JP4360832B2 - 銅合金 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、リードフレーム、光通信用コネクタケース、光アンプケース及び半導体装置用ヒートシンク等に使用される銅合金に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、集積回路装置等に使用されるリードフレーム用材料としては、素子材料であるSiと同等の熱膨張率を持つFe−Ni系合金及びCu合金等が使用されている。また、パーソナルコンピュータのパッケージ内部又は外部に設けられ、CPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)から発生した熱を抜熱するヒートシンク用材料としては、熱伝導性に優れたCu、Al、Au、Mo及びそれらの合金、又はCu−W系合金及びCu−Mo系合金が使用されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、Crを10乃至30質量%添加することにより、熱膨張率を半導体素子に近付け、強度を向上させた銅合金が記載されている。更に、光通信用のコネクタケース用材料又は光アンプケース用材料としては、Cu又はCu合金、Al、Mo、Cu−W系合金、Cu−Mo系合金等が使用されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−8166号公報 (第2−3頁)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近時、パーソナルコンピュータ、携帯電話及び光関連素子等の電子機器が小型化及び高集積化されるに伴い、機器の作動時における発熱が従来以上に問題になっていることから、前述の従来の技術に以下に示す問題が生じている。
【0005】
リードフレーム用としては、発熱による素子とリードフレームとの間の熱歪みを低減し接続不良が発生することを防ぐために、熱膨張率がSi等の素子材料と同等であり、且つ発生した熱を抜熱することができる材料が求められている。しかしながら、従来使用されているFe−Ni系合金は熱伝導率が低いため、抜熱が十分ではない。一方、Cu又は従来のCu合金材料は、熱伝導率が高いため抜熱には優れているが、熱膨張率が素子材料より高いために熱歪みが発生しやすい。
【0006】
また、半導体装置は、今後の更なる集積化及び高速化のためにパッケージを従来のプラスチック製からセラミックス製にする動きがあり、ヒートシンク用の材料としては、抜熱のための熱伝導性に加えて、パッケージに使用されているセラミックス材料と同等の熱膨張率を有する材料が求められている。しかしながら、Al、Cu及び従来のCu合金は、熱伝導率は高いが、熱膨張率が高いため、セラミックス製のパッケージとの整合性に問題がある。一方、Cu−W系合金及びCu−Mo系合金等は、熱伝導率が高く、また熱膨張率が従来使用されているAl、Cu及びCu合金等より低いため、セラミックスの熱膨張率に近付けることができるが、高価である。また、Mo単体を使用する場合、Moは高価であり、且つ材料強度が高いためヒートシンク形状への加工が困難である。
【0007】
更に、光通信用のコネクタケース又は光アンプケースの場合、温度変化による内部光路のずれ及びレーザ波長の変化を防止するため、熱膨張率がガラスと同等で、抜熱性が優れた材料が求められているが、従来使用されているAl及びCuでは熱膨張率が大きいため十分ではない。一方、前述のCu−W系合金及びCu−Mo系合金は、特性的には優れているが、原料であるW及びMoが非常に高価な材料であるため、材料コストが増加する。また、これらのCu−W系合金及びCu−Mo系合金は、W及びMoが高融点金属であり、CuとWとが相互に反応しないため、一般に、W及びMoの粉末をスポンジ状に焼結成型し、そのスポンジ状のW又はMoに溶融したCuを含浸させる溶浸法で製造される。しかしながら、Cuを含浸させることは技術的に難しく、歩留まりもよくないため、製造コストも増加する。更に、Mo単体を使用する場合、Moは高価であり、且つ材料強度が高いためにヒートシンク形状への加工が困難である。
【0008】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、熱伝導性が従来使用されている材料と同程度に優れており、熱膨張率が従来の銅よりも低く、且つ安価に製造することができる銅合金を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る銅合金は、Bを0.85乃至6.31質量%含有し、且つMgを0.05乃至40.0質量%含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu及びMgからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であり、Mgの含有量が質量比でBの含有量の5倍以下であることを特徴とする。
この場合において、Mgを0.91乃至1.97質量%含有することが好ましい。又は、Bの含有量は2.19乃至6.31質量%であると共に、Zrを7.60乃至25.5質量%含有することが好ましい。
