JP5068481B2 - 銅合金及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放熱材料及びその製造方法に関し、特に熱膨張係数が低く且つ高い導電率を有する放熱材料及びその製造方法に関する。

銅合金は高い熱伝導性及び導電率を有することから、特にパワーモジュール用ヒートシンク及び半導体用ヒートシンク等の放熱材料（サーマルデバイス材）か、又はＩＣのリードフレーム等として使用されている。近時、更に集積度が増し高価な半導体チップ等の破損を防ぎ、効率よく放熱を行うため、更に一層低い熱膨張係数と高導電率とを有する放熱材料を低コストで作成することが求められている。

例えば、この放熱材料として、熱膨張係数が１６．３ｐｐｍ、導電率が６５％ＩＡＣＳ（International Annealed Copper Standard）であるＣ１９４（Ｃｕ−２．３Ｆｅ−０．０３Ｐ−０．１Ｚｎ（質量％））等が量産されている。

特許文献１に開示されている技術は、ＩＣパッケージ等に使用されるヒートスプレッダ用Ｃｕ基合金として、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏのうち少なくとも１種類及びＰを合計で０．０５乃至０．３質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金を使用するというものである。

また、特許文献２には、半導体素子の放熱材料として、無酸素銅（Ｃ１０２０）、リン脱酸銅、Ｃ１９４（ＴＡＭＡＣ１９４）合金、ＴＡＭＡＣ４合金、ＴＡＭＡＣ２合金、ＭＳＰ１合金、ＯＭＣＬ１合金、ＴＡＭＡＣ１５合金、Ｃ１５１合金、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金Ｃ２６００等）、リン青銅（Ｃ５１９１等）、タフピッチ銅等、一般的には純銅に対する導電率比ＥＣが６０％以上である材質が望ましく、また、Ｐを０．００５乃至０．０５％含むリン脱酸銅に対し、鉄、クロム、ニッケル、銀、亜鉛、スズ、アルミニウム、鉛、マグネシウム、テルル、ジルコニウム、シリコン、マンガン、コバルト、ベリリウム、硼素及びチタンからなる群から選択された１種又は２種の元素を合わせて０．０１乃至２．５質量％含有する材料からなるものを使用することもできる旨が記載されている。

また、特許文献３には、電子機器用銅合金として、Ｃｒ０．２乃至１．０質量％、Ｓｎ０．０１乃至０．６質量％、Ｐ０．１質量％以下、Ｚｎ０．６質量％以上３．０質量％未満、Ｃｄ０．０１乃至０．２質量％、Ｃｏ０．０１乃至０．５質量％、Ｔｅ０．０１乃至０．１質量％、Ｙ０．０１乃至０．２質量％、レアーアース０．０１乃至０．２質量％、Ｎｂ０．０１乃至０．２質量％、Ｔａ０．０１乃至０．２質量％及びＶ０．０１乃至０．２質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を合わせて５質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金及びＣｒ０．２乃至１．０質量％、Ｓｎ０．０１乃至０．６質量％、Ｐ０．１質量％以下、Ｚｎ０．６質量％以上３．０質量％未満、Ｃｄ０．０１乃至０．２質量％、Ｃｏ０．０１乃至０．５質量％、Ｔｅ０．０１乃至０．１質量％、Ｙ０．０１乃至０．２質量％、レアーアース０．０１乃至０．２質量％、Ｎｂ０．０１乃至０．２質量％、Ｔａ０．０１乃至０．２質量％及びＶ０．０１乃至０．２質量％からなる群から選択された少なくとも１種の元素を合わせて５％以下含有し、更にＭｎ０．５質量％以下、Ｎｉ１．０質量％以下、Ｓｉ０．２質量％以下からなる群からなる群から選択された少なくとも１種の元素を合わせて１質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金を使用することができる旨が記載されている。

しかしながら、上述の従来技術には以下のような問題点がある。特許文献１乃至３に開示された銅合金を、例えばパワーモジュール用ヒートシンク、半導体用ヒートシンク等の放熱材料又はＩＣのリードフレームとして使用する場合、これらの銅合金の熱膨張係数は半導体チップの熱膨張係数よりも大きく、この熱膨張係数の差によって半導体チップ又は半導体装置の封止材等の破損を起こす虞があるという問題点がある。

