JP6446010B2 - 放熱部品用銅合金板 - Google Patents
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Description
半導体装置の熱を吸収し、大気中に放散させる放熱部品してヒートシンクが使われている。ヒートシンクには高熱伝導性が求められることから、素材として熱伝導率の大きい銅、アルミニウムなどが用いられる。しかし、対流熱抵抗が、ヒートシンクの性能を制限しており、発熱量が増大する高機能電子部品の放熱要求を満たすことが難しくなってきている。
管状ヒートパイプ(特許文献3参照)は、銅粉末を管内に焼結してウィックを形成し、加熱脱ガス処理後、一端をろう付け封止し、真空又は減圧下で管内に冷媒を入れてからもう一方の端部をろう付け封止して製造する。
例えば、ヒートパイプの素材として純銅板を用いた場合、600℃以上の温度で加熱をしたときの軟化が激しい。また、急激な結晶粒の粗大化が生じる。このため、ヒートシンク、半導体装置への取付け、又はPC筐体への組込み等の際に、製造したヒートパイプが変形しやすく、ヒートパイプ内部の構造が変化してしまい、また表面の凹凸が大きくなり、所期の放熱性能を発揮できなくなってしまう問題がある。また、このような変形を避けるには純銅板の厚さを厚くすればよいが、そうするとヒートパイプの質量、及び厚さが増大する。厚さが増大した場合、PC筐体内部の隙間が小さくなり、対流伝熱性能が低下する問題がある。
ろう付け、拡散接合、溶接等の加熱工程を経て製作されたベーパチャンバ等の放熱部品の場合、前記加熱工程後に塑性加工が加えられることはない。従って、前記放熱部品を析出硬化型銅合金の板材から製作した場合に、溶体化処理に相当する上記加熱工程後、時効処理を施しても、強度及び導電率が十分向上しない場合がある。
一方、本発明者らは、析出硬化型銅合金のうちCu−Cо−P系合金において、Co、Pの組成範囲及びCo/P比を限定することにより、上記加熱工程後、塑性加工を加えることなく時効処理した場合でも、放熱部品の強度及び導電率が大きく向上することを見出し、本発明に到達した。
本発明に係る銅合金板は、100MPa以上の高い強度(0.2%耐力)を有するため、銅合金板を放熱部品に加工する際の搬送やハンドリングにおいて容易に変形しない。また、6%以上の伸び及び優れた曲げ加工性を有するため、前記加工が支障なく実行できる。
本発明に係る銅合金板は、プレス成形、打抜き加工、切削、エッチングなどにより所定形状に加工され、高温加熱(脱ガス、接合(ろう付け、拡散接合、溶接)、焼結等のための加熱)を経て、放熱部品に仕上げられる。放熱部品の種類や製造方法により前記高温加熱の加熱条件が異なるが、本発明では、前記高温加熱を600℃〜1050℃程度で行う場合を想定している。本発明に係る銅合金板は後述する組成のCo−P系銅合金からなり、前記温度範囲内に加熱すると、母材に析出していたCo−P化合物の少なくとも一部が固溶し、結晶粒が成長し、軟化及び導電率の低下が生じる。
具体的な時効処理条件として、300〜580℃の温度範囲で5分〜10時間保持する条件が挙げられる。強度の向上を優先するときは微細なCo−P化合物が生成する温度−時間条件を、導電率の向上を優先するときは固溶するCo、Pが減少する過時効気味の温度−時間条件を、適宜選定すればよい。
なお、本発明に係る銅合金板は、高温加熱の温度が850℃未満(600℃以上)又は850℃超(1050℃以下)であっても、時効処理後に、150MPa以上の0.2%耐力、及び70%IACS以上の導電率を達成できる。
本発明に係る銅合金の組成は、Co:0.05〜0.9質量%、P:0.01〜0.25質量%、及び残部Cu及び不可避不純物からなり、Co含有量(質量%)を[Co]とし、P含有量(質量%)を[P]としたとき、[Co]/[P]が2〜6である。
