JP6226511B2 - 放熱性及び繰り返し曲げ加工性に優れた銅合金板 - Google Patents

Description

本発明は、照明用などのＬＥＤ実装基板をはじめとするフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）として好適な銅合金板、特に放熱性及び繰返し曲げ加工性に優れた銅合金板、ならびにこれを用いた電子機器部品等に関する。

ＬＥＤ照明は、従来の白熱電球や蛍光灯などと比較して低消費電力、長寿命、高速応答性等の長所を有し、製品価格の低下と共に、急速に普及が進んでおり、室内用照明に加えて、液晶テレビや液晶モニターなどのバックライト、自動車の照明用など、各種用途も広がっている。

ＬＥＤ自体は半導体であるため、定格範囲内での使用では発光素子自身は長寿命であるが、発光素子を覆う樹脂材料は熱により劣化しやすく、発熱により容易に透明度が低下して照明用の使用に適さなくなる。また、ＬＥＤは、発光特性や放熱性に配慮して、種々のパッケージ形状のものが製造されているが、小さなスペースで使用する場合には、省スペース化や成形方法など、様々な工夫が必要である。

発熱の問題への対応として、ＦＰＣから効率良く放熱するため、ＦＰＣに放熱板を張り合わせることが提案されており、また、省スペース化については、ＦＰＣ上にＬＥＤを配置することが試みられている（特許文献１）。

また、照明装置として、ＬＥＤを配置した回路基板に複雑な加工を行い、立体成形を行うことも提案されている（特許文献２）。

特開２００７−１４１７２９号公報 特開２００７−５００３号公報

ＬＥＤをＦＰＣ上に実装した場合、基板である樹脂の放熱性が十分でないため、長時間の使用で発光素子を覆う樹脂が熱劣化し、照明としての寿命が短くなってしまう。
発熱への対応として、ＦＰＣに放熱板としてアルミニウム板を張り合わせた場合、ＦＰＣの回路を構成している銅配線との線熱膨張係数の違いにより、ＦＰＣ回路にそりが生じるという問題がある。さらに、熱による膨張、収縮を繰り返すことで、ＦＰＣの銅配線が繰返し引張り応力を受け、破断に至ることもある。
放熱板として銅板を用いた場合には上記問題は発生しないが、銅はアルミニウムよりも加工硬化係数が大きいため、複雑な形状にＦＰＣを成型する際に、曲げ部にクラックが発生し易い。クラックが発生すると、これを車載などの繰返し振動が加わる環境下で使用する場合、クラックが進展して破断に至るなどの問題が生じる。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、放熱性、繰返し曲げ加工性、及び、形状維持性に優れた銅合金板を提供することを課題とする。

本発明者は上記課題を解決するために研究を重ねたところ、銅合金板の表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対し、ベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られた所定位置の結晶方位の集積度を制御することで、繰返し曲げ加工性等を向上させることができることを見出した。

以上の知見を背景にして完成した本発明は一側面において、Ａｇを０〜１．０質量％、Ｔｉを０〜０．０８質量％、Ｎｉを０〜２．０質量％、Ｚｎを０〜３．５質量％、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ、及びＺｒの群から選択された一種以上を合計で０〜０．５質量％含有し、残部Ｃｕ及び不純物からなり、導電率が６０％ＩＡＣＳ以上であり、引張強さが３５０ＭＰａ以上であり、板表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対し、ベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られたボックス番号２９の結晶方位の集積度が４以下である銅合金板である。

本発明に係る銅合金板は一実施形態において、Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＺｒからなる群から選択された一種以上を合計で０．０１質量％以上含有する。

