JP2014189856A

JP2014189856A - Ｌｅｄのリードフレーム用銅合金板条

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Publication number: JP2014189856A
Application number: JP2013067467A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Miwa; 洋介三輪; Yasushi Masago; 靖真砂; Masayasu Nishimura; 昌泰西村; Hideki Matsushita; 秀輝松下
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-06
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: JP6026935B2

Abstract

【課題】Ｃｕ−Ｆｅ系銅合金板条からなるリードフレームの導電率及び熱伝導率を向上させ、ＬＥＤパッケージの放熱性を改善する。リードフレームの表面に形成したＡｇめっき反射膜の反射率を向上させ、高輝度化したＬＥＤパッケージを提供する。
【解決手段】Ｆｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１〜０．２０ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％を含み、残部が実質的にＣｕ及び不可避不純物からなるＣｕ−Ｆｅ系銅合金板条。圧延垂直方向の表面粗さが、Ｒａ：０．２μｍ以下、Ｒｚ_ＪＩＳ：１．２μｍ以下、Ｒｚ：１．５μｍ以下であり、圧延平行方向の平均長さが２〜１００μｍ、圧延垂直方向の平均長さが１〜３０μｍ、圧延平行方向に沿った最大深さが４００ｎｍ以下の凹みが表面に密集して形成されている。Ｒａは算術平均粗さ、Ｒｚ_ＪＩＳは十点平均粗さ、Ｒｚは最大高さ粗さである。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、ＬＥＤのリードフレームとして用いられる銅合金板条（板及び条）に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）を光源とする発光装置が、省エネルギーかつ長寿命であることから、広範囲の分野に普及している。ＬＥＤ素子は熱伝導性及び導電性に優れる銅合金リードフレームに固定され、パッケージに組み込まれている。ＬＥＤ素子から発光される光を効率良く取出すため、銅合金リードフレームの表面に反射膜としてＡｇめっき被膜が形成されている。ＬＥＤ用リードフレームの銅合金として、強度：４５０Ｎ／ｍｍ^２、導電率：７０％ＩＡＣＳ程度のＣ１９４が多く用いられている（特許文献１，２参照）。

ＬＥＤパッケージを高輝度化するには、ＬＥＤ素子自体を高輝度化する方法とＡｇめっきを高品質化（高反射率化）する方法がある。しかし、ＬＥＤ素子の高輝度化は限界に近く、わずかに高輝度化するだけで素子コストが大幅にアップする。そのため、近年、Ａｇめっきの高反射率化への要求が強くなっている。
一方、主として照明用として用いられる高輝度ＬＥＤは発熱量が意外に大きく、この熱がＬＥＤ素子自体や周りの樹脂を劣化させ、ＬＥＤの特長である長寿命を損ねかねないことから、ＬＥＤ素子の放熱対策が重要視されている。この放熱対策の１つとして、前述のＣ１９４よりさらに高い導電率（熱伝導率）のＬＥＤリードフレームが求められている。

特開２０１１−２５２２１５号公報特開２０１２−８９６３８号公報（段落００５８）

本発明は、ＬＥＤパッケージの放熱対策の一環としてＣ１９４より高い導電率を有するＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金をリードフレームの素材として用い、表面に形成したＡｇめっき反射膜の反射率を向上させ、ＬＥＤパッケージの高輝度化を図ることを目的とする。

本発明は、表面形態を調整してＡｇめっき反射膜の反射率を向上させたＬＥＤのリードフレーム用Ｃｕ−Ｆｅ系銅合金板条（板及び条）に係り、Ｆｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１〜０．２０ｍａｓｓ％）、Ｚｎ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％を含み、残部がＣｕおよび不可避不純物からなり、圧延垂直方向の表面粗さが、Ｒａ：０．２μｍ以下、Ｒｚ_ＪＩＳ：１．２μｍ以下、Ｒｚ：１．５μｍ以下であり、圧延平行方向の平均長さが２〜１００μｍ、圧延垂直方向の平均長さが１〜３０μｍ、圧延平行方向に沿った最大深さが４００ｎｍ以下の凹みが表面に密集して形成されていることを特徴とする。なお、Ｒａは算術平均粗さ、Ｒｚ_ＪＩＳは十点平均粗さ、Ｒｚは最大高さ粗さである。
上記銅合金は、必要に応じてＣｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ａｇの１種又は２種以上を合計で０．３ｍａｓｓ％以下含む。