また、本発明に係る他の銅合金は、Bを2.40乃至3.20質量%含有し、且つNiを5.27乃至15.07質量%含有し、更に0.49乃至6.40質量%のAl及び0.25質量%のSiから選択された少なくとも1種類の元素を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu、Ni、Si及びAlからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であり、Alを含有するときはAlの含有量が質量比でBの含有量の10倍以下であることを特徴とする。
【0013】
本発明においては、CuにBと、Mg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr及びMnからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とを添加すると、Cu中に熱膨張率が低いB単体相、Cu−B系相、Cu−X−B系相、X−B系相からなるB系金属間化合物が生成し、熱伝導率が高く、熱膨張率の低い銅合金になる。また、Mgを含有する場合は、Mgの含有量をBの含有量の5倍以下にすると、熱膨張率が高いMgを使用しても熱膨張率が上昇することを防ぐことができる。更に、Alを含有する場合は、Alの含有量をBの含有量の10倍以下にすることにより、熱膨張率が高いAlを使用することによる熱膨張率の上昇を防ぐことができる。
【0014】
本発明に係る他の銅合金は、Bを3.23乃至9.76質量%含有し、且つFe及びCoからなる群から選択された少なくとも1種類の元素を総量で0.05乃至40.0質量%含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu、Fe及びCoからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であることを特徴とする。
この場合において、Bを5.59乃至9.76質量%含有することがより好ましい。
また、本発明に係る他の銅合金は、Bを0.15乃至5.22質量%含有し、4.84乃至5.30質量%のNi及び4.63乃至18.30質量%のMnから選択された少なくとも1種類の元素を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu、Ni及びMnからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であることを特徴とする。更にまた、本発明に係る更に他の銅合金は、Bを2.40乃至2.93質量%含有し、5.30質量%を超え13.02質量%以下のNiを含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu及びNiからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であることを特徴とする。
【0015】
また、前記銅合金がMgを含有する場合、例えば、Mg−B系金属間化合物が形成される。Mg−B系金属化合物は熱膨張率が低いため、熱膨張率が高いMgを使用しても、熱膨張率が上昇しない。
【0016】
更に、前記銅合金がAlを含有する場合、例えば、Al−B金属間化合物が形成される。これにより、熱膨張率が高いAlを使用しても、熱膨張率が低いAl−B金属間化合物が生成するため、熱膨張率が上昇しない。
【0017】
更に、本発明の銅合金は、例えば、鋳造法又は粉末焼結法により製造される。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る銅合金について詳細に説明する。本発明者らは、上述の問題点を解決する材料として、Cu−B系合金及びCu−X−B系合金が有効であることを見出した。ここで、Xは、Mg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Z及びMnからなる群から選択された少なくとも1種類の元素である。本発明の銅合金は、従来の銅合金と同様に優れた熱伝導性及び導電性を有し、且つ熱膨張率は銅よりも低い。特に、銅が20体積%以上存在している状態においては、100W/m・K以上の高い熱伝導率を有するため、抜熱が必要な用途においては、Cu−W合金及びMo等と同等の優れた性能を示す。また、本発明の銅合金は、B又はXが高融点であってもCuとの相互作用、又はXとBとが金属間化合物を形成することにより融点が低下するため、鋳造法により製造することができる。更に、鋳造法を使用すると材料内部に成分が偏析してしまう場合には、粉末焼結により製造することもできる。この粉末焼結法により製造する場合においても、B又はXがCuと反応するため、低い焼結温度で製造することができる。更にまた、本発明の銅合金は、従来の銅合金と比べて、Cuとその他の含有元素からなる相とが固溶しやすく、溶浸法等により製造されるCu−W系合金及びCu−Mo系合金より安価に製造することができる。
【0019】
次に、本発明に係る銅合金における各成分の限定理由について説明する。
【0020】
B:0.01乃至10.0質量%
