JP7162960B2 - 圧延接合体及びその製造方法、並びに電子機器用の放熱補強部材 - Google Patents

圧延接合体及びその製造方法、並びに電子機器用の放熱補強部材 Download PDF

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Description

本発明は、圧延接合体及びその製造方法、並びに電子機器用の放熱補強部材に関する。
金属材料は様々な分野で利用されており、例えば、モバイル電子機器等の電子機器における放熱補強部材（放熱を伴う電子部品を囲むシャーシ材）として用いられている。このような金属材料として、ステンレス鋼が広く用いられている。また、他の金属材料として、２種類以上の金属板又は金属箔を積層した圧延接合体（金属積層材、クラッド材）も知られている。圧延接合体は、単独の材料では得られない複合特性を有する高機能性金属材料であり、例えば、熱伝導性の向上を目的としてステンレス鋼と銅とを積層させた圧延接合体が検討されている。
従来の圧延接合体として、例えば、特許文献１及び２に開示されるものが知られている。特許文献１には、オーステナイト系ステンレスにより形成される第１層と、Ｃｕ又はＣｕ合金により形成され、前記第１層に積層される第２層と、オーステナイト系ステンレスにより形成され、前記第２層の前記第１層とは反対側に積層される第３層とが圧延接合されたクラッド材からなり、前記第２層の厚みは、前記クラッド材の厚みの１５％以上であるシャーシとその製造方法が開示されている。
また、特許文献２には、ステンレス鋼により構成される第１層と、Ｃｕ又はＣｕ合金により構成され、前記第１層に圧延接合された第２層と、を備え、ＪＩＳ Ｈ ０５０１の比較法により測定される前記第２層の結晶粒度が、０．１５０ｍｍ以下であるクラッド材が開示されている。
特許第５４１０６４６号公報 特許第６２３７９５０号公報
従来の圧延接合体は、圧延接合時の密着力が弱く、ピール強度向上のため接合後に５００℃以上での熱処理を施す必要があった。具体的には、上記特許文献１では、圧延接合を行った後に約１０００℃の還元雰囲気下で、形成したクラッド材を拡散焼鈍させることが記載されている。また、特許文献２の実施例では、圧延後に９５０℃での拡散焼鈍を行っている。
しかし、銅は、２００℃以上の温度で再結晶化し軟質化してしまうため、上記熱処理によって銅が軟質化し、硬質な銅とステンレス鋼とからなる圧延接合体を得ることはできなかった。一方、最近では、通信の高速化や高機能化によって電子機器内の発熱量が増している。このような電子機器における放熱補強部材にはさらなる放熱性の向上が求められるが、銅及びステンレス鋼の圧延接合体を放熱補強部材として用いた場合、放熱性を高めるべく銅の比率を増加させると、軟質化した銅によって圧延接合体全体の強度が低下してしまうという課題があった。
そこで本発明は、硬質な銅層を有し、放熱性と強度が両立した銅層及びステンレス層の圧延接合体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討を行った結果、銅の調質、接合前のエッチング条件、接合時の荷重等の各条件を特定の組み合わせとしたことで、銅層が硬質であり且つ十分な密着強度を有する圧延接合体を得ることが可能となった。すなわち、本発明の要旨は次のとおりである。
（１）銅層とステンレス層とからなる圧延接合体であって、
前記圧延接合体の厚みが０．０２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、
前記銅層の硬度が７０Ｈｖ以上であり、
前記圧延接合体の１８０°ピール強度が６Ｎ／２０ｍｍ以上である、
前記圧延接合体。
（２）前記銅層の厚みが０．０１ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下であり、
前記ステンレス層の厚みが０．０１ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下である、
上記（１）に記載の圧延接合体。
（３）前記ステンレス層の硬度が１８０Ｈｖ以上である、
上記（１）又は（２）に記載の圧延接合体。
（４）前記圧延接合体の１８０°ピール強度が８Ｎ／２０ｍｍ以上である、
上記（１）～（３）のいずれか一つに記載の圧延接合体。
（５）前記銅層と前記ステンレス層の２層からなる上記（１）～（４）のいずれか一つに記載の圧延接合体。
（６）前記ステンレス層が部分的に除去された上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の圧延接合体。
