JP2733117B2 - 電子部品用銅合金およびその製造方法 - Google Patents

電子部品用銅合金およびその製造方法

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は電子部品用銅合金およびその製造方法に関す
る。
さらに詳述すれば、トランジスターおよびICリードフ
レーム等に代表される電子部品用の銅合金およびその製
造方法に関する。
[従来技術] 半導体分野における機器性能の向上及びコストの低下
の要求により、42合金の替りに、高強度の銅合金が使用
され、セラミック封止の替りに、樹脂封止が使用される
等、種々の量産技術が生み出された。その結果、この半
導体分野において熱放散性が優れた銅系材料が使用され
るに至っている。
ところで、最近の半導体分野においては、半導体素子
の高集積化が急速に進み、PLCC(Plastic Leaded Chip
Carrier)及びSOP(Small Outline Package),FPP(Fla
t Plastic Package)等の表面実装型の集積回路(IC)
が開発されている。
特に、このような集積回路に使用されるリードフレー
ムの材料としては、素子で発生するジュール熱を高効率
で放散させるために、熱伝導度が一層高いことが要求さ
れると共に、導電率で75%IACS(純銅焼鈍材の導電率を
100%とした場合の値)以上という要求が出されてい
る。
また、集積回路の高密度実装化による半導体装置が小
型化しつつあり、このため、リードフレームが薄板化し
ている。従って、リードフレーム用材料としては、強度
を更に一層高めることが要求されており、具体的には、
引張強さが55kgf/mm2以上であることが求められてい
る。しかも、このリードフレーム用材料としては、耐熱
性、リードフレームの耐繰り返し曲げ性、並びに錫及び
はんだの密着性が優れていることも必要である。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、従来、半導体リードフレーム用材料と
しては、この導電率及び引張強さの双方の要求を低コス
トで満足するものはなかった。例えば、従来の半導体リ
ードフレーム用材料としては、CDA194合金(Cu−Fe−P
−Zn系合金)、CDA19210合金(Cu−Fe−P系合金)、Cu
−Mg−Zr系合金又はCu−Mg−P−Ag系合金等がある。
しかし、CDA194合金は、上記特性の双方を満足するこ
とはできない。また、CDA19210合金、Cu−Mg−Zr系合金
及びCu−Mg−P−Ag系合金は、導電率が75%IACS以上で
あるけれども、引張強さは52kgf/mm2以下であり、強度
が低い。
なお、高強度及び高導電性の双方を具備した銅合金と
して、Cu−Cr−Zr系合金が公知であるが、この合金は大
気中での造塊が困難であり、真空又は不活性ガス雰囲気
中で溶解する必要がある。このため、高価な鋳造設備を
必要とするので、製造コストが高い。しかも、合金中に
Crを含有するため、製造上、公害面での制約を受けると
いう欠点もある。このように従来の銅合金では、特に高
集積化された半導体装置用のリードフレームに要求され
る特性を低コストで十分に満足することはできない。
従って、引張強さが55kgf/mm2以上と高く、導電率が7
5%IACS以上と高いと共に、低廉のリードフレーム用銅
合金の開発が要望されている。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、
引張強さが55kgf/mm2以上、導電率が75%IACS以上と、
高強度且つ高導電率を有し、しかも、耐熱性、耐繰り返
し曲げ性、並びに錫及びはんだの密着性が優れた半導体
リードフレーム等の電子部品用銅合金およびその製造方
法を提供することを目的とするものである。
[問題点を解決するための手段] 本発明に係る電子部品用銅合金は、Fe:0.05〜0.15wt
%、P:0.05〜0.15wt%、Mg:0.05〜0.15wt%、Zn:0.01〜
0.1wt%、尚かつ(Fe+Mg)/P=1.61〜1.9で残部がCuお
よび不可避的不純物からなることを特徴とする。
