JP2576853B2 - はんだ接合強度に優れた電子機器用銅合金とその製造法 - Google Patents

はんだ接合強度に優れた電子機器用銅合金とその製造法

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JP2576853B2 JP29920395A JP29920395A JP2576853B2 JP 2576853 B2 JP2576853 B2 JP 2576853B2 JP 29920395 A JP29920395 A JP 29920395A JP 29920395 A JP29920395 A JP 29920395A JP 2576853 B2 JP2576853 B2 JP 2576853B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明ははんだ接合強度に優
れた電子機器用銅合金、特に小型高密度の半導体リード
フレームに適した銅合金とその製造法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】電子機器用銅合金としてはCu−Sn系
のリン青銅が用いられ、コネクターやスイッチ用ばね、
端子、半導体リードフレーム、リード線等に多量に使用
されている。この合金は強度及び加工性が優れている
が、導電率は10〜25%IACSと低いため、導電性や熱
伝導性が要求される用途には使用できない。このため導
電性や熱伝導性が要求される用途にはCu−Fe系、例
えばC194 (Cu− 2.4wt%Fe− 0.12wt %Zn−P
合金)(以下wt%を%と略記)、C195 (Cu−1.5%
Fe− 0.8%Co− 0.6%Sn−P合金)が用いられて
いる。この合金は強度45〜55kg/mm2 、導電率50〜65%
IACSの特性を示す。
【0003】電子機器では小型高密度化が著しく、必要
とされる合金の特性も絶えず高性能化が要求され、特に
半導体において最も顕著であり、工業的にも最も重要な
地位を占めている。例えば量産型のプラスチックモール
ド半導体ではリードフレームとして、DIP型の100mil
ピッチの2方向リードを有するフレームとして上記銅合
金が大量に使用されている。最近より小型化が可能な面
実装型の新しい半導体パッケージとしてSOP、FP、
PLCCが開発され、特にPLCCは4方向に 50milピ
ッチのリードを出したフレームを使用するため、従来の
DIP型に比べて大巾な高密実装が可能である。またF
Pも類似であり、SOPも2方向リードであるが 50mil
ピッチの細いリードフレームを用いる面実装である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記の新規な電子機器
に用いるリードフレーム等には、導電率の一層の向上と
共に高い強度と加工性のバランスが要求され、更には機
械的特性の等方性が要求される。即ち板条体として圧延
方向と巾方向の特性、特に加工特性の差異は高精密を必
須とするPLCC等のリードフレームには致命的欠陥と
なる。しかしながら上記リン青銅やCu−Fe系合金は
これ等の要求特性を満足することができず、現状ではC
150 (Cu− 0.1%Zr合金)やCu−2%Sn− 0.1
%Cr合金が使用されているが、前者は90%IACS程
度の導電率を示すも強度は40kg/mm2 程度にすぎず、後
者は50〜55kg/mm2 程度の強度を示すも、導電率は30〜
40%IACS程度にすぎない。
【0005】このため電子機器用銅合金としては、導電
率と強度が共に優れ、かつ等方的な高度の加工性、即ち
プレス成型性を有し、更に面実装部品の信頼性に重要な
半田接合強度の向上が望まれている。例えばプリント基
板のスルホールを用いないで表面に半田付けする面実装
では接合強度の経時劣化が致命的となる。またメッキ性
や耐食性、例えばアンモニアによる応力腐食割れに対し
ても充分な耐性を有することが要求される。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明はこれに鑑み種々
検討の結果、電気及び熱伝導性、機械的強度、精密加工
性、半田接合強度等を向上した電子機器用銅合金とその
製造法を開発したものである。
【0007】即ち本発明電子機器用銅合金は、Ni又は
NiとCoを1%を越え4%以下、Cr: 1.0%を越え
2%以下、Si: 0.2〜 1.5%、Sn: 1.1〜3%を含
み、更にP: 0.3%以下、B: 0.3%以下、Zn:5%
以下、Mn:1%以下、Mg: 0.2%以下、Zr: 0.5
%以下の範囲内で何れか1種又は2種以上を合計5%以
下含み、残部Cuからなるものである。
【0008】また本発明製造法は、Ni又はNiとCo
を1%を越え4%以下、Cr: 1.0%を越え2%以下、
Si: 0.2〜 1.5%、Sn: 1.1〜3%を含み、更に
P:0.3%以下、B: 0.3%以下、Zn:5%以下、M
