JP2008214692A

JP2008214692A - 半導体収容金属容器用銅合金線材

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Publication number: JP2008214692A
Application number: JP2007053309A
Authority: JP
Inventors: Isao Takahashi; 高橋　　功; Katsuhiko Uda; 克彦宇田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: JP4885016B2

Abstract

【課題】耐熱性、導電性（放熱性）および冷間鍛造性に優れる半導体収容金属容器用銅合金線材を提供する。
【解決手段】Ｃｒ０．２〜１．１質量％を含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金線材、またはＣｒ０．２〜１．１質量％を含み、さらにＳｎ０．１〜１．０質量％、Ｚｎ０．１〜１．５質量％のうち１種以上を含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金線材であって、最大伸びが１０％以上、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、冷間鍛造後４００℃で１時間加熱を行ったときの硬さがＨｖ１３５以上であることを特徴とする半導体収容金属容器用銅合金線材。本発明の銅合金線材は、所定長さに切断し、これを冷間鍛造により円板体とし、さらに皿状の金属容器１に加工される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力送電機器、自動車、家電などの電気エネルギーを制御するために設計されたパワー半導体を収容する金属容器の製造に適した銅合金線材に関する。

近年、ハイブリッド車などのインバータ用デバイスとしてパワー半導体装置が注目されている。このパワー半導体装置は、たとえば皿状の金属容器の底部にダイオードなどのパワー半導体素子がはんだ付けされて形成され、さらに前記ダイオードの金属容器部分を放熱板の穴部に圧入して組み立てられる。なお、実際には金属容器の底部にダイオードなどのパワー半導体素子がはんだ付けされた後にシリコン樹脂等で封入を行う。

前記半導体装置の動作環境温度は２００℃以上に達するため前記はんだには高温はんだが用いられる。はんだ付け時に金属容器が軟化すると、放熱板穴部に圧入する時に金属容器が変形して内部のパワー半導体に割れが発生するため、前記金属容器には、はんだ付け時に軟化しない耐熱性を有するＣｕ−Ｚｒ系析出型銅合金が用いられている（特許文献１）。

特開２００２−２６１２１０号公報

しかしながら、昨今研究されている鉛フリーの高温はんだには融点が４００℃に達するものがあり、この温度ではんだ付けしても軟化しない耐熱性を有する金属容器用銅合金の開発が望まれている。また前記金属容器用銅合金には、放熱性（指標として導電率５０％ＩＡＣＳ以上）および金属容器に成形加工するための冷間鍛造性に優れることも要求される。

本発明は、耐熱性、導電性（放熱性）および冷間鍛造性に優れる半導体収容金属容器用銅合金線材の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、Ｃｒ０．２〜１．１質量％を含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金線材であって、伸びが１０％以上、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、冷間鍛造後に４００℃で１時間加熱したときの硬さがＨｖ１３５以上であることを特徴とする半導体収容金属容器用銅合金線材である。

請求項２に記載の発明は、Ｃｒ０．２〜１．１質量％を含み、さらにＳｎ０．１〜１．０質量％、Ｚｎ０．１〜１．５質量％以下のうち１種以上を含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金線材であって、伸びが１０％以上、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、冷間鍛造後４００℃で１時間加熱したときの硬さがＨｖ１３５以上であることを特徴とする半導体収容金属容器用銅合金線材である。

請求項１に記載の発明はＣｒを適量含む銅合金線材であり、請求項２に記載の発明はＣｒを適量含み、さらにＳｎまたはＺｎの少なくとも１種を適量含む銅合金線材であり、いずれも伸びが１０％以上で冷間鍛造性に優れる。またこの銅合金線材は導電率が５０％ＩＡＣＳ以上のため、この線材を用いて製造した金属容器は放熱性に優れ半導体の発熱が良好に放散される。また冷間鍛造後に４００℃で１時間加熱したときの硬さがＨｖ１３５以上のため、前記線材を用いて製造した金属容器は高温ではんだ付けしたあとも強度が高く、半導体装置組み立て時に変形することがなくパワー半導体に割れが生じたりしない。

本発明の銅合金線材の合金組成について詳しく説明する。
Ｃｒは銅マトリックス中に析出して強度向上に寄与し、さらに前記析出物は加熱による軟化を妨げて耐熱性を向上させる。Ｃｒの含有量を０．２〜１．０質量％に限定したのは、０．２質量％未満ではその効果が十分に得られず、１．０質量％を超えるとその効果が飽和する上、材料費が高くなるためである。