（７）前記ステンレス層が部分的に除去され、前記除去された部分において前記銅層が露出している上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の圧延接合体。
（８）前記銅層が部分的に除去された上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の圧延接合体。
（９）前記銅層が部分的に除去され、前記除去された部分において前記ステンレス層が露出している上記（１）～（５）のいずれか一つに記載の圧延接合体。
（１０）上記（１）～（９）のいずれか一つに記載の圧延接合体を含む電子機器用の放熱補強部材。
（１１）銅層とステンレス層とからなる圧延接合体の製造方法であって、
銅板及びステンレス鋼板を準備する工程と、
前記銅板及び前記ステンレス鋼板の接合される面にスパッタエッチング処理を施す工程と、
前記スパッタエッチング処理後に、前記銅板と前記ステンレス鋼板とを接触させロール圧接により前記銅板と前記ステンレス鋼板とを接合する工程とを含み、
前記準備した銅板の硬度が８０Ｈｖ以上であり、
前記銅板が、前記スパッタエッチング処理によって軟化し、及び／又は前記銅板と前記ステンレス鋼板とを接触させた時の前記ステンレス鋼板からの入熱によって圧接直前時点で軟化し、
接合後の前記圧延接合体の厚みが０．０２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、前記圧延接合体の銅層の硬度が７０Ｈｖ以上であり、前記圧延接合体の１８０°ピール強度が６Ｎ／２０ｍｍ以上である、前記圧延接合体の製造方法。
（１２）前記準備した銅板が、前記スパッタエッチング処理によって硬度７０Ｈｖ未満まで軟化するか、及び／又は前記銅板と前記ステンレス鋼板とを接触させた時の前記ステンレス鋼板からの入熱によって圧接直前時点で硬度７０Ｈｖ未満まで軟化する上記（１１）に記載の圧延接合体の製造方法。
本発明の圧延接合体は、銅層が硬質であり、高い強度と優れた放熱性とを兼ね備えている。この圧延接合体は、電子機器における放熱補強部材として好適に用いることができる。
本発明の圧延接合体の一実施形態を示す断面図である。 圧延接合体の用途の一例としてのベイパーチャンバーの一形態を示す断面図である。 圧延接合体の用途の一例としてのベイパーチャンバーの別の形態を示す断面図である。 本発明の圧延接合体の別の実施形態を示す断面図である。
以下、実施の形態に基づき本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の圧延接合体の一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る圧延接合体１Ａは、銅層１０Ａとステンレス層２０Ａの２層から構成される。
圧延接合体としてより高い放熱性を求める用途においては、銅層１０Ａとして、銅以外の添加金属元素の合計含有量が１質量％以下、より好ましくは０．８質量％以下である銅の板材を用いることができる。具体的には、Ｃ１１００、Ｃ１０２０等の板材を挙げることができる。また、圧延接合体としてより高い強度を求める用途においては、銅層１０Ａとして、銅以外の添加金属元素の合計含有量が１質量％を超えるような銅の板材を用いることができる。具体的には、コルソン銅等の合金銅の板材を挙げることができる。
また、ステンレス層２０Ａとしては、特に限定されずに、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ及びＳＵＳ４３０等の板材を用いることができる。特に圧延接合体を電子機器用途に使用する場合は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼の板材を用いることが好ましい。
圧延接合体１Ａの厚みは、０．０２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である。好ましくは０．０３ｍｍ以上０．３７ｍｍ以下である。厚みが０．０２ｍｍ未満であると、圧延接合体を製造する際に皺や折れ等が発生する虞があるため不可である。また、厚みが０．４ｍｍを超えると、重量の増加や電子機器内部の実装スペースを減少させる虞があるため好ましくない。また、０．４ｍｍを超える厚さでは、圧延接合体の接合時における圧下力が不足し、十分なピール強度が得られない虞がある。
