JP5427968B1 - 銅合金板および、それを備える放熱用電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度、高導電性および優れた加工性を兼ね備えた銅合金および、それを備える放熱用電子部品を提供する。
【解決手段】本発明の銅合金板は、０．０１〜０．５質量％のＦｅを含有し、さらにＰを含有し、このＰの質量％濃度（％Ｐ）に対するＦｅの質量％濃度（％Ｆｅ）の割合（％Ｆｅ／％Ｐ）を１．０〜６．０とし、残部が銅およびその不可避的不純物から成り、６５％ＩＡＣＳ以上の導電率、および４００ＭＰａ以上の０．２％耐力を有し、かつ、圧延方向に対し、平行な方向、直角な方向および、４５°をなす方向のそれぞれのランクフォード値をｒ₀、ｒ₉₀、ｒ₄₅としたときに、（ｒ₀＋ｒ₉₀＋２×ｒ₄₅）／４で定義される板厚異方性ｒが１．２以上であるものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、放熱性、導電性および絞り加工性に優れる銅合金板に関し、詳細には端子、コネクタ、リレー、スイッチ、ソケット、バスバー、リードフレームなどの電子部品用途、特に、スマートフォンやパソコンなどに用いられる放熱性部品および高電流部品の用途に好適な銅合金板に関する。

スマートフォン、タブレットＰＣおよびパソコン等の電機・電子機器等には、端子、コネクタ、スイッチ、ソケット、リレー、バスバー、リードフレーム等の電気接続を得るための部品が組み込まれている。
近年、スマートフォン、タブレットＰＣおよびパソコンの小型化に伴い、電気・電子機器内の液晶部品またはＩＣチップ等に通電した際の蓄熱が大きくなる傾向がある。蓄熱が大きい状態はＩＣチップや基盤への熱的損傷が大きいため、放熱部品の放熱性が問題になっている。

従来、スマートフォン、タブレットＰＣおよびパソコン等の電気・電子機器内の放熱部品にはオーステナイト系ステンレス鋼および純アルミニウム等が主に使用されてきた。例えばスマートフォンやタブレットＰＣの液晶に付属の放熱部品（液晶フレーム）には、高い放熱性に加えて構造体としての強度および液晶への固定に必要な曲げ性または絞り加工性が求められている。
オーステナイト系ステンレス鋼は曲げ性および絞り加工性は良好であるが、熱伝導性が低く、それを補うため高価な熱伝導シート等を併用している。そのため放熱部品の単価が高くなる。一方、純アルミニウムおよびアルミニウム合金では曲げ性および絞り加工性は良好であるが熱伝導性および構造体としての強度が足りていない。

これに対し、銅合金のなかでもＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金は、熱伝導性と比例関係にあることが知られている導電率が比較的高く、しかも所要の強度を有するとともに、安価に製造できることから、特に、例えばＪＩＳ合金番号Ｃ１９２１（Ｃｕ−０．１質量％Ｆｅ−０．０３質量％Ｐ）、Ｃ１９４０（Ｃｕ−２．４質量％Ｆｅ−０．１質量％Ｐ−０．１質量％Ｚｎ）等が、上記のような電気・電子機器の放熱部品としての実用に供されている。Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金の改良技術は、例えば特許文献１〜５に開示されている。

特開２００４−０９９９７８号公報 特開２００５−１３９５０１号公報 特開２００５−２０６８９１号公報 特開２００６−０８３４６５号公報 特開２００７−０３１７９４号公報

しかし、従来のＣｕ−Ｆｅ−Ｐ合金では強度および熱伝導特性は高いものの、要求される曲げ性または絞り加工性、場合によってはその両方を満たしていなかった。

したがって、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金で、強度および導電率を維持したまま曲げ性および絞り加工性を改善することは、工業的に極めて意義深いといえる。

