JP5461711B2 - 高強度、高伝導性を有する銅合金及びその製造方法 - Google Patents
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Description
〔技術分野〕
本発明は、引張強度を増大ないしは維持しながら、高伝導性と高加工性を有する半導体用リードフレーム材、発光ダイオード（ＬＥＤ）リードフレーム材などに適した銅合金及びその製造方法に関する。
〔背景技術〕
本発明は、引張強度を増大ないしは維持しながら、高伝導性と高加工性を有する半導体用リードフレーム材、発光ダイオード（ＬＥＤ）リードフレーム材などに適した銅合金及びその製造方法に関する。
〔背景技術〕
リードフレーム用銅合金としては、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金が一般的に使われている。例えば、Ｆｅ０．０５〜０．１５重量％、Ｐ０．０２５〜０．０４重量％を含有した銅合金（Ｃ１９２１０）や、Ｆｅ２．１〜２．６重量％、Ｐ０．０１５〜０．１５重量％、Ｚｎ０．０５〜０．２０重量％を含有した銅合金（ＣＤＡ１９４）は、銅合金の中でも強度及び伝導性に優れ、国際標準合金として広く使われている。
しかし、高集積化や小型化が進むにつれ、電気、熱伝導性以外に、加工性に必要な高伸率性、メッキ性などの表面状態に優れた高伝導用銅合金がより強く要求されている。
Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金の長所は高導電率が特徴であるが、高強度のために、ＦｅとＰの含量を増やしたり、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃａなどの第３元素を添加することもあったが、これらの元素量を増加させると、強度は増加するが、必然的に導電率が低下する。したがって、銅合金での成分組成の制御だけで、上記した半導体装置に大容量化、小型化及び高機能化の傾向によって要求される高導電率と高強度のバランスが良い、又はこれらの特性を両立した銅合金を実現するのには限界がある。
日本特開２００１−２４４４００号の実施例１では、Ｆｅ２．４１重量％、Ｚｎ０．２４重量％、Ｐ０．０３重量％であり、残部がＣｕからなっており、このような組成の溶湯を鋳塊として熱間加工及び溶体化処理、１次冷間圧延、時効処理、最終パス（ｐａｓｓ）のロール（ｒｏｌｌ）径が１００ｍｍ以上、圧延速度が２００ｍｍ／ｍｉｎ以上、圧延油の粘度が０．０５ｃｍ2／Ｓ以上の条件で最終冷間圧延（加工度５０％）、焼鈍の順に銅合金を製造した。
しかし、Ｆｅの含有量が２．４重量％を超えれば、導電率などの材料の特性だけでなく、鋳造性などの生産性が著しく低下するという問題が発生する。実際に上記の特許文献の実施例１では、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金の引張強度は５３０ＭＰａと比較的に高いが、導電率は６３％ＩＡＣＳで、高導電率を確保することができなかった。
日本特開２０００−１７８６７０号では、ＦｅまたはＮｉとＰの合計を０．０５〜２．０重量％、Ｚｎ５重量％以上、Ｓｎ０．１〜３．３０重量％であり、残部がＣｕからなっており、ＦｅまたはＮｉとＰの原子量比（Ｆｅ／Ｐ、Ｎｉ／Ｐ、（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐ）が０．２〜３．０であり、粒径が３５μｍ以下に制御され、０．２μｍ未満のＦｅ−Ｐ化合物が均一に分散している銅合金が開示されている。
しかし、ＺｎやＳｎの含有量が多いので、微細な析出物粒子を増やしたとしても、必然的に両立したＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系銅合金を実現するのに問題点があった。
日本特開昭６３−１６１１３４号では、Ｆｅ０．０１〜０．３重量％、Ｐ０．４重量％以下、Ｚｎ１．５〜５．０重量％、Ｓｎ０．２〜１．５重量％であり、残部がＣｕからなった銅合金が開示されている。近年、電子部品の小型化に伴って、電子部品用の材料も薄くなる傾向にあり、その材料には高い強度が要求されている。