なお、放熱補強部材や電子部材等のカバー、筐体、あるいは放熱部材（放熱部材として用いられる例として図４の圧延接合体１Ｃや図３の圧延接合体１Ｂ）等、より高い強度及び放熱性が求められる用途に用いる場合には、厚みの下限値としては０．０９ｍｍ以上であることが好ましい。また、電子部材の放熱・電磁波シールド等の機能性部材等のように、より少スペース化を求められる場合（例えば、図２及び図３のベイパーチャンバー２Ａ、２Ｂにおける圧延接合体１Ａ）には、厚みの上限値は０．１ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは０．０９ｍｍ以下、さらに好ましくは０．０５５ｍｍ以下である。本実施形態に係る圧延接合体１Ａは、このようなごく薄い厚みであっても、銅層１０Ａの強度が従来に比べ硬質であるため、従来に比べて少スペース化を図ることができる。
ここで、圧延接合体１Ａの厚みとは、銅層１０Ａとステンレス層２０Ａの総厚みをいう。圧延接合体１Ａの厚みは、圧延接合体１Ａ上の任意の３０点における厚みをマイクロメータ等で測定し、得られた測定値の平均値を指す。
圧延接合体１Ａにおける銅層１０Ａ及びステンレス層２０Ａのそれぞれの厚みは、圧延接合体１Ａの用途等に応じて設定され、特に限定されるものではない。好ましくは、銅層１０Ａの厚みが０．０１ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下であり、ステンレス層２０Ａの厚みが０．０１ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下である。より好ましくは銅層１０Ａの厚みが０．０１５ｍｍ以上０．３７ｍｍ以下であり、ステンレス層２０Ａの厚みが０．０１５ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下である。さらに好ましくは銅層１０Ａの厚みが０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であり、ステンレス層２０Ａの厚みが０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。特に銅層が０．３８ｍｍを超える場合は、十分なピール強度を得られない虞がある。また、ステンレス層２０Ａが銅層１０Ａに対して厚過ぎると、圧延接合体１Ａの放熱性が不足する虞がある。さらに、ステンレス層２０Ａが薄過ぎると圧延接合体１Ａの強度が得られないため、これらのバランスを考慮して適宜設定される。本実施形態によれば、銅層１０Ａが従来に比べて硬質であるため、圧延接合体１Ａの放熱性を高めるために銅層１０Ａの厚み比率を大きくしても、全体の強度を確保できるという利点がある。したがって、電子機器用の放熱補強部材等の、従来と同じ用途に適用する場合には、銅層１０Ａの厚み比率を従来に比べて大きくすることができる。具体的には、圧延接合体１Ａの厚みに対する銅層１０Ａの厚みの比率を、５％以上９５％以下、好ましくは１３％以上８７％以下、さらに好ましくは１５％以上８５％以下とすることができる。ここで、圧延接合体１Ａにおける銅層１０Ａ及びステンレス層２０Ａの厚みとは、圧延接合体１Ａの断面の光学顕微鏡写真を取得し、その光学顕微鏡写真において任意の１０点における銅層１０Ａ及びステンレス層２０Ａの厚みを計測し、得られた値の平均値をいう。なお、圧延接合体１Ａの製造において、材料の銅板及びステンレス鋼板は所定の圧下率にて接合されるため、圧延接合体１Ａの銅層１０Ａ及びステンレス層２０Ａの厚みは接合前の材料である銅板及びステンレス鋼板よりも通常薄くなるが、マイクロメータでの測定範囲では圧下率０％となり厚みが変わらないこともある。
本実施形態の圧延接合体１Ａにおいて、銅層１０Ａは硬質であり、７０Ｈｖ以上の硬度を有する。好ましくは７５Ｈｖ以上であり、より好ましくは８０Ｈｖ以上である。硬度の上限は特に限定されるものではないが、例えば１３０Ｈｖ以下であって良い。銅層１０Ａが硬質であることにより、優れた放熱性と高い強度が両立した圧延接合体１Ａを得ることができる。また、ステンレス層２０Ａについても十分な硬度を有することが好ましく、具体的には１８０Ｈｖ以上であることが好ましく、より好ましくは２００Ｈｖ以上であり、さらに好ましくは２５０Ｈｖ以上である。なお、硬度Ｈｖは、銅層に対してはマイクロビッカース硬度計（荷重５０ｇｆ）を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験－試験方法）に準じて測定したものを指す。また、ステンレス層の硬度Ｈｖに対しては、ステンレス層の厚みが０．１ｍｍ以上の場合はマイクロビッカース硬度計（荷重１００ｇｆ）を用い、０．１ｍｍ未満の厚みの場合はマイクロビッカース硬度計（荷重５０ｇｆ）を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験－試験方法）に準じて測定したものを指す。
