JP5687976B2

JP5687976B2 - 電気・電子部品用銅合金の製造方法

Info

Publication number: JP5687976B2
Application number: JP2011196939A
Authority: JP
Inventors: 智也久慈; 登萩原
Original assignee: 株式会社Ｓｈカッパープロダクツ
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: JP2013057110A

Description

本発明は、リードフレーム、端子、コネクタ等の電気・電子部品として使用され、強度や導電性のほか耐熱性に優れた新規な電気・電子部品用銅合金の製造方法に関する。

電子機器に用いられる半導体製品に使用されるリードフレームは多ピン化、薄肉化に伴い、強度、導電性、耐熱性が要求される。

特許文献１には、これらの特性を比較的良好に満足する材料としてＣＤＡ１９４が用いられることが示されている。

ＣＤＡ１９４(規格組成Ｃｕ:９７.０％以上、Ｚｎ:０.０５〜０.２０％、Ｐｂ:０.０３％以下、Ｆｅ:２.１〜２.６％、Ｐ:０.０１５〜０.１５％)は、加工硬化による高強度化とＦｅを析出させることによる耐熱性、導電性の改善により上記要求特性を満たしたものである。この銅合金の金属組織の特徴としては、例えば、８０ｎｍ以上のＦｅ粒子の平均分布が１μｍ^２の視野内において０.４個以下に制御して規定の特性が得られる。

特許文献２には、この銅合金の製造方法として、例えば、規定された成分からなる銅合金の鋳塊を、８００〜１０５０℃で熱間圧延した後、第１の冷間圧延をし、９００℃以上の温度で３０秒以上保持後、直ちに５００℃まで毎分１００℃以上の冷却速度で冷却し、更に室温まで冷却し、その後、第２の冷間圧延をし、５５０〜６５０℃の温度で３０分〜６時間の焼鈍し、更に４００〜５２５℃の温度で１〜１０時間の焼鈍をし、加工度７０〜８５％の第３の冷間圧延をして仕上げる製造方法が示されている。

特開２００４−９１８９５号公報特開２００１−４９３６７号公報

特許文献１には、３段階による冷間圧延及びそれに伴う特定の熱処理について全く示されていない。

特許文献２には、第１の冷間圧延の後に溶体化処理を行ない、次いで、第２の冷間圧延の後に３段の焼鈍を行い、耐熱性を確保している。この３段の焼鈍の目的は、１段目の焼鈍で適正なサイズのＦｅを析出させて耐熱性を確保し、２段、３段目で導電率を確保するためである。この特許文献２の製造方法は、１段目の焼鈍において耐熱性が得られるように１５〜３０ｎｍのＦｅ粒子を析出させているものと考えられるが、焼鈍に要する時間が３０分〜６時間と長く、製造リードタイムの観点から好ましくない。

本発明の目的は、リードフレーム等に用いられるＣＤＡＡｌｌｏｙ１９４の強度、導電性、耐熱性の要求特性を満足し、かつ、製造時間をより短縮できる電気・電子部品用銅合金の製造方法を提供することにある。

本発明は、質量で、Ｆｅ１.８〜２.６％、Ｐ０.０１〜０.１５％、Ｚｎ０.００５〜０.２％を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなる鋳塊を熱間圧延後、第一の冷間圧延、第一の熱処理、第二の冷間圧延、第二の熱処理、第三の冷間圧延及び第三の熱処理の工程を順次経て所望の板厚まで加工する電気・電子部品用銅合金の製造方法において、
前記第二の熱処理における第一の焼鈍を６５０〜７５０℃の温度範囲に含まれる温度Ｔ℃で下式にて導かれる時間ｔ１に１〜５を乗じた時間ｔ分で焼鈍し、
前記第三の冷間圧延の加工度を７０〜８５％とすることを特徴とする。

ｔ１＝(Ｔ＋２７３)/｛１.２×１０^１４*ｅｘｐ(−２５６３２/(Ｔ＋２７３))｝
前記鋳塊は、質量で、Ｆｅ２.０〜２.３％、Ｐ０.０１〜０.０５％、Ｚｎ０.０１〜０.０５％を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなること、又、前記第一の熱処理を８７０℃以上の温度で保持した後、急冷による溶体化処理を行うと共に、前記第一の熱処理及び第二の熱処理における加熱保持を炉中による連続移動によって行うことが好ましい。