しかし、上記の特許においては、高強度の銅合金を得ようとする場合、冷間圧延の加工度を高くしなければならず、そのため、加工性が悪くなるという問題点があった。
〔発明の概要〕
〔発明が解決しようとする課題〕
〔発明の概要〕
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は、上記した従来の問題点を改善するためのもので、銅合金組成を適切に配合し、既存の製品より優れた引張強度、電気伝導度を同時に兼備して、端子、コネクタ、スイッチ、リレーなどの電気、電子部品に適した銅合金を提供しようとすることにその目的がある。
〔課題を解決するための手段〕
〔課題を解決するための手段〕
上記した目的を達成するための本発明は、１００重量％中に、Ｆｅ０．０５〜０．２５重量％、Ｐ０．０２５〜０．１５重量％、Ｃｒ０．０１〜０．２５重量％、Ｓｉ０．０１〜０．１５重量％、Ｍｇ０．０１〜０．２５重量％であり、残りがＣｕ及び不可避的不純物で組成された高伝導性、高強度を有する電気及び電子部品用銅合金からなる。
また、本発明は、上記した組成に、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉのうち少なくとも１種を１．０重量％以下に組成することができる。
上記した組成を有する本発明は、Ｃｕ基地にＦｅ粒子分散及びＦｅとＰの結合によるＦｅ−Ｐ系析出物を形成して、電気伝導度及び強度を向上させるもので、Ｆｅ０．０５％未満では、分散効果及び析出物の形成の不足によって強度の確保が難しく、Ｆｅ０．２５重量％超過時には、添加元素の含量の過多によって適正析出量を外れ、電気伝導度が低下するため、特性を要求するリードフレーム用要求水準である７０％ＩＡＣＳを確保しにくい。
本発明は、Ｃｕ基地にＣｒとＳｉの結合によるＣｒ-Ｓｉ系析出物を形成して、電気伝導度及び強度を向上させるもので、Ｃｒ０．０１重量％未満の場合、析出物の形成の不足によって強度の確保及び加工性の向上が難しく、Ｃｒ０．２５重量％超過時には、Ｃｒ-Ｓｉ系析出物が粗大化するため導電率の低下を招く。
図３は、Ｃｕマトリックス内に析出されたＣｒ−Ｓｉ系析出物を示す走査電子顕微鏡写真である。
本発明は、Ｃｕ基地にＭｇとＰの結合によるＭｇ−Ｐ系析出物を形成して、電気伝導度及び強度を向上させるもので、Ｍｇ０．０１重量％未満の場合、析出物の形成の不足によって強度の確保が難しく、Ｍｇ０．２５重量％超過時には、電気伝導度の大幅な低下や曲げ加工性の低下を招き、製造コストが増大する。
図４は、Ｃｕマトリックス内に析出されたＭｇ−Ｐ系析出物を示す走査電子顕微鏡写真である。
本発明は、Ｓｉ０．０１重量％未満時には、溶解鋳造時の脱酸及び鋳塊加熱の後の製造工程の析出物の生成が不十分であるため、強度に寄与できず、Ｓｉを０．１５重量％以上含有させると、上記した効果に対するこれ以上の改善効果がないと同時に、導電率の低下が大きくなるためである。
図２は、Ｃｕマトリックス内に析出されたＭｇ−Ｓｉ系析出物を示す走査電子顕微鏡写真である。
Ｐは、脱酸作用及びＦｅ、Ｍｇと析出物を形成し、銅合金の強度や耐熱性を向上させる主要元素であって、Ｐ０．０２５重量％未満では、析出物の形成が不足であるため、十分な強度や耐熱性が得られず、Ｐ０．１５重量％超過時には、導電率の低下だけでなく、耐熱性や熱間加工性、プレス加工性が低下する。
本発明は、上記の合金組成において、Ｆｅ、Ｍｇ及びＰの比率が（Ｍｇ＋Ｆｅ）／Ｐ＝０．４〜５０からなり、好ましくは、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｐの比率が（Ｍｇ＋Ｆｅ）／Ｐ＝２〜１０である。
また、本発明は、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｓｉの比率が（Ｃｒ＋Ｍｇ）／Ｓｉ＝０．１〜５０からなり、好ましくは、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｓｉの比率が（Ｃｒ＋Ｍｇ）／Ｓｉ＝１〜１０である。