そこで、本発明は、高強度、高導電および優れた絞り加工性および曲げ加工性を兼ね備えた銅合金板および、それを備える放熱用電子部品を提供することを課題とする。

本発明者らは、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金において、面内の３つの方位で測定したランクフォード値から求めた板厚異方性の値を制御することにより、絞り加工性および曲げ加工性が向上することを見出した。
以上の知見を背景に、以下の発明を完成させた。
本発明の銅合金板は、０．０１〜０．５質量％のＦｅを含有し、さらにＰを含有し、このＰの質量％濃度（％Ｐ）に対するＦｅの質量％濃度（％Ｆｅ）の割合（％Ｆｅ／％Ｐ）を１．０〜６．０とし、残部が銅およびその不可避的不純物から成り、６５％ＩＡＣＳ以上の導電率、および４００ＭＰａ以上の０．２％耐力を有し、かつ、圧延方向に対し、平行な方向、直角な方向および、４５°をなす方向のそれぞれのランクフォード値をそれぞれｒ₀、ｒ₉₀、ｒ₄₅としたときに、（ｒ₀＋ｒ₉₀＋２×ｒ₄₅）／４で定義される板厚異方性ｒが１．２以上としたものである。

本発明の銅合金板では、Ｗ曲げ試験における圧延平行方向（ＧＷ方向）および圧延直角方向（ＢＷ方向）の最小曲げ半径/板厚(ＭＢＲ/ｔ)が、ＭＢＲ/ｔ≦２．０で与えられるものとすることが好ましい。

なお、本発明の銅合金板では、０．５質量％以下のＳｎをさらに含有すること、１．０質量％以下のＺｎをさらに含有することがそれぞれ好ましく、また、Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、ＳｉおよびＢからなる群から選ばれる一種以上の元素を２．０質量％以下でさらに含有することが好ましい。

また、本発明の放熱用電子部品は、上記の何れかの銅合金板を備えるものである。

本発明によれば、高強度、高導電性および優れた絞り加工性を兼ね備えた銅合金板を提供することが可能である。この銅合金板は、端子、コネクタ、スイッチ、ソケット、リレー、バスバー、リードフレーム等の電子部品の素材として好適に使用することができ、スマートフォンやパソコンなどに用いられる放熱性部品および高電流部品の用途に好適な銅合金に関する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る銅合金板は、０．０１〜０．５質量％のＦｅおよび、Ｐを含有し、このＰの質量％濃度（％Ｐ）に対するＦｅの質量％濃度（％Ｆｅ）の割合（％Ｆｅ／％Ｐ）を１．０〜６．０とし、残部が銅および不可避的不純物からなる組成を有するものであり、この銅合金板で、導電率を６５％ＩＡＣＳ以上とし、０．２％耐力を４００ＭＰａ以上とし、ランクフォード値から求めた板厚異方性を１．２以上に調整する。このような特性を兼ね備える本発明の銅合金板は、放熱用電子部品の用途に好適である。

（合金成分濃度）
Ｆｅ濃度は０．０１〜０．５質量％とする。Ｆｅが０．５質量％を超えると、６５％ＩＡＣＳ以上の導電率を得ることが難しくなる。Ｆｅが０．０１質量％未満になると、４００ＭＰａ以上の０．２％耐力を得ることが難しくなる。このような観点から、Ｆｅ濃度は０．０５〜０．５とすることが好ましい。

本発明の銅合金には、Ｆｅに加えＰを添加する。そして、このＰの質量％濃度（％Ｐ）とＦｅの質量％濃度（％Ｆｅ）との比（％Ｆｅ／％Ｐ）が１．０〜６．０、好ましくは２．０〜５．０となるように調整する。％Ｆｅ／％Ｐをこのように調整することで、より高い導電率が得られる。
より具体的には、Ｐ濃度は０．０１〜０．３質量％とすることが好ましい。Ｐには合金の製造プロセスにおいて、溶湯を脱酸する効果がある。また、Ｆｅと化合物を形成することにより、合金の導電率や強度を高める効果がある。

