CN105838915B - 铜合金条、具备该铜合金条的大电流用电子元件以及散热用电子元件 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供与以往的材料相比兼备高强度、高导电性、以及优异的弯曲加工性的铜合金条、具备该铜合金条的大电流用电子元件以及散热用电子元件，其中，所述铜合金条含有0.04～0.5质量％的Zr，满足拉伸强度为550MPa以上、0.2％屈服强度/拉伸强度≥0.9且导电率为80％IACS以上，优选满足300℃×30min加热后的0.2％屈服强度≥500MPa。

Description

铜合金条、具备该铜合金条的大电流用电子元件以及散热用 电子元件

技术领域

本发明涉及铜合金条，具体而言涉及散热性、导电性、强度以及弯曲加工性优异，适合端子、连接器、继电器、开关、插座、汇流排、引线框等电子元件用途，尤其适合用于智能手机、电脑等的散热性元件以及用于电动汽车、混合动力汽车等的大电流元件的用途的铜合金条。

背景技术

在智能手机、平板PC、以及电脑等电气/电子设备等中，嵌入有端子、连接器、开关、插座、继电器、汇流排、引线框等用于取得电连接的元件以及用于散发设备所发出的热的元件。

近年来，伴随着智能手机、平板PC以及电脑的小型化，对电气/电子设备内的液晶元件或IC芯片等通电时的蓄热有变大趋势。由于蓄热大的状态对IC芯片和基板的热损伤大，因此散热元件的散热性很成问题。

以往，在智能手机、平板PC以及电脑等电气/电子设备内的散热元件中，主要使用了奥氏体系不锈钢(例如，在JIS G 4304“热轧不锈钢板以及钢带”的项中规定的SUS304)以及纯铝等。例如在附属于智能手机、平板PC的液晶的散热元件(液晶框架)中，除了高散热性以外，还要求作为构造体的强度、以及对液晶的固定所需的弯曲加工性。

虽然奥氏体系不锈钢(SUS304)弯曲性加工性良好，但热传导性低，为了弥补其热传导性低，一并使用高价的热传导片等。因此散热元件的单价变高。另一方面，虽然纯铝以及铝合金弯曲性加工性良好，但热传导性以及作为构造体的强度不够。

此外，在端子、连接器等的通电元件中，处于通电部的铜合金的截面积变小的倾向。当截面积变小时，通电时的来自铜合金的发热增大。尤其是在增长显著的电动汽车、混合动力汽车中使用的电子元件中，存在电池部的连接器等明显会流过高电流的元件，通电时的铜合金的发热成为问题。因此为了减少发热量，要求通电材料的导电性优异，进而为了能够应对元件的小型化、高性能化，要求强度(特别是高的0.2％屈服强度)和优异的弯曲加工性。

众所周知，热传导性和导电性呈比例关系，针对上述要求，作为具有较高的导电率和强度的合金，已知有向Cu中添加了Zr、Cr、Ti的材料。例如在CDA(Copper DevelopmentAssociation：铜业发展协会)注册有C15100(0.1质量％Zr-剩余为Cu)、C15150(0.02质量％Zr-剩余为Cu)、C18140(0.1质量％Zr-0.3质量％Cr-0.02质量％Si-剩余为Cu)、C18145(0.1质量％Zr-0.2质量％Cr-0.2质量％Zn-剩余为Cu)、C18070(0.1质量％Ti-0.3质量％Cr-0.02质量％Si-剩余为Cu)、C18080(0.06质量％Ti-0.5质量％Cr-0.1质量％Ag-0.08质量％Fe-0.06质量％Si-剩余为Cu)等合金。

虽然在散热元件以及电子材料用铜合金中要求某种程度的强度，但例如在上述合金中，C15100等Cu-Zr合金有时强度会不够。

另一方面，虽然C18140等Cu-Cr-Zr合金一般0.2％屈服强度比C15100好，但Cr向Cu合金的熔解非常困难。因此近年来正在进行使制造难易度相对低的Cu-Zr合金的强度、导电率以及弯曲加工性提高的发明。