本発明に係る銅合金板は別の一実施形態において、前記ボックス番号２９の結晶方位の集積度が１以上である。

本発明に係る銅合金板は一実施形態において、引張り強さが２００℃で３０分間加熱後に２５０ＭＰａ以上である。

本発明に係る銅合金板は別の一実施形態において、ＦＰＣ基板用である。

本発明に係る銅合金板は更に別の一実施形態において、ＬＥＤ照明を実装したＦＰＣ基板用である。

本発明に係る銅合金板は更に別の一実施形態において、厚みが０．０５〜０．３ｍｍである。

本発明は別の一側面において、本発明の銅合金板を用いた電子機器部品である。

本発明は更に別の一側面において、本発明の銅合金板を用いたＬＥＤ照明を実装したＦＰＣである。

本発明によれば、放熱性、繰返し曲げ加工性、及び、形状維持性に優れた銅合金板を提供することができる。

図１は、結晶方位を表すWilliams法とベクトル法の回転角のステレオ投影図表示を示す。 図２は、等面積分割で３６個に区分したステレオ三角を示す。

（銅箔の成分）
本発明の銅合金板は、Ａｇを０〜１．０質量％、Ｔｉを０〜０．０８質量％、Ｎｉを０〜２．０質量％、Ｚｎを０〜３．５質量％、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＺｒの群から選択された一種以上を合計で０〜０．５質量％含有し、残部Ｃｕ及び不純物からなる。
Ａｇは添加による導電率の低下の影響が小さいため、特に制限はないが、添加濃度が高くなると共にコストが増加するため、１．０質量％以下とする。
添加による導電率低下の影響が大きいＣｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｚｒは、これら元素の合計につき、０．５質量％以下、また、特に影響が大きいＴｉは、０．０８質量％以下とする。また、Ｎｉは２．０質量％以下、Ｚｎは３．５質量％以下とする。
銅箔の耐熱性を改善するために、銅にＡｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＺｒからなる群から選択された一種以上を合計で０．０１質量％以上添加してもよい。添加元素の合計濃度が０．０１質量％を下回ると、添加元素の効果が発現せず耐熱性が不足するおそれがある。

合金元素添加のベースのＣｕとしてはＪＩＳ−Ｃ１０２０に規格する無酸素銅又はＪＩＳ−Ｃ１１００に規格するタフピッチ銅が適する。酸素濃度は、タフピッチ銅では０．０２〜０．０５質量％、無酸素銅では０．００１質量％が通常である。
Ｃｕと比較し酸化しやすいＣｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｚｎ及びＺｒは、無酸素銅溶湯中に添加するのが一般的である。酸素を含有する溶銅にＰ、Ｓｉ等の脱酸剤を添加して酸素濃度を１０ｐｐｍ以下に下げた後、これら合金元素を添加しても良い。ＡｇはＣｕより酸化し難いので、タフピッチ銅溶湯中、無酸素銅溶湯中ともに添加できる。

（放熱性）
加熱された材料を効率よく冷却するには、接合する放熱材として熱伝導が良い材料が求められる。熱伝導率は、一般に、材料の導電率が高いものほど良い。ＬＥＤ照明点灯時の発熱を考えると、ＬＥＤの実装密度や照明装置の形状などの影響要因もあるが、導電率が６０％ＩＡＣＳ以上であればよく、７０％ＩＡＣＳ以上であればより好ましい。

（繰返し曲げ加工性）
繰返し曲げ加工性については、集合組織との関係を調べたところ、理由は定かではないが、銅合金板表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対してベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られた所定位置の結晶方位の集積度と、繰返し曲げ性とに相関が見られた。具体的には、銅合金板表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対し、ベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られたボックス番号２９の結晶方位の集積度が４以下であればよく、３以下であればより好ましい。また、銅合金板表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対し、ベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られたボックス番号２９の結晶方位の集積度の下限は繰返し曲げ性の観点からは特に限定する必要は無いが、例えば０．０１以上、又は０．０５以上であり、典型的には０．１以上である。
図１は、銅合金の結晶方位を表すベクトル法（２軸極点図法）の回転角のステレオ投影図表示である。図１において、銅合金板表面の法線方向（ＮＤ）を表す点ＮＤは、それが載っているステレオ三角（Ｔ１）上の座標（ψ、λ）で示されている。このステレオ三角を、等面積分割（Ruerらによる）で３６個に区分したものが図２である。この図２のステレオ三角における結晶方位のうち、番号２９で示された領域にあるものが「ボックス番号２９の結晶方位」である（古林、「再結晶と材料組織」、第１版、内田老鶴圃、第８８〜８９頁参照）。また、「ボックス番号２９の結晶方位の集積度」は、ボックス番号２９に相当する方位で表される極点図上の区画の平均強度を表す。

