CN107988511A

CN107988511A - 铜合金

Info

Publication number: CN107988511A
Application number: CN201710859943.3A
Authority: CN
Inventors: 田中友己
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-05-04
Also published as: KR20180045805A; JP2018070916A; TW201816135A

Abstract

提供一种高强度、高导电性，耐热性也优异的铜合金。本发明的铜合金，是以质量％计，含有Fe：1.8～2.7％、P：0.01～0.20％、Zn：0.01～0.30％、Sn：0.01～0.20％，余量由铜和不可避免的杂质构成的铜合金，其中，在包括轧制方向和板厚方向的面，所述板厚方向的平均晶粒直径为1.0μm以下，并且，平均KAM值为1.0°以上、3.0°以下。

Description

铜合金

技术领域

本发明涉及铜合金，详细地说，是涉及强度、导电性和耐热性全部优异的铜合金。

背景技术

对于半导体引线框等的电气电子元件，要求强度(抗拉强度、硬度)、导电率、耐热性均优异。因此，对于作为上述元件的原材所使用的铜合金，也要求兼备这些特性。作为电气电子元件用铜合金，含有Fe和P的Cu－Fe－P系铜合金作为国际标准合金通用。作为Cu－Fe－P系铜合金，可例示例如含有Fe：2.1～2.6质量％、P：0.015～0.15质量％、Zn：0.05～0.20质量％，余量由Cu和不可避免的杂质构成的CDA194合金。在Cu－Fe－P系铜合金中，通过在母相中使Fe或Fe－P等的金属间化合物析出，可提高强度、导电性、热传导性。

近年来，伴随用于电气电子设备的半导体装置的大容量化、小型化、薄壁轻量化、高功能化，引线框等的电气电子元件的小截面积化推进，要求有更高的强度、导电性、导热性。随之而来的是，对用于上述用途的铜合金板也要求特性的进一步提高，并提出各种技术。

例如在专利文献1中公开有一种技术，其为了提高电气电子元件用铜合金板的强度和导电性，而比较多地含有Fe(2.5～3.5质量％)，并且成为在Cu母相中析出有第二相粒子的二相组织。

另一方面，对于电气电子元件用铜合金，还要求有优异的耐热性，即使在高温下的热处理后，仍可维持高强度。例如将上述Cu－Fe－P系铜合金板加工成引线框等之时，一般是通过冲压加工(也称为冲裁加工)成为多引脚形状。为了如前述这样应对用于电气电子设备的半导体装置的小型化等的要求特性，作为原材料使用的铜合金板的薄壁化、或引线框等的多引脚化推进。随之而来的是，上述冲压加工后的加工品中容易残留应变应力，有引脚变得不整齐的倾向。因此在冲压加工所得到的多引脚形状的铜合金板中，通常会实施去应变退火等的热处理而除去应变。但是，若进行热处理，则材料容易软化，不能维持热处理前的强度。另外，为了使生产率提高，要求以更高温度、更短时间进行热处理。因此，强烈要求即使在这样的高温热处理后仍能够维持高强度的高耐热性。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2012－207261号公报

但是，在上述专利文献1中，对于耐热性并没有考虑。另外，若如上述专利文献1那样Fe的含量过多，则导电性反而劣化。为了改善导电性，例如，使Fe或Fe－P等的析出粒子的析出量增加即可，但随着析出量的增加，可知会招致析出粒子的生长和粗大化，强度和耐热性降低。

发明内容

本发明鉴于上述情况而形成，其目的在于，提供一种具有高强度、高导电性，耐热性也优异的Cu－Fe－P系铜合金。

能够解决上述课题的本发明的耐热性优异的铜合金，其在以下方面具有要旨，是以质量％计含有Fe：1.8～2.7％、P：0.01～0.20％、Zn：0.01～0.30％、Sn：0.01～0.20％，余量由铜和不可避免的杂质构成的铜合金，在包括轧制方向和板厚方向在内的面中，所述板厚方向的平均晶粒直径为1.0μm以下，并且，平均KAM(Kernel Average Misorientation)值为1.0°以上、3.0°以下。