在专利文献1中，公开了含有重量比率在0.05％～0.3％范围的Zr的铜合金，该铜合金是在热轧后进行第一冷轧、第一热处理、第二冷轧、同时施加张力的第二热处理，由此强度、导电率、弯曲加工性的平衡良好。

在专利文献2中，公开了含有0.01质量％～0.5质量％范围的Zr的铜合金，该铜合金中集合组织中的Brass(黄铜)方位的方位分布密度为20以下，且Brass方位、S方位和Copper(紫铜)方位的方位分布密度为10以上且50以下，同时拥有强度和良好的弯曲加工性。

在专利文献3中，公开了含有重量比率在0.05％～0.2％范围的Zr的铜合金，该铜合金中由带有背散射电子衍射成像系统的扫描型电子显微镜进行的以EBSD法测定的KAM值的平均为1.5～1.8°，在W弯曲试验中，当将未产生裂纹的最小弯曲半径设为R、将板厚设为t时，R/t为0.1～0.6，弹性极限值为420～520N/mm²，强度、弹性以及弯曲加工性优异。

在专利文献4中，公开了合计含有重量比率为0.05～1.0mass％的Cr、Zr、Ti的至少1种的铜合金，该铜合金在EBSD测定的结晶方位解析中，Cube(立方)方位{001}<001>的面积率为5％以上且70％以下，维氏硬度为120以上，由此实现强度、弯曲加工性、低杨氏模量(纵弹性系数以及挠曲系数)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-248592号公报

专利文献2：日本特开2010-242177号公报

专利文献3：日本特开2012-172168号公报

专利文献4：日本专利第5170916号公报

发明所要解决的问题

但是，在专利文献1～4所述的发明中，虽然同时拥有某种程度的机械强度和良好的弯曲加工性，但近年来的电子材料等的铜合金所需的强度以及弯曲加工性未必足够。具体而言，在专利文献1～3所述的发明的实施例中，Cu-Zr合金的拉伸强度为457～560MPa，在专利文献4所述的实施例中Cu-Zr合金的0.2％屈服强度为425MPa，拉伸强度以及0.2％屈服强度都存在强度不够的情况。

此外，在专利文献中虽将重点置于拉伸强度的提高，但在实际的电子元件中大多要求高的0.2％屈服强度。但是，在Cu-Zr合金中，即使通过加工硬化提高拉伸强度，也存在0.2％屈服强度不会高到一定程度以上(加工硬化饱和)的问题。此外，由于Cu-Zr系铜合金通过时效进行的析出硬化以及通过轧制进行的加工硬化小，因此专利文献的强度提高的方案以结晶方位的控制为主。

发明内容

因此，本发明目的在于，提供一种与现有的材料相比兼备高强度、高导电性、以及优异的弯曲加工性的铜合金板、具备该铜合金板的大电流用电子元件以及散热用电子元件，具体而言，本发明的课题在于，改善强度(拉伸强度以及0.2％屈服强度)、导电率以及弯曲加工性的平衡。

用于解决问题的方案

本发明人进行2次以上Cu-Zr系铜合金条的时效处理，通过调整时效温度、时效和时效之间的冷轧以及最后的时效后的冷轧的条件，发现能得到良好的强度、导电率、乃至弯曲加工性。并以以上的见解为背景，完成了以下的发明。

本发明的Cu-Zr系铜合金条含有0.04～0.5质量％的Zr，满足拉伸强度为550MPa以上且导电率为80％IACS以上。

而且，本发明的铜合金条优选拉伸强度(TS)和0.2％屈服强度(YS)的比为YS/TS≥0.9。

而且，本发明的铜合金条优选300℃×30min加热后的0.2％屈服强度为500MPa以上。

而且，在本发明的铜合金条中，优选当使用X射线衍射法，在轧制面中将在厚度方向求得的{200}面的X射线衍射积分强度设为I{200}、将{111}面的X射线衍射积分强度设为I{111}、将{220}面的X射线衍射积分强度设为I{220}、将{311}面的X射线衍射积分强度设为I{311}时，0.1≤[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}≤0.6。