n:1%以下、Mg: 0.2%以下、Zr: 0.5%以下の
範囲内で何れか1種又は2種以上を合計5%以下含み、
残部Cuからなる合金を 650℃以上で熱間加工した後、
350℃以下まで10℃/sec 以上の速さで冷却し、続いて
70%以上の冷間加工を加えてから 400〜 600℃で熱処理
することを特徴とするものである。
【0009】上記の通り本発明はNi又はNiとCoを
1%を越え4%以下、Cr: 1.0%を越え2%以下、S
i: 0.2〜1.5 %、Sn: 1.1〜3%を含み、更にこれ
にP: 0.3%以下、B: 0.3%以下、Zn:5%以下、
Mn:1%以下、Mg: 0.2%以下、Zr: 0.5%以下
の範囲内で何れか1種又は2種以上を合計5%以下含
み、残部Cuからなり、この合金を溶解鋳造して 650℃
以上、望ましくは 700℃以上で熱間加工する。
【0010】次に加工後直ちに冷風又は水シャワーを吹
き付けて10℃/sec 以上の速さで少なくとも 350℃まで
冷却する。これに冷間加工により70%以上の減面加工を
施してから 400〜 600℃で熱処理することにより造られ
る。熱処理時間は実際の諸条件にもよるが、10分から6
時間程度でよい。尚熱処理後必要に応じて加工や中間焼
鈍を施して所望寸法に仕上げたり、仕上げ加工後に 250
〜 350℃の低温で熱処理して加工歪の少なくとも一部を
解放することにより、機械的特性、特に伸びや加工性を
向上するのに有効である。
【0011】本発明合金はNi2 Si、Cr3 Si、C
5 Si2 等の微粒子を均一に分散析出させ、更にC
r、NiP、NiB、CrP等の析出も付加し、Cuマ
トリックスの固溶Siを可及的に低減したCu−Sn合
金、又はこれにZn、Mn、B、Zr、Mg等の成分を
均一に含有せしめることにより、析出粒子の分散強化と
強化されたマトリックスとの併合によって引張強度50〜
70kg/mm2 又はこれ以上とし、導電率も20〜40%IAC
Sとしたものである。
【0012】しかして強化成分としてのNi含有量を1
%を越え4%以下、Cr含有量を1.0%を越え2%以下
としたのは、何れも下限以下では十分な強化が得られ
ず、上限を越えると加工性を阻害するばかりか、導電性
を低下するためである。尚Niの一部をCoにより置換
しても同様の効果が得られる。ただしCoはNiに比べ
て著しく高価である。
【0013】上記化合物析出成分としてSi含有量を
0.2〜 1.5%としたのは、下限未満では十分な強化が得
られず、上限を越えると導電率を大きく低下させるため
である。即ち化学量論より過剰のSiは固溶元素となっ
て合金の導電率を低下させるばかりか、半田接合強度の
経時劣化の原因となるため、望ましくはSi含有量をN
i+Crの量論に近い量、特に化学量論量以下(Niに
対するSiの化学量論は約1/5.18、Crに対するSi
の化学量論は約1/5.5)とする。上記2種のSi化合物
は均一微細な析出が進行し易いばかりか、化学量論のN
iとCrのうち、NiはCrより親和性が大きくNi2
Siとなり、余分のCrは単体Crとして析出し、合金
の強度向上に副次的に働くと共に導電率の低下を起さな
い。Crを併用しない場合には過剰のSi又は未反応の
Siは固溶体としてCuマトリックに残り、導電率を大
きく低下させるばかりか、半田接合強度の経時劣化を招
く。
【0014】Sn含有量を 1.1〜3%と限定したのは、
Snは固溶体強化と前記析出物の均質析出分散を促進
し、前記分散強化効果と合せて合金の強度、伸び、加工
性等を向上するも、その含有量が 1.1%未満では十分な
強度が得られず、3%を越えると導電率が大巾に低下す
るためである。
【0015】次に本発明合金の副成分をP: 0.3%以
下、B: 0.3%以下、Zn:5%以下、Mn:1%以
下、Mg: 0.2%以下、Zr: 0.5%以下の範囲内で何
れか1種又は2種以上を合計5%以下としたのは、合金
の強度を一層向上させるためである。
【0016】特にP、Bは脱酸剤として働くと共に、不
可避的に遊離したNiやCrと化合物を形成し、合金を
強化するばかりか半田付け性を向上するも、含有量がそ
れぞれ3%を越えると導電率を低下する。Zn、Mnも
脱酸剤として働くと共に合金を強化し、半田付け性を向
上し、特にMnは熱間加工性を向上するも、何れも上限
を越えると導電率を低下する。Mg、Zrは結晶微細化
作用により強度や曲げ加工性を向上すると共にP等との
化合物を析出し、強度の向上に寄与するも、何れも上限
を越えると導電率及び伸びを低下する。しかしてこれら
副成分は合計で5%以下とするものであり、これを越え
て含有せしめると導電率の低下が著しい。
【0017】上記本発明合金の特性を実用上生産性良く
発揮させる製造法として、溶解鋳造した鋳塊を 650℃以
上で熱間加工し、直ちに10℃/sec 以上の速さで少なく
とも350℃以下まで冷却することにより、上記化合物の
析出を抑制し、低い負荷力で加工を可能にする。次に70
%以上の冷間加工を施してから 400〜 600℃で熱処理す