本発明のＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金には、０．５質量％以下のＳｎを添加することができる。Ｓｎには圧延の際の合金の加工硬化を促進し、合金の強度を改善する効果がある。
Ｓｎが０．５質量％を超えると、導電率の低下が大きくなる。Ｓｎ添加の効果を得るためには、Ｓｎの添加量を０．００１質量％以上にすることが好ましい。より好ましいＳｎ濃度の範囲は０．００５〜０．３質量％、さらに好ましいＳｎ濃度の範囲は０．０１〜０．１質量％である。
なお、Ｓｎは溶銅中で酸化物を形成しにくいため、０．５質量％以下の濃度で添加する限り、Ｓｎ添加が合金の製造性や品質を悪化させることはない。

また、本発明のＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金には、Ｓｎめっきの耐熱剥離性を改善するために、１．０質量％以下のＺｎを添加することができる。Ｚｎが１．０質量％を超えると、導電率の低下が大きくなる。Ｚｎ添加の効果を得るためには、Ｚｎの添加量を０．００１質量％以上にすることが好ましい。より好ましいＺｎ濃度の範囲は０．０１〜０．５質量％である。Ｚｎについても溶銅中で酸化物を形成しにくいため、１．０質量％以下の濃度で添加する限り、合金の製造性や品質を悪化させることはない。

さらに、本発明のＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金には、強度や耐熱性を改善するために、Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、ＳｉおよびＢからなる群から選ばれる一種以上の元素をさらに含有することができる。ただし、添加量が多すぎると、導電率が低下したり、製造性が悪化したりするので、添加量は総量で２．０質量％以下、より好ましくは０．５質量％以下、さらに好ましくは０．１質量％以下に制限される。また、添加による効果を得るためには、添加量を総量で０．００１質量％以上にすることが好ましい。

（導電率）
本発明では、ＪＩＳ Ｈ０５０５に準拠して測定した導電率を６５％ＩＡＣＳ以上とする。導電率が６５％ＩＡＳＣ以上であれば、熱伝導率が良好であり、良好な放熱性を確保できる。

（０．２％耐力）
本発明では、銅合金板の０．２％耐力を４００ＭＰａ以上とすることとし、この場合は、銅合金板が、構造材の素材として必要な強度を有しているといえる。

（絞り加工性）
試験片の圧延平行、直角、４５°方向に、それぞれ２．５％の伸び歪を加え、試験片の長さおよび幅方向の寸法変化から、各方向のランクフォード値であるｒ₀、ｒ₉₀、ｒ₄₅を求め、ｒ＝（ｒ₀＋ｒ₉₀＋２×ｒ₄₅）／４で定義される板厚異方性ｒを算出した。この板厚異方性ｒは、一般に値が大きいほど絞り加工性が良好であることが知られている。また、一般伸銅品の板厚異方性ｒは０．８〜１．１程度であり、この値が１．２以上となるように調整することで、優れた絞り加工性が得られる。
ここでいうランクフォード値は、ＪＩＳ Ｚ２２５４に規定されるものであり、上記の各ランクフォード値ｒ₀、ｒ₉₀、ｒ₄₅を測定するに当っては、ＪＩＳ Ｚ２２５４に準拠して行うものとする。ただし、本発明品は構造材として必要な強度を維持するため伸びが低く、負荷ひずみを２．５％としている。

（厚み）
製品の厚み、つまり板厚（ｔ）は０．０５〜２．０ｍｍであることが好ましい。厚みが小さすぎると、十分な放熱性が得られなくなるため、放熱用電子部品の素材として不適である。一方で、厚みが大きすぎると、絞り加工および曲げ加工が困難になる。このような観点から、より好ましい厚みは０．０８〜１．５ｍｍである。厚みが上記範囲となることにより、放熱性に優れ、かつ、曲げ加工性を良好なものとすることができる。