本発明によれば、高い導電率（熱伝導率）を有するリードフレームが放熱経路となり、ＬＥＤパッケージの放熱性を向上させることができる。また、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金板条からなるリードフレームの表面に形成したＡｇめっき反射膜の反射率を向上させ、ＬＥＤパッケージの高輝度化を実現できる。

本発明に係る銅合金板条の表面形態を示す模式図である。本発明に係る銅合金板条の圧延平行方向のＡＦＭプロファイルの一例である。本発明に係る銅合金板条の圧延垂直方向のＡＦＭプロファイルの一例である。

続いて、図１〜３を参照しつつ、本発明についてより具体的に説明する。
（銅合金の化学組成）
本発明に係る銅合金は、Ｆｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１〜０．２０ｍａｓｓ％）、Ｚｎ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％を含み、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなり、必要に応じてＣｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ａｇの１種又は２種以上を合計で０．３ｍａｓｓ％以下含み、。

上記銅合金において、ＦｅはＰと化合物を形成し、強度及び導電率特性を向上させる役割がある。しかし、０．５ｍａｓｓ％を超えて含有すると、銅合金の導電率及び熱伝導率の低下を引き起こす。また、０．０１ｍａｓｓ％未満では、ＬＥＤ用リードフレームとしての強度が得られない。一方、Ｐは０．２ｍａｓｓ％を超えて含有すると、銅合金の導電率及び熱伝導率を劣化させ、０．０１ｍａｓｓ％未満であると、ＬＥＤ用リードフレームとして必要な強度が得られない。

Ｚｎは、はんだの耐熱剥離性を向上させる働きがあり、ＬＥＤパッケージを基盤に組み付ける際のはんだ接合信頼性を維持する役割がある。このＺｎは０．０１ｍａｓｓ％未満では、はんだの耐熱剥離性を満足させるには不十分であり、１．０ｍａｓｓ％を超えて含有すると銅合金の熱伝導性及び導電性が劣化する。
Ｓｎは銅合金の強度の向上に寄与するが、０．０１ｍａｓｓ％未満では、十分な強度が得られない。また、Ｓｎを０．１５ｍａｓｓ％を超えて含有すると、銅合金の導電率及び熱伝導率を劣化させてしまう。

Ｃｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ａｇは、銅合金の強度、耐熱性を向上させ、さらに製造時の熱間圧延性を向上させる作用もある。これらの元素を銅合金に添加して前記作用を得るには、合計で０．０２ｍａｓｓ％以上含有させることが望ましい。しかし、これらの成分は、合計で０．３ｍａｓｓ％を超えて含有すると熱伝導性及び導電率を劣化させてしまう。

（銅合金板条の表面形態）
反射膜としてのＡｇめっき膜の反射特性の向上には、基材である銅合金板状の表面形態が影響する。銅合金板条の圧延平行方向に沿って、その表面全面に無数の細かい凹みを密集して形成することにより、素子から発せられる光を均一に分散して反射させ、反射率を向上させることが可能となる。
このときの銅合金板条の圧延垂直方向の表面粗さは、算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下、十点平均粗さＲｚ_ＪＩＳが１．２μｍ以下、最大高さ粗さＲｚが１．５μｍ以下であることが必要である。Ｒａが０．２μｍを超えると、Ａｇめっき膜による光の反射の方向性を無くし、かつ光を均一散乱させるのに十分でなく、反射率を向上させることができない。また、Ｒｚ_ＪＩＳが１．２μｍを超え、又はＲｚが１．５μｍを超えたときも、同様に十分な反射率が得られない。