需要说明的是，本发明的铜合金条优选最大含有0.1质量％的选自由Ag、Ni、Mn、Mg、Zn、Sn、B以及Ca构成的组中的元素的至少1种。

本发明的大电流用电子元件以及散热用电子元件是具备上述任一铜合金条的大电流用电子元件以及散热用电子元件。

发明效果

根据本发明，能够提供兼备高强度、高导电性、以及优异的弯曲加工性的铜合金条。该铜合金条涉及能够适合作为端子、连接器、开关、插座、继电器、汇流排、引线框、散热板等电子元件的原材料使用，并适合用于智能手机、电脑等的散热性元件以及用于电动汽车、混合动力汽车等的大电流用电子元件的用途的铜合金条。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式详细地进行说明。

(特性)

本发明的一实施方式的铜合金条的目的在于，将此铜合金条的导电率设为80％IACS以上且将拉伸强度设为550MPa以上。如果导电率为80％IACS以上，则热传导率也良好，作为大电流用电子元件以及散热元件用的原材料就没有问题。此外，如果拉伸强度为550MPa以上，则具有作为构造材料的所需的强度。此外，如果0.2％屈服强度/拉伸强度为0.9以上，则具有连接器、开关、插座、继电器材料等电子元件所需的弹簧特性。如果300℃×30min加热后的0.2％屈服强度为500MPa以上，则具有作为大电流用电子元件以及散热元件的耐热性。也可以说如果使用X射线衍射法的X射线衍射积分强度在0.1≤[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}≤0.6的范围，则具有良好的弯曲加工性。

兼备上述特性的本发明的铜合金条适于散热用电子元件以及大电流电子元件的用途。

(合金成分浓度)

本发明的实施方式的Cu-Zr系合金条是含有0.040～0.50质量％的Zr的Cu-Zr系合金条，该Zr的总含量优选设为0.050～0.30质量％，更优选设为0.050～0.20质量％。当Zr的合计过小时，难以得到550MPa以上的拉伸强度。当Zr浓度过大时，由于热轧裂纹等，合金的制造变得困难。

在Cu-Zr系合金中，能够使其含有Ag、Sn、Zn、Mg、Mn、B、Ca中的1种以上，以便改善强度和耐热性。但是，由于当添加量过多时，有时或是导电率降低而低于80％IACS，或是合金的制造性恶化，因此添加量的总量最大设为0.1质量％。

(厚度)

优选制品的厚度、即板厚(t)为0.05～2.0mm。由于当厚度过小时，难以得到充分的散热性，因此不适合作为散热用电子元件的原材料。另一方面，当厚度过大时，弯曲加工以及拉深加工变得困难。从这样的观点出发，更优选的厚度为0.08～1.5mm。通过使厚度为上述范围，能够抑制蓄热，并且能够使弯曲加工性良好。

(导电率)

在本发明中，将根据JIS H0505测定的导电率设为80％IACS以上。如果导电率为80％IACS以上，则热传导率良好，也能够确保良好的散热性。更优选设为85％IACS以上。

(拉伸强度)

在本发明中，如果将铜合金条的拉伸强度设为550MPa以上，则可以说具有作为构造材料的原材料所需的强度。更优选设为570MPa以上。

(0.2％屈服强度)

在本发明中，将铜合金条的0.2％屈服强度/拉伸强度(YS/TS)设为0.9以上，由此，可以说铜合金条具有连接器、开关、继电器材料所需的弹性。

(耐热性)

在本发明中，设为300℃×30min加热后的0.2％屈服强度≥500MPa，由此，可以说具有作为大电流用电子元件以及散热元件的耐热性。

(弯曲加工性)