また、本実施形態に係る圧延接合体１Ａは、銅層１０Ａとステンレス層２０Ａの密着強度の指標としてのピール強度（１８０°ピール強度、１８０°剥離強度ともいう）が、６Ｎ／２０ｍｍ以上である。放熱補強部材等の用途に応じて、その加工工程における圧延接合体界面での剥離を抑制するためには、好ましくは８Ｎ／２０ｍｍ以上であり、より好ましくは１０Ｎ／２０ｍｍ以上である。なお、ピール強度が顕著に高くなった場合、剥離せずに材料破断となるため、ピール強度の上限値はない。
圧延接合体１Ａのピール強度は、圧延接合体１Ａから幅２０ｍｍの試験片を作製し銅層１０Ａとステンレス層２０Ａとを一部剥離後、厚膜層側又は厚みが同じ場合は硬質層側を固定する。その後、薄膜層側又は厚みが同じ場合は軟質層側を前記固定部と１８０°反対方向へ、引張速度５０ｍｍ／分にて引っ張った際に引き剥がすのに要する力（単位：Ｎ／２０ｍｍ）をテンシロン万能材料試験機ＲＴＣ－１３５０Ａ（株式会社オリエンテック製）を用いて測定した値をいう。なお、同様の試験において、試験片幅が２０ｍｍ以外の場合、試験片幅に応じてピール強度は変化する。そのため、試験片幅：１０ｍｍで測定したピール強度を試験片幅：２０ｍｍで測定したピール強度に換算するときは、試験片幅の倍率をかければ良いので、２０ｍｍ／１０ｍｍ、つまり約２倍とすれば良い。
また、本実施形態の圧延接合体１Ａは、幅が１２．５ｍｍの試験片について、引張試験による伸びが好ましくは３％以上５０％以下であり、より好ましくは５％以上４０％以下である。これにより、良好なプレス加工性が得られる。引張試験による伸びはＪＩＳ Ｚ ２２４１に記載される破断伸びの測定に準じて、例えば後述する引張強度試験の試験片を用いて測定することができる。
圧延接合体１は、試験片の幅が１２．５ｍｍの引張試験による最大引張荷重が、２００Ｎ以上であることが好ましい。十分な強度を有するという観点から、より好ましくは２５０以上であり、さらに好ましくは３００Ｎ以上である。なお、最大引張荷重から引張強度を算出することができ、引張強度とは引張試験における最大引張荷重を試験片の断面積で除した値を指す。最大引張荷重及び引張強度は、例えばテンシロン万能材料試験機ＲＴＣ－１３５０Ａ（株式会社オリエンテック製）を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（金属材料引張試験方法）に準じて測定することができる。なお、上記試験片の幅１２．５ｍｍはＪＩＳ Ｚ ２２４１における１３Ｂ号の仕様に相当する。
圧延接合体１Ａにおける界面とは反対側の銅層１０Ａ及びステンレス層２０Ａの表面には、必要に応じて、導電性、放熱性等の機能を妨げない程度に、耐食性、酸化防止、変色防止等を目的として保護層を設けることができる。例えば、銅層１０Ａに対する保護層の例としては、化成処理層、Ｎｉめっき層等を挙げることができる。なお、本実施形態において、上述の圧延接合体１Ａや各層の厚み、硬度等の値は、保護層を除いた、銅層１０Ａ及びステンレス層２０Ａのみからなる積層体についての値をいう。
以上の圧延接合体１Ａは、銅層１０Ａによる優れた放熱性を有すると同時に、銅層１０Ａが硬質であるため全体として高い強度を有している。このような圧延接合体１Ａは、その特性を生かして、モバイル電子機器、ＰＣ等の各種電子機器における放熱補強部材（シャーシ材）、自動車等の輸送機器用電子部材、家電用電子部材等のカバー、筐体、放熱・電磁波シールド等の機能性部材等として利用することができる。なお、圧延接合体１Ａを電子機器の部品として用いる場合、ステンレス層２０Ａが磁性を有すると、電波障害を生ずる可能性があるため、ステンレス層２０Ａの材料としては、オーステナイト系の非磁性材料を用いることが好ましい。
図２には、本実施形態に係る圧延接合体１Ａの用途の一例として、ベイパーチャンバーの断面を示す。このベイバーチャンバー２Ａは、銅層１０Ａとステンレス層２０Ａとからなる圧延接合体１Ａを備え、銅層１０Ａ側に、カラム状の凸部３１を有する銅板３０と、ステンレス鋼板４０がさらに積層されている。凸部３１によって囲まれる領域Ａには、純水等の作動液が封止されている。ステンレス鋼板４０側に位置する熱源（図示せず）からの熱によって、領域Ａ内の作動液が蒸発し、ステンレス層２０Ａ側からの放熱によって蒸気が凝縮して下部に還流され、その繰り返しによって熱を水平及び垂直方向に効率的に拡散させることができる。
