JP4507114B2

JP4507114B2 - Ｃｐｕソケット枠用またはｃｐｕ固定カバー用高剛性ステンレス鋼板

Info

Publication number: JP4507114B2
Application number: JP2006021705A
Authority: JP
Inventors: 孝浩藤井; 勝典馬場園; 淳一香月
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2026-01-31
Also published as: JP2006241592A

Description

本発明は、パーソナルコンピューター等のＣＰＵ（中央演算処理装置）を配線基板に取り付けるためのＣＰＵソケット枠および固定カバーに適した高剛性ステンレス鋼板に関する。

近年、パーソナルコンピューターのＣＰＵは演算処理能力の高速化に伴い多ピン化の傾向にある。このためピンと基板との接続をより確実にする必要が生じ、ＣＰＵチップを配線基板に接続固定するためのソケット枠およびカバーは、樹脂製のものから、より信頼性の高い締結性能が得られる金属製のものへと変わりつつある。

図１に、金属製ＣＰＵソケット枠とＣＰＵ固定カバーの使用例を表す図面代用写真を示す。また図２には、図１に示したものを模式的に図示した。図１および図２の（ａ）はＣＰＵチップを配線基板（マザーボード）上のＣＰＵソケットに載せた段階であり、まだ固定されていない。ＣＰＵソケットには金属板をプレス成形したＣＰＵソケット枠が接合されている。ＣＰＵソケット枠にはＣＰＵ固定カバーとフック（留め金）が取り付けられている。ＣＰＵ固定カバー（以下単に「固定カバー」という）は金属板をプレス成形したものであり、固定カバーには前記フックを引っ掛けるための爪がついている。図１および図２の（ｂ）はＣＰＵソケット枠と固定カバーとをフックを介して締結した状態であり、ＣＰＵチップは固定カバーに押さえられて固定されている。

ＣＰＵ固定カバーには「反り」が付けてある。その「反り」は、図１または図２の（ａ）の例で言うと右側の「枠／カバー連結部」と左側の「爪」とを結ぶ方向において湾曲した部分を有し、上面（配線基板と反対側の面）が湾曲の凹面側となるような反りである。図１または図２の（ｂ）のように固定カバーの爪をフックで押さえ付けることにより、固定カバーはＣＰＵチップを押さえた状態で「反り」が弾性限度内で平坦化され、その「反り」の復元力を利用してＣＰＵチップを確実に接続固定する仕組みになっている。

このＣＰＵソケット枠および固定カバー用金属材料としては、従来ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼の冷間圧延材が使用されてきた。オーステナイト系ステンレス鋼は加工誘起マルテンサイト変態を利用した冷間圧延による加工硬化が可能であり、板ばねやフレームなどの構造材料として一般的に使用される材料である。

特開２００４−６８０３３号公報

オーステナイト系ステンレス鋼は成分元素としてＮｉを通常８質量％程度含有していることから、耐食性に優れるものの、原料費が高く高価であるという欠点を有する。また、昨今では電子機器の小型軽量化に伴い各種部品の薄肉化が求められており、その要求に十分対応するには従来材よりも一層剛性の高い材料が望まれるようになってきた。

材料の原料費を低減するには、オーステナイト系ステンレス鋼に替えてＮｉ含有量の少ないフェライト系あるいはマルテンサイト系ステンレス鋼を採用することが有利である。これまで、例えばブラウン管フレームのような高剛性が要求される部材に適するフェライト系ステンレス鋼が開発されている（特許文献１）。しかし、ＣＰＵソケット枠や固定カバーは、固定カバーに付けられた特定方向の「反り」に起因する復元力を利用してＣＰＵチップをソケットに押し付け固定するものであり、そのような機能を有するＣＰＵソケット枠や固定カバーに適した非オーステナイト系材料は未だ開発されていないのが現状である。また、ＣＰＵソケット枠や固定カバーは、一般に帯状金属板を素材に用いて順送金型によるトランスファープレスによって製造されるので、その帯状金属板の通板方向における剛性が高くなりすぎると、通板の際の抵抗力が過大になったり、スプリングバックによるプレス不良が生じたりするトラブルが発生しやすい。したがって、単に既存の非オーステナイト系鋼種を選択するだけではＣＰＵソケット枠やＣＰＵ固定カバーを効率的に製造することができない。