Bは熱膨張率が低いため、CuにBを添加すると、Cu中に熱膨張率の低い相が生成する。また、Bは他の元素と混合又は化合しやすいため、Bを含む化合物の相はCu中に容易に分散することができる。よって、CuにBを添加することにより、特性が均一で、熱膨張率が低い銅合金が得られる。このとき、Bの含有量が0.01質量%より少ないと熱膨張率及び熱伝導率が銅と同程度になり、Bを添加した効果が得られない。一方、Bの含有量が10.0質量%より多いとロット毎の熱膨張率のばらつきが大きくなり、また材料が脆くなるため取扱いにくくなる。なお、本発明の銅合金においては、Bの含有量を0.1乃至8.1質量%とし、B単体及びCu−B系金属間化合物の体積含有率を0.6乃至39.0%とすることが好ましい。
【0021】
Mg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr、Mn:総量が0.05乃至40.0質量%
Mg、Si及びZrはCuと化合物相を形成しやすく、本発明のCu合金においては、CuとMg、Al、Si及びZrとの金属間化合物相中にBが含まれた状態で存在する。このとき、Mg、Si又はZrの含有量が0.05質量%より少ない場合は、熱膨張率及び熱伝導率が銅と同程度になり添加効果が得られない。一方、これらの元素の含有量が40.0質量%より多いとクラック等が発生して成型体として使用することが難しくなる。また、Co及びFeはCuとは固溶しない元素であるが、本発明の銅合金においては、これらの元素は、Bと結合して熱膨張率が低い金属間化合物を形成し、この金属間化合物の状態で存在している。このBとCo及び/又はFeとの金属間化合物は、単体の元素よりも融点が低くなるため、より低い温度で溶解することにより、鋳造時における偏析が少なくなり、微細な分散がなされる。また、Niは元素単体ではCuと固溶しやすいが、Ni−B系の化合物はCuと殆ど固溶しないため、上述のCo及びFe−B系化合物と同様の挙動を示す。このとき、これらの添加量が0.05質量%より少ないと熱膨張率が低下しない。また、これらの添加量が40.0質量%より多いと銅への分散が十分に行われず、鋳造法又は粉末焼結法による成型を行うと、成型体にクラックが生じやすい。更にまた、本発明の銅合金においては、Bの含有量を0.1乃至9.8質量%とし、且つMg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr及びMnからなる群から選択された少なくとも1種類の元素の総含有量を0.5乃至40.0質量%とすることが好ましい。
【0022】
B単体並びにCu、Mg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr及びMnのうち少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の総量:1.0乃至80.0体積%
B単体並びにCu、Mg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr及びMnのうち少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の合計の体積含有率が1.0%より少ないと、熱膨張率がCuの熱膨張率にくらべ十分に低くならない。また、体積含有率が80.0%より多いと、熱伝導率がCu−W合金及びMo等と同等のレベルである100W/m・Kを下回る。また、本発明の銅合金においては、B単体並びにCu、Mg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr又はMnからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とCuとの金属間化合物の体積含有率の合計を全体の3.0乃至74.5%とすることが好ましい。
【0023】
Mgの含有率:Bの含有量の5倍以下(質量比)
Mgは単体では熱膨張率が高いが、Bと結合してMg−B系金属間化合物になることにより熱膨張率が低下する。そこで、Mgを添加する場合、銅合金中のMg含有量が、質量比でBの含有量の5倍以下になるようにする。Mgの含有量が質量比でBの5倍より多くなると、熱膨張率が高いMg相が形成され、熱膨張率が高くなる。
【0024】
Alの含有率:Bの含有量の10倍以下(質量比)
AlはMgと同様に単体では熱膨張率が高いが、Bと結びついてAl−B系金属間化合物になることで熱膨張率が低下する。そこで、Alを添加する場合、銅合金中のAl含有量が、質量比でBの含有量の10倍以下になるようにする。銅合金におけるAlの含有量が質量比でBの10倍より多くなると、熱膨張率が高いAl相が形成され、熱膨張率がCuより高くなる。
【0025】
次に、本発明の銅合金の製造方法について説明する。本発明の銅合金は、鋳造法及び粉末焼結法等により製造される。鋳造法により製造する場合は、例えば、Cu又はCu−B及びNi−B等の原料を、高周波溶解法又は浮遊溶解法等により溶解して鋳造する。このとき、溶解温度及び雰囲気制御等は使用する材料に応じて適時調整する。そして、600乃至1000℃にてソーキングを施した後、熱間圧延及び冷間圧延等の加工を行い所定の形状にする。また、前述の鋳造法では成形体にクラックが発生する又は添加元素の分散が悪い等の問題がある場合は、粉末焼結法により製造することができる。その場合、Cu又はCu−B粉末と、Mg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr又はMn及びこれらの元素とBにより作製したアトマイズ粉とを目的の組成になるように混合し、所定の形状の型を使用し、不活性ガス中で600乃至900℃にて焼結を行う。上述の粉末焼結法は、Bが5質量%以上、又はB以外の添加元素が20質量%以上の場合に適用することが好ましい。