（曲げ加工性）
銅合金板の最小曲げ半径（ＭＢＲ）を、ＪＩＳ Ｈ３１３０に準拠して測定するものとし、上記の板厚（ｔ）に対する、この最小曲げ半径（ＭＢＲ）の割合（ＭＢＲ／ｔ）は、２．０以下とすることが、良好な曲げ性を確保するとの観点から好ましい。より好ましくは、ＭＢＲ／ｔを１．８以下とする。

（製造方法）
以下、本発明に係る銅合金板の好適な製造方法の一例について説明する。
純銅原料として電気銅等を溶解し、Ｆｅ、Ｐおよび必要に応じ他の合金元素を添加し、厚み３０〜３００ｍｍ程度のインゴットに鋳造する。このインゴットを例えば８００〜１０００℃の熱間圧延により厚み３〜３０ｍｍ程度の板とした後、冷間圧延と再結晶焼鈍とを繰り返し、最終の冷間圧延で所定の製品厚みに仕上げ、最後に歪取り焼鈍を施す。最終冷間圧延後の伸びは、２％に満たないほど低いが、その後の歪取焼鈍により上昇する。

再結晶焼鈍では、圧延組織の一部または全てを再結晶化させる。また、適当な条件で焼鈍することにより、ＦｅまたはＦｅとＰとの化合物が析出し、合金の導電率が上昇する。
最終冷間圧延前の再結晶焼鈍では、銅合金板の平均結晶粒径を５０μｍ以下に調整する。平均結晶粒径が大きすぎると、０．２％耐力を４００ＭＰａ以上に調整することが難しくなる。

最終冷間圧延前の再結晶焼鈍の条件は、目標とする焼鈍後の結晶粒径および目標とする製品の導電率に基づき決定する。具体的には、バッチ炉または連続焼鈍炉を用い、炉内温度を３５０〜８００℃として焼鈍を行えばよい。バッチ炉では３５０〜６００℃の炉内温度において３０分から３０時間の範囲で加熱時間を適宜調整すればよい。連続焼鈍炉では４５０〜８００℃の炉内温度において５秒から１０分の範囲で加熱時間を適宜調整すればよい。一般的にはより低温でより長時間の条件で焼鈍を行うと、同じ結晶粒径でより高い導電率が得られる。

最終冷間圧延では、一対の圧延ロール間に材料を繰り返し通過させ、目標の板厚に仕上げてゆく。最終冷間圧延の総加工度を制御する。
総加工度Ｒ（％）は、Ｒ＝（ｔ₀−ｔ）／ｔ₀×１００（ｔ₀：最終冷間圧延前の板厚、ｔ：最終冷間圧延後の板厚）で与えられる。
総加工度Ｒは４０〜９９％、好ましくは４５〜９８．５、より好ましくは５０〜９８とする。Ｒが小さすぎると、０．２％耐力を４００ＭＰａ以上に調整することが難しく、Ｒが大きすぎると、圧延材のエッジが割れることがある。

本発明の歪取焼鈍は、炉内で銅合金板を平板状に保持することができる連続焼鈍炉を用いて行う。バッチ炉の場合、コイル状に巻き取った状態で材料を加熱するため、加熱中に材料が塑性変形を起こし材料に反りが生じる。したがって、バッチ炉は本発明の歪取焼鈍に不適である。

圧延後の歪取焼鈍では、連続焼鈍炉内において材料に負荷される張力を１〜５ＭＰａ、より好ましくは２〜４ＭＰａに調整する。張力が大きすぎると、板厚異方性ｒが低下し、１．２以上に調整することが困難となる。一方、張力が小さすぎると、焼鈍炉を通過中の材料が炉壁と接触して材料表面やエッジに傷が付くなど、生産性の低下を引き起こす可能性がある。