Ｓｎは母相中に固溶し強度および耐熱性を向上させる。Ｓｎの含有量を０．１〜１．０質量％に限定したのは、０．１質量％未満ではその効果が十分に得られず、１．０質量％を超えると導電率が低下するためである。

Ｚｎははんだの接合性が経時劣化するのを防止する。Ｚｎの含有量を０．１〜１．５質量％に限定するのは、０．１質量％未満ではその効果が十分に得られず、１．５質量％を超えて添加してもその効果が飽和するためと、過剰の添加は導電率（放熱性）の低下を招くためである。なお、金属容器にＮｉやＡｕをメッキするときはＺｎを含有させなくても良い。

また、本発明の銅合金線材の合金組成は、Ｃｒを０．２〜１．１質量％含有したうえで、ＳｎおよびＺｎを、Ｓｎ０．１〜１．０質量％、Ｚｎ０．１〜１．５質量％の範囲内で２種とも含むものであっても良い。

本発明の銅合金線材は、本発明規定組成の銅合金鋳塊に、例えば、溶体化熱処理、熱間押出しまたは熱間圧延、伸線加工、析出熱処理を施して製造される。前記伸線加工と析出熱処理は必要に応じ所望回繰り返す。

本発明の銅合金線材は、伸びが１０％以上、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、冷間鍛造後に４００℃で１時間加熱したときの硬さがＨｖ１３５以上の耐熱性を有する銅合金であり、この銅合金は前記析出熱処理を施すことにより製造できる。即ち、熱処理することによりマトリックスから固溶元素が排出して伸びおよび冷間鍛造性が向上し、前記排出物（析出物）が材料軟化を抑制して耐熱性が向上する。

この銅合金線材は、所定長さに切断し、これを冷間鍛造により円板体とし、さらに皿状の金属容器１（図１参照）に加工される。

金属容器１には、図２に示すように、その底部１ａに半導体チップ２がはんだ３付けされダイオード４が作製される。このダイオード４は、図３に示すように、金属容器１部分が銅またはアルミニウム製の放熱板５の穴部５ａに圧入されて半導体装置６が組み立てられる。

本発明において、半導体装置６の金属容器１と放熱板穴部５ａとの間のクリアランスが大きいと金属容器１が振動等により外れやすくなり、また放熱板５への熱伝達が不十分になり放熱量が低下する。逆にクリアランスが小さいと圧入時に金属容器１が変形し、その歪みにより半導体チップ２に割れが生じることがある。本発明では、強度の高い金属容器１を用い、金属容器１と放熱板穴部５ａとの間のクリアランスを小さくするのが好ましい。

本発明において、銅合金線材の切断面に生じる凹凸は冷間鍛造後も残存してダイオード作製時の不具合の原因になることがある。この凹凸は銅合金にＳｉを０．０１〜０．０４質量％程度添加することで小さくすることができる。

本発明の銅合金線材は、ダイオードのリードピンなどの耐熱性および放熱性が要求される電子電気機器用部品に広く用いることができる。

［実施例１］
以下に、本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
本発明で規定するＣｕ−Ｃｒ銅合金を高周波溶解炉により溶解してビレットに鋳造し、このビレットを９００〜１０００℃の温度で丸棒に熱間押出し、直ちに水焼入れし、次いで、前記丸棒を直径７．０ｍｍに冷間伸線し、さらに４００〜５００℃の温度で２時間析出硬化熱処理して銅合金線材を製造した。

次に、前記銅合金線材（横断面円形）を長さ１０ｍｍに切断し、これを冷間鍛造して高さ３ｍｍの円板とし、さらに冷間鍛造して、図１に示す皿状の金属容器１とした。次いでこの皿状の金属容器１の底部１ａに、図２に示すように半導体チップ２をはんだ付けしてダイオード４を作製した。前記はんだ付けはＰｂ−Ｓｎ系はんだおよびＡｕ−Ｓｎ系はんだを用い３００〜３５０℃の温度に加熱して行った。
得られたダイオード４は、図３に示すように銅製の放熱板５の穴部（穴の径は金属容器の外径より０．２〜０．４ｍｍ小さい）５ａに圧入して半導体装置を組み立てた。

