JP2013057116A

JP2013057116A - 電気・電子部品用銅合金及びその製造方法

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Publication number: JP2013057116A
Application number: JP2011197614A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Kuji; 智也久慈; Noboru Hagiwara; 登萩原
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-28

Abstract

【課題】強度、導電性及び耐熱性の要求特性を満足し、かつ異方性を小さくする。
【解決手段】Ｆｅ２．１重量％以上２．６重量％以下、Ｐ０．０１５重量％以上０．１５重量％以下、Ｚｎ０．０５重量％以上０．２重量％以下を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなる銅合金の鋳塊を、熱間圧延、第一の冷間圧延、第一の熱処理、第二の熱処理、及び第三の冷間圧延して所望の板厚まで加工する銅合金の製造工程において、前記第二熱処理の条件を４２０℃以上４５０℃以下で１０時間以上３０時間以下とし、前記第三の冷間圧延の加工度を６０％以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気・電子部品用銅合金及びその製造方法に係り、特にリードフレーム、コネクタ等の電子・電子部品に好適な電気・電子部品用銅合金及びその製造方法に関するものである。

電子機器に用いられる半導体製品に使用されるリードフレームは多ピン化、薄肉化に伴い、強度、導電性、耐熱性が要求される。また、コネクタも小型化に伴い、同様の特性が要求される。これらの特性を比較的良好に満足する材料としてＣＤＡ１９４００が用いられる（例えば特許文献１）。Ｃ１９４０（規格組成Ｃｕ：９７．０重量％以上、Ｚｎ：０．０５重量％〜０．２０重量％、Ｐｂ：０．０３重量％以下、Ｆｅ：２．１重量％〜２．６重量％、Ｐ：０．０１５重量％〜０．１５重量％）は加工硬化による高強度化とＦｅの析出による耐熱性、導電性の改善により上記要求特性を満たしたものである。

この銅合金の製造方法としては、例えば、規定された成分からなる銅合金の鋳塊を、８００℃〜１０５０℃で熱間圧延した後、第一の冷間圧延をし、９００℃以上の温度で３０秒以上保持後、直ちに５００℃まで毎分１００℃以上の冷却速度で冷却し、更に室温まで冷却し、その後、第二の冷間圧延をし、５５０℃〜６５０℃の温度で３０分〜６時間の焼鈍し、更に４００℃〜５２５℃の温度で１時間〜１０時間の焼鈍をし、加工度７０％〜８５％の第三の冷間圧延をして仕上げる製造方法が挙げられる（特許文献２）。

なお、第一回目の熱処理において銅合金を整粒組織とするために、再結晶粒の平均結晶粒径を３〜６００μｍ、整粒化度を７０％以上とし、これによって加工性に優れた銅合金を得る提案もなされている（特許文献３）。

特公昭５２−２０４０４号公報特許第３７６３２３４号公報特開平１０−２６５８７３号公報

リードフレーム等を成形する場合、一般的には打抜きを利用している。前述のとおり、近年、リードフレームはますます微細化、複雑化し、より高度な打抜き性を要求されている。ところが、例えば、特許文献２記載の製造方法によるＣ１９４０では、最終圧延の加工度を７０％〜８５％と大きくして高強度化させているため、圧延された銅合金中のＣｕ母相中の結晶粒はパンケーキ状である。このような金属組織の機械的性質は面上の方向によって異なる。この性質を異方性という。機械的性質は加工精度などに影響するため、異方性がある材料では面方向で寸法精度などに差が生じやすくなる。なお、特許文献３記載の製造方法は、結晶粒径の観点から改善を図ったものであって、結晶粒の形状に着目したものではない。

本発明の目的は、結晶粒径ではなく結晶粒の形状に着目することによって、上述した問題点を解消し、強度の要求特性を満足し、かつ異方性を低減することが可能な電気・電子部品用銅合金及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、Ｆｅ２．１重量％以上２．６重量％以下、Ｐ０．０１５重量％以上０．１５重量％以下、Ｚｎ０．０５重量％以上０．２重量％以下を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなり、
引張強さ５２０ＭＰａ以上、ビッカース硬さ１５０Ｈｖ以上であり、かつＣｕ母相の結晶粒が等軸状であることを特徴とする電気・電子部品用銅合金が提供される。

