0,1 %. Des teneurs aussi petites en silicium étaient plutôt considérées jusqu'à présent comme défavorables pour la combinaison de propriétés de ce groupe d'alliages. On connaît certes aussi, d'après le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 2.189.198, un alliage cuivre-chrome- titane-silicium contenant environ 0,1 à 0,6 % de chrome, environ 0,6 à 1, 5 % de titane et 0,1 à 0,6 % de silicium, mais on n'obtient pas de résultats particulièrement bons avec une teneur en titane de 1 % environ, aussi ce brevet ne suggère-t-il pas, en particulier, de choisir une teneur en titane inférieure à 0,6 %. Selon une forme de réalisation particulière de la présente invention, l'alliage de cuivre se compose de 0,15 à 0,4 % de chrome, de 0,1 à 0,4 % de titane, de 0,02 à 0,07-% de silicium, le reste étant constitué par du cuivre. Ce n'est qu'en combinant les éléments d'alliage dans les proportions indiquées ci-dessus que l'on obtient des propriétés optimales pour les supports de semi-conducteurs. Des additions de nickel, d'étain, de fer et de cobalt, isolément ou en combinaison, sont recommandables. L'alliage cuivre-chrome-titane-silicium selon l'invention est utilisé de manière avantageuse comme matériau pour les composants électroniques, en particulier les supports de semi-conducteurs pour les transistors, les circuits intégrés, etc., et pour les éléments d'électricité automobile. L'invention va être décrite plus en détail au moyen de l'exemple de réalisation suivant: Le Tableau 1 donne la composition de deux alliages selon l'invention (Nos 1 et 2) ainsi que celle d'un alliage comparatif ne contenant pas de titane (N 3): Tableau 1: Composition des échantillons (exprimée en pourcentage en poids) Numéro de l'échantillon Cr Ti Si Cu 1 0,33 0,10 0,05 reste 2 0,30 0,07 0,05 reste 3 0,21 n.d. 0,10 reste n.d. = non décelable os Les alliages Ns 1 et 3 ont été préparés au laboratoire de la façon suivante: Dans un four Tammann, on a fait fondre du cuivre électrolytique à une température de 1200 C environ, sous une couverture de charbon de bois. On a ensuite ajouté au bain fondu les éléments d'alliage chrome et silicium ou chrome, silicium et titane, sous la forme d'alliages convenables. Ces alliages contenaient 9,45 % de chrome, 10,05 % de silicium et 28,0 % de titane sous forme pure. Après dissolution complète des éléments d'alliage, on a versé le bain fondu dans une coquille en acier de dimensions 25 x 50 x 100 mm. On a ensuite homogénéisé les lingots à 900 C pendant une heure et on les a refroidis en continu à l'air. Après laminage à froid à une épaisseur intermédiaire de 0,75 mm, on a procédé à un traitement de recuit à 500 C pendant une heure, ainsi qu'à un décapage dans de l'acide sulfurique dilué pour enlever la couche d'oxyde. Après un aplanissement final de 60 %, on a déterminé la résistance à la traction, la température de demi-dureté, la dureté Vickers et la conductivité électrique. On a en outre vérifié les mêmes propriétés sur un matériau en bande laminé à chaud et à froid, obtenu à partir de l'alliage N 2 selon l'invention, après un aplanissement final de 66 %. Les propriétés mécaniques et électriques de l'échantillon sont rassemblées dans le Tableau 2, ainsi que les valeurs correspondantes pour des alliages selon la technique antérieure, qui ont été puisées dans la littérature (voir par exemple le document commercial intitulé "Leadframe Materials from Tamagawa" (1983), en particulier les pages 3, 4 et 10, de la Société Tamagawa Metal & Machinery Co., Ltd.). Tableau 2: Propriétés électriques et mécaniques (état dur; écrouissage de 60 %, épaisseur de la bande 0,3 mm) Désignat. (Désignat. Résistance Température Dureté Conductivité de UNS) à la de demi- Vickers électrique l'échant. traction dureté (N/mm2) TH ( C) HV (% IACS) 1 540 440 155 76 2* 590 440 175 75 CuFe2P (C19400) 480 400 145 65 CuFeSnP (C19520) 540 450 165 48 CuZnl5 (C23000) 450 380 135 37 3 460 360 140 63 * écrouissage de 66%; épaisseur de la bande: 0,25 mm On voit que les alliages Nos 1 et 2 selon l'invention présentent une conductivité considérablement plus grande que les alliages selon l'état de la technique, et qu'en particulier l'alliage N 2 atteint une solidité et une dureté qui ne sont pas dépassées. En comparant