本发明的弯曲加工性的评价通过使用宽度10mm×长度30mm的长方形的试验片的W弯曲试验(JIS-H3130)来进行。试验片选取方向设为轧制平行方向(GW)以及轧制直角方向(BW)，通过不产生裂纹的最小弯曲半径MBR(Minimum Bend Radius)和板厚t的比MBR/t来评价。从确保良好的弯曲性的观点出发，优选该最小弯曲半径(MBR)的比例(MBR/t)设为2.0以下。MBR/t的更优选的范围为1.8以下。

(结晶方位)

当使用X射线衍射法，在轧制面的表面将厚度方向求得的{200}面的X射线衍射积分强度设为I{200}、将{111}面的X射线衍射积分强度设为I{111}、将{220}面的X射线衍射积分强度设为I{220}、将{311}面的X射线衍射积分强度设为I{311}时，在0.1≤[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}≤0.6(即，0.1以上且0.6以下)的情况下，弯曲加工性提高。更优选的范围是0.25以上且0.55以下。另一方面，偏离上述范围时，弯曲加工性差。需要说明的是，纯铜粉末标准试样是以325网目(JIS Z8801)的纯度99.5％的铜粉末来定义的。

以下，对本发明的铜合金条的优选的制造方法的一例进行说明。

熔解作为纯铜原料的电解铜等，添加Zr以及根据需要的其他的合金元素，铸造成厚度30～300mm左右的铸锭。将该铸锭通过例如800～1000℃的热轧做成厚度3～30mm左右的板后，反复进行冷轧和2次以上的时效处理，通过最终的冷轧加工成规定的制品厚度，根据情况最后实施去应力退火。去应力退火可以不用特别实施。

时效处理在300℃～400℃的温度下，在1～30小时的范围进行2次以上。优选为340～390℃，更优选为350～390℃。

通过在轧制组织不会再结晶化这样的适当的条件下进行退火，由其后的轧制进行的加工硬化变大，能够得到550MPa以上的拉伸强度。当时效温度比400℃高时，不能得到550MPa以上的强度。另一方面，当时效温度比300℃低时，不能得到80％IACS以上的导电率。

通过将最后的时效温度调整在相对于其前1个时效温度±25℃的范围，结晶方位变为0.1≤[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}≤0.6的范围，弯曲加工性改善。

而且，在最后的时效温度比其前1个时效温度低0～25℃的情况下，300℃×30min加热后的0.2％屈服强度为500MPa以上。另一方面，当最后的时效温度高时，300℃×30min加热后的0.2％屈服强度为500MPa以下，虽然强度、导电率以及弯曲加工性的平衡优异，但从耐热性的观点出发仍有改善的余地。

需要说明的是，通过适当地进行加工处理的各条件的调节等，例如时效处理间的加工度、第一次时效处理的温度、最终的冷轧的加工度、Zr的浓度、添加元素等的调节等，能够取得更好的拉伸强度、导电率、0.2％屈服强度。

通过将时效和时效之间的冷轧加工度调整为60％以上，能够得到YS/TS≥0.9。更优选的加工度为75％以上。如果时效和时效之间的冷轧加工度不足60％，则不能得到YS/TS≥0.9。

虽然只要调整上述的时效条件以及时效间的冷轧加工度，时效无论进行几次就都没问题，但考虑到制造成本优选为2次。

最后的时效后的冷轧加工度设为50％～80％。优选为60～75％，更优选为60～70％。如果不足50％，则不能得到550MPa的拉伸强度，如果为80％以上，则通过时效析出的Cu-Zr化合物由于轧制再固溶于母相，导电率降低，变得不足80％IACS。

进行去应力退火时是使用连续退火炉进行的。将炉内温度设为300～700℃，优选设为350～650℃，设定为从5秒到10分钟的范围。去应力退火不一定需要实施。

本发明的一实施方式通过赋予Cu-Zr系合金条的拉伸强度≥550MPa且导电率≥80％IACS、YS/TS≥0.9的特征，300℃×30min加热后的0.2％屈服强度≥500MPa的特征，以及0.1≤[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}≤0.6的特征，改善了强度、导电率以及弯曲加工性。对用于其的制造条件整理如下：