この問題点を解決すべく、例えば、パワーモジュール用ヒートシンク及び半導体用ヒートシンク等の放熱材料として、低熱膨張銅合金を使用することが考えられる。低熱膨張銅合金としては、Ｃｕ−Ｍｏ又はＣｕ−Ｗ等、Ｍｏ又はＷの低熱膨張率を利用した低熱膨張銅合金が知られている。

また、例えば、他に、放熱材料としてはＣｕＦｅＰ及びＣｕＷも知られている。

特開２００３−２７７８５３号公報 特開２０００−１８３２３５号公報 特公平７−１７９７７号公報

しかしながら、Ｃｕ−Ｍｏ又はＣｕ−Ｗ等、Ｍｏ又はＷの低熱膨張率を利用した低熱膨張銅合金は材料が高価であり、また、粉末冶金でしか量産することができず、板材及び棒材を量産することができないため、使用分野が限られているという問題点がある。

ＣｕＦｅＰは導電率が低いという問題点があり、ＣｕＷは薄い形状に加工することができず、圧延等の加工ができないため加工形状に制限があるという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、従来の銅合金よりも低い熱膨張係数を有し、且つ高導電率を有する銅合金及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る銅合金は、Ｔｅを０．５乃至３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有し、ビッカース硬度Ｈｖが６８．３乃至８０であり、１００℃における熱膨張係数が、１４．３乃至１６．５ｐｐｍであることを特徴とする。

前記銅合金は更にＢを１質量％以下含有する組成を有することができ、その場合のビッカース硬度Ｈｖが７１乃至９５であることが好ましい。これにより、熱膨張係数を更に低くでき、また強度が更に向上する。
この場合に、１００℃における熱膨張係数が、１５．９ｐｐｍ以下であることが好ましい。
また、以上の銅合金は、放熱材料に使用することができる。

本発明に係る銅合金の製造方法は、Ｔｅを０．５乃至３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金のインゴットを、加熱温度７００乃至８５０℃、加工率９４％以下で熱間押出して棒状の銅合金を得る工程と、前記熱間押出の後、前記棒状の銅合金を、溶体化処理する工程と、前記溶体化処理された銅合金を、加工率３０％以下で冷間引き抜き又は冷間圧延して棒材又は板材を得る工程と、を有することを特徴とする。これにより、本発明に係る放熱材料が通常の金属量産工程で生産できるため、低コストで生産可能である。また、この銅合金の製造方法においては、Ｔｅ及びＢ又はＴｅが母相であるＣｕに分散し、棒材又は板材の組織が均一になるため、部品加工の際に優れた切削性が得られる。よって切削加工等のコスト低減ができる。更に、この銅合金の製造方法により、硬度の高い放熱材料を得ることができる。

また、前記銅合金は更にＢを１質量％以下含有することができる。

本発明によれば、従来の銅合金よりも優れた低熱膨張係数及び高導電率を有する放熱材料を得ることができる。

以下、本発明の第１実施形態に係る放熱材料について、具体的に説明する。本実施形態に係る放熱材料は、Ｔｅを０．５乃至３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金である。通常、Ｃｕ−Ｔｅ合金は、真空スイッチ（ブレーカー）等に使用される。これは、ＴｅがＣｕに固溶しないで分散するため、アークが飛び散らず、一度スイッチが働いても再利用することができるためである。

Ｃｕの熱膨張係数は０乃至１００℃で１７ｐｐｍである。また、Ｔｅは六方晶系で熱膨張係数に異方性があり、Ｃ軸に平行方向において１．７ｐｐｍ、Ｃ軸に直角方向において２７．５ｐｐｍである。Ｃｕ−Ｔｅ合金の熱膨張係数は知られておらず、また、母相に対しＴｅは固溶せずに分散するため、この分散した状態における熱膨張係数も知られていない。例えば、Ｔｅを３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金の熱膨張係数を混合則（Ｃｕの熱膨張係数×組成比＋Ｔｅの熱膨張係数×組成比）で算出すると、測定方向によって１６．７５乃至１７．６４ｐｐｍと差が出ることが予想される。通常、低熱膨張率係数を有する銅合金を得るためには、混合則によりＭｏ及びＷのような低熱膨張金属とＣｕとの合金を作成することが検討され、Ｃｕ−Ｔｅ合金が低熱膨張率係数を有することは予想されていなかった。