本発明は、上記した組成に、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉのうち少なくとも１種を１．０重量％以下添加させ得るもので、前記元素は、電気伝導度及び強度に影響を及ぼし、その添加量が１．０重量％を超過すると、強度は増加するが電気伝導度が低下する。
また、本発明は、図１に示すように、上記した組成になるように溶湯を得るステップ、次いで鋳造して鋳塊を得るステップ、８５０〜１０００℃で熱間圧延するステップ、冷却した後、冷間圧延するステップ、４００〜６００℃で１〜１０時間焼鈍熱処理するステップ（１次焼鈍）、圧下率３０〜７０％で中間圧延するステップ（２次冷間圧延）、５００〜８００℃で３０〜６００秒間熱処理するステップ（２次焼鈍）、２０〜４０％で仕上げ圧延（最終冷間圧延）するステップと、からなることを特徴とする製造方法からなる。
前記熱間圧延において１０００℃を超過すると、むしろ析出物の形成が低下し、８００℃未満の場合にも同様の現象を示す。
また、冷間圧延時の圧下率の上限は特に規定されていないが、通常８５％以下の加工率の範囲において良好な結果が得られる。高い加工率は圧延機などに負荷を増大させる。
１次焼鈍時の適正条件は４００〜６００℃で１〜１０時間であり、６００℃を超過し、１０時間を超過すると、強度に直接的な影響を及ぼし、高い温度及び長時間ではむしろ電気伝導度が減少する現象を示し、４００℃未満で、１時間未満では、析出物の確保や再結晶化が不十分になる。
２次冷間圧延では、冷間加工率が７０％以上であれば、材料中に歪み量が増加し、曲げ加工性が低下する。反面、冷間加工率が２０％以下であれば、十分な強度の向上の効果を得られない。
２次焼鈍は、歪み取り焼鈍であって、５００℃以下で、３０秒以下であれば、プレス加工の歪みを十分に除去することができず、７５０℃以上で、６００秒以上であれば、材料の軟化が進み、所望の機械的特性を得られない。
〔発明の効果〕
〔発明の効果〕
以上のように、本発明は、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金にＭｇ、Ｃｒ、Ｓｉを使用して、表面欠陥がなく、且つ、最終合金の特性である導電率を大きく低下せず、既存より高い高強度、高加工性を維持しながらも高伝導性を有する銅合金であって、半導体用リードフレームの素材及びトランジスタ用素材として使用可能であり、高強度、高伝導性及び高加工性の素材であるので、コネクタ用端子材として活用できるという長所がある。
以下、本発明を実施例によって説明する。
表１に示す合金を高周波溶解炉にて溶解し、厚さ２２ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ１８０ｍｍの鋳塊を作製した。この鋳塊を、９５０℃で１時間加熱後、厚さ１０ｍｍに熱間圧延し、両面を各１ｍｍずつ面削した後、１．５ｍｍまで冷間圧延した。この冷間圧延材を４８０℃の温度で３時間熱処理を行い、その後、０．４ｍｍまで冷間圧延した後、６５０℃の温度で歪み取り焼鈍処理を行い、０．２５ｍｍまで仕上げ圧延して、表２に示す冷間圧延材を得た。
また、表面の洗浄のために選択的な時効処理を行った後、酸洗研磨を行うと共に２番目の熱処理後にはテンションレベラ（ｔｅｎｓｉｏｎ ｌｅｖｅｌｅｒ）で矯正加工を行った。
本発明の上記実施例による製造工程は、これに限定されるものではなく、個別顧客が要求する品質に対応するために、通常、伸銅工場で行われているように、熱間圧延後に対して冷間圧延、時効処理、表面クリーニング（酸洗研磨）、引張焼鈍、テンションレベリングなどの工程を取捨選択して、必要によって対応して組み合わせても良い。
上記した組成及び製造工程を通じて得た試験片を切り出して、引張強度（ＴＳ）及び電気伝導度（ＥＣ）を調べた実験結果を表２に示した。
引張強度は、ＫＳ ＢＯ８０２に準拠し、電気伝導度はＫＳ Ｄ０２４０に準拠して測定した。