上述铜合金中，以质量％计，也可以在合计0.1％以下的范围，还含有从Si、Ni和Co所构成的群中选择的一种或两种以上。

根据本发明，因为适当地控制着成分组成、板厚方向的晶粒直径、和KAM值，所以能够提供高强度且高导电性，耐热性也优异的Cu－Fe－P系铜合金。

附图说明

图1是表示板厚方向的晶粒直径和KAM值的测量位置的图。

具体实施方式

本发明者为了解决上述课题，以对于强度和耐热性的提高造成影响的因素为中心进行了研究。其结果发现，除了晶粒直径以外，通过对于位错密度也恰当地加以控制，则在保持高耐热性和导电性的状态下，也能够达成高强度化。

另外还发现，这样的铜合金，只要在铜合金的一般的制造工序(按工序顺序为铸造、均质化热处理、热轧、一次冷轧，一次退火、最终冷轧、最终退火的各工序)中，特别是恰当控制热轧的总计时间、最终冷轧的总轧制率和每一道次的轧制率的最小值、以及最终退火温度即可，从而完成了本发明。

以下，对于本发明的铜合金详细地加以说明。

(成分组成)

首先，本发明的铜合金，需要以质量％计，满足Fe：1.8～2.7％、P：0.01～0.20％、Zn：0.01～0.30％、Sn：0.01～0.20％。以下，关于化学成分，％意思是质量％。

Fe是为了通过在铜合金的母相中固溶或使Fe系的化合物生成，而使强度和耐热性提高所需要的元素。Fe量低于1.8％时，Fe的固溶量或析出量不足，得不到强度和耐热性，因此Fe量为1.8％以上。Fe量优选为2.1％以上。但是，若Fe量过剩，则粗大的Fe化合物生成，冲孔加工时发生裂纹，因此Fe量为2.7％以下。Fe量优选为2.6％以下，更优选为2.4％以下。

P是具有对混入熔液中的氧进行脱氧的作用的元素。此外还是与Fe形成化合物而使铜合金的强度和耐热性提高的元素。为了有效地发挥这样的作用，P量为0.01％以上。P量优选为0.02％以上。但是，若P量过剩，则除了导电率降低以外，热加工性也降低，因此P量为0.20％以下。P量优选为0.15％以下。

Zn是改善焊料对于铜合金的耐热剥离性、和改善Sn镀层对于铜合金的耐热剥离性所需要的元素。这些耐热剥离性是例如将铜合金用于引线框架等之时所要求的特性。为了有效地发挥这样的作用，Zn量为0.01％以上。Zn量优选为0.05％以上。但是若Zn量过剩，则除了导电率降低以外，焊料对于铜合金的润湿性也降低，因此Zn量为0.30％以下。Zn量优选为0.20％以下。

Sn是用于提高铜合金的强度和耐热性所需要的元素。为了有效地发挥这些作用，Sn量为0.01％以上。Sn量优选为0.02％以上。但是，若Sn量过剩，则除了导电率降低以外，热加工性也降低，因此Sn量为0.20％以下。Sn量优选为0.10％以下，更优选为0.05％以下。

本发明的铜合金的余量，是铜和不可避免的杂质。

本发明的铜合金中，也可以在合计0.1％以下的范围，还含有从Si、Ni和Co所构成的群中选择的一种或两种以上的选择成分。所谓合计，在单独含有Si、Ni和Co时意思是单独的量，在含有两种以上时意思是其合计量。

上述元素与Fe或P形成化合物，具有使铜合金的强度和耐热性提高的作用。为了有效地发挥这样的作用，Si、Ni和Co的合计量优选为0.01％以上，更优选为0.03％以上。但是，若过剩地含有这些元素，则化合物粗大化，冲裁加工时有可能发生裂纹，因此优选合计在0.1％以下，更优选为0.08％以下。