(1)为了使拉伸强度≥550MPa，

a.将时效温度调整为不足400℃。

b.将成品轧制加工度调整为50％以上。

(2)为了使导电率≥80％IACS，

a.将时效温度调整为300℃以上。

b.将成品轧制加工度调整为80％以下。

(3)为了使YS/TS≥0.9，

a.将时效和时效之间的冷轧加工度调整为60％以上。

(4)为了使300℃×30min加热后的0.2％屈服强度≥500MPa，

a.将最后的时效温度调整为比其前1个的时效温度低0～25℃。

(5)为了使0.1≤[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}≤0.6，

a.最后的时效温度调整为相对于其前1个的时效温度±25℃的范围。

如上制造的铜合金条被加工成各种各样的板厚的拉伸铜制品，例如，能够用于智能手机、平板PC以及电脑等电气/电子设备内的大电流电子元件以及散热用电子元件等。

(实施例)

以下虽然示出了本发明的实施例，但这些实施例是用于更好地理解本发明及其优点而提供的，并未意图限定本发明。此外，以下在实施例中，虽然示出时效次数为2次的例子，但即使时效次数为3回以上也没问题。

向熔铜中添加合金元素后，铸造厚度为200mm的铸锭。将铸锭在950℃下加热3小时，在950℃下进行热轧，做成厚度15mm的板。将热轧板表面的氧化膜用磨床研磨、去除后，反复进行时效和冷轧，用最终的冷轧加工成规定的制品厚度。最后使用连续退火炉进行去应力退火。

在初次的时效中，使用间歇炉，在炉内温度为200～500℃的范围内，在1～30小时的范围进行热处理。

在时效后的冷轧中，控制总加工度。

最后的时效也使用间歇炉，在炉内温度为200～500℃的范围，在1～30小时的范围内进行热处理。相对于初次的时效温度改变各种条件。

在最终的冷轧中，控制总加工度。

在去应力退火中，将炉内温度设为500℃，将加热时间调整为1秒～15分钟之间。需要说明的是，对于一部分材料，省略了去应力退火。

将实施例的制造条件按发明例以及比较例示于表1。对制造中途的材料以及去应力退火后的材料，进行了如下测定。

(成分)

用ICP-质量分析法分析最终的冷轧后或去应力退火后的材料的合金元素浓度。需要说明的是，表中的成分分析值比10ppm低的元素没有记入。

(拉伸强度以及0.2％屈服强度)

对最终的冷轧后以及去应力退火后的材料，以拉伸方向与轧制方向平行的方式选取JIS Z2241规定的13B号试验片，根据JIS Z2241并与轧制方向平行地进行拉伸试验，求出了拉伸强度(TS)以及0.2％屈服强度(YS)。

(耐热性)

在设定为300℃的炉中，保持材料30min后，将取出并空冷后的样品以与在“拉伸强度以及0.2％屈服强度”的项中说明的相同的方法测定了0.2％屈服强度。

(伸长率)

从最终的冷轧后或去应力退火后的材料中，以拉伸方向与轧制方向平行的方式选取JIS Z2241规定的13B号试验片，以标点间距离设为50mm测定伸长率。

(导电率)

从最终的冷轧后或去应力退火后的材料中，以试验片的长尺寸方向与轧制方向平行的方式选取试验片，根据JIS H0505，通过四端子法测定了20℃下的导电率。

(结晶方位)

对最终的冷轧后或去应力退火后的材料的轧制面的表面，分别测定{200}、{111}、{311}以及{220}面的X射线衍射强度I。X射线衍射装置使用(株)Rigaku制RINT2500，用Cu管(X-ray diffraction tube(anode type：Cu))在管电压为25kV、管电流为20mA的条件下进行测定。

(MBR/t)

根据JIS H3130，进行弯曲轴与轧制方向为直角方向的GW(Goodway)方向、以及弯曲轴与轧制方向为同一方向的BW(Badway)方向的各自的W弯曲试验，使用W字型的模具改变弯曲半径，求出未产生裂纹的最小弯曲半径(MBR)和厚度(t)的比(MBR/t)。