（形状維持性）
材料を所定の形状に成形した後、初期の加工形状を維持するには、ある程度の材料強度が必要である。加工形状の構造などの影響要因もあるが、材料強度である引張強さが３５０ＭＰａ未満の場合には、材料に加わる力で容易に変形する。このため、引張強さは３５０ＭＰａ以上である必要がある。強度の上限については特に設定しないが、材料の加工度を上げることで強度を高くした場合には、一般に曲げ加工性が劣化することが知られており、従って、曲げ加工性とのバランスを考慮して材料を加工すれば良い。また、引張強さは４００ＭＰａ以上であるのがより好ましい。

（耐熱性）
耐熱性については、ＬＥＤ照明の特性から、照明機器として長時間使用できるよう、通常は１５０℃未満の温度で使用されるように設計される。この熱によって材料が軟化した場合には初期の加工形状を維持することができない。このような現象を避けるため、耐熱性を確保することは重要である。一方、照明機器としては数万時間程度の使用が想定されるが、これをそのまま再現する長時間の加熱試験は現実的ではないため、目安として、実使用条件よりも高温で短時間、ここでは２００℃で３０分間保持する条件で加熱し、引張強さ２５０ＭＰａ以上の場合に耐熱性が良好と判断した。また、２００℃で３０分間加熱後に３００ＭＰａ以上を維持するのがより好ましい。なお、耐熱性は結晶方位の集積度との相関が見られ、銅合金板表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対し、ベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られたボックス番号２９の結晶方位の集積度が１未満であると耐熱性が不良となることがある。このため、当該ボックス番号２９の結晶方位の集積度は１以上であるのが好ましい。

本発明に係る銅合金板の厚みは、０．０５〜０．３ｍｍであるのが好ましい。銅合金板の厚みが０．０５ｍｍ未満であると材料が薄いために形状を維持するのが困難という問題が生じることがあり、０．３ｍｍ超であると材料が厚すぎるために製品の重量が重くなりすぎるという問題が生じることがある。また、このように、本発明に係る銅合金板は銅箔の形態も含んでいる。

銅合金板の成分、形状維持性及び結晶方位の集積度が上記の特性範囲にあれば、製造条件によらず、本発明の効果は発現する。本発明の銅合金板は、例えば、次のようなプロセスによって製造することができる。