連続焼鈍炉において、炉内温度を３００〜７００℃、好ましくは３５０〜６５０℃とし、５秒から１０分の範囲で加熱時間を適宜調整し、歪取焼鈍後の０．２％耐力（σ）を歪取焼鈍前の０．２％耐力（σ₀）に対し１０〜５０ＭＰａ低い値、好ましくは１５〜４５ＭＰａ低い値に調整する。これにより、最終冷間圧延上がりにおいて低かった伸びが上昇するとともに、曲げ性が改善する。

本発明は、上述の歪取焼鈍に加えて、ランクフォード値から求めた板厚異方性ｒ≧１．２なる特徴をＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金に付与することにより、絞り加工性および曲げ加工性を改善することを一つの特徴としているが、そのための製造条件を整理して示すと、以下の通りである。
ａ．歪取焼鈍において、（σ₀−σ）＝１０〜５０ＭＰａに調整する。
ｂ．歪取焼鈍における炉内張力を５ＭＰａ以下に調整する。
ｃ．仕上圧延の総加工度を９９％以下にする。

以上のようにして製造された銅合金板は、様々な板厚の伸銅品に加工されて、たとえば、スマートフォン、タブレットＰＣおよびパソコン等の電気・電子機器内の放熱用電子部品等として用いることができる。

以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。
溶銅に合金元素を添加した後、厚みが２００ｍｍのインゴットに鋳造した。インゴットを９５０℃で３時間加熱し、９５０℃で熱間圧延により厚み１５ｍｍの板にした。熱間圧延板表面の酸化スケールをグラインダーで研削、除去した後、焼鈍と冷間圧延を繰り返し、最終の冷間圧延で所定の製品厚みに仕上げた。最後に連続焼鈍炉を用い歪取焼鈍を行った。

最終冷間圧延前の焼鈍（最終再結晶焼鈍）は、バッチ炉を用い、加熱時間を５時間とし炉内温度を３００〜７００℃の範囲で調整し、焼鈍後の結晶粒径と導電率を変化させた。焼鈍後の結晶粒径の測定においては、圧延方向に直角な断面を鏡面研磨後に化学腐食し、切断法（ＪＩＳ Ｈ０５０１（１９９９年））により平均結晶粒径を求めた。

最終冷間圧延では、総加工度および１パスあたりの加工度を制御した。また、最終冷間圧延後の材料の０．２％耐力を求めた。
連続焼鈍炉を用いた歪取り焼鈍では、炉内温度を５００℃とし加熱時間を１秒から１５分の間で調整し、焼鈍後の０．２％耐力を種々変化させた。また、炉内において材料に付加する張力を種々変化させた。なお、一部の材料については歪取焼鈍を省略した。
製造途中の材料および歪取焼鈍後の材料につき、次の測定を行った。

（成分）
歪取焼鈍後の材料の合金元素濃度をＩＣＰ−質量分析法で分析した。

（０．２％耐力）
最終冷間圧延後および歪取焼鈍後の材料につき、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定する１３Ｂ号試験片を引張方向が圧延方向と平行になるように採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１に準拠して圧延方向と平行に引張試験を行い、０．２％耐力を求めた。

（導電率）
歪取焼鈍後の材料から、試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように試験片を採取し、ＪＩＳ Ｈ０５０５に準拠し四端子法により２０℃での導電率を測定した。

（板厚異方性）
試験片の圧延平行、直角、４５°方向に、ＪＩＳ Ｚ２２４１に規定するＪＩＳ１３Ｂ号試験片を採取した。この試験片に対し、引張試験器を用いてそれぞれ２．５％の伸び歪を加え、板厚異方性を算出した。

（ＭＢＲ／ｔ）
幅１０ｍｍ×長さ３０ｍｍの短冊状の試験片を作製し、Ｗ曲げ試験（ＪＩＳ Ｈ３１３０）によって行った。試験片採取方向は、圧延平行方向（ＧＷ）および圧延直角方向（ＢＷ）とし、割れの発生しない最小曲げ半径ＭＢＲ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｂｅｎｄ Ｒａｄｉｕｓ）と板厚ｔの比ＭＢＲ／ｔにて評価した。