(銅合金の成分)
(１)鉄（Ｆｅ）成分
本発明における銅合金の鉄（Ｆｅ）は、１.８〜２．６質量％の範囲とし、好ましい範囲は２．０〜２．３質量％である。鉄（Ｆｅ）は主に銅（Ｃｕ）中に析出することによって、強度と耐熱性を向上させる作用があるが、１.８質量％未満であると鉄（Ｆｅ）の析出量が足りず必要とする強度及び耐熱性が得られない。一方、２．６質量％を超えると導電率の低下が大きいと共に、鋳造時に粗大な鉄（Ｆｅ）の晶出物が生成し、これが製品に残存すると曲げ割れの起点となったり、めっき不良を起こしたりする。

（２）リン（Ｐ）成分
本発明における銅合金のリン（Ｐ）は、０．０１〜０．１５質量％の範囲とし、好ましい範囲は０．０１〜０．０５質量％である。リン（Ｐ）は溶解鋳造中に溶湯に混入する酸素を脱酸する作用があるが、０．０１質量％未満であるとその効果を得るには十分でない。０．１５質量％を超えると脱酸効果に飽和傾向がみられるものの、鉄（Ｆｅ）と化合して析出物を形成し、この析出物が強度や耐熱性の向上に寄与する一方で、このような効果も飽和状態となるばかりか、鋳造時に結晶粒界等に析出したリン（Ｐ）と鉄（Ｆｅ）の化合物が、芯割れや熱間圧延時の粒界割れの原因となり悪影響が大になる。

(３)亜鉛（Ｚｎ）成分
本発明における銅合金の亜鉛（Ｚｎ）は、０．００５〜０.２質量％の範囲とし、好ましい範囲は０．０１〜０．１０質量％である。亜鉛（Ｚｎ）は半田濡れ性を向上させるとともに、脱酸、脱ガス作用や銅（Ｃｕ）のマイグレーションの抑制作用があるが、０．００５質量％未満であるとその効果を得るには十分でない。一方、０.２質量％を超えると、導電率の低下をもたらす。

(４)他の元素成分
本発明の銅合金は、基本的に銅（Ｃｕ）を主成分とし、特定量の鉄（Ｆｅ）、リン（Ｐ）、亜鉛（Ｚｎ）を含有するものであり、不純物として、混入することを避けられない元素として、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ,Ｚｒ,Ｃ,Ｏがある。これらは原料や脱酸剤等に含有される元素であり、鋳造時等に混入する可能性がある元素である。これらの元素は０.０１質量％以下では本発明の要である高強度とし、かつ、Ｃｕ母相の結晶粒を等軸状にすること、また、規定の特性を満たすことに悪影響を与えるものではなく、不可避的不純物として許容できるものである。

（造塊）
本発明に用いられる銅合金の鋳塊は、例えば、通常の銅合金の連続鋳造方法又は半連続鋳造法により造塊することができる。この際の冷却過程では鉄（Ｆｅ）が析出するが、これらは熱間加工性に悪影響を与えるため、続く熱間圧延の前にこれらの鉄（Ｆｅ）析出物を再固溶させることが好ましい。

（圧延及び熱処理）
（１）熱間圧延
本発明では、銅合金の鋳塊を８００〜１０５０℃の温度によって、熱間圧延することが好ましい。８００℃未満であると鉄（Ｆｅ）の析出量が多く、熱間圧延時に割れが起こり易い。又、１０５０℃を越えると割れが生じ易くなる。

（２）第一の冷間圧延及び溶体化処理
熱間圧延後、第一の冷間圧延をするが、続く溶体化処理時の熱交換速度を速くさせるためには、板厚を３ｍｍ以下になるように減面率を設定することが好ましい。この第一の冷間圧延後、８７０℃以上の温度で３０秒以上保持した後、水冷によって急冷する溶体化処理は、熱間圧延時に析出した鉄（Ｆｅ）析出物を再固溶させるために行うものである。

本発明では、溶体化処理を加熱温度８７０℃以上、好ましくは９００℃以上で行う。鉄（Ｆｅ）の銅（Ｃｕ）中への固溶度は高温ほど大きいため、保持温度は高い方が耐熱性の点からは好ましく、８７０℃未満であると固溶量が不足してしまうため、目標とする耐熱性が得られない。

また、本発明では、溶体化処理を保持時間３０秒以上とすることが好ましい。鉄（Ｆｅ）の銅（Ｃｕ）中での拡散速度は速く、８７０℃以上では３０秒程度の保持で一応再固溶することができるので、３０秒以上行えば十全に再固溶することができ、特に、その加熱保持を炉中での連続移動によって行うことが好ましい。