本発明に係る電子部品用銅合金の製造方法は、Fe:0.0
5〜0.15wt%、P:0.05〜0.15wt%、Mg:0.05〜0.15wt%、
Zn:0.01〜0.1wt%、尚かつ(Fe+Mg)/P=1.61〜1.9で
残部がCuおよび不可避的不純物からなること銅合金を、
大気造塊した鋳塊を熱間圧延後、650℃以上の温度から2
00℃以上まで20℃/sec異助の速度で冷却し、その後冷間
圧延の途中で350〜475℃以上の温度で30分以上の焼鈍を
少なくとも2回以上行い、最終冷間圧延加工を70%以上
として、最終製品にて250〜450℃の温度で5秒以上の焼
鈍を行うことを特徴とする。
本発明に係る電子部品用銅合金およびその製造方法に
ついて以上詳細に説明する。
(含有成分の限定理由) 先ず、本発明に係る電子部品用銅合金の含有成分およ
び成分割合について詳説する。
Fe,Mg,PをCuに添加するのは、Cu中にFe2PとMg3P2を析
出させ、強度,耐熱性および導電率を著しく向上させる
ためである。
Feは添加量が0.05wt%未満ではPが添加されていて
も、強度向上は望まれず、また0.15wt%を越えると、P
が0.15wt%添加されていてもCu母相中にFeが固溶して残
るため、導電率が低下してしまう。このためFe含有量は
0.05〜0.15wt%とする。
Mgは、添加量が0.05wt%未満では、Pが添加されてい
ても、強度,耐熱性の向上効果は少なく、0.15wt%を越
えると、湯流れ性が悪化し、大気造塊が困難となる。し
たがって、Mg含有量は0.05〜0.15wt%とする。
Pは、FeおよびMgとそれぞれりん化合物(Fe2P,Mg3P
2)を形成して強度,耐熱性,導電率を向上させる効果
がある。
Feを0.05〜0.15wt%添加されている銅合金中にFe2Pの
化合物を析出させるためにはPは0.02〜0.05wt%必要で
ある。
同時にMgを0.05〜0.15wt%添加されている銅合金中
に、Mg3P2の化合物を析出させるためには、Pは0.06〜
0.18wt%必要となる。
しかし、Pを多量に添加し、母相に固溶して残留する
ようになると、導電率の低下が大きくなる。したがって
P含有量は0.05〜0.15wt%とする。
さらに、(Fe+Mg)/Pを1.6〜1.9と限定したのは、Fe
2PならびにMg3P2を十分に析出させるためであり、(Fe
+Mg)/Pが1.6未満の場合、余剰のPがCu母相中に固溶
し、導電率の低下をきたす。
また、(Fe+Mg)/Pが1.9を越えてしまうと余剰のFe
および/またはMgがCu母相中に固溶してしまうため導電
率は低下する。
したがって(Fe+Mg)/Pを1.6〜1.9とする。
Znは錫およびはんだの密着性を向上させる元素であ
る。
近年の半導体機器の高信頼性の要求は、増々厳しくな
っており、ICリードフレームの外装リードの錫およびは
んだの密着性は、150℃で1000Hr後も良好な密着性を要
求されている。
本発明に係る電子部品用銅合金もその例外ではない。
Znは、添加量が0.01wt%未満では上記の効果は少な
い。
また、0.1wt%を越えて含有されると導電率の低下を
きたす。したがって、Zn含有量は0.01〜0.1wt%とす
る。
(製造方法) 次に本発明に係る電子部品用銅合金の製造方法につい
て説明する。
すなわち、本発明に係る電子部品用銅合金は、上記に
説明した含有成分および成分割合の銅合金鋳塊を熱間圧
延後650℃以上の温度から200℃以下まで25℃/sec以上の
速度で冷却し、その後冷間圧延の途中で300〜500℃以上
の温度で30分以上の焼鈍を少なくとも2回以上行ない、
最終冷間圧延加工率を70%以上として最終製品にて250
〜450℃の温度で5秒以上の歪取り焼鈍を行なうことに
より可能となるものである。
まず、熱間圧延後650℃以上の温度から冷却する理由
は、Fe,PおよびMgを母相中に強制的に固溶させるためで
ある。
冷却最終温度では、銅合金中にFe2PまたはMg3P2の析
出物を生じないためである。
この時、冷却速度を25℃/sec以上としたのは、冷却速
度が25℃/sec未満だと、冷却中にFe2PまたはMg3P2が析
出し、冷却中に生じたこの析出物は、その後の強度・耐