しかしながら、鋳造−熱間押出又は熱間圧延−溶体化−冷間加工という工程でＴｅを０．５乃至３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金を作成すると、その熱膨張係数が１４．３乃至１６．５ｐｐｍという低い値を有し、且つ高導電率を有することが分かった。また、このＴｅを０．５乃至３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金は、溶解−鋳造−熱間押出又は熱間圧延−冷間加工等の通常の金属量産工程で生産が可能であるため、低コストで生産することが可能である。更に、Ｔｅが母相であるＣｕに固溶しないで分散するため、部品加工の際に優れた切削性が得られる。よって切削加工等のコスト低減ができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る放熱材料について、具体的に説明する。本実施形態に係る放熱材料は、Ｔｅを０．５乃至３．５質量％、Ｂを１質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金である。Ｂは脱酸素を目的として添加されるものである。

Ｔｅを０．５乃至３．５質量％、Ｂを１質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金は、上述の第１実施形態に係る放熱材料にＢが１質量％以下添加されることによって、熱膨張量係数の低下及び強度の向上が可能である。

以下、本発明の効果を実証するための実施例について説明する。本発明の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の第１実施例として上述の第１実施形態に係る放熱材料であるＴｅを０．５乃至３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金、及び、この範囲から外れる比較例としてのＣｕ−Ｔｅ合金を以下の製造方法により作成した。

各試料について、下記表１に示す所定の成分になるように配合した原料をＡｒ雰囲気で溶解し、これを鋳造した後、３０ｍｍ×７０ｍｍ×２００ｍｍのインゴットを得た。そしてインゴット中央部から３０ｍｍ×７０ｍｍ×２ｍｍの板材を切り出し、これを溶体化試料とした。この溶体化試料をＡｒ雰囲気にて９００℃で１０分間の熱処理を行った後、水冷することにより溶体化処理材とした。

上述の溶体化処理材を使用し、導電率計（Auto Sigma 3000 日本ホッキング株式会社製）で導電率を測定した。次に、溶体化処理材から２ｍｍ×２ｍｍ×２０ｍｍの材料を切り出し、熱膨張係数測定試料を作成し、熱膨張計（TMA8140C 理学製）にて測定した。また、硬度測定については溶体化処理材から２．５ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの材料を切り出し、埋め込み研磨を施して硬度測定試料を作成し、硬度計（hardness tester DMH-1 MATUZAWA SEIKI）にて測定した。下記表１にその測定結果を示す。ここでＴｅ添加量とは、Ｃｕ−Ｔｅ合金におけるＴｅの含有量（質量％）である。

図１は上述の溶体化処理材において、Ｃｕ−Ｔｅ合金のＴｅ添加量（質量％）と硬度の関係を示すグラフ、図２は同じくＣｕ−Ｔｅ合金のＴｅ添加量（質量％）と導電率との関係を示すグラフ、図３は同じくＣｕ−Ｔｅ合金のＴｅ添加量（質量％）と各温度における熱膨張係数との関係を示すグラフである。

表１の比較例１から分かるように、Ｔｅ添加量が０．５質量％以下のＣｕ−Ｔｅ合金においてでは熱膨張係数が高く、また硬度が低かった。また、Ｔｅ添加量が３．５質量％を超えるＣｕ−Ｔｅ合金では、Ｃｕ−Ｔｅ２元系合金としては導電率が低く、また熱膨張係数の温度特性が悪かった。これにより、Ｃｕ−Ｔｅ合金のＴｅ添加量は０．５乃至３．５（質量％）であることが望ましく、Ｔｅを０．５乃至３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金は溶体化処理材の状態で低熱膨張係数及び高導電率を有することが分かった。このとき表１及び図１に示すように硬度は比較的低い状態であるが、この後の加工によって硬度を調整することができる。

次に、熱間圧延、溶体化、冷間圧延等の工程による熱膨張係数への影響を調べるため、Ｔｅを３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金を溶解−鋳造し、４０ｍｍ×５５ｍｍ×２００ｍｍのインゴットを作成し、このインゴットを７９０℃に加熱し、熱間圧延により２．２ｔの板材を得た。また、更にこの２．２ｔの板材を約３０％の圧延率で冷間圧延を行い、１．５４ｔの板材を得た。これらの板材から１．５４ｍｍ×２ｍｍ×２０ｍｍの試料を切り出し、上述の熱膨張係数の測定方法によって各板材の熱膨張係数を測定した。下記表２にその測定結果を示す。