耐熱性を付与する点から、冷却過程で析出する鉄（Ｆｅ）析出物が粗大化しないように急冷する必要があり、水冷によって行うのが好ましい。

（３）第二の冷間圧延及び第二の熱処理
本発明では、溶体化処理後、第二の冷間圧延を行い、第二の熱処理として６５０〜７６０℃の温度で０.５〜４４分の第一の焼鈍をし、１段の焼純のみでは、導電率が不充分となるので、更に４００〜５２５℃の温度で０.５〜１０時間の第二の焼鈍する２段階で行うのが好ましい。第二の冷間圧延は、減面率が５０％以上となるように行うことが好ましい。これにより次に述べる焼鈍での析出をスムーズにすることができる。

先ず、最初の第一の焼鈍は、６５０〜７６０℃の温度、好ましくは６５１〜７６０℃で、０.５〜４４分で行う。６５１℃未満では熱処理時間を短縮できず、７６０℃より高温にすると導電率が得られなくなる。また、熱処理時間はｔ１によって得られた値に１〜５を乗じた時間範囲を外れると耐熱性が得られない。また、焼鈍時間が０.５分未満でも４４分時間を超えても、目標とする耐熱性および強度が得られない。

そして、本発明では第一の焼鈍を６５０〜７６０℃の温度範囲に含まれる温度Ｔ℃で下式にて導かれる時間ｔ１に１〜５を乗じた時間t分で焼鈍する。

ｔ１＝(Ｔ＋２７３)/{(１.２×１０^１４*ｅｘｐ(−２５６３２/(Ｔ＋２７３)))
図１は、この式にて表される第一の焼純の焼純温度とその保持時間との関係を示す線図である。本線図は、ｔ１に対して、１〜５倍の各整数倍したものである。６５０℃においては、ｔ１が８.８分、ｔ１*２が１７.６分、ｔ１*３が２６.４分、ｔ１*４が３５.２分、ｔ１*５が４４.０分であり、７６０℃においてはｔ１が０.５分、ｔ１*２が１.０分、ｔ１*３が１.５分、ｔ１*４が２.０分、ｔ１*５が２.５分となる。同様に本線図において、各温度における保持時間を求めることができる。本発明においては、より高い温度とするので、３０分を下回る保持時間とすることができ、そのことが第ニの熱処理おける保持時間を短縮でき、全体の製造時間を短縮することができる。

本発明の製造方法にかかる銅合金は、Ｆｅ析出物を分散させることで耐熱性を得ている。ところが、このＦｅ析出物にはγＦｅとαＦｅがあり、第一の熱処理で析出するγＦｅが後の第三の冷間圧延で加工されることでαＦｅに変態する。

このγＦｅからαＦｅへの変態で耐熱性が大きく低下する。このとき変態に関与する因子はγＦｅのサイズと第三の冷間圧延の加工度であるが、一般的にγＦｅのサイズが大きくなるほど、冷間加工度が大きくなるほど変態が進行する。第三の冷間圧延の加工度は高強度化のために７０〜８５％にする必要があるため、この範囲で変態し難いＦｅサイズに析出物を制御する必要がある。

本発明では第一の焼鈍を短時間にするために、第一の焼鈍温度をより高温にすることで従来よりも短時間でＦｅ析出物を規定のサイズにするものであるが、焼鈍温度を高温にするためより焼鈍時間を厳密に決める必要がある。

次に、２回目の第二の焼鈍を４００〜５２５℃の温度で１〜８時間行い、特に、４３０〜４８０℃で、１〜５時間の加熱保持を炉中での連続移動によって行うのが好ましい。４００℃より低い温度では析出に長時間を要し、５２５℃より高い温度では目標とする導電率が得られない。

（４）第三の冷間圧延及び第三の熱処理
第二の冷間圧延と焼純後、仕上圧延として第三の冷間圧延を加工度７０〜８５％で行う。７０％未満であると引張強さ及びビッカース硬さ等の強度が不十分となる。一方、８５％を超えると耐熱性が不充分となる。より強度と耐熱性を両立させるためには７５〜８５％が好ましい。

第三の熱処理を４００〜５２５℃の温度で３０分以内にて行い、特に、４３０〜４８０℃で、３〜１０分の保持による加熱を行うのが好ましく、その熱処理後のビッカース硬さを第三の冷間圧延後のその硬さに対して９３％以上有するように第二の冷間圧延以降の冷間圧延と熱処理とを調整することによって高強度、高導電性を有すると共に、耐熱性に優れた電気・電子部品用銅合金が得られる。

本発明によれば、熱処理の処理時間の短縮による工程の簡略化によりＣＯ_２等の温暖化ガスの排出量を減少させることができ、かつ、高強度、高導電性を有すると共に、耐熱性に優れた電気・電子部品用銅合金の製造方法を提供することができる。