ることにより、加工歪みの作用によって均質微細な析出
を速かに行なわせる。即ち均質微細な化合物の析出を可
及的に完全に行なうことにより、強度、導電性、加工
性、半田付け性などの電子機器用途に不可欠の特性を最
大に発揮せしめたものである。
【0018】従来の析出型合金では、冷間加工の途中又
は最終で 800℃以上の高温で溶体化処理し水焼入れして
から析出時効処理しているが、溶体化焼入れは処理工程
が煩雑で酸化問題や特殊設備を必要とする。本発明は合
金組成を上記の如く制限して焼入れ感受性抑制の効果に
より、従来工程を要せずに特性の高い合金を得たもので
ある。
【0019】しかして熱間加工温度が 650℃未満でも、
冷却速度が10℃/sec 未満でも上記化合物の粗大析出を
生じ、その後に冷間加工と熱処理を施しても高い特性は
得られない。また熱間加工後の冷間加工が70%未満では
加工歪が不十分で、熱処理による析出化合物が粗大化す
る。更に熱処理温度が 400℃未満では化合物の析出に長
時間を要し、 600℃を越えると析出化合物が粗大とな
り、合金特性を劣化する。
【0020】
【実施例】表1に示す組成の合金を溶解鋳造し、表面を
機械仕上げして厚さ50mm、巾 150mm、長さ 510mmの鋳塊
とした。これを熱間圧延により厚さ 5.5mmとしてから直
ちに水冷により冷却し、酸洗してから冷間圧延した。こ
れをAr雰囲気中で熱処理した。これ等の製造条件を表
2に示す。このようにして得た板材について引張強さ、
伸び、導電率、曲げ加工性、半田接合強度を調べた。こ
れ等の結果を従来合金(C510 、C195)と比較して表3
に示す。
【0021】曲げ加工性は各種先端半径(R)の90°ダ
イとポンチの組合せ装置を用いてプレスで折り曲げ、曲
げ部の割れを調べ、割れの起らない最少のR/t(R:
曲げ半径、t:板厚)を求めた。また半田接合強度は共
晶半田付けしたリード付きジョイント部を 150℃で 300
時間エージングした後、引張試験して接合強度を求め
た。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】
【表3】
【0025】表3から明らかなように表1の本発明合金
(A〜C)を表2の本発明法No.1〜3で製造したもの
は、何れも従来合金であるC510(No.6)及びC195(N
o.7)と比較し、機械的特性、電気特性、半田接合強
度、均質性の総合特性において優れていることが判る。
これに対し本発明合金の組成範囲より外れる比較合金を
本発明法で製造した比較例No.4、5は諸特性が劣るこ
とが判る。
【0026】
【発明の効果】このように本発明によれば電気及び熱伝
導性、機械的強度、精密加工性、半田接合強度等が優れ
ており、半導体リードフレームはもとより、半田接合強
度が要求されるリード線、各種端子、コネクター等に適
し、電子機器の小型・高密度化に大きく寄与する等、工
業上顕著な効果を示すものである。
フロントページの続き (72)発明者 浅井 真人 栃木県日光市清滝町500番地 古河電気 工業株式会社 日光電気精銅所内 (72)発明者 篠崎 重雄 栃木県日光市清滝町500番地 古河電気 工業株式会社 日光電気精銅所内 (56)参考文献 特開 昭59−193233(JP,A) 特開 昭51−61426(JP,A) 特開 昭61−119660(JP,A) 特開 昭62−83442(JP,A) 特開 昭61−266540(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Ni又はNiとCoを1wt%を越え4wt
    %以下、Cr: 1.0wt%を越え2wt%以下、Si: 0.2
    〜 1.5wt%、Sn: 1.1〜3wt%を含み、更にP: 0.3
    wt%以下、B: 0.3wt%以下、Zn:5wt%以下、M
    n:1wt%以下、Mg: 0.2wt%以下、Zr: 0.5wt%
    以下の範囲内で何れか1種又は2種以上を合計5wt%以
    下含み、残部Cuからなるはんだ接合強度に優れた電子
    機器用銅合金。
  2. 【請求項2】 Ni又はNiとCoを1wt%を越え4wt
    %以下、Cr: 1.0wt%を越え2wt%以下、Si: 0.2
    〜 1.5wt%、Sn: 1.1〜3wt%を含み、更にP: 0.3
    wt%以下、B: 0.3wt%以下、Zn:5wt%以下、M
    n:1wt%以下、Mg: 0.2wt%以下、Zr: 0.5wt%
    以下の範囲内で何れか1種又は2種以上を合計5wt%以
    下含み、残部Cuからなる合金を 650℃以上で熱間加工
    した後、350℃以下まで10℃/sec 以上の速さで冷却
    し、続いて70%以上の冷間加工を加えてから 400〜 600
    ℃で熱処理することを特徴とするはんだ接合強度に優れ
    た電子機器用銅合金の製造法。
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