【0026】
本発明の銅合金は、リードフレーム、光通信用のコネクタケース及び半導体装置用ヒートシンク等に加工される。本発明の銅合金を使用したこれらの成形体は、銅を使用したものより熱膨張率が低く、且つFe−42Ni等を使用した従来品より導電性及び熱伝導性が優れている。また、従来光通信用のコネクタケース及び半導体装置用ヒートシンク等に使用されているCu−W系合金、Cu−Mo系合金及びMo等と比較すると、熱伝導率は同等レベルの100W/m・K(Cuの(1/4)程度)以上であり、更にこれらの合金よりも安価に提供することができる。
【0027】
本発明の銅合金においては、CuにBと、Mg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr及びMnからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とを添加することにより、Cu中に熱膨張率が低いB系金属間化合物が生成するため、銅合金の特徴である熱伝導率の高さを保ちながら、熱膨張率の低い材料を製造することができる。また、Bは他の元素と反応して金属間化合物を生成しやすいため、比較的容易な溶湯からの鋳造法により製造することができる。更に、本発明の銅合金は粉末焼結法でも製造可能である。そのため、溶浸法等の特殊な製造方法で製造されるCu−W系合金及びCu−Mo系合金等より安価に製造することができる。更にまた、添加するB化合物に安価なものを選択することにより、原料費も低減することができる。
【0028】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。本発明の第1の実施例として、電磁誘導による浮遊溶解法を使用し、真空中で無酸素銅又はCu−B合金等の基材を溶解し、その溶湯にBをその含有量が本発明の範囲内になるように添加した。これを12mm角のインゴットに鋳造し、600乃至900℃で1時間加熱した後、熱間圧延で3mmまで圧延した。その後、600乃至900℃にて熱処理を施し、測定に必要な試料形状に加工して実施例1及び2の銅合金を作製した。また、B粉末とCu又はCu−Bの粉末をBの含有量が本発明の範囲内になるように混合した後、不活性ガス中で600乃至1000℃にて焼結した。そして、この焼結体を、測定に必要な試料形状に加工した後、600乃至900℃で熱処理を施して、実施例3の銅合金にした。更に、前記実施例3と同様の方法で、Bの含有量が本発明の範囲より多い比較例1の銅合金を作製した。
【0029】
前述の実施例1乃至3の銅合金、比較例1の銅合金、Cu(比較例2)、Mo(比較例3)及びFe−42(比較例4)について、熱膨張率及び熱伝導率の測定を行った。熱膨張率の測定は、差動トランス法により20乃至150℃の範囲で行い、その平均をとった。また、熱伝導率の測定はJIS−A1412に従い、25℃にて行った。更に、体積含有率の測定は、100乃至400倍の写真を夫々数枚撮影し、総面積に占めるB又はBを含む相の面積を測定したデータより算出した。これらの結果を表1に示す。
【0030】
【表1】
【0031】
表1に示すように、本発明の範囲内で作製した実施例1乃至3の銅合金は熱膨張率がCuよりも低く、熱伝導率が100W/m・Kより高かった。これに対して、Cu以外の体積比率が本発明の範囲より多い比較例1の銅合金は、熱伝導率が100W/m・Kより低く、十分な抜熱効果が見込めない。また、比較例1の銅合金は粉末焼結法により作製したが、非常に脆く、取扱いが難しかった。
【0032】
次に、本発明の第2実施例として、前述の第1実施例と同様に、鋳造法又は粉末焼結法を使用して、本発明の範囲内である実施例4乃至36の合同金及び本発明の範囲から外れる比較例5乃至13の銅合金を作製した。鋳造法の場合、電磁誘導による浮遊溶解法を使用し、真空中又はAr雰囲気中で無酸素銅、Cu−B合金等の基材を溶解し、その溶湯にB、Mg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr及び/又はMnを単体又はNi−B、Fe−B、Cu−Mg等の合金を所定の含有量になるように添加した。これを12mm角のインゴットに鋳造し、600乃至900℃で1時間加熱した後、熱間圧延で3mmまで圧延した。その後、600乃至900℃にて熱処理を施し、測定に必要な試料形状に加工した。一方、粉末焼結法の場合、BとMg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr及び/又はMnによりアトマイズ粉を作製し、このアトマイズ粉とCu又はCu−Bの粉末を各添加元素が所定の含有量になるように混合した後、不活性ガス中で600乃至1000℃にて焼結した。そして、この焼結体を、測定に必要な試料形状に加工した後、600乃至900℃で熱処理を施した。