銅合金板条の表面に密集して存在する凹みは、圧延平行方向の平均長さが２〜１００μｍ、圧延垂直方向の平均長さが１〜３０μｍ、圧延平行方向に沿った最大深さが４００ｎｍ以下であることが必要である。図１の模式図に示すように、この凹み１は銅合金板条の表面に文字どおり密集して存在し、後述するＡＦＭプロファイルの山がその境界となる。
圧延平行方向の平均長さが２μｍ未満、又は１００μｍを超える場合、Ａｇめっき膜による光の均一散乱が十分でなく、高い反射率が得られない。凹みの圧延平行方向の平均長さは好ましくは８〜５０μｍ、より好ましくは１０〜３０μｍである。また、凹みの圧延垂直方向の平均長さが１μｍ未満、又は３０μｍを超えるときも、Ａｇめっき膜による光の均一散乱が十分でなく、高い反射率が得られない。凹みの圧延垂直方向の平均長さは好ましくは３〜１５μｍ、より好ましくは４〜１０μｍ、圧延平行方向に測定した凹みの深さが４００ｎｍを超えた場合も、Ａｇめっき膜による光の均一散乱が十分でなく、高い反射率が得られない。凹みの深さは好ましくは５０〜２００ｎｍ、より好ましくは７０〜１５０ｎｍである。

本発明に係る銅合金はＦｅ、Ｐを含むことから、板条の最表面にＦｅ、Ｆｅ−Ｐ又はＦｅ−Ｐ−Ｏなどの粒子が露出する。これらの粒子の露出部分の粒径（外接円の直径）が５μｍを超えた場合、又は露出部分の粒径が１μｍ以上のものが２０００個／ｍｍ^２を超えて存在する場合、突起や未着等のＡｇめっき欠陥が発生する可能性がでてくる。従って、本発明に係る銅合金板条において、最表面に露出するＦｅ、Ｆｅ−Ｐ又はＦｅ−Ｐ−Ｏなどの粒子の露出部分の粒径は５μｍ以下とし、かつ露出部分の粒径が１μｍ以上のものが２０００個／ｍｍ^２以下であることが望ましい。

（銅合金板条の製造方法）
Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金板条は、通常、鋳塊を面削後、熱間圧延し、熱間圧延後急冷し又は溶体化処理し、続いて冷間圧延及び析出焼鈍を行った後、仕上げ冷間圧延を行って製造されている。冷間圧延及び析出焼鈍は必要に応じて繰り返し、仕上げ冷間圧延後に必要に応じて低温焼鈍が行われる。本発明に係る銅合金板条の場合も、この製造工程自体を大きく変更する必要はない。一方、粗大なＦｅ、Ｆｅ−Ｐ又はＦｅ−Ｐ−Ｏ粒子は、主として溶解鋳造時及び熱間圧延時に形成されるため、適切な溶解鋳造及び熱間圧延の条件を選択する必要がある。具体的には下記のとおりである。
溶解鋳造において、１２００℃以上の銅合金溶湯にＦｅを添加して溶解し、以後も溶湯温度を１２００℃以上に保って鋳造する。鋳塊の冷却は、凝固時（固液共存時）及び凝固後とも、１℃／秒以上の冷却速度で行う。そのためには、連続鋳造又は半連続鋳造の場合、鋳型内の一次冷却、鋳型直下の二次冷却を十分効かせる必要がある。熱間圧延では、均質化処理を９００℃以上、望ましくは９５０℃以上で行い、その温度で熱間圧延を開始し、熱間圧延終了温度を６５０℃以上、望ましくは７００℃以上とし、熱間圧延終了後直ちに大量の水で３００℃以下まで急冷する。

本発明に係る銅合金板条の表面形態（表面粗さ、凹部）は、仕上げ冷間圧延において、圧延ロールの表面形状を銅合金板条に転写することにより形成される。いいかえれば、圧延ロールは、その表面に前記表面形態に対応する微細なダル目模様を有する必要がある。この圧延ロールとして、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）等の窒化ケイ素系のロールが使用される。このロールを回転及び軸方向に平行に移動させながら、その表面にダイヤモンド砥粒の超砥粒ホイールを同方向に回転させて押し付け（接触面の移動方向は逆）、ロールの表面を研削し、ダル目模様を形成する。ダイヤモンド砥粒の粒度及び分布密度、超砥粒ホイールの押し付け力、ロールの回転速度及び移動速度を変更することで、ロールの表面に粗さ（長さ、幅、高さ）の異なる微細な凹凸、すなわちダル目模様を形成することができる。