本発明は、このような現状に鑑み、従来のオーステナイト系鋼種よりも高い剛性を発揮し、かつ、トランスファープレスによるＣＰＵソケット枠や固定カバーの大量生産に十分対応できる安価な鋼板を提供することを目的とする。

発明者らは詳細な検討の結果、上記目的は、材料の縦弾性係数をＣＰＵの固定に必要な特定方向について重点的に向上させたステンレス鋼板によって達成できることを見出した。すなわち本発明では、板の圧延方向をＬ方向、圧延方向に対して直角方向（すなわち圧延方向と板厚方向の両方に垂直な方向）をＴ方向と呼ぶとき、Ｔ方向の縦弾性係数Ｅ_Tが２１０ＧＰａ以上、Ｌ方向の０.２％耐力σ_0.2Lが５００〜９００ＭＰａ、Ｔ方向の０.２％耐力σ_0.2Tが６００〜９００ＭＰａであり、好ましくはＬ方向の縦弾性係数Ｅ_L（ＧＰａ）とＴ方向の縦弾性係数Ｅ_T（ＧＰａ）との間に、Ｅ_L≦Ｅ_T−１５の関係を有するステンレス鋼板が提供される。

上記鋼板の化学組成としては、質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：１０〜２０％、Ｎｉ：２％以下、Ａｌ：０.００１〜０.０５％、Ｍｏ：０〜４％、Ｃｕ：０〜２％、Ｔｉ：０〜２％、Ｎｂ：０〜２％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるものが好適な対象となる。
ここで、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｂは任意添加元素であり、下限の０％は通常の製鋼工程における分析手法で測定限界以下となる場合である。

本発明は以下のようなメリットを有するものである。
(１) 鋼種を非オーステナイト系に変えたことにより、従来よりも安価なＣＰＵソケット枠およびＣＰＵ固定カバーが提供できる。
(２) 材料の剛性を向上させたことにより、ＣＰＵソケット枠および固定カバーによるＣＰＵの締結性能が向上し、ＣＰＵの更なる多ピン化や、ＣＰＵソケット枠・固定カバーの薄肉化の要求に対応することができる。
(３) 材料の縦弾性係数を特定方向について重点的に向上させたことにより、高剛性化による製品性能の向上とトランスファープレスにおける良好な製造性の確保を両立させた。
したがって本発明は、高性能ＣＰＵを搭載したパーソナルコンピューターの普及およびその小型軽量化に寄与するものである。

発明者らは種々検討の結果、ＣＰＵソケット枠・固定カバーの締結性能を向上させるには、必ずしも素材板の全方向について縦弾性係数を高める必要はなく、ある一定方向についての縦弾性係数を重点的に高めることで十分に対応できることを見出した。ＣＰＵ固定カバーについては、図１または図２の（ａ）の例で言うと、枠／カバー連結部側の辺と爪側の辺を結ぶ方向（以下これを「反りを有する方向」という）の縦弾性係数を向上させることが重要である。すなわち図１または図２の（ｂ）のように「反り」が平坦化された状態においては、固定カバーの材料内部には反りを有する方向に圧縮応力と引張応力が異なる場所で生じており、これらの内部応力が復元力を生み出している。「反り」が平坦化される程度のわずかな弾性変形で大きな復元力を発生させるには、反りを有する方向に大きな圧縮応力と引張応力を生じさせる必要があり、そのためには材料の縦弾性係数を当該方向において重点的に高めることが必要となる。

ＣＰＵソケット枠についても、固定カバーの復元力に抗して元の形状をできるだけ維持するためには、やはり図１または図２の（ｂ）で言えば左右方向の縦弾性係数が大きくなければならない。

一方、トランスファープレスによる部品の製造性を考慮すると、帯状金属板素材の長手方向（順送方向）における縦弾性係数は過大にならないことが重要である。

発明者らは種々検討の結果、特定組成範囲のステンレス鋼板においては、仕上冷間圧延率を調整することによって、縦弾性係数に異方性を持たせる制御が可能になることを見出した。すなわち、Ｔ方向の縦弾性係数をＬ方向に比べ大幅に向上させることができるのである。本発明ではこの原理を利用してＴ方向の縦弾性係数を重点的に高め、ＣＰＵソケット枠・固定カバーによる締結力を改善する上で縦弾性係数を高める必要のある方向を、Ｔ方向に合致させるのである。図１または図２の（ｂ）の例で言えば、ＣＰＵソケット枠、固定カバーとも左右方向がＴ方向になるようにする。Ｌ方向については縦弾性係数の過度な上昇を抑えることが可能であり、そのような制御がなされた帯状鋼板では、トランスファープレスにおける製造性も十分に確保される。
以下、本発明を特定するための事項について説明する。