前記析出硬化させた銅合金線材について、引張強さ、伸び、導電率を測定した。
引張強さおよび伸びはＪＩＳＺ２２４１に準拠して各３本ずつ測定した。引張強さはその平均値が４００ＭＰａ以上を良好と判定した。伸び（標点距離１００ｍｍ）はその平均値が１０％以上を冷間鍛造性が良好と判定した。導電率（端子間距離１００ｍｍ）は四端子法により２０℃（±１℃）に管理された恒温槽中で各２本ずつ測定し、その平均値が５０％ＩＡＣＳ以上を放熱性が良好と判定した。

前記高さ３ｍｍの円板について耐熱性を下記方法により調べた。
即ち、各円板をＡｒ雰囲気中で４００℃で１時間加熱し、室温まで冷却してサンプルとした。このサンプルのビッカース硬さをＪＩＳＺ２２４４に準拠して測定した。各サンプルの表面５箇所をランダムに測定し、その平均値がＨｖ１３５以上のものは耐熱性が良好と判定した。加熱前のものについても同様にしてビッカース硬さを測定した。

前記半導体装置について、半導体チップの割れの有無を観察した。
各１０個ずつ測定し、１０個とも半導体チップに割れが生じていない場合は金属容器（銅合金線材）の耐熱性が良好、割れが生じた半導体チップが１個でもあれば耐熱性が不良と判定した。

［実施例２］
本発明で規定するＣｕ−Ｃｒ−Ｓｎ銅合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｎ銅合金、またはＣｕ−Ｃｒ−Ｓｎ−Ｚｎ銅合金を用いた他は、実施例１と同じ方法により半導体装置を作製し、実施例１と同じ調査を行った。

［比較例１］
Ｃｒの含有量を本発明規定値外とした他は、実施例１と同じ方法により半導体装置を作製し、実施例１と同じ調査を行った。

［比較例２］
Ｃｒ、ＳｎまたはＺｎの含有量を本発明規定値外とした他は、実施例２と同じ方法により半導体装置を作製し、実施例１と同じ調査を行った。

実施例１、２および比較例１、２の調査結果を表１に示した。従来材（Ｃｕ−Ｚｒ合金）についても同様の調査を行った。結果を表１に併記した。

表１に示すように、本発明例の実施例１、２の銅合金線材は伸びが高い（１０％以上：良好）ため冷間鍛造性に優れ、欠陥のない高品質の金属容器が得られた。また前記金属容器は耐熱性が高い（良好な）ためはんだ付け後も高い硬度（強度）が維持されて、金属容器を放熱板穴部に圧入する際、金属容器が変形して半導体チップに割れが発生することはなかった。

これに対し、比較例１（Ｎｏ．１）と比較例２のＮｏ．２はＣｒの含有量が少ないため耐熱性が低く金属容器を放熱板穴部に圧入する際に半導体チップに割れが生じた。比較例２のＮｏ．３〜６はＳｎ、Ｚｎ、またはＳｎとＺｎの含有量が多いため導電率（放熱性）が低下した。従来材は耐熱性が低いため半導体チップに割れが生じた。

本発明の銅合金線材を用いて製造した皿状の金属容器の実施形態を示す斜視説明図である。前記皿状の金属容器に半導体チップをはんだ付けして作製したダイオードの実施形態を示す側面説明図である。前記ダイオードを放熱板穴部に圧入して半導体装置を組み立てる工程の実施形態を示す側面説明図である。

符号の説明

１皿状の金属容器
１ａ金属容器の底部
２半導体チップ
３はんだ（接合部材）
４ダイオード
５放熱板
５ａ放熱板の穴部
６半導体装置

Claims

Ｃｒ０．２〜１．１質量％を含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金線材であって、伸びが１０％以上、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、冷間鍛造後に４００℃で１時間加熱したときの硬さがＨｖ１３５以上であることを特徴とする半導体収容金属容器用銅合金線材。
Ｃｒ０．２〜１．１質量％を含み、さらにＳｎ０．１〜１．０質量％、Ｚｎ０．１〜１．５質量％のうち１種以上を含み、残部がＣｕと不可避的不純物とからなる銅合金線材であって、伸びが１０％以上、導電率が５０％ＩＡＣＳ以上、冷間鍛造後４００℃で１時間加熱したときの硬さがＨｖ１３５以上であることを特徴とする半導体収容金属容器用銅合金線材。