仕上げ冷間圧延では、ロール径が２０〜１００ｍｍ程度のロールを用い、１パス又は複数パスの通板の合計で２０〜７０％の冷間加工を行う。複数パスの通板を行う場合、１パス目のサイアロンロールのダル目を、２パス目以降のロールのダル目より粗くし、２パス目以降の圧延速度を、１パス目の圧延速度よりも遅くすることが望ましい。圧延速度が遅い方がロールのダル目が銅合金板条の表面によく転写され、ロール径が小さい方が安定した転写が行える。また、窒化ケイ素系のロールは材質が固く変形しにくいため、ロールのダル目模様が銅合金板条の表面によく転写されると考えられる。現時点では、超砥粒ホイールで表面を研削した窒化ケイ素系のロールを用いて仕上げ冷間圧延を行うことでしか、本発明に規定する表面形態（特に密集して形成された凹部）を有する銅合金板条は得られていない。

表１，２に示す組成の銅合金を小型電気炉で大気中にて木炭皮膜下で溶解し、厚さ５０ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍの鋳塊を溶製した。作製した上記鋳塊の表・裏面を各５ｍｍ面削した後、９５０℃で熱間圧延を行い、厚さ１２ｍｍｔの板材とし、急冷した。この板材の表・裏面をそれぞれ約１ｍｍ面削した。これらの板材について、冷間圧延と５００〜５５０℃×２〜５時間の析出焼鈍を繰返し行った後、表面にダル目模様を形成した直径５０ｍｍのサイアロンロール（Ｎｏ．３０のみダル目模様のない通常のハイスロール）を用い、４０％の加工率で仕上げ冷間圧延を行い、厚さ０．２ｍｍの銅合金条を作製し、供試材とした。

作製した供試材を用いて、引張強度、導電率、表面に露出した粒子の粒径及び密度、表面粗さ及び凹み形状の各測定試験を下記要領で行った。測定結果を表１〜４に示す。ただし、Ｎｏ．１４〜１９，３０〜３７の引張強度、導電率、表面に露出した粒子の粒径及び密度については、Ｎｏ．１と同じ値であるとみなし、測定試験自体を省略した。
（引張強度の測定）
供試材から長手方向を圧延方向に平行としてＪＩＳ５号試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１の規定に準拠して引張試験を行い、引張強度を測定した。引張強度は４５０Ｎ／ｍｍ^２以上を合格とした。
（導電率の測定）
導電率はＪＩＳＨ０５０５の規定に準拠して測定した。導電率は８０％ＩＡＣＳ以上を合格とした。

（表面に露出した粒子粒径及び密度の測定）
作製した供試材を用い、×２０００倍にて表面のＳＥＭ観察を行い、１００μｍ×１００μｍの範囲で、粒径（外接円直径）が１μｍ以上のＦｅ、Ｆｅ−Ｐ又はＦｅ−Ｐ−Ｏ粒子又は介在物の個数をカウントし、１ｍｍ^２あたりの個数を算出した。また、同範囲における前記粒子又は介在物の最大粒径を測定した。

（表面粗さの測定）
作製した供試材を用い、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）にて圧延垂直方向に供試材の表面状態を観察し、表面粗さ曲線（ＡＦＭプロファイル）を求め、該ＡＦＭプロファイルからＲａ（算術平均粗さ）、Ｒｚ_ＪＩＳ（十点平均粗さ）及びＲｚ（最大高さ粗さ）を求めた。圧延垂直方向のＡＦＭプロファイルの一例を図３に示す。

（凹み形状の測定）
凹みの圧延平行方向の平均長さ及び深さは、圧延平行方向のＡＦＭプロファイルから求めた。圧延平行方向のＡＦＭプロファイルの一例を図２に示す。図２に示すように、銅合金板表面の一般的な粗さ曲線とは異なり、明確な凹みが圧延平行方向に連続して形成されている。また、凹みの圧延垂直方向の平均長さは、圧延垂直方向のＡＦＭプロファイル（図３参照）から求めた。ＡＦＭプロファイルの測定長さは５００μｍとした。
凹みの長さはＡＦＭプロファイルの隣接する山頂間の距離であり、圧延平行方向及び圧延垂直方向とも、ＡＦＭプロファイルから求めたＲｓｍ（輪郭曲線要素の平均長さ）を凹みの平均長さとみなした。凹みの深さはＡＦＭプロファイルの隣接する山頂と谷底間の距離とし、その最大値を凹みの最大深さとした。