Coは、Pとの間にP化合物(Co−P化合物)を生成し、銅合金板の強度や耐応力緩和特性を向上させる。このP化合物は固溶温度が高く、銅合金板が600℃以上の高温(例えば850℃)に加熱されても一部は比較的安定に存在し、結晶粒径の粗大化が防止される。一方、銅合金板の加熱温度が高いほど、水冷後の凍結空孔濃度が高くなり、析出物の核生成サイトが増えるため、続いて行われる時効処理により球状の析出物の数密度を増やすことができ、これは時効処理後の強度の向上に寄与する。Co含有量が0.05質量%未満又はP含有量が0.01質量%未満では、P化合物の析出量が少なく、銅合金の強度や耐応力緩和特性を向上させることができない。一方、Co含有量が0.9質量%を超え又はP含有量が0.25質量%を超えると、時効処理後の銅合金において70%IACS以上の導電率を達成できない。また、粗大な酸化物、晶出物、析出物などが生成して熱間加工性が低下し、かつ銅合金板の強度、耐応力緩和特性、曲げ加工性が低下する。従って、Coは0.05〜0.9質量%、P含有量は0.01〜0.25質量%とする。Co含有量の下限値は、好ましくは0.10質量%、より好ましくは0.15質量%であり、上限値は、好ましくは0.75質量%、より好ましくは0.60質量%である。P含有量の下限値は、好ましくは0.02質量%、より好ましくは0.03質量%であり、上限値は、好ましくは0.23質量%、より好ましくは0.22質量%である。
Znは、銅合金板のはんだの耐熱剥離性及びSnめっきの耐熱剥離性を改善する作用を有する。放熱部品を半導体装置へ組み込むとき、はんだ付けが必要な場合があり、また、放熱部品を製造後、耐食性改善のためSnめっきを行う場合がある。このような放熱部品の製造に、Znを含有する銅合金板が好適に用いられる。しかし、Znの含有量が1.0質量%を越えると、はんだ濡れ性が低下するため、Znの含有量は1.0質量%以下とする。Znの含有量は好ましくは0.7質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下とする。一方、Zn含有量が0.01質量%未満では、耐熱剥離性の改善への寄与が小さく、Znの含有量は0.01質量%以上であることが好ましい。Zn含有量は0.05質量%以上がより好ましく、0.1質量%以上がさらに好ましい。
なお、本発明の銅合金板がZnを含む場合、500℃以上の温度で加熱すると、加熱雰囲気によってはZnが気化し、銅合金板の表面性状を低下させたり、加熱炉を汚染することがある。Znの気化を防止するとの観点からは、Znの含有量は好ましくは0.5質量%以下とし、より好ましくは0.3質量%以下、さらに好ましくは0.2質量%以下とする。
上記元素のうちFe,Niは、Coと同様に、Pとの間にりん化物((Ni,Fe)−P化合物)を生成する。りん化物の形成による銅合金板の強度向上効果は、Coが最も大きく、次いでFe、Niの順である。Fe、Niは、Coとりん化物を形成しなかったPとりん化物を形成し(固溶Pが減少)、銅合金板の強度を向上させる効果を有する。また、Feは高温加熱時の結晶粒粗大化抑制効果を有する。これらの効果を得るため、Fe含有量は0.01質量%以上、Ni含有量は0.02質量%以上であることが好ましい。一方、導電率の低下を抑制するため、Fe含有量は0.05質量%以下とし、Ni含有量は0.1質量%以下とすることが好ましい。
Si,Al,Mnは、銅合金の強度及び耐熱性を向上させる効果がある。この効果を得るため、Si,Al,Mnの含有量は、いずれも0.01質量%以上であることが好ましい。一方、銅合金板の導電率の低下を防止するとの観点から、Si含有量は0.2質量%以下、Al含有量は0.2質量%以下、Mn含有量は0.1質量%以下とすることが好ましい。
Agは銅合金の強度及び耐熱性を向上させる効果がある。Ag含有量は好ましくは0.005〜0.02質量%の範囲とする。