圧延銅箔の製造プロセスは、電気銅を純銅の原料に使用し、必要に応じて合金元素を添加した後、鋳造して厚み１００〜３００ｍｍのインゴットを製造する。このインゴットを熱間圧延して厚み５〜２０ｍｍ程度とした後、冷間圧延と焼鈍を繰り返して、冷間圧延で所定の厚みに仕上げる。
先述の形状維持性及び結晶方位の集積度を満たす銅箔は、最終再結晶焼鈍の昇温速度、ならびに最終再結晶焼鈍の直後に行われる最終冷間圧延の加工条件である総加工度、及び、１パス目の加工度を調整することで得られる。ここで、最終再結晶焼鈍とは、製品の厚みまで加工する最終冷間圧延の前の再結晶焼鈍である。また、最終冷間圧延では、一対のロール間に材料を繰返し通過させ（以下「パス」とする）、厚みを仕上げていく。ここで、１パス目とは、最終再結晶焼鈍後の材料を製品の厚みに仕上げる最終冷間圧延における最初のパスを示す。
最終再結晶焼鈍の昇温速度は１２〜５０℃／ｓであれば良い。昇温速度が１２℃／ｓ未満である場合、及び、５０℃／ｓ超である場合は、先述の繰返し曲げ加工性を満たすことが困難である。
最終冷間圧延の総加工度の上限値は特に限定はされない。最終冷間圧延の総加工度は一般的には８５％以下である。加工度は、圧延前と圧延後との厚みの差を圧延前の厚みで除した値を百分率で表したものである。また、総加工度の下限値については、合金成分や濃度により異なり、引張強さの下限値を超えるように設定すれば良い。例えば、Ｓｎを０．１２質量％含む銅箔については、最終冷間圧延の総加工度は５０％以上であればよく、６０％以上であればより好ましい。
最終冷間圧延の１パス目の加工度は２０％以下であれば良い。最終冷間圧延の１パス目の加工度が２０％を超える場合は、本発明に係る結晶方位の集積度の規定を満たすことができず、先述の繰り返し曲げ加工性を満たすことが困難である。

本発明の銅合金板は、リードフレーム、コネクタ、ピン、端子、リレー、スイッチ、二次電池用箔材等の電子機器部品等に使用することができる。また、特に、本発明の銅合金板は、ＬＥＤ照明を実装したＦＰＣの材料として好適である。

以下に本発明の実施例を示すが、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。

［圧延銅箔の製造］
表１〜３に記載の各種銅母材に、表１〜３に記載の各種元素を添加し、厚み１００ｍｍのインゴットを鋳造した。次に、インゴットを熱間圧延にて５ｍｍまで圧延し、酸化スケールを除去した後、冷間圧延と焼鈍を繰り返し、最終冷間圧延にて表１〜３に記載の条件で０．０５〜０．３ｍｍまで圧延した。なお、最終冷間圧延の直前に最終再結晶焼鈍を行った。最終再結晶焼鈍は表１〜３に記載の昇温速度で、材料温度が最高で５００℃となるよう加熱し、室温（２５℃）から５００℃まで到達する時間から、昇温速度を算出した。そして、材料温度が５００℃に到達後、直ちに冷却を行った。

［形状維持性］
ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準じて、圧延平行方向が長手方向となるように採取したＪＩＳ１３Ｂ号試験片を供試材とし、引張り試験により引張強さを求めた。引張り試験では、ＯＲＩＥＮＴＥＣ社製のＵＴＭ−１０Ｔを用い、引張り速度５ｍｍ／分にて、同一試料につきｎ＝２で測定した平均値を測定値とした。引張強さが３５０ＭＰａ以上のとき、形状維持性を○とし、引張強さが３５０ＭＰａ未満のとき、形状維持性を×と評価した。

［放熱性］
最終冷間圧延後の板厚にて、ＪＩＳ Ｈ ０５０５に準拠した四端子法により測定した導電率（％ＩＡＣＳ）にて評価した。

［結晶方位の集積度］
２０ｍｍ四方に切り出した試料を結晶方位の集積度測定に供した。板表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対し、ベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られたボックス番号２９の結晶方位の集積度を評価した。具体的には、まず、株式会社リガク製Ｘ線回折装置RINT-2000を用いて、Schultzの反射法による正極点測定を行った。次に、測定したデータについて、株式会社リガク製ソフトウェアPole Figure DataProcessingを用いて極点図化し、株式会社ノルム工学製Standard ODF及びInverseDispを用いて図２の分割を行い、集積度を評価した。

［耐熱性］
上記のＪＩＳ１３Ｂ号試験片を用い、これを加熱炉に入れて温度が２００℃に達した後に３０分間保持して試料を取り出し、空冷して引張り試験に供した。引張り試験は、上記と同じ条件で実施した。引張強さ２５０ＭＰａ以上の場合を耐熱性が良好（○）と判断し、引張強さ２５０ＭＰａ未満の場合を耐熱性が不良（×）と判断した。