表１に評価結果を示す。なお、表１に示すところにおいて、最終再結晶焼鈍後の結晶粒径における「＜10μｍ」の表記は、圧延組織の全てが再結晶化しその平均結晶粒径が１０μｍ未満であった場合、および圧延組織の一部のみが再結晶化した場合の双方を含んでいる。

表１に示すところから解かるように、発明例１〜２３は、いずれも０．０１〜０．５質量％のＦｅおよび、０．０１〜０．３質量％のＰを含有し、このＰの質量％濃度（％Ｐ）に対するＦｅの質量％濃度（％Ｆｅ）の割合（％Ｆｅ／％Ｐ）を１．０〜６．０とし、また、最終再結晶焼鈍の結晶粒径が５０μｍ以下、最終圧延の総加工度が４０〜９９％、歪取焼鈍における張力が１〜５ＭＰａと規定の範囲になっているため、歪取焼鈍後の０．２％耐力が４００ＭＰａ以上、導電率が６５％以上、板厚異方性ｒが１．２以上で、放熱性、強度および加工性に良好な材料が得られている。さらに、発明例１３、２３以外は、最終圧延後の０．２％耐力と歪取焼鈍後における０．２％耐力の差が１０〜５０ＭＰａであるため、曲げ加工性がＧＷ、ＢＷ共に２．０以下で良好である。

一方、比較例１、２は、歪取焼鈍を行ったが、張力が規定範囲の上限を超えており、板厚異方性が１．２未満となり、絞り加工性が悪い。比較例３は、歪取焼鈍における０．２％耐力の低下量が過大であり、歪取焼鈍後の耐力が４００ＭＰａ未満で、強度が不十分である。比較例４はＦｅの添加濃度が低すぎるため、耐力が４００ＭＰａ未満で、強度が不十分である。

また、比較例５は、Ｆｅの添加濃度が過剰であり、導電率が６５％未満となって、放熱性が悪い。比較例６、７は、Ｆｅの質量％濃度に対するＰの添加濃度が規定範囲外のため、導電率が６５％未満となって、放熱性が悪い。比較例８は、再結晶焼鈍における結晶粒径が５０μｍを超えているため、強度が不十分である。比較例９は、最終圧延における総加工度が４０％未満となっているため、強度が不十分である。

Claims (6)

1. ０．０１〜０．５質量％のＦｅを含有し、さらにＰを含有し、このＰの質量％濃度（％Ｐ）に対するＦｅの質量％濃度（％Ｆｅ）の割合（％Ｆｅ／％Ｐ）を１．０〜６．０とし、残部が銅およびその不可避的不純物から成り、６５％ＩＡＣＳ以上の導電率、および４００ＭＰａ以上の０．２％耐力を有し、かつ、圧延方向に対し、平行な方向、直角な方向および、４５°をなす方向のそれぞれのランクフォード値をそれぞれｒ₀、ｒ₉₀、ｒ₄₅としたときに、（ｒ₀＋ｒ₉₀＋２×ｒ₄₅）／４で定義される板厚異方性ｒが１．２以上である銅合金板。
2. Ｗ曲げ試験における圧延平行方向（ＧＷ方向）および圧延直角方向（ＢＷ方向）の最小曲げ半径（ＭＢＲ）の、板厚（ｔ）に対する割合が、ＭＢＲ/ｔ≦２．０で与えられる請求項１に記載の銅合金板。
3. ０．５質量％以下のＳｎをさらに含有する、請求項１または２に記載の銅合金板。
4. １．０質量％以下のＺｎをさらに含有する、請求項１〜３の何れか１項に記載の銅合金板。
5. Ａｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、ＳｉおよびＢからなる群から選ばれる一種以上の元素を２．０質量％以下でさらに含有する、請求項１〜４の何れか１項に記載の銅合金板。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の銅合金板を備える放熱用電子部品。