本発明に係る第二の熱処理における第一の焼純の焼純温度とその保持時間との関係を示す線図である。本発明における銅合金材の製造工程を示すフロー図である。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図２は、本発明に係る電気・電子部品用銅合金の製造工程のフロー図である。図２に示すように、本発明の銅合金の製造方法は、以下に示す銅合金組成を有する鋳塊を熱間圧延後、第一の冷間圧延、第一の熱処理としての溶体化処理、第二の冷間圧延、第二の熱処理としての第一の焼鈍と第二の焼鈍、第三の冷間圧延の工程を順次経て所望の板厚まで加工する電気・電子部品用銅合金の製造方法において、第二の熱処理における第一の焼鈍を６５０〜７６０℃の温度範囲に含まれる温度Ｔ℃で式ｔ１にて導かれる時間に１〜５を乗じた時間ｔ分で焼鈍すること、かつ、第三の冷間圧延の加工度を７０〜８５％とするものである。

本実施例では、質量で、２.１％Ｆｅ、０.０２％Ｐ、０.０１３％Ｚｎを含有し、残部がＣｕと不可避不純物からなる銅合金を高周波誘導炉で溶解後、銅製鋳型で半連続鋳造し、横断面２００ｍｍ×４５０ｍｍ、長さ４ｍの直方体の鋳塊に作製した。この鋳塊の一部を切り分けた後、表面をそれぞれ２ｍｍ削って面作した後、板厚２.５ｍｍまで第一の冷間圧延をした。

次に、９００℃の塩浴に１分間浸漬させて加熱保持した後水冷にて急冷して溶体化処理をした。表面及び裏面を研磨した後、第二の冷間圧延により板厚０.７６ｍｍとした。０.７６ｍｍの銅合金板に対して第二の熱処理における第一の焼鈍として６５０℃の塩浴に３０分間浸漬させ、３０分経過後に直ちに水冷した。続いて、第二の焼鈍として、４５０℃の塩浴に２時間浸漬させた。最後に、第三の冷間圧延により板厚０.１５ｍｍとした。

量産工程における溶体化処理は、加熱炉の中に銅合金板を走行させて連続的に加熱する。これを連続焼鈍と呼ぶ。実施例１を例にすると、９００℃で１分保持できるように、炉温、銅合金板の走行速度を設定し、順次熱処理を行うものである。

この供試材を用いて、導電率、引張強さ、ビッカース硬さ及び４５０℃で５分間熱処理した時のビッカース硬さ(熱処理後にビッカース硬さの低下量が少なければ耐熱性良好といえる)を評価した。

表１は、本発明の実施例、比較例及び従来例における第二の熱処理における第一の焼鈍条件、第三の冷間圧延における加工度、第三の冷間圧延後の導電率、引張強さ、ビッカース硬さ、４５０℃×５分の耐熱試験後のビッカース硬さを示したものである。

実施例１においては、６５０℃で式ｔ１を満たす時間で第二の熱処理における第一の焼鈍を実施した結果、引張強さ５６４ＭＰａ、導電率６４％ＩＡＣＳ、ビッカース硬さ１５６Ｈｖ及び４５０℃×５分熱処理後のビッカース硬さ１４９Ｈｖとなり、Ｃ１９４０ＥＳＨの規格特性である引張強さ５２０〜５９０ＭＰａ、導電率６０％ＩＡＣＳ以上、ビッカース硬さ１５０〜１７０Ｈｖ、４５０℃×５分熱処理後のビッカース硬さ１４０Ｈｖを満たした。又、第三の冷間圧延後のビッカース硬さに対して４５０℃で５分の加熱保持後のビッカース硬さが９５.５％の高い値が維持され、高い耐熱性が得られた。

又、本実施例１は、図１に示すように、ｔ１に対して３倍と４倍の間にあるもので、焼鈍の処理時間の短縮によりＣＯ_２等の温暖化ガスの排出量を減少させることができ、かつ、高強度、高導電性を有すると共に、耐熱性に優れた電気・電子部品用銅合金が得られることが明らかである。