(板厚方向的平均晶粒直径)

本发明的铜合金，在包括轧制方向和板厚方向的面中，所述板厚方向的平均晶粒直径为1.0μm以下，比前述的专利文献1微细，由此，强度(硬度)提高。用于电气电子设备元件用的铜合金的作为重要的特性的强度，与晶粒直径具有密切的相关关系，若上述平均晶粒直径高于1.0μm，则得不到希望的硬度。上述平均晶粒直径越小越好，例如，优选为0.7μm以下。还有，上述粒径的下限没有特别限定，但大致为0.1μm以上。

本发明的平均晶粒直径，是在包含轧制方向和板厚方向在内的截面，对于从所述板表面到板厚中心部的晶粒，由SEM－EBSD(Scanning Electron Microscope－ElectronBack Scatter Diffraction Patterns)法测量取向差为15°以上的晶粒。SEM－EBSD法是在场发射型扫描电子显微镜(Field Emission Scanning Electron Microscope：FESEM)上搭载背散射电子衍射像[Electron Back Scattering(Scattered)Diffraction Pattern：EBSD]系统的方法，是通用的结晶取向分析法。

在此，所谓“取向差为15°以上的晶粒”，意思是“具有取向差为15°以上的晶界(边界)的晶粒”。因此，例如15°、20°等具有15°以上的取向差的晶粒，全部包含在“取向差为15°以上的晶粒”的范围内。

具体的测量方法如下。

首先，准备3个从板的任意的位置(板的宽度方向的大致中心位置)提取的测量试料。按照包括轧制方向和板厚方向的截面成为观察面的方式从各测量试料的表面机械研磨至板厚中央后，进行电解蚀刻而使之镜面化。

其次，使用SEM－EBSD，在上述观察面中，对于轧制方向100μm、板厚方向60μm的测量范围(参照图1)，以0.25μm的间距照射电子射线。具体来说，将镜面化的试料放置在FESEM的镜筒内，对其表面照射电子射线，将EBSD(EBSP)投影屏幕上。用高灵敏度照相机对其进行拍摄，以图像形式输入计算机。在计算机中，对该图像进行分析，通过与使用了已知的结晶系的经模拟形成的图案进行比较，决定(计算)结晶的取向。计算出的结晶的取向作为三维欧拉角，与位置坐标(x,y)等一起记录。该程序对于全部测量点自动进行，因此测量结束时，能够得到板的截面中的数万～数十万点的结晶取向数据。

在本发明中，以10μm间隔，在1个视野中沿板厚方向引9条线段，在线段上，统计具有15°以上的结晶取向差的点数，用合计线段长度(60μm×9本)除以点数(线段长度÷点数)，求得平均的晶粒直径长度。在此，分析软件使用EDAX社制“OIM Analysis Ver.7.1.0”。用合计3个试料进行同样的操作，将其平均作为板厚方向的平均晶粒直径。

(平均KAM值)

本发明的铜合金，其平均KAM(Kernel Average Misorientation)值为1.0°以上并在3.0°以下，由此，耐热性还有硬度提高。KAM值表示基于局部性的结晶取向变化的应变分布，与晶内的应变量相关。若KAM值大，则认为位错密度大。特别是若KAM值过大，则位错密度也变得过大，其结果是，耐热性降低。另一方面，若KAM值过小，则以应变局部性地恢复的部分为起点，恢复进一步进行而强度降低，因此耐热性降低。平均KAM值优选为2.0°以下。

平均KAM值，与前述的平均晶粒直径同样，使用SEM－EBSD法计算。因为针对每一点EBSD分析点计算KAM值，所以在本发明中，计算测量视野整体的平均值。

本发明的铜合金，满足维氏硬度：160Hv以上，导电率：60％IACS以上，以450℃退火3分钟后的维氏硬度：140Hv以上。因此，本发明的铜合金其强度、导电性和耐热性非常优异。

