1. Samenstellingsvereisten voor koper met hoge- geleidbaarheid
Koper met een hoge- geleidbaarheid verwijst doorgaans naar koper met een elektrische geleidbaarheid van niet minder dan 100% IACS (International Annealed Copper Standard). Om aan deze eis te voldoen is een strikte controle van de chemische samenstelling essentieel.
Ten eerste moet de zuiverheid van het basiskoper voldoende hoog zijn. Voor standaard koper met hoge- geleidbaarheid moet de massafractie koper minimaal 99,90% zijn. Voor elektronische en elektrische toepassingen met hoge-precisie is de zuiverheid vaak hoger dan 99,95% of zelfs 99,99%. Een hogere koperzuiverheid vermindert de elektronenverstrooiing veroorzaakt door onzuiverheden en roosterdefecten, waardoor de geleidbaarheid wordt verbeterd.
Ten tweede moet het gehalte aan schadelijke onzuiverheidselementen strikt beperkt worden. Veel voorkomende onzuiverheden zoals fosfor, ijzer, zwavel, zuurstof, lood, bismut, antimoon, arseen en nikkel verminderen de elektrische geleidbaarheid aanzienlijk.
Typische samenstellingslimieten voor koper met hoge- geleidbaarheid zijn onder meer:
Fosfor Minder dan of gelijk aan 0,005%
Ijzer Minder dan of gelijk aan 0,005%
Zwavel Minder dan of gelijk aan 0,005%
Zuurstof Minder dan of gelijk aan 0,02% (voor zuurstof-houdend koper) of lager voor zuurstof-vrij koper
Totaal aantal niet-koperverontreinigingen Minder dan of gelijk aan 0,05%–0,10%
Zuurstof-vrij koper (OFC) regelt verder de zuurstof onder de 0,001% om broosheid en geleidbaarheidsverlies tijdens verwerking bij hoge- temperaturen te voorkomen.
2. Is een hoger kopergehalte altijd beter?
Bij puur koper verbetert een hoger kopergehalte de elektrische en thermische geleidbaarheid, maar dit is niet altijd beter voor alle toepassingen.
Binnen een bepaald bereik vermindert het verhogen van de koperzuiverheid de verstrooiing van onzuiverheden en verbetert het de geleidbaarheid aanzienlijk. Een te hoge zuiverheid brengt echter problemen met zich mee:
De kosten stijgen sterk omdat ultra{0}}hoge zuivering complexe processen vereist, zoals elektrolytische raffinage en vacuümsmelten.
De mechanische sterkte neemt af omdat puur koper erg zacht is en een lage hardheid en slijtvastheid heeft.
In sommige gevallen kunnen nuttige sporenelementen (zoals kleine hoeveelheden zilver of cadmium in gecontroleerde concentraties) de sterkte verbeteren en de weerstand verzachten zonder de geleidbaarheid ernstig te beschadigen.
Daarom moet de koperzuiverheid worden geselecteerd op basis van de werkelijke behoeften. Gewone elektrische componenten gebruiken bijvoorbeeld een zuiverheid van 99,90%–99,95%, terwijl hoog-signalen en ultra-precieze apparaten een zuiverheid van 99,99% of hoger vereisen.
3. Effecten van onzuiverheidselementen op de geleidbaarheid
Bijna alle onzuiverheidselementen in vaste oplossing of neerslagvorm verminderen de elektrische geleidbaarheid van puur koper.
Oplosbare onzuiverheden (fosfor, ijzer, nikkel, arseen, antimoon, bismut) vervormen het koperrooster en verstrooien elektronen sterk, wat leidt tot een scherpe daling van de geleidbaarheid. Zelfs 0,01% fosfor kan een duidelijk verlies aan geleidbaarheid veroorzaken.
Onoplosbare of zwak oplosbare onzuiverheden (lood, zwavel) vormen tweede-fasedeeltjes bij korrelgrenzen, waardoor de elektronenverstrooiing toeneemt en ook de geleidbaarheid wordt verminderd.
Zuurstof vormt Cu₂O-deeltjes, die zowel de geleidbaarheid als de verwerkingsprestaties beïnvloeden. Zuurstof-vrij koper wordt in speciale toepassingen gebruikt om deze effecten te voorkomen.
Over het algemeen geldt dat hoe kleiner het atoomstraalverschil en het oplosbaarheidsverschil tussen onzuiverheid en koper is, hoe kleiner de schade aan de geleidbaarheid; anders is de impact ernstiger. Voor toepassingen met hoge- geleidbaarheid is het minimaliseren van de onzuiverheid de meest effectieve manier om prestaties te garanderen.