熱性等の機械的性質の向上に寄与しないためである。
冷間圧延の途中で少なくとも2回以上350〜475℃の温
度で30分以上の焼鈍を行なうのは強度および導電率の向
上に寄与するFe2PおよびMg3P2を十分に析出するためで
ある。
軟化が生じ、475℃を越えると、しかも、この温度で
の焼鈍を繰り返しても導電率の向上はあるものの引張強
さ55kgf/mm2以上を具備することは困難である。
350℃未満の温度では、Fe2PおよびMg3P2の析出が不十
分であり、強度向上はあるものの、導電率を75%以上に
することは困難である。よって焼鈍温度は350〜475℃と
する。
また、焼鈍時間を30分以上としたのは、30分未満の焼
鈍ではFe2PおよびMg3P2の析出が不十分である。さらに
焼鈍回数を2回以上としたのは、冷間圧延と析出焼鈍を
2回以上繰り返すことによってFe2PおよびMg3P2が析出
し、75%以上の導電率を具備ることができ、その後の冷
間圧延による加工硬化により55kgf/mm2以上の引張強さ
を保有するためである。
次に、最終冷間圧延加工率を70%以上としたのは、70
%未満の冷間加工率では、引張強さ55kgf/mm2を具備す
ることが困難であるためである。
さらに、最終製品にて250〜450℃の温度で5秒以上の
焼鈍を行なうのは、冷間圧延歪の除去ならびに伸びの回
復のためである。250℃未満の温度では、歪の除去なら
びに伸びの回復が不十分であり、450℃を越える温度で
は、軟化しすぎ、引張強さ55kgf/mm2を満足しないため
である。焼鈍時間を5秒以上としてのは、工業的に生産
性を考慮して、連続焼鈍炉を使用するためである。
[実施例] 本発明に係る電子部品用銅合金およびその製造方法に
ついて、その実施例によって以下詳説する。
(実施例1) 第1表に示す組成の銅合金を、クリプトル炉を使用
し、木炭被覆下において大気中で溶解した。次いで、こ
の溶湯を、鋳鉄製のブックモールドを用いて、厚さが50
mm、幅が80mm,長さが200mmの鋳塊に鋳造した。そして、
この鋳塊の表裏正面を5mmずつ面削した後、鋳塊を850℃
の温度で15mmの厚さになるまで熱間圧延し、水中に投入
して急冷した。
次いで、熱間圧延後の試料の酸化スケールを除去した
後、冷間圧延により3.0mmの厚さの板材に加工し、その
後、460℃の温度に2時間加熱して焼鈍した。次いで、
再度冷間圧延して試料を1.0mmの厚さの板材に加工し、4
00℃の温度で2時間加熱して焼鈍した。焼鈍後、仕上げ
冷間圧延して、試料を厚さが0.25mmの板材に調整した。
その後、歪を除去するために、硝石炉を使用し、試料を
300℃の温度に20秒間加熱して低温焼鈍した。
ごれらの試料について、引張試験、硬度測定、導電率
測定、繰り返し曲げ試験およびはんだの密着性試験を実
施した。
その結果を第2表に示す。
第2表より明らかなように、本発明に係る電子部品用
銅合金No.1〜3は、いずれも、引張強さが55kgf/mm2
上あり、導電率も75%IACS以上を有しており、繰り返し
曲げ性ならびにはんだの密着性も良好である。
これに対して比較合金No.4〜9は、それぞれFe,Pおよ
びMg含有が本発明範囲をはずれており、引張強さあるい
は導電率点で本発明合金より劣っている。しかも、伸び
特性および繰り返し曲げ性はいずれの比較合金も本発明
合金より劣っている。
また、比較合金No.10およびNo.11は(Fe+Mg)/P比が
本発明範囲をはずれており、引張強さあるいは導電率の
点で特性が低下していることが分る。
比較合金No.12はZn含有量が0.01wt%未満であり、は
んだ密着性試験において、150℃×1000Hr後、一部剥離
を生じている。
また、各試験条件は以下のとおりである。
(1)引張試験においては、圧延方向に平行に切り出し
たJIS13号B試験片を使用した。
(2)硬度は、マイクロビッカーズ硬度計により、荷重
500gの条件で測定した。
(3)導電率は幅が10mm、長さが300mmの試験片を使用
し、ダブルブリッジにより測定した。
(4)繰り返し曲げ性の試験においては、プレスで打ち
抜いた0.5mm幅のリードを試験片とし、その一端に227g