続いて、作製した供試材に対し下記条件でＡｇめっきを行い、下記要領でＡｇめっき欠陥の有無の観察、耐熱剥離性試験、及び反射率の測定を行った。測定結果を表１〜４に示す。
（Ａｇめっき条件）
各供試材について、電解脱脂（５Ａｄｍ^２×６０ｓｅｃ）、酸洗（２０ｍａｓｓ％硫酸×５ｓｅｃ）を行い、０．１〜０．２μｍの厚さのＣｕフラッシュめっきを行った後、厚さ２．５μｍのＡｇめっきを行った。Ａｇめっき液の組成は下記のとおりである。Ａｇ濃度：８０ｇ／Ｌ、遊離ＫＣＮ濃度：１２０ｇ／Ｌ、炭酸カリウム濃度；１５ｇ／Ｌ、添加剤（商品名：Ａｇ２０−１０Ｔ（メタローテクノロジーズＳＡ製））：２０ｍｌ／Ｌ。

（Ａｇめっき欠陥の有無）
Ａｇめっき表面をＳＥＭ観察し、１ｍｍ^２の範囲のＡｇめっき欠陥（めっき未着、突起）の有無を評価した。
（耐熱剥離性）
各供試材から短冊状試験片を採取し、はんだ付け後、１５０℃×１０００Ｈｒ保持し、曲げ戻しした際のはんだの剥離状況を確認した。はんだが剥離しなかったものを○（合格）、剥離したものを×（不合格）と評価した。
はんだ付けは、Ｓｎ−３ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕはんだを使用し、浴温２６０±５℃、浸漬時間５ｓｅｃにて行った。
（反射率の測定）
コニカミノルタ株式会社製の分光測色計ＣＭ−６００ｄを用いて、全反射率（正反射率＋拡散反射率）を測定した。全反射率は９０％以上を合格とした。

表１〜４に示すように、Ｎｏ．１〜１９は、合金組成、表面粗さ及び表面の凹みの大きさ等が、全て本発明の規定を満たし、引張強さが大きく、導電率が高く、はんだ耐熱剥離性に優れるだけでなく、凹部が形成されていないＣｕ−Ｆｅ−Ｐ合金（Ｎｏ．３０）に比べ、Ａｇめっきの反射率が高い。

一方、本発明に規定する合金組成から外れるＮｏ．２０〜２９は、引張強さ、導電率及びはんだ耐熱剥離性のいずれかの特性が劣る。なお、Ｎｏ．２９はＣ１９４相当である。また、表面に密集した凹部が形成されているが、表面粗さの規定、凹部の平均長さ、及び凹部の最大深さの規定のうち１又は２以上を満たさないＮｏ．３１〜３７は、いずれも反射率が低い。

Claims

Ｆｅ：０．０１〜０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１〜０．２０ｍａｓｓ％）、Ｚｎ：０．０１〜１．０ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０１〜０．１５ｍａｓｓ％を含み、残部がＣｕ及び不可避不純物からなり、圧延垂直方向の表面粗さが、Ｒａ：０．２μｍ以下、Ｒｚ_ＪＩＳ：１．２μｍ以下、Ｒｚ：１．５μｍ以下であり、圧延平行方向の平均長さが２〜１００μｍ、圧延垂直方向の平均長さが１〜３０μｍ、圧延平行方向に沿った最大深さが４００ｎｍ以下の凹みが表面に密集して形成されていることを特徴とするＬＥＤのリードフレーム用銅合金板条。
さらにＣｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ａｇの１種又は２種以上を合計で０．０２〜０．３ｍａｓｓ％含むことを特徴とする請求項１に記載されたＬＥＤのリードフレーム用銅合金板条。