上記表２に示すように、各プロセスにおける板材によって熱膨張係数に違いがあり、３０％の冷間圧延後の板材の熱膨張係数が最も低いことが分かった。しかしながら、押出等他の製造方法によっても低熱膨張係数を有する板材を得ることができた。これにより、要求特性に応じて製造方法を選択することができることが分かった。

また、上述の圧延材料から圧延方向に直角方向及び平行方向に試料を切り出し、上述の熱膨張係数の測定方法によってこれらの試料の熱膨張係数を測定した結果を下記表３に示す。

混合則によると、Ｔｅを３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金の熱膨張係数は測定方向によって差が出ることが予想されたが、上記表３に示すように、測定方向による熱膨張係数の大きな差は見られなかった。よって、この放熱材料は使用の自由度が高いと考えられる。

次に、本発明の第２実施例として、上述の第２実施形態に係る放熱材料であるＴｅを０．５乃至３．５質量％、Ｂを１質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金、及び、この範囲から外れる比較例としてのＣｕ−Ｔｅ−Ｂ合金を以下の通りに作成した。Ｂは脱酸素を目的として添加した。

各試料について、下記表４に示す所定の成分になるように原料を配合し、上述の第１実施例と同様の製造方法によってインゴットを作成し、９００℃で１０分間の溶体化処理を行った後、上述と同様の測定方法で熱膨張係数、導電率及び硬度の測定を行った。下記表４はその測定結果を示すものである。ここで、Ｃｕ−３．５ＴｅへのＢ添加量とはＴｅを３．５質量％、Ｂを任意の量含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金において、Ｂを添加した量（質量％）である。

上記表４に示すように、Ｂはわずかな量を添加するだけでも熱膨張係数の低下及び硬度の向上効果が認められるが、Ｔｅを３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金に対しＢ添加量が１質量％を超えると導電率が低下し、６０％ＩＡＣＳを切ってしまうため、Ｂを添加するメリットがない。よって、Ｂの添加量は１質量％以下であることが望ましい。

上述のように、Ｔｅを３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金及びＴｅを０．５乃至３．５質量％、Ｂを１質量％以下含有し、残部がＣｕ及び不可避的な不純物からなる銅合金は、低熱膨張係数を有し、且つ高導電率を有し、鋳造−熱間押出又は熱間圧延−溶体化−冷間圧延という大量生産に適した通常の工程において低コストで生産可能であることがわかった。

第１実施例に示す溶体化処理材において、Ｃｕ−Ｔｅ合金のＴｅ添加量（質量％）と硬度の関係を示すグラフである。 第１実施例に示す溶体化処理材において、Ｃｕ−Ｔｅ合金のＴｅ添加量（質量％）と導電率との関係を示すグラフである。 第１実施例に示す溶体化処理材において、Ｃｕ−Ｔｅ合金のＴｅ添加量（質量％）と各温度における熱膨張係数の関係を示すグラフである。

Claims (6)

1. Ｔｅを０．５乃至３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる組成を有し、ビッカース硬度Ｈｖが６８．３乃至８０であり、１００℃における熱膨張係数が、１４．３乃至１６．５ｐｐｍであることを特徴とする銅合金。
2. 更にＢを１質量％以下含有する組成を有し、ビッカース硬度Ｈｖが７１乃至９５であることを特徴とする請求項１に記載の銅合金。
3. １００℃における熱膨張係数が、１５．９ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の銅合金。
4. 放熱材料に使用されるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の銅合金。
5. Ｔｅを０．５乃至３．５質量％含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物からなる銅合金のインゴットを、加熱温度７００乃至８５０℃、加工率９４％以下で熱間押出して棒状の銅合金を得る工程と、
   前記熱間押出の後、前記棒状の銅合金を、溶体化処理する工程と、
   前記溶体化処理された銅合金を、加工率３０％以下で冷間引き抜き又は冷間圧延して棒材又は板材を得る工程と、
   を有することを特徴とする銅合金の製造方法。
6. 前記銅合金は更にＢを１質量％以下含有することを特徴とする請求項５に記載の銅合金の製造方法。

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