さらに導電率６０％ＩＡＣＳ以上であり、４５０℃で５分間加熱した後も前記ビッカース硬さが１４０Ｈｖ以上であることが好ましい。

本発明の他の態様によれば、Ｆｅ２．１重量％以上２．６重量％以下、Ｐ０．０１５重量％以上０．１５重量％以下、Ｚｎ０．０５重量％以上０．２重量％以下を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなる銅合金の鋳塊を、熱間圧延、第一の冷間圧延、第一の熱処理、第二の熱処理、及び第三の冷間圧延して所望の板厚まで加工する銅合金の製造工程において、
前記第二の熱処理の条件を４２０℃以上４５０℃以下で１０時間以上３０時間以下とし、
前記第三の冷間圧延の加工度を６０％以下とすることを特徴とする電気・電子部品用銅合金の製造方法が提供される。

本発明によれば、強度の要求特性を満足し、かつ異方性を低減できる。

本発明の一実施形態における銅合金の製造工程フローの説明図である。本発明の一実施形態における第二の熱処理におけるビッカース硬さの熱処理時間依存性を評価した結果である。本発明の一実施形態における最終冷間圧延後におけるビッカース硬さの加工度依存性を評価した結果である。本発明の一実施形態における最終冷間圧延後における導電率の第二の熱処理時間依存性を評価した結果である。金属組織の観察断面を示す模式図である。実施例４の断面組織である。比較例の断面組織である。

本発明の実施の形態について述べる。

［実施の形態の銅合金］
本発明の実施の形態の電気・電子部品用銅合金の成分は、Ｆｅ２．１重量％以上２．６重量％以下、Ｐ０．０１５重量％以上０．１５重量％以下、Ｚｎ０．０５重量％以上０．２重量％以下を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなることを特徴とする。

１．銅合金の成分
本実施の形態において、銅合金を構成する成分について添加の理由と限定理由を以下に説明する。

（１）Ｆｅ、Ｐ、Ｚｎ
Ｃ１９４０の規格成分である。本発明の実施の形態における規定範囲はこれに従ったものである。

（２）他の元素成分
本発明の実施の形態における銅合金は基本的にＣ１９４０の規格成分である。また、不純物として混入することを避けられない元素として、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃ、Ｏがある。これは原料や脱酸剤等に含有される元素であり、鋳造時等に混入する可能性がある元素である。これらの元素は０．１重量％以下では、本発明の実施の形態のかなめである高強度、かつＣｕ母相の結晶粒を等軸状にすること、また規定の特性を満たすこと、に悪影響を与えるものではなく、不可避的不純物として許容してよい範囲である。

２．銅合金の特性
また、本発明の実施の形態における銅合金の特性は、引張強さ５２０ＭＰａ以上、ビッカース硬さ１５０Ｈｖ以上であることを特徴とする。本実施の形態において、この銅合金の特性の限定理由を以下に説明する。

（１）引張強さ、伸び、ビッカース硬さ
本発明の実施の形態のターゲットは高強度が要求される用途の銅合金であり、ＥＳＨ、ＳＳＨと呼ばれる質別に関するものである。ＪＩＳ規定において、Ｃ１９４０のＥＳＨの引張強さ５０５ＭＰａ以上５９０ＭＰａ以下、ビッカース硬さ１４５Ｈｖ以上１７０Ｈｖ以下である。本実施の形態では規定範囲を満たすものである。

（２）導電率
リードフレーム等に用いられる電気・電子部品用銅合金は必然的に高い導電率が要求される。Ｃ１９４０の場合、一般的に６０％ＩＡＣＳ以上を要求されており、本実施の形態における規定範囲はこれに従ったものである。