前記焼鈍には、軟化焼鈍、再結晶焼鈍又は析出焼鈍(時効処理)が含まれる。軟化焼鈍又は再結晶焼鈍の場合は、加熱温度を600〜950℃の範囲から、加熱時間を5秒〜1時間の範囲から選定するとよい。軟化焼鈍又は再結晶焼鈍が溶体化処理を兼ねる場合は、600〜950℃、好ましくは670〜900℃に3分以下保持する連続焼鈍を行うとよい。時効処理の場合、350〜580℃程度の温度範囲に0.5〜10時間保持する条件で行うとよい。軟化焼鈍又は再結晶焼鈍が溶体化処理を兼ねる場合、後工程でこの時効処理を行うことができる。
低温焼鈍は、銅合金板の延性の回復のため、銅合金板を再結晶させることなく軟化させるもので、連続焼鈍による場合は300〜650℃の雰囲気に1秒〜5分程度保持されるように定めるとよい。また、バッチ式焼鈍の場合は、銅合金板の実体温度が250℃〜400℃に5分〜1時間程度保持されるように定めるとよい。
以上の製造方法により、0.2%耐力が100MPa以上、伸びが6%以上で、優れた曲げ加工性を有する銅合金板を製造することができる。また、この銅合金板は、850℃で30分加熱し、次いで時効処理をしたとき、150MPa以上の0.2%耐力、70%IACS以上の導電率を有する。
均質化処理後、熱間圧延を800℃以上の温度で開始する。熱間圧延材に粗大なCo−P析出物が形成されないように、熱間圧延は600℃以上の温度で終了し、その温度から水冷等の方法により急冷することが好ましい。熱間圧延後の急冷開始温度が600℃より低いと、粗大なCo−P析出物が形成され、組織が不均一になりやすく、銅合金板(製品板)の強度が低下する。熱間圧延の終了温度は600℃以上の温度であることが好ましく、700℃以上の温度であることがより好ましい。なお、熱間圧延後急冷した熱間圧延材の組織は再結晶組織となる。後述の溶体化を伴う再結晶処理は熱間圧延後の急冷を行うことで兼ねることができる。
溶体化を伴う再結晶処理は、600〜950℃、好ましくは670〜900℃で3分以下の保持の条件で行う。銅合金中のCo、Pの含有量が少ない場合は,上記温度範囲内のより低温領域で、Co、Pの含有量が多い場合は、上記温度範囲内のより高温領域で行うことが好ましい。この再結晶処理により、Co、Pを銅合金母材に固溶させると共に、曲げ加工性が良好となる再結晶組織(結晶粒径が1〜20μm)を形成することができる。この再結晶処理の温度が600℃より低いと、Co,Pの固溶量が少なくなり、時効処理後の強度が低下する。一方、再結晶処理の温度が950℃を超え又は処理時間が3分を超えると、再結晶粒が粗大化する。
時効処理は、先に記載したとおり、加熱温度300〜580℃程度で0.5〜10時間保持する条件で行う。この加熱温度が300℃未満では析出量が少なく、580℃を超えると析出物が粗大化しやすい。加熱温度の下限は、好ましくは350℃とし、上限は好ましくは570℃、より好ましくは560℃とする。時効処理の保持時間は、加熱温度により適宜選択し、0.5〜10時間の範囲内で行う。この保持時間が0.5時間以下では析出が不十分となり、10時間を越えても析出量が飽和し、生産性が低下する。保持時間の下限は、好ましくは1時間、より好ましくは2時間とする。
各鋳塊に対し965℃で3時間の均熱処理を行い、続いて熱間圧延を行って板厚15mmの熱間圧延材とし、650℃以上の温度から焼き入れ(水冷)した。焼き入れ後の熱間圧延材の両面を1mmずつ研磨した後、目標板厚0.6mmまで冷間粗圧延し、800℃に20秒保持する再結晶処理(溶体化を伴う)を行った。次いで500℃で2時間の析出焼鈍後、50%の仕上げ冷間圧延を施し、板厚0.3mmとし、さらに330℃で20秒間の低温焼鈍(歪み取り焼鈍)を行い、銅合金板を製造した。
また、得られた銅合金板を850℃で30分間加熱後水冷したもの、さらに500℃で2時間加熱(時効析出処理)したものを、それぞれ供試材として、導電率及び機械的特性の各測定試験を行った。その結果を表3,4に示す。
導電率の測定は,JIS−H0505に規定されている非鉄金属材料導電率測定法に準拠し,ダブルブリッジを用いた四端子法で行った。
(機械的特性)