［繰返し曲げ加工性］
以下の手順で、繰返し曲げ加工性を評価した。
（１）圧延平行方向および直角方向につき、長さ５０ｍｍ×幅１０ｍｍに試料を切り出した。
（２）曲げＲ＝０．５ｍｍにて、９０°にＶ曲げ加工し、これを元の短冊状に曲げ戻した後、９０°Ｖ曲げ加工と曲げ戻しを繰り返した。
（３）上記操作を繰り返して、１回毎に９０°Ｖ曲げした時の曲げ加工部を５０倍に拡大観察し、クラックまたは破断発生の有無を確認した。そして、クラックまたは破断が発生しない最大曲げ回数を調査した。クラックが発生しない最大曲げ回数が５回以上を「◎」、４回を「○」、３回を「△」、３回未満を「×」として評価した。
表１〜３に評価条件及び結果を示す。

実施例１〜３６は、いずれも各元素の濃度が上限値以下であり、引張強さが３５０ＭＰａ以上、板表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対し、ベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られたボックス番号２９の結晶方位の集積度が４以下であることから、いずれも形状維持性、放熱性（導電率）、及び繰返し曲げ加工性に優れていた。
比較例１は、添加元素濃度が高すぎるため、導電率が低くて放熱性が悪かった。
比較例２と６は、最終冷間圧延における１パス目の加工度が２０％を超えているため、結晶方位の集積度の規定を満たしておらず、繰返し曲げ加工性が悪かった。
比較例３は、最終再結晶焼鈍における昇温速度が１２℃／ｓ未満となっているため、結晶方位の集積度の規定を満たしておらず、繰返し曲げ加工性が悪かった。
比較例４は、最終再結晶焼鈍における昇温速度が５０℃／ｓを超えているため、結晶方位の集積度の規定を満たしておらず、繰返し曲げ加工性が悪かった。
比較例５は、最終冷間圧延における圧延総加工度が低すぎるため、引張り強さが３５０ＭＰａ未満となっており、形状維持性が悪かった。

Claims (10)

1. Ｃｕ及び不純物からなり、
   導電率が６０％ＩＡＣＳ以上であり、
   引張強さが３５０ＭＰａ以上であり、
   板表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対し、ベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られたボックス番号２９の結晶方位の集積度が４以下である銅合金板。
2. Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ、及びＺｒの群から選択された一種以上を含み、且つ、
   Ａｇを０〜１．０質量％、Ｔｉを０〜０．０８質量％、Ｎｉを０〜２．０質量％、Ｚｎを０〜３．５質量％、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ、及びＺｒの群から選択された一種以上を合計で０〜０．５質量％含有し、残部Ｃｕ及び不純物からなり、
   導電率が６０％ＩＡＣＳ以上であり、
   引張強さが３５０ＭＰａ以上であり、
   板表面の法線方向の結晶方位を表したステレオ三角に対し、ベクトル法による表示で用いられる等面積分割を行って得られたボックス番号２９の結晶方位の集積度が４以下である銅合金板。
3. Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｎ及びＺｒからなる群から選択された一種以上を合計で０．０１質量％以上含有する請求項２に記載の銅合金板。
4. 前記ボックス番号２９の結晶方位の集積度が１以上である請求項１〜３のいずれかに記載の銅合金板。
5. 引張強さが２００℃で３０分間加熱後に２５０ＭＰａ以上である請求項３又は４に記載の銅合金板。
6. ＦＰＣ基板用である請求項１〜５のいずれかに記載の銅合金板。
7. ＬＥＤ照明を実装したＦＰＣ基板用である請求項６に記載の銅合金板。
8. 厚みが０．０５〜０．３ｍｍである請求項１〜７のいずれかに記載の銅合金板。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の銅合金板を用いた電子機器部品。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載の銅合金板を用いたＬＥＤ照明を実装したＦＰＣ。

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