（３）耐熱性
リードフレーム等は前述のとおり打抜き成形される。この打抜き成形によって銅合金板にひずみが蓄積される。異方性をもつ材料は方向によって機械的特性が異なるため、ひずみが開放されたときの向きによって変形挙動が変わる。例えば、リードフレームのアウターリードを打ち抜きで、その後エッチング処理でインナーリードを成形する場合、エッチング処理でひずみが開放され、ピンの向きなどによって、変形の仕方が異なる。これを防ぐために、打抜き加工の後にひずみ取り焼鈍される。しかし、耐熱性が低い、すなわち熱処理によって軟化する割合が大きい銅合金では強度不足のため、ピンの形状安定性が低下する。よって、Ｃ１９４０には耐熱性が要求される。Ｃ１９４０に要求される耐熱性は４５０℃で５分熱処理した後のビッカース硬さ１４０Ｈｖ以上である。本発明の実施の形態における規定範囲はこれに従ったものである。

３．銅合金の金属組織
本発明の実施の形態における銅合金の金属組織の形態は、Ｃｕ母相の結晶粒が等軸状であることを特徴とする。等軸状結晶粒とはＣｕ母相の結晶粒において結晶粒の長軸ａと短軸ｂの比ａ／ｂが０．８以上（１以下）である。結晶粒を等軸状に制御することで、ＲＤとＴＤの異方性を小さくすることができる。したがって、リードフレーム等を打ち抜きによって形成する場合、向きによって打ち抜き形成時の寸法精度等を改善できる。

４．実施の形態の銅合金の効果
本実施の形態によれば、リードフレーム等に用いられるＣ１９４０について、引張強さ５２０ＭＰａ以上、ビッカース硬さ１５０Ｈｖ以上であるので、強度の要求特性を満足できる。また、Ｃｕ母相の結晶粒が等軸状であるので、異方性を低減できる。

また、導電率が６０％ＩＡＣＳ以上あると、導電性の要求特性を満足できる。さらに、４５０℃で５分間加熱した後も前記ビッカース硬さが１４０Ｈｖ以上あると、耐熱性の要求特性を満足できる。

［実施の形態の銅合金の製造方法］
１．実施の形態に係る銅合金の製造工程
図１に本発明の一実施の形態に係る銅合金の製造工程フローの一例を示す。まず、Ｆｅ２．１重量％以上２．６重量％以下、Ｐ０．０１５重量％以上０．１５重量％以下、Ｚｎ０．０５重量％以上０．２重量％以下を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなる前述の銅合金組成を有する鋳塊を、溶解・鋳造により形成する（ステップ１）。この形成された鋳塊を、熱間圧延（ステップ３）、第一の冷間圧延（ステップ５）、第一の熱処理（ステップ７）、必要に応じて第二の冷間圧延（ステップ８）、第二の熱処理（ステップ９）、第三の冷間圧延（ステップ１１）、必要に応じて第三の熱処理（ステップ１２）の工程を経て所望の板厚まで加工する。第二の熱処理（ステップ９）として４２０℃以上４５０℃以下で１０時間以上３０時間以下時効し、最後に第三の冷間圧延（ステップ１１）で所望の板厚まで圧延して板状の銅合金を得る。このとき最後の第三の冷間圧延の加工度を６０％以下とする。

第二の熱処理の温度を４２０℃以上４５０℃以下とし、従来よりも低い熱処理温度にすることで導電率を向上させ、且つ、第三の冷間圧延の加工度を低く抑えることができる。しかも、第二の熱処理を４２０℃以上４５０℃以下、１０時間以上３０時間以下で実施することで、強度、導電性、耐熱性の要求特性を満足することができる。また、第三の冷間圧延の加工度を６０％以下と小さくしているため、圧延された銅合金中のＣｕ母相中の結晶粒は等軸状である。これによって、ＲＤとＴＤの異方性を小さくできる。これによって、打抜き成形時の面上で寸法精度が異なるなどという不具合が低減できる。