(実施例２〜６)
実施例２〜６は表１に示した第二の熱処理における第一の焼鈍、第三の冷間圧延条件にて製造した。実施例２〜６は、製造条件を前述のｔ１にて求められる値の規定範囲内に設定したもので、実施例１と同様に、引張強さ５６０〜５６７ＭＰａ、導電率６０〜６３％ＩＡＣＳ、ビッカース硬さ１５１〜１５７Ｈｖ、４５０℃×５分熱処理後のビッカース硬さ１４４〜１５０Ｈｖが得られ、Ｃ１９４０ＥＳＨの規格特性である引張強さ５２０〜５９０ＭＰａ、導電率６０％ＩＡＣＳ以上、ビッカース硬さ１５０〜１７０Ｈｖ、４５０℃×５分熱処理後のビッカース硬さ１４０Ｈｖを満たした。又、第三の冷間圧延後のビッカース硬さに対して４５０℃で５分の加熱保持後のビッカース硬さが９５.４〜９６.２％の高い値が維持され、焼鈍の処理時間の短縮によりＣＯ_２等の温暖化ガスの排出量を減少させることができ、かつ、高強度、高導電性を有すると共に、耐熱性に優れた電気・電子部品用銅合金が得られることが明らかである。

(比較例１〜６)
比較例１〜６は、第二の熱処理における第一の焼鈍時間及び温度条件が本発明の限定範囲を外れた例である。比較例１〜５は焼鈍時間が限定範囲を外れた例である。焼鈍時間が限定範囲を外れると耐熱性(４５０℃×５分熱処理後のビッカース硬さがＣ１９４０ＥＳＨの規格値を下回り、又、第三の冷間圧延後のビッカース硬さに対して４５０℃で５分の加熱保持後のビッカース硬さが７４.５〜８１.４％の低い値となり、耐熱性が維持されないものとなる。比較例６は第ニの熱処理温度が本発明の限定範囲を外れた例である。熱処理温度が７６０℃を超えた場合は導電率が規格範囲を下回る。

(比較例７〜８)
比較例７〜８は、第三の冷間圧延による加工度が６０％と本発明の７０〜８５％の範囲を外れた例である。第三の冷間圧延の加工度が限定範囲を下回る６０％では引張強さ５２０ＭＰａを得ることができず、限定範囲を超える９０％では４５０℃×５分熱処理後のビッカース硬さが１４０Ｈｖを下回ると共に、第三の冷間圧延後のその硬さに対して７４.２％と低く耐熱性が維持されないものとなる。

(従来例)
実施例１と同一組成、同一工程の熱間圧延材(面削済み)を母材として、第１の冷間圧延により板厚２.５ｍｍとした。次に、９００℃の塩浴に１分間浸漬させて溶体化処理をした。表面及び裏面を研磨した後、第２の冷間圧延により板厚０.７６ｍｍとした。次に、電気炉を用いて窒素ガス雰囲気中で６００℃の温度で２時間焼鈍した後は炉冷にて室温まで下げた。最後に、第三の冷間圧延により板厚０.１５ｍｍとした。表１に示すように、従来例についても第二の熱処理、第三の冷間圧延と４５０℃の熱処理を行った。従来例における銅合金板の特性は引張特性５６８ＭＰａ、導電率６２％ＩＡＣＳであったが、第３の冷間圧延後のビッカース硬さ１５９Ｈｖに対して４５０℃の耐熱試験後のビッカース硬さが１４６Ｈｖで、９１.８％とやや耐熱性が劣るものであった。

Claims

質量で、Ｆｅ１.８〜２.６％、Ｐ０.０１〜０.１５％、Ｚｎ０.００５〜０.２％を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなる鋳塊を熱間圧延後、第一の冷間圧延、第一の熱処理、第二の冷間圧延、第二の熱処理、第三の冷間圧延及び第三の熱処理の工程を順次経て所望の板厚まで加工する電気・電子部品用銅合金の製造方法において、
前記第二の熱処理は、第一の焼鈍と第二の焼鈍を順次行う工程からなり、該第一の焼鈍を６５０〜７６０℃の温度範囲に含まれる温度Ｔ℃で下式にて導かれる時間ｔ１に１〜５を乗じた時間ｔ分で焼鈍し、
前記第三の冷間圧延の加工度を７０〜８５％とすることを特徴とする電気・電子部品用銅合金の製造方法。
ｔ１＝(Ｔ＋２７３)/｛１.２×１０^１４*ｅｘｐ(−２５６３２/(Ｔ＋２７３))｝
請求項１において、前記鋳塊は、質量で、Ｆｅ２.０〜２.３％、Ｐ０.０１〜０.０５％、Ｚｎ０.０１〜０.０５％を含有し、残部がＣｕと不可避的不純物からなることを特徴とする電気・電子部品用銅合金の製造方法。
請求項１又は２において、前記第一の熱処理を８７０℃以上の温度で保持した後、急冷による溶体化処理を行うと共に、前記第一の熱処理及び第二の熱処理における加熱保持を炉中による連続移動によって行うことを特徴とする電気・電子部品用銅合金の製造方法。