【表1】

从表1示出的内容能够理解，在发明例1～20中，合计含有0.04～0.50质量％的Zr，在300～400℃下实施第1次的时效，将其后的冷轧加工度调整为60％以上，在300～400℃下实施其后的最终的时效，将最终的冷轧加工度调整为50～80％，最后实施去应力退火(发明例12省略)。由此，发明例1～20的铜合金板能够达成拉伸强度≥550MPa，且0.2％屈服强度/拉伸强度≥0.9，而且导电率≥80％IACS。

此外，在将第一次和最终的时效的温度差设为±25℃以内的情况下，弯曲加工性改善，且在将第一次的时效温度设为比最终的时效温度低的情况下，耐热性改善。从该观点出发，当与其他的发明例比较时，发明例5由于第一次的时效温度比最终的时效温度低，因此耐热性差，发明例7由于第一次和最终的时效的温度差为25℃以上，因此耐热性以及弯曲加工性差。

另一方面，比较例1、2的时效温度在300～400℃的范围以外，在时效温度低的比较例1中导电率低，时效温度高的比较例2的拉伸强度低。

比较例3的时效间的冷轧加工度低，0.2％屈服强度/拉伸强度的比低于0.9。

比较例5、6的最终的冷轧加工度在50～80％的范围以外，加工度低的比较例5的拉伸强度低，加工度高的比较例6的导电率低。

比较例7以及8是用1次时效处理制造而成的材料，难以兼顾拉伸强度、或0.2％屈服强度/拉伸强度的比、或导电率的平衡。

比较例9的Zr浓度低，拉伸强度低。

比较例10由于添加元素的浓度为0.1质量％以上，因此导电率低。

比较例11是以与专利文献1(日本特开2010-248592号公报)的实施例1相同的制法制作而成的铜合金。拉伸强度、0.2％屈服强度/拉伸强度的比低。

比较例12以及13是以与专利文献2(日本特开2010-242177号公报)的各个实施例1以及实施例12相同的制法制作而成的铜合金。在比较例12的Cu-Zr合金中，拉伸强度、0.2％屈服强度/拉伸强度的比都低。另一方面，虽然如比较例13那样通过加入添加元素，满足拉伸强度≥550MPa以及导电率≥80％IACS，但0.2％屈服强度低，0.2％屈服强度/拉伸强度的比低。

虽然比较例14是以与专利文献3(日本特开2012-172168号公报)的实施例5相同的制法制作而成的铜合金，比较例15是以与专利文献4(日本专利第5170916号公报)的发明例1-1相同的制法制作而成的铜合金，但0.2％屈服强度低，0.2％屈服强度/拉伸强度的比低。

从以上的结果可以明白，根据本发明，能够提供兼备高强度、高导电性、以及高弯曲加工性的铜合金板、具备该铜合金板的大电流用电子元件、散热用电子元件、以及铜合金板的制造方法。

Claims (5)

1.一种铜合金条，其含有0.04～0.5质量％的Zr，剩余部分由Cu和不可避免的杂质构成，满足拉伸强度为550MPa以上、0.2％屈服强度/拉伸强度≥0.9且导电率为80％IACS以上，

当将轧制面的表面的来自{200}面的X射线衍射强度设为I{200}、来自{111}面的X射线衍射强度设为I{111}、来自{220}面的X射线衍射强度设为I{220}、来自{311}面的X射线衍射强度设为I{311}时，满足0.1≤[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}≤0.6。

2.根据权利要求1所述的铜合金条，其中，

满足300℃×30min加热后的0.2％屈服强度≥500MPa。

3.根据权利要求1或2所述的铜合金条，其中，

最大含有0.1质量％的选自由Ag、Ni、Mn、Mg、Zn、Sn、B以及Ca构成的组中的元素的至少1种。

4.一种大电流用电子元件，其具备权利要求1～3中任一项所述的铜合金条。

5.一种散热用电子元件，其具备权利要求1～3中任一项所述的铜合金条。