上述した第二の熱処理と第三の冷間圧延以外は特許文献２に準じる。このため、以下に第二の熱処理及び第三の冷間圧延についてのみ詳細に説明する。

（１）第二の熱処理
本発明において最も重要なポイントがこの第二の熱処理である。第一の熱処理において、十分な耐熱性を得たことを前提に、従来よりも低い熱処理温度にすることで導電率を向上させ、かつ、最後の冷間圧延の加工度を低く抑えることができる。

第二の熱処理は４２０℃以上４５０℃以下で１０時間以上３０時間以下とする。４２０℃未満の熱処理温度では３０時間の熱処理でも導電率は十分に向上しない（実施例３、図４参照）。一方、４５０℃より高い熱処理温度では１０時間の熱処理でも銅合金が軟化し（実施例１、図２参照）、最後の第三の冷間圧延において６０％よりも高い加工度で加工しなければならなくなる（実施例２、図３参照）。

一方、熱処理時間の長時間化は製造リードタイム、コストの増加につながるため、３０時間より長い熱処理時間は好ましくなく、また、１０時間未満の熱処理ではより析出が進行する４３０℃でも十分な導電率が得られない（実施例３、図４参照）。このため、本実施の形態では第二の熱処理を４２０℃以上４５０℃以下で１０時間以上３０時間未満、好ましくは４３０℃以上４５０℃以下で１５時間以上２０時間以下とする。

なお、第一の熱処理と第二の熱処理の間に第二の冷間圧延工程（ステップ８）を追加しても良い。冷間圧延工程を加えることで、析出の駆動力を増大させることができ、より短時間で導電率を向上させることができる。

（２）最後の冷間圧延
前記時効後、冷間圧延を６０％以下の加工度で冷間加工する。６０％より大きい加工度ではＣｕ母相の結晶粒が加工されてパンケーキ状となり、銅合金板の異方性の原因となる。冷間圧延の加工度は好ましくは４０％以上６０％以下である（実施例２、図３参照）。この範囲に限定することで、Ｃｕ母相中の結晶粒を等軸状に保ちつつ、安定してより高い強度を得ることができる。なお、更にこの後に、伸びの向上や歪除去のために低温焼鈍である第三の熱処理（ステップ１２）を行っても良い。
２．実施の形態の銅合金の製造方法の効果
（１）本実施の形態によれば、第二の熱処理を４２０℃以上４５０℃以下で１０時間以上３０時間未満、好ましくは４３０℃以上４５０℃以下で１５時間以上２０時間以下とするので、製造リードタイム、コストの増加を抑え、強度、導電性、耐熱性の要求特性を満足することができる。
（２）また、第三の冷間圧延の加工度を６０％以下とするので、銅母相中の結晶粒を等軸状に保ち、異方性を小さくできる。したがって、圧延方向（ＲＤ）と横断方向（ＴＤ）の組織形態が同じになり、向きによって打ち抜き成型時の寸法精度が異なる等を解消でき、よりリードフレームへの成型を容易にできる。

本発明は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常に知識を有する者により可能である。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。表１に、後述する実施例１〜実施例４の条件、結果をまとめて示した。

（実施例１）
重量％にして２．１％Ｆｅ、０．０２％Ｐ、０．０１３％Ｚｎを含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅合金を高周波誘導型炉で溶解後、銅製鋳型で半連続鋳造し、横断面２００ｍｍ×４５０ｍｍ、長さ４０００ｍｍの直方体の鋳塊を作製した。この鋳塊を所定温度の炉にて９５０℃の温度で保温した後、熱間圧延した。

その後、鋳塊の一部を切り分けた後、表面をそれぞれ２ｍｍ面作し、２．５ｍｍまで冷間圧延した（第一の冷間圧延）。冷間圧延した銅合金板に対して第一の熱処理として７００℃の塩浴に３分間浸漬させた。３分経過後は直ちに水冷した。

次に０．７６ｍｍまで冷間圧延し（第二の冷間圧延）、その後第二の熱処理を実施した。この銅合金に対する第二の熱処理として、４２０℃の塩浴に１〜４３時間浸漬させたもの及び４５０℃の塩浴に１〜３０時間浸漬させたものを作製した。この供試材を用いて、ビッカース硬さの第二の熱処理時間の依存性を評価した。