接着，对于本发明的铜合金的优选的制造条件进行说明。如前述，铜合金一般经过铸造、均质化热处理(均热处理)、热轧、一次冷轧、一次退火、最终冷轧(也称为二次冷轧)、最终退火(也称为二次退火)的各工序而制造。在上述工序之中，特别是通过恰当地调整热轧的总计时间、最终冷轧的总轧制率和每一道次的轧制率的最小值、以及最终退火温度，能够将平均晶粒直径和平均KAM值控制在规定范围。

首先，熔炼、铸造调整好成分组成的铜合金。这些工序未特别限定，能够遵循常规方法进行。

其次进行均热处理。均热处理条件也没有特别限定，但优选将其后的热轧的结束温度控制在700℃以上，因此优选将上述铸块加热至800℃以上。更优选为850℃以上。均热处理时的加热温度的上限没有特别限定，但优选大致为1050℃以下。更优选为950℃以下。

均热处理之后，也可以根据需要，在例如上述加热温度的范围内保持一定时间。保持时间例如为10～240分钟。

均热处理之后，进行热轧。热轧的圧下率未特别限定，根据目标板厚和与后道工序的冷轧的冷轧率的关系决定即可。还有，热轧能够进行一次或多次。

为了得到高强度，优选将热轧结束温度控制在700℃以上。更优选为750℃以上。热轧结束温度的上限没有特别限定，例如，优选为900℃以下，更优选为850℃以下。

此外从与上述同样的观点出发，优选将热轧的总计时间控制在15分钟以下。若上述总计时间变长，则强度降低。更优选为10分钟以下。还有，其下限由于与强度的关系而没有特别限定，但若考虑轧机的负荷等，则大致优选为3分钟以上。

上述的热轧后，急冷至室温。若热轧后的冷却速度小，则最终板的强度降低。在此所谓“急冷”，意思是以高于空冷的平均冷却速度进行的冷却，优选为20℃/秒以上。平均冷却速度的上限没有特别限定，但若考虑实际操作等，则优选大约为500℃/秒以下。

急冷手段未特别限定，例如，能够采用水冷等公知的冷却手段。

急冷后，实施第一次冷轧(一次冷轧)。一次冷轧的轧制加工率任意，但配合最终的板材的板厚和后述的二次冷轧的轧制加工率进行调节即可。

接着，实施一次退火。优选一次退火以450～650℃进行30分钟～24小时，由此，能够将晶粒直径和KAM值控制在规定范围。一次退火温度低于450℃或一次退火时间低于30分钟时，由于加热处理不足，导致耐热性降低。另一方面，若一次退火温度高于650℃，则晶粒直径变大，强度(硬度)变低。更优选的一次退火条件为500～600℃，1～3小时。

接下来，通过第二次冷轧(最终冷轧或二次冷轧)成形为规定形状。经过最终冷轧，加工应变被导入金属组织内，从而能够提高铜合金板的强度。

在本发明中，优选将上述最终冷轧的总轧制率控制在60％以上并在85％以下。最终冷轧的总轧制率低于60％时，KAM值变小，硬度降低。另一方面，若最终冷轧的总轧制率高于85％，则KAM值变大，耐热性降低。更优选为65％以上并在80％以下。

此外，优选最终冷轧的每一道次的轧制率的最小值控制在20％以上。若上述每一道次的轧制率的最小值低于20％，则KAM值变小而硬度和耐热性降低。更优选为25％以上。还有，若上限由于与上述特性的关系而没有特别限定，但若考虑轧机的负荷等，则优选大约为50％以下。

其后，实施二次退火(最终退火)。最终退火是用于去除由最终冷轧导入的应变的退火，优选以300～450℃进行10～500秒。最终退火温度低于300℃或最终退火时间低于10秒时，KAM值变大而耐热性降低。另一方面，若最终退火温度高于450℃，或最终退火时间超过500秒，则应变的去除过剩，KAM值变小而强度和耐热性降低。