les valeurs obtenues pour les alliages Nos 1 et 2 selon l'invention avec celles de l'alliage N 3, qui est exempt de titane, on constate en outre l'influence favorable de l'addition de titane à un alliage cuivre-chrome- silicium. Les propriétés mécaniques et électriques caractéristiques de l'alliage selon l'invention résultent de la présence de précipitations extrêmement fines et homogènes des éléments d'alliage concernés chrome, titane et silicium dans la matrice de cuivre. La figure ci-jointe montre la structure de l'alliage N 2 selon l'invention, à l'état revenu, avec un grossissement de 1000. Il est évident sur cette figure que les très petites particules de précipitations qui accroissent la solidité et la conductivité, dont l'ordre de grandeur est de 1 pm et moins, sont présentes. Cette caractéristique favorable des précipitations est obtenue sans le traitement thermique spécial habituel des alliages formant des précipitations, avec trempe à l'eau et ensuite revenu. Elle apparaît lors du processus de fabrication habituel des alliages de cuivre de dureté naturelle, qui se caractérise par les opérations successives de chauffage, de formage à chaud, de refroidissement à l'air, de laminage à froid et de recuit intermédiaire. L'alliage possède donc des avantages techniques de fabrication essentiels par rapport aux alliages cuivre-chrome-silicium ou cuivre-chrome-titane connus jusqu'à présent. Ce n'est qu'avec la combinaison des éléments d'alliage et la faible teneur de ceux-ci dans les alliages selon l'invention, que l'on peut mettre en oeuvre, sans perte de propriétés, ce processus de fabrication simple et donc peu coûteux (sans traitement de trempe). Avec des teneurs plus fortes en éléments d'alliage chrome, titane et silicium, que celles de l'alliage selon l'invention, au moins une des propriétés indiquées, mais habituellement plusieurs de celles-ci en même temps, se-détériore. Une propriété particulièrement évidente de l'alliage selon l'invention est sa bonne flexibilité. Même à l'état durci par laminage, des flexions à 90 avec des angles vifs, aussi bien perpendi- culairement que parallèlement à la direction du laminage, sont encore possibles sans fissures pour les alliages les plus solides et les plus durs. En revanche, les alliages cuivre-chrome-silicium et cuivre-chrometitane ayant les compositions antérieurement connues font preuve d'un comportement à la flexion nettement plus mauvais. Ce sont également les particules de précipitations fines et homogènes qui sont réparties dans la matrice de cuivre qui sont responsables de la flexibilité caractéristique des alliages selon l'invention, car ces particules ralentissent ou empêchent manifestement une propagation des fissures à l'intérieur de la bande de matière. Des examens métallogra- phiques indiquent qu'une amorce de fissure qui se forme ne se développe pas perpendiculairement à la surface extérieure de la bande, mais est déviée sensiblement parallèlement à la surface extérieure de la bande, si bien qu'il apparaît uniquement un certain grenage, mais pas de véritable fissure. Ce comportement à la flexion prend une importance particulièrement grande dans les composants qui sont dits "montés sur surface", car les fiches de raccordement sont pliées à bords vifs et ne doivent ensuite, dans la mesure du possible, pas présenter de retour élastique. REVENDICATIONS 1. Alliage cuivre-chrome-titane-silicium, caractérisé en ce qu'il se compose de 0,1 à 0,5 % de chrome, de 0,05 à 0,5 % de titane, et de 0,01 à 0,1 % de silicium, le reste étant constitué par le cuivre et les impuretés habituelles. 2. Alliage de cuivre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose de 0,15 à 0,4 % de chrome, de 0,1 à 0, 4 % de titane, de 0,02 à 0,07 % de silicium, le reste étant constitué par le cuivre. 3. Alliage de cuivre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient au total de 0,1 à 0,5 % de nickel, d'étain, de fer et/ou de cobalt. 4. Utilisation d'un alliage de cuivre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 comme matériau pour composants électroniques, en particulier supports de semi- conducteurs pour transistors, circuits intégrés, ou éléments similaires, et pour les éléments destinés à l'électricité d'automobile.