供試材から、長手方向が圧延平行方向となるようにJIS5号引張り試験片を切り出し、JIS−Z2241に準拠して引張り試験を実施して、耐力と伸びを測定した。耐力は永久伸び0.2%に相当する引張強さである。
曲げ加工性の測定は、伸銅協会標準JBMA−T307に規定されるW曲げ試験方法に従い実施した。各供試材から幅10mm、長さ30mmの試験片を切り出し、R/t=1.0となる冶具を用いて、G.W.(Good Way(曲げ軸が圧延方向に垂直))及びB.W.(Bad Way(曲げ軸が圧延方向に平行))の曲げを行った。次いで、曲げ部における割れの有無を100倍の光学顕微鏡により目視観察し、G.W.及びB.W.の双方で割れの発生がないものを○(合格)、G.W.又はB.W.のいずれか一方又は双方で割れが発生したものを×(不合格)、と評価した。
各供試材から短冊状試験片を採取し、非活性フラックスを1秒間浸漬塗布した後、メニスコグラフ法にてはんだ濡れ時間を測定した。はんだは260±5℃に保持したSn−3質量%Ag−0.5質量%Cuを用い、浸漬速度を25mm/sec、浸漬深さを5mm、浸漬時間を5secの試験条件で実施した。はんだ濡れ時間が2秒以下のものをはんだ濡れ性が優れると評価した。なお、比較例5以外は、はんだ濡れ時間が2秒以下であった。
比較例1は、Co含有量が過剰なため、曲げ加工性が劣り、時効処理後の強度及び導電率が低い。
比較例2は、P含有量が過剰なため、熱間圧延時に割れが生じて、熱間圧延後の工程に進むことができなかった。
比較例3は、[Co]/[P]が高く、時効処理後の強度及び導電率が低い。
比較例4は、[Co]/[P]が低く、Co含有量も比較的少ないため、時効処理後の強度及び導電率が低い。
比較例5は、Zn含有量が過剰で、先に述べたようにはんだ濡れ性が劣っていた。
比較例6は、主要元素以外の元素(Al、Mn等)の合計が過剰であったため、時効処理後の導電率が低い。
比較例7は、P含有量が不足したため、時効処理後の強度及び導電率が低い。
比較例8は、Co含有量が不足したため、時効処理後の強度が低い。
一方、比較例3、4は、1000℃で30分間加熱し、次いで時効処理した後の強度及び導電率が基準(0.2%耐力が150MPa以上、導電率が70%IACS以上)に達していない。
Claims (6)
- Co:0.05〜0.9質量%、P:0.01〜0.25質量%、残部がCu及び不可避不純物からなり、Co含有量を[Co]とし、P含有量を[P]としたとき、[Co]/[P]が2〜6であり、 0.2%耐力が100MPa以上、伸びが6%以上で、優れた曲げ加工性を有し、850℃で30分加熱後水冷し、次いで500℃で2時間加熱する時効処理をした後の0.2%耐力が150MPa以上、導電率が70%IACS以上であり、放熱部品を製造するプロセスの一部に600℃以上に加熱するプロセスと時効処理が含まれることを特徴とする放熱部品用銅合金板。
- さらに、Znを1.0質量%以下含有することを特徴とする請求項1に記載された放熱部品用銅合金板。
- さらに、Fe,Ni,Sn,Si,Al,Mn,Cr,Ti,Zr,Ag,Mgのうち1種又は2種以上を合計で0.005〜0.5質量%含有することを特徴とする請求項1又は2に記載された放熱部品用銅合金板。
- 請求項1〜3のいずれかに記載された放熱部品用銅合金板を所定形状に加工した後、600℃以上に加熱するプロセスを施し、続いて塑性加工を加えることなく時効処理を行い、150MPa以上の0.2%耐力及び70%IACS以上の導電率を有する放熱部品を得ることを特徴とする放熱部品の製造方法。
- 時効処理後、放熱部品の外表面の少なくとも一部にSn被覆層を形成することを特徴とする請求項4に記載された放熱部品の製造方法。
- 時効処理後、放熱部品の外表面の少なくとも一部にNi被覆層を形成することを特徴とする請求項4に記載された放熱部品の製造方法。
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