この結果を図２に示す。４５０℃では、熱処理前に１５５Ｈｖであったビッカース硬さが、９時間で１１９Ｈｖまで軟化しているのに対し、４５０℃より低温の４２０℃では４３時間でも１３６Ｈｖを維持している。この結果は、より低温で第二の熱処理を実施することで、最後の冷間圧延において低加工度でも高強度化できることを示している。逆により高温で第二の熱処理を実施すると、最後の冷間圧延工程において低加工度では高強度化できないことを示している。

（実施例２）
上述した実施例１では、より低温で第二の熱処理を実施することで、最後の冷間圧延において低加工度でも高強度化できることがわかった。したがって、４２０℃よりも高い４５０℃で９時間の第二の熱処理を実施した場合において、１５０Ｈｖを得るための最後の
冷間圧延での低加工度限界がわかれば、好適な第二の熱処理条件がわかることになる。実施例２は、この低加工度限界を見出すために行ったものである。

実施例２では、実施例１と同様の工程にて０．７６ｍｍまで冷間圧延（第二の冷間圧延）したものに対して、第二の熱処理を４５０℃×９時間として実施して得た銅合金に対して、最後の冷間圧延をした（第三の冷間圧延）。このとき、最後の冷間圧延の加工度を１０〜７９％に変化させた（板厚０．６８ｍｍ〜０．１６ｍｍ）。このときのビッカース硬さの変化量について加工度の依存性を評価した。
この結果を図３に示す。４５０℃×９時間で１１９Ｈｖまで軟化している場合において、最後の冷間圧延加工度４０％でも十分にビッカース硬さ１５０Ｈｖ（＞１５４Ｈｖ＝１１９Ｈｖ＋３５Ｈｖ）が得られることがわかった。

また、図２において、第二の熱処理を４５０℃×３０時間として実施したことにより、さらに軟化しているビッカース硬さ１１５Ｈｖの銅合金に対しても、最後の冷間圧延を加工度４０％以上６０％以下で実施した場合に、ビッカース硬さ１５０Ｈｖ（＝１１５Ｈｖ＋３５Ｈｖ）が得られることが推測される。

これより第二の熱処理の温度条件は、導電性やリードタイム、コストを考慮しなければ、４５０℃以下では９時間以上、４２０℃以上では４３時間以下、第三の冷間圧延の加工度４０％以上であれば、所望のビッカース硬さ１５０Ｈｖが得られることがわかった。

（実施例３）
実施例１と同様の工程にて０．７６ｍｍまで冷間圧延（第二の冷間圧延）したものに対して、第二の熱処理として、４２０℃の塩浴に１〜４３時間浸漬させたもの、又は４５０℃の塩浴に１〜３０時間浸漬させたものを作製した。これを最後の冷間圧延で０．３４ｍｍまで圧延し（加工度５５％）、導電率を評価し、最後の冷間圧延後における導電率の第二の熱処理時間の依存性を評価した。
この結果を図４に示す。６０％ＩＡＣＳの導電率を得るためには、データ内挿から、４５０℃で約１４時間、４２０℃で約３０時間の第二の熱処理時間が必要であることがわかった。

（実施例４）
重量％にして２．１％Ｆｅ、０．０２％Ｐ、０．０１３％Ｚｎ、０．０８％Ｓｎを含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅合金を高周波誘導炉で溶解後、銅製鋳型で半連続鋳造し、横断面２００ｍｍ×４５０ｍｍ、長さ４０００ｍｍの直方体の鋳塊を作製した。ここの鋳塊の一部を切り分けた後、表面をそれぞれ２ｍｍ面作し、２．５ｍｍまで冷間圧延した（第一の冷間圧延）。

冷間圧延した銅合金板に対して第一の熱処理として６００℃の塩浴に３分間浸漬させた。３分経過後、直ちに水冷した。次に０．２５ｍｍまで冷間圧延し（第二冷間圧延）、その後第二の熱処理を実施した。第二の熱処理は４２０℃の塩浴に３０時間浸漬させた。所定時間浸漬させた後、直ちに水冷した。その後、最後の冷間圧延にて０．１５ｍｍまで圧延した。最後の冷間圧延の加工度は４０％である。その後３５０℃の塩浴に浸漬させて１分間保持した（第三の熱処理）。