〔縦弾性係数〕
前述のようにＣＰＵ固定カバーには「反り」が付けられており、図１または図２の（ｂ）のように固定カバーがフックを介してＣＰＵソケット枠にロックされた状態で固定カバーは弾性変形を受けている。ＣＰＵチップはこの弾性変形によって生じる復元力を受けて固定される。したがって、強い復元力を発生させるためにはＣＰＵソケット枠および固定カバーは図１または図２の（ｂ）で言えば左右方向に高い縦弾性係数を有していなければならない。本発明では高い縦弾性係数が必要な方向がＴ方向に由来するようにする。種々検討の結果、ＣＰＵソケット枠および固定カバーとも、Ｔ方向の縦弾性係数Ｅ_Tが２１０ＧＰａ以上好ましくは２２０ＧＰａ以上の素材鋼板を用いてプレス成形したとき、ＣＰＵの更なる多ピン化にも十分対応できる固定圧力を安定して得ることができることがわかった。

Ｌ方向の縦弾性係数Ｅ_Lは、トランスファープレスによるプレス成形性を考慮すると過度に高くない方が良く、具体的にはＥ_L≦Ｅ_T−１５の関係を有しているものにおいて良好な結果が得られることがわかった。ただし、あまりＥ_Lが低すぎると部材の強度バランスを欠くので、Ｅ_Lは少なくとも１９５ＧＰａ以上であることが望ましく、２００ＧＰａ以上が一層好ましい。

〔０.２％耐力〕
縦弾性係数が大きい材料であっても、０.２％耐力が低いと、図１または図２の（ｂ）のようにロックした状態で塑性変形してしまうため十分な固定力が得られない。種々検討の結果、ＣＰＵソケット枠または固定カバーをプレス成形する前の素材鋼板において、常温におけるＴ方向の０.２％耐力σ_0.2Tは６００ＭＰａ以上必要であり、Ｌ方向の０.２％耐力σ_0.2Lも５００ＭＰａ以上であることが望ましい。ただし、Ｌ方向、Ｔ方向とも０.２％耐力が９００ＭＰａを超えると曲げ加工性が低下し、プレス成形時に割れ欠陥が生じる。加工性を重視する場合は８００ＭＰａ以下に抑えることが望ましい。Ｌ方向の０.２％耐力σ_0.2Lを８００ＭＰａ以下に抑え、Ｔ方向の０.２％耐力σ_0.2Tは９００ＭＰａまで許容することによっても、通常十分な加工性が確保される。

〔化学組成〕
Ｃは、固溶強化によるマトリックスの高強度化に有効な元素であるが、過剰のＣ含有はＣｒ系炭化物の生成を促進させ耐食性を劣化させる。このためＣ含有量は０.０１５質量％以下にすることが望ましく、０.０８質量％以下がより好ましい。

Ｓｉは、フェライト形成元素として働き、かつマトリックスの固溶強化にも寄与する。しかしＳｉ含有量が高くなると曲げ加工性に有害な酸化物系介在物が生成しやすくなるので、本発明ではＳｉ含有量を２.０質量％以下とすることが好ましい。

Ｍｎは、オーステナイト形成元素であり、また酸化物系介在物を生成させ曲げ加工性を劣化させる。このため、Ｍｎ含有量は１％以下とすることが望ましい。

Ｃｒは、耐食性改善に有効な元素であり、ＣＰＵ周辺部材としての耐食性を確保するには１０％以上のＣｒ含有が望まれる。しかし過剰のＣｒ含有は靱性を劣化させるので、Ｃｒ含有量は２０質量％以下にすることが望ましい。特に好ましいＣｒ含有量範囲は１０〜１８質量％である。

Ｎｉは、オーステナイト形成元素であり、過剰のＮｉが含まれるとＡc₁点の低下により焼鈍時の冷却過程でマルテンサイト相が多量に生成し、曲げ加工性の劣化を招く。このためＮｉ含有量は２質量％以下とすることが望ましい。なお、本発明においては加工上許容できる範囲内であれば、ある程度のマルテンサイト相が存在してもよい。