の錘りを吊して一方向往復で90°曲げを行った。そし
て、往復を1回と数えて、破断までの回数を数え、この
回数を10個の試験片について平均化して破断までの繰り
返し曲げ回数を求めた。なお、曲げ軸は圧延方向に直交
させた。
(5)はんだの密着試験においては、弱活性フラックス
を使用して、温度が230℃のはんだ浴(Sn60−Pb40合
金)で試料をはんだ付けした。そして、この試料を、15
0℃の温度に1000時間加熱し、この加熱期間中250時間毎
に90°曲げ試験を実施して試料に対するはんだの密着
性、つまり剥離の有無を調査した。
(実施例2) 第1表に示すNo.1の成分割合の3.0mmtの中間材を使用
して第3表に示す条件で、試験材を調整した。
最終板厚を0.25mmとし、引張強さ、伸び、硬さ、導電
率および90°曲げ加工性を調査した。その結果を第3表
に示す。
第3表から明らかなように、本発明に係る電子部品用
銅合金の製造方法による実施例はいずれも、引張強さが
55kgf/mm2以上、導電率が75%IACS以上であり、90°曲
げ加工性も優れていることが分る。
これに対して、比較例No.3は、冷間圧延途中の2回の
焼鈍温度がいずれも本発明範囲の上限を越えており、引
張強さが低下している。
比較例No.4は、冷間圧延途中の2回の焼鈍温度が本発
明範囲の下限を満足しておらず、引張強さは55kgf/mm2
以上保有するが導電率、90°曲げ加工性が低下してい
る。
比較例No.5は最終冷間圧延加工率が本発明範囲を満足
しておらず、また比較例No.6は最終歪取り焼鈍温度が本
願特許請求の範囲の上限を越えており、No.5およびNo.6
いずれも引張強さが低下している。
比較例No.7は最終歪取り焼鈍温度が本発明範囲の下限
を満足しておらず、引張強さを導電率は優れているもの
の90°曲げ加工性の面で問題となる。
比較例No.8は、焼鈍回数が1回であり、温度も500℃
と高いため導電率が優れるものの、引張強さ、90°曲げ
性が低下している。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明に係る電子部品用銅合金
とその製造方法によって、引張強さが55kgf/mm2以上、
導電率が75%IACS以上であり、且つ、優れた繰返し曲げ
性、90°曲げ性ならびに錫およびはんだの密着性等を具
備することが可能となる。
したがって、例えば半導体リードフレーム等の材料と
して極めて信頼性が高く、集積回路の高密度化および電
子部品の小型化に多大に貢献するものである。
フロントページの続き (72)発明者 田中 仁 福岡県北九州市門司区片上1―34 (56)参考文献 特開 昭60−92439(JP,A) 特開 平1−159336(JP,A) IEE PROCEEDINGS (英),1986,Vol.133,Part A,No.4,P.174−201

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Fe:0.05〜0.15wt%、P:0.05〜0.15wt%、M
    g:0.05〜0.15wt%、Zn:0.01〜0.1wt%、尚かつ(Fe+M
    g)/P=1.61〜1.9で残部がCuおよび不可避的不純物から
    なることを特徴とする電子部品用銅合金。
  2. 【請求項2】Fe:0.05〜0.15wt%、P:0.05〜0.15wt%、M
    g:0.05〜0.15wt%、Zn:0.01〜0.1wt%、尚かつ(Fe+M
    g)/P=1.61〜1.9で残部がCuおよび不可避的不純物から
    なること銅合金を、大気造塊した鋳塊を熱間圧延後、65
    0℃以上の温度から200℃以下まで20℃/sec異助の速度で
    冷却し、その後冷間圧延の途中で350〜475℃以上の温度
    で30分以上の焼鈍を少なくとも2回以上行い、最終冷間
    圧延加工を70%以上として、最終製品にて250〜450℃の
    温度で5秒以上の焼鈍を行うことを特徴とする電子部品
    用銅合金の製造方法。
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