【实施例】

以下，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明不受下述实施例限制，在能够符合前述和后述的宗旨的范围也可以加以变更实施，这些都包含在本发明的技术范围内。

将具有下述表1所示的成分组成，余量由铜和不可避免的杂质构成的铜合金，用无芯感应炉熔炼后，以半连续铸造法铸锭，制造厚70mm×宽200mm×长500mm的铸块。

对于如此得到的铸块的表面进行端面切削后，进行以900℃保持1小时的均热处理，然后进行表2所述的热轧，得到厚15mm的热轧板。热轧结束温度均为750℃以上，热轧结束后，立即通过水冷进行急冷。

接着，去除氧化皮后，以表2所述条件进行一次退火、最终冷轧和最终退火(最终退火时间为20秒)，得到厚0.125mm的铜合金板。

对于如此得到的铜合金板，由前述方法测量晶粒直径和KAM值，并且通过以下的方法评价导电率、硬度和耐热性。

(导电率)

使用将上述铜合金板通过铣削而加工成宽10mm×长300mm的短条状的试验片，由双电桥式阻抗测量装置测量电阻，由平均截面积法计算导电率。在本发明中，60％IACS以上评价为导电性良好。

(硬度)

使用岛津制作所制的显微维氏硬度计，对于上述铜合金板施加0.5kg的载荷，在10处进行测量，求得其平均值，计算硬度。在本实施例中，硬度在160Hv以上的评价为强度优异。

(耐热性)

将上述铜合金板，以450℃加热保持3分钟后，使用与上述硬度的测量所用相同的显微维氏硬度计，施加0.5kg的载荷，测量10处位置的硬度，求其平均值而计算硬度。在本发明中，140Hv以上评价为耐热性优异。

这些结果记述在表3中。

【表1】

【表2】

【表3】

由表3能够进行如下考察。

首先，No.1～15是满足本发明的要件的例子，成分组成、平均晶粒直径和平均KAM值被恰当控制，因此能够得到导电性良好，高强度且耐热性优异的铜合金。

相对于此，No.16～26是不满足本发明中规定的某个要件的例子，具有以下的问题。

No.16因为热轧的总计时间长，所以晶粒直径变大，硬度(强度)降低。

No.17是最终冷轧的总轧制率和每一道次的轧制率的最小值小的例子，平均值KAM值变小，硬度和耐热性降低。

No.18是最终冷轧的总轧制率大的例子，平均KAM值变大，耐热性降低。

No.19是最终冷轧的每一道次的轧制率的最小值小的例子，平均KAM值变小，硬度和耐热性降低。

No.20是最终退火温度低的例子，平均KAM值变大，耐热性降低。

No.21是最终退火温度高的例子，平均KAM值变小强度和耐热性降低。

No.22是Fe量少的例子，硬度和耐热性降低。

No.23是Fe量多的例子，导电性降低。

No.24、No.25是P量、Sn量多的例子，导电率均降低。

No.26是一次退火的温度高且时间短，并且，最终冷轧的每一道次的轧制率的最小值小的例子，平均晶粒直径和平均KAM值变大，硬度和耐热性降低。

Claims

1.一种铜合金，其特征在于，是以质量％计含有

Fe：1.8～2.7％、

P：0.01～0.20％、

Zn：0.01～0.30％、

Sn：0.01～0.20％，

余量由铜和不可避免的杂质构成的铜合金，

在包含轧制方向和板厚方向的面中，

所述板厚方向的平均晶粒直径为1.0μm以下，并且，

平均KAM值为1.0°以上且3.0°以下。

2.根据权利要求1所述的铜合金，其中，以质量％计在合计为0.1％以下的范围内，还含有从Si、Ni、和Co所构成的群中选择的一种或两种以上。