Ａｌは、脱酸剤として添加される元素であり、十分な脱酸効果を得るには０.００１質量％以上のＡｌ含有量とすることが望まれる。しかし、過剰にＡｌを含有させると多量の酸化物系介在物や窒化物が生じ、表面疵の発生および曲げ加工性の劣化を招く。このため、Ａｌ含有量は０.０５質量％以下にすることが望ましく、０.００３〜０.０３質量％の範囲とすることが一層好ましい。

Ｍｏ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｂは、いずれも耐食性改善に寄与する元素であり、必要に応じて添加することができる。ただし、いずれも過剰に添加すると固溶強化によるマトリックスの硬化や炭化物等の析出物量増大により曲げ加工性が低下する要因となる。このため、これらの元素を１種または２種以上添加する場合は、Ｍｏについては４質量％以下、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｂについては２質量％以下の範囲で行うことが望ましい。

〔製造方法〕
ＣＰＵソケット枠および固定カバーに適した剛性および強度を付与するには、冷間圧延による加工硬化を利用することが有利である。例えば、Ｃｒ含有量１０〜２０質量％のフェライト系ステンレス鋼の場合、仕上圧延率を１５〜５０％の範囲で調整して板厚０.５〜１.５ｍｍとすることにより、前記の縦弾性係数および０.２％耐力を有する鋼板を得ることができる。

具体的には、例えば上記化学組成のステンレス鋼を溶製し、連続鋳造し、通常の熱間圧延工程により板厚約５ｍｍとし、７５０〜８３０℃未満で５〜１０時間加熱する箱焼鈍を施し、冷間圧延と７５０〜８３０℃未満で均熱０〜５分加熱する焼鈍を１回以上行い、最終的に圧延率１５〜５０％の範囲で仕上冷間圧延を行って板厚０.５〜１.５ｍｍとする工程が採用できる。工程の途中で適宜酸洗を行うことができる。

このようにしてＴ方向の縦弾性係数を重点的に向上させた素材鋼板（前記の縦弾性係数および０.２％耐力を有するもの）を得ることができる。この素材鋼板をプレス成形することによりＣＰＵソケット枠および固定カバーが製造される。プレス成形に際しては、ＣＰＵソケット枠および固定カバーにおいて高い縦弾性係数を必要とする方向を、素材鋼板のＴ方向に一致させる。大量生産においては、前記素材鋼板を必要な幅にスリットし、これをトランスファープレスに供すればよい。

表１に示す組成のステンレス鋼を溶製し、連続鋳造によりスラブを製造した。このスラブを１２００℃に加熱したのち熱間圧延して板厚５ｍｍの熱延コイルを得た。次いで箱形焼鈍炉で８００℃×７時間加熱後炉冷し、酸洗後、冷間圧延して板厚０.８〜１.７８ｍｍの冷延鋼板を得た。その後８００℃まで昇温後直ちに冷却する焼鈍（均熱０秒）を施し、酸洗後、圧延率０〜５５％の範囲内で仕上冷間圧延を行って、いずれも板厚０.８ｍｍに調整した。
また、従来材であるオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０１−ＣＰＳ１／２Ｈ材（板厚０.８ｍｍ）を用意し、比較材とした。
後述表２のＮｏ.１〜７が表１のステンレス鋼を用いたもの、Ｎｏ.８が上記ＳＵＳ３０１を用いたものである。
これらの鋼板（板厚０.８ｍｍ）を以下「素材鋼板」と呼ぶ。

各素材鋼板からＬ方向およびＴ方向のＪＩＳ１３Ｂ号引張試験片を作製し、ひずみゲージ法によって０.０５％ひずみ付与時の縦弾性係数を各方向について測定した。
また、ＪＩＳ１３Ｂ号引張試験片を用いて引張試験を行い、各方向の０.２％耐力を求めた。
さらに、Ｖブロック法（ＪＩＳＺ２２４８に準じた９０°Ｖ曲げ試験）により曲げ加工性を調べた。ポンチ先端半径Ｒを０.２ｍｍとし、圧延方向と平行な曲げ軸（Ｔ方向曲げ）、圧延方向に直交する曲げ軸（Ｌ方向曲げ）の２方向について試験片を９０°曲げし、曲げ加工部を光学顕微鏡で観察することにより割れ発生の有無を調べた。割れが認められなかったものを○（良好）、割れが認められたものを×（不良）と評価した。