表面欠陥は、圧延条の幅及び長さ方向のいずれも中央に該当する部位から、幅３０ｍｍ＊長さ１０ｍｍ（幅３０ｍｍ×長さ１０ｍｍ）の試験片を切り出して、両面を肉眼で観察し、長さ１ｍｍ以上の欠陥を数えて評価した。ただし、根本的に合金自体の健全性と関係ないロールマーク、凹み、スクラッチ、異物などは対象から除外した。
〔実施例〕
上記表１及び表２から分かるように、本発明の試料１〜１０は、比較例１〜１３及び従来のＣ１９２１０及びＣＤＡ１９４に比べて強度と電気伝導度との調和がとれた優れた合金と評価された。
各特性を説明すると、本発明の試料１〜１０の電気伝導度は、従来のＣ１９２１０（８５％ＩＡＣＳ）と比較したときに比べて多少低下したが、引張強度において全て５２ｋｇｆ／ｍｍ 2 以上で、Ｃ１９２１０の３８ｋｇｆ／ｍｍ 2 に比べて非常に優れ、強度と電気伝導度との調和がとれた優れた合金と評価された。
本発明の試料１〜１０は、従来のＣＤＡ１９４に比べて強度及び電気伝導度に優れ、且つこれらの特性の調和がとれた合金と評価された。
〔産業上の利用可能性〕
〔産業上の利用可能性〕
本発明は、引張強度を増大ないしは維持しながら、高伝導性と高加工性を有する半導体用リードフレーム材、発光ダイオード（ＬＥＤ）リードフレーム材、コネクタ用端子などの銅合金素材として広く活用することができる。
Claims (9)
- １００重量％として、Ｆｅ０．０５〜０．２５重量％、Ｐ０．０２５〜０．１５重量％、Ｃｒ０．０１〜０．２５重量％、Ｓｉ０．０１〜０．１５重量％、Ｍｇ０．０１〜０．２５重量％であり、残りがＣｕ及び不可避的不純物で組成される高強度及び高伝導性銅合金であって、
前記高強度及び高伝導性銅合金は、Ｆｅ−Ｐ、Ｍｇ−Ｐ、Ｃｒ−Ｓｉ、Ｍｇ−Ｓｉ系析出物を含んでいることを特徴とする高強度及び高伝導性銅合金。 - 前記組成に、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉのうち少なくとも１種が１．０重量％以下含まれてなることを特徴とする、請求項１に記載の高強度及び高伝導性銅合金。
- Ｆｅ、Ｍｇ及びＰの比率が、（Ｍｇ＋Ｆｅ）／Ｐ＝０．４〜５０であることを特徴とする、請求項１または２に記載の高強度及び高伝導性銅合金。
- Ｆｅ、Ｍｇ、Ｐの比率が、（Ｍｇ＋Ｆｅ）／Ｐ＝２〜１０であることを特徴とする、請求項３に記載の高強度及び高伝導性銅合金。
- Ｃｒ、Ｍｇ、Ｓｉの比率が、（Ｃｒ＋Ｍｇ）／Ｓｉ＝０．１〜５０であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の高強度及び高伝導性銅合金。
- Ｃｒ、Ｍｇ、Ｓｉの比率が、（Ｃｒ＋Ｍｇ）／Ｓｉ＝１〜１０であることを特徴とする、請求項５に記載の高強度及び高伝導性銅合金。
- １００重量％として、Ｆｅ０．０５〜０．２５重量％、Ｐ０．０２５〜０．１５重量％、Ｃｒ０．０１〜０．２５重量％、Ｓｉ０．０１〜０．１５重量％、Ｍｇ０．０１〜０．２５重量％であり、残りがＣｕ及び不可避的不純物で組成された溶湯を得るステップと、次いで鋳造して鋳塊を得るステップ、８５０〜１０００℃で熱間圧延するステップ、冷却した後、冷間圧延するステップ、４００〜６００℃で１〜１０時間焼鈍熱処理するステップ、圧下率３０〜７０％で中間圧延するステップ、５００〜８００℃で３０〜６００秒間熱処理するステップ、２０〜４０％で仕上げ圧延するステップと、からなることを特徴とする、高強度及び高伝導性銅合金の製造方法。
- 前記組成に、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｎｉのうち少なくとも１種が１．０重量％以下含まれてなることを特徴とする、請求項７に記載の高強度及び高伝導性銅合金の製造方法。
- 前記４００〜６００℃で１〜１０時間焼鈍熱処理するステップは、Ｆｅ−Ｐ、Ｍｇ−Ｐ、Ｃｒ−Ｓｉ、Ｍｇ−Ｓｉ系析出物を形成させ、高強度を確保させる工程を含んでいることを特徴とする、請求項７又は８に記載の高強度及び高伝導性銅合金の製造方法。
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