こうして作製した供試材の機械的・電気的特性として引張強さ、ビッカース硬さ、導電率を評価した。また耐熱性として、供試材を４５０℃の塩浴に５分浸漬させ、その後のビッカース硬さを評価した。また、この銅合金のＲＤ−ＴＤ断面における結晶粒の形状を観察した。図５に、銅合金板１５の観察面を示す模式図を記す。本実施例における銅合金板の特性は引張特性５３８ＭＰａ、導電率６２％ＩＡＣＳ、ビッカース硬さ１６５Ｈｖであ
り、耐熱試験後のビッカース硬さは１４３Ｈｖであった。また、結晶粒の形状を観察した結果、実施例の銅合金の断面組織は図６に示したように等軸状であった。

したがって、実施例４で得られた銅合金は、引張強さ５２０ＭＰａ以上、ビッカース硬さ１５０Ｈｖ以上、導電率６０％ＩＡＣＳ以上、４５０℃で５分間加熱した後も前記ビッカース硬さが１４０Ｈｖ以上で、かつＣｕ母相の結晶粒が等軸状のいずれの要件を全て満足した。

（比較例）
実施例と同一組成、同一工程の熱間圧延材（面削済み）を母材として、第一の冷間圧延により板厚２．５ｍｍとした。次に、材料の最高温度が最大９５０℃になるように制御しながら、連続焼鈍炉の加熱帯中に銅板を走行させた（第一の熱処理）。加熱帯に続いて、冷却帯及び水冷プールを通過させて急冷させて溶体化処理した。更に表面及び裏面を研磨した後、第二の冷間圧延により板厚０．７ｍｍとした。

次に、電気炉を用いて窒素ガス雰囲気中で６００℃の温度で２時間焼鈍し（第二の熱処理）、炉冷にて室温まで下げた。比較例についても表１に焼鈍条件を示す。次に、第三の冷間圧延により板厚０．１５ｍｍとした（加工度７９％）。その後３５０℃の塩浴に浸漬させて１分間保持した（第三の熱処理）。

比較例における銅合金板の特性は引張特性５４４ＭＰａ、導電率６２％ＩＡＣＳ、ビッカース硬さ１５７Ｈｖであり、耐熱試験後のビッカース硬さは１４３Ｈｖであり、実施例４とほぼ同等であった。しかし、比較例の銅合金の断面組織は図７に示したように、異方性を呈するパンケーキ状であった。

１５銅合金板

Claims

Ｆｅ２．１重量％以上２．６重量％以下、Ｐ０．０１５重量％以上０．１５重量％以下、Ｚｎ０．０５重量％以上０．２重量％以下を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなり、
引張強さ５２０ＭＰａ以上、ビッカース硬さ１５０Ｈｖ以上であり、かつＣｕ母相の結晶粒が等軸状であることを特徴とする電気・電子部品用銅合金。
請求項１に記載の電気・電子部品用銅合金において、さらに導電率６０％ＩＡＣＳ以上であり、４５０℃で５分間加熱した後も前記ビッカース硬さが１４０Ｈｖ以上であることを特徴とする電気・電子部品用銅合金。
Ｆｅ２．１重量％以上２．６重量％以下、Ｐ０．０１５重量％以上０．１５重量％以下、Ｚｎ０．０５重量％以上０．２重量％以下を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなる銅合金の鋳塊を、熱間圧延、第一の冷間圧延、第一の熱処理、第二の熱処理、及び第三の冷間圧延して所望の板厚まで加工する銅合金の製造工程において、
前記第二熱処理の条件を４２０℃以上４５０℃以下で１０時間以上３０時間以下とし、
前記第三の冷間圧延の加工度を６０％以下とすることを特徴とする電気・電子部品用銅合金の製造方法。