次に、曲げ加工性が悪かったＮｏ.７を除き、素材鋼板をスリットして得た帯板をトランスファープレスに供し、図１および図２に示したものと類似形状のＣＰＵソケット枠および固定カバーを製造した。その際、図１または図２の（ｂ）の左右方向に相当する方向が素材鋼板のＴ方向と一致するようにした。固定カバーには前述した「反り」を付けてある。そして、同じ素材鋼板に由来するＣＰＵソケット枠と固定カバーとを組み合わせて図１に示すような構造のＣＰＵ取り付け部を配線基板上に構築し、ＣＰＵチップの実装試験を行った。ＣＰＵとソケットの間に圧力測定フィルムを挟み込み、固定カバーをフックにより閉じて、ＣＰＵチップを固定したときの圧力（以下これを「固定圧力」という）を測定した。固定圧力が１.０ＭＰａ以上であれば適用可能であるが、ここでは更に厳しい条件設定として１.２ＭＰａ以上を合格と判定した。

また、ＣＰＵチップをソケットに載せた状態で、固定カバーをフックにより閉じたのち開く動作を１０００回繰り返して行い、固定カバーの「反り」の量を試験開始前と１０００回繰り返し後で比較した。反り量は、固定カバーを湾曲の凹部側が下になるように定盤の上に置いて測定した。試験前の反り量と１０００回繰り返し後の反り量の差を求め、これを「固定カバー変形量」と定義した。固定カバー変形量が３００μｍ以下であれば十分適用可能であるため、合格と判定した。
これらの結果を表２に示す。

表２から判るように、仕上圧延率を１５〜３０％の範囲で調整した本発明例のものは、Ｔ方向の縦弾性係数Ｅ_Tが２１０ＧＰａ以上、Ｌ方向の０.２％耐力σ_0.2Lが５００〜９００ＭＰａ、Ｔ方向の０.２％耐力σ_0.2Tが６００〜９００ＭＰａを満たし、曲げ加工性、固定圧力、固定カバー変形量とも良好な結果であった。また、Ｔ方向の縦弾性係数を重点的向上させることができたため、Ｅ_L≦Ｅ_T−１５の関係を満たし、トランスファープレスによる製造性にも問題なかった。

これに対し比較例Ｎｏ.５は焼鈍ままの素材鋼板を用いたためＴ方向の縦弾性係数を重点的に向上させることができず、固定圧力は本発明例に比べ低めであった。また、０.２％耐力が低くなり固定カバー変形量が過大となった。Ｎｏ.６は仕上冷間圧延率が不足したことにより０.２％耐力の向上が不十分となり、固定カバー変形量が大きかった。Ｎｏ.７は仕上冷間圧延率が高すぎたためＴ方向の０.２％耐力が過大となり、同方向で曲げ性に劣った。Ｎｏ.８は従来材のＳＵＳ３０１を使用したものであるが、縦弾性係数がＴ方向、Ｌ方向とも低い。このため固定圧力が低く、本発明例のものに比べ締結性能の信頼性に劣る。また、多量のＮｉを含むオーステナイト系であるため素材コストが高い。

金属製ＣＰＵソケット枠と固定カバーの使用例を表す図面代用写真。金属製ＣＰＵソケット枠と固定カバーの使用例を模式的に示した図。

Claims

質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：２％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：１０〜２０％、Ｎｉ：２％以下、Ａｌ：０.００１〜０.０５％、Ｍｏ：０〜４％、Ｃｕ：０〜２％、Ｔｉ：０〜２％、Ｎｂ：０〜２％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、板の圧延方向をＬ方向、圧延方向に対して直角方向をＴ方向と呼ぶとき、Ｔ方向の縦弾性係数Ｅ_Tが２１０ＧＰａ以上、Ｌ方向の０.２％耐力σ_0.2Lが５００〜９００ＭＰａ、Ｔ方向の０.２％耐力σ_0.2Tが６００〜９００ＭＰａであるＣＰＵソケット枠用またはＣＰＵ固定カバー用ステンレス鋼板。
Ｌ方向の縦弾性係数Ｅ_L（ＧＰａ）とＴ方向の縦弾性係数Ｅ_T（ＧＰａ）との間に、Ｅ_L≦Ｅ_T−１５の関係を有する請求項１に記載のステンレス鋼板。