【0033】
前述の方法により作製した実施例4乃至36及び比較例5乃至13の銅合金を、前述の第1実施例と同様の方法で熱膨張率、熱伝導率及び体積含有率を測定した。その結果を表2乃至4に示す。なお、表2乃至4に示す成分重量比において、残部はCu及び不可避的不純物である。
【0034】
【表2】
【0035】
【表3】
【0036】
【表4】
【0037】
表2及び3に示すように、本発明の範囲内で作製した実施例4乃至36の合同金は熱膨張率が銅よりも低く、熱伝導率が100W/m・Kより高かった。これに対して、表4に示す本発明の範囲外である比較例5及び6の銅合金は、熱膨張率が表1に示すCuの熱膨張率よりも高かった。これは、Mgの含有量がBの含有量の質量比で5倍以上であるため、Cuに固溶したMgが熱膨張率を高くしたためである。同様に、比較例10の銅合金は、Alの含有量が質量比でBの含有量の10倍を超えているため、熱膨張率がCuの熱膨張率より高くなっていた。また、比較例8の銅合金は、B及びZrの含有量は本発明の範囲内であるが、B及びBを含む金属間化合物の体積含有率が80体積%を超えているため、Cuより熱膨張率が低いが、熱伝導率が100W/m・Kより低くなっていた。更に、比較例7、11及び13の銅合金は、B以外の添加元素の量が40質量%を超えていたため、鋳造段階で材料にクラックが入り、測定に供するための試料の作製ができず、粉末焼結法でも測定可能な試料を作製することができなかった。更にまた、比較例9及び12の銅合金は、B以外の添加元素の量が40質量%を超えているため非常に脆い試料になり、且つ金属間化合物の体積含有率が80%を超えているため熱伝導率が100W/m・Kより低くなった。
【0038】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、CuにB及びMg、Ni、Co、Al、Si、Fe、Zr、Mnからなる群から選択された少なくとも1種類の元素を添加することにより、Cu中に熱膨張率が低いB系金属間化合物が生成するため、熱伝導率が高く、且つ熱膨張率の低い銅合金を得ることができる。また、Bは他の元素と反応して金属間化合物を生成しやすいため、溶湯からの鋳造法又は粉末焼結法により製造することが可能であるため、製造コストを低減することができる。
Claims (8)
- Bを0.85乃至6.31質量%含有し、且つMgを0.05乃至40.0質量%含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu及びMgからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であり、Mgの含有量が質量比でBの含有量の5倍以下であることを特徴とする銅合金。
- Mgを0.91乃至1.97質量%含有することを特徴とする請求項1に記載の銅合金。
- Bの含有量は2.19乃至6.31質量%であると共に、Zrを7.60乃至25.5質量%含有することを特徴とする請求項1に記載の銅合金。
- Bを2.40乃至3.20質量%含有し、且つNiを5.27乃至15.07質量%含有し、更に0.49乃至6.40質量%のAl及び0.25質量%のSiから選択された少なくとも1種類の元素を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu、Ni、Si及びAlからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であり、Alを含有するときはAlの含有量が質量比でBの含有量の10倍以下であることを特徴とする銅合金。
- Bを3.23乃至9.76質量%含有し、且つFe及びCoからなる群から選択された少なくとも1種類の元素を総量で0.05乃至40.0質量%含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu、Fe及びCoからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であることを特徴とする銅合金。
- Bを5.59乃至9.76質量%含有することを特徴とする請求項5に記載の銅合金。
- Bを0.15乃至5.22質量%含有し、4.84乃至5.30質量%のNi及び4.63乃至18.30質量%のMnから選択された少なくとも1種類の元素を含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu、Ni及びMnからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であることを特徴とする銅合金。
- Bを2.40乃至2.93質量%含有し、5.30質量%を超え13.02質量%以下のNiを含有し、残部がCu及び不可避的不純物からなり、B単体並びにCu及びNiからなる群から選択された少なくとも1種類の元素とBとの金属間化合物の体積含有率の合計が全体の1乃至80%であることを特徴とする銅合金。
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