図３は、ベイパーチャンバーの別の形態を示す断面図である。このベイパーチャンバー２Ｂは、図２に示すベイパーチャンバー２Ａの銅板３０及びステンレス鋼鈑４０に代えて、銅層１０Ｂとステンレス層２０Ｂとからなる本発明の圧延接合体１Ｂが積層されている。そして銅層１０Ｂ側には、銅層６０とステンレス鋼板７０が積層されている。圧延接合体１Ｂは、図１の圧延接合体１Ａを加工して製造することができる。銅層１０Ｂは、エッチング等の手法を用いて部分的に除去され、図２と同様にカラム状の凸部３１と、凸部３１によって囲まれる領域Ａが形成されている。領域Ａには作動液が封止される。銅層６０とステンレス鋼板７０とは、図２と同様に本発明の圧延接合体１Ａであってもよく、銅層が軟質な銅層であってもよく、銅層がめっき層から形成されていてもよい。よりベイパーチャンバー２Ｂ全体の強度を高めるという視点においては好ましくは、銅層６０及びステンレス鋼板７０は本発明の圧延接合体である。なお、図２及び図３に示すベイパーチャンバーの構造は一例であり、これに限定されるものではない。
図４に、本発明の圧延接合体の別の実施形態の断面を示す。この実施形態に係る圧延接合体１Ｃは、銅層１０Ｃとステンレス層２０Ｃとの２層構造であり、さらに、ステンレス層２０Ｃが部分的に除去され、その除去された部分Ｓにおいて銅層１０Ｃが露出した構造を有している。銅層１０Ｃが露出した部分Ｓには、図３に示すように、例えばヒートパイプ等の熱輸送デバイス５０を埋め込むことができる。ステンレス層２０Ｃが除去された部分Ｓを他のデバイスの実装スペースとして利用することで、全体として凹凸の少ない一体型の部品を得ることができる。また、このような構造とすることで熱輸送デバイス５０を直接、銅層１０Ｃと接触させることが可能となり、熱輸送デバイス５０によって移動させた熱を銅層１０Ｃに直接拡散することができ、全体的により高い放熱効果を得ることが可能となる。図４の圧延接合体１Ｃについてのその他の構成は、上記図１に示す実施形態と同様である。図４に示す実施形態では、ステンレス層２０Ｃのうち、熱輸送デバイス５０を実装する部分Ｓのみが除去されているが、これに限定されるものではない。
また、メッシュ加工やパンチング加工を施したステンレス層（ステンレス層の一面にわたって多箇所が部分的に除去された状態に相当する）を銅層と積層させても良い。
図４の実施形態では、ステンレス層２０Ｃが部分的に除去され、その除去された部分Ｓにおいて銅層１０Ｃが露出した構造であったが、必ずしも銅層１０Ｃが露出するまでステンレス層２０Ｃを除去する必要はなく、例えば、ステンレス層２０Ｃの表面近傍のみが部分的に除去され、その除去された部分の深さはステンレス層２０Ｃと銅層１０Ｃとの界面までは達しない構造とすることができる。このような構造においてヒートパイプ等の熱輸送デバイス５０を埋め込んだ場合には、熱輸送デバイス５０と銅層１０Ｃとの距離を短くすることで放熱性を向上させつつ、ステンレス層２０Ｃの強度も一部担保することが可能となる。
また、図４の実施形態とは異なり、銅層及びステンレス層からなる圧延接合体において、ステンレス層ではなく銅層が部分的に除去された構造を有していても良い。図３のベイパーチャンバー２Ｂにおける圧延接合体１Ｂは、銅層が部分的に除去された例である。銅層が除去された部分においては、ステンレス層が露出していても良く、露出していなくても良い。例えば、メッシュ加工やパンチング加工を施した銅層（銅層の一面にわたって多箇所が部分的に除去された状態に相当する）をステンレス層と積層させても良い。
図１及び図４の実施形態では、圧延接合体が、銅層とステンレス層の２つの層から構成される場合について説明したが、これに限定されるものではなく、３層以上の銅層及びステンレス層からなる圧延接合体であっても良い。例えば、銅層の両面にステンレス層を積層させ、ステンレス層／銅層／ステンレス層の３層構造の圧延接合体とすることができる。あるいは、銅層／ステンレス層／銅層の３層構造であっても良い。このように、銅層及び／又はステンレス層が複数の層から構成される場合、圧延接合体における銅層又はステンレス層の厚みとは、複数の銅層又はステンレス層のそれぞれの厚みの合計をいう。また、圧延接合体の１８０°ピール強度は６Ｎ／２０ｍｍ以上であることを要するが、この条件は、全ての銅層及びステンレス層の界面について満たす必要がある。
次に、本発明の圧延接合体の製造方法について説明する。圧延接合体を製造するに際しては、ステンレス鋼の板材と、銅の板材を準備し、これらを冷間圧延接合、温間圧延接合、表面活性化接合等の各種の方法により互いに接合して行うことができる。ただし、温間圧延接合は、熱を加えながら圧延接合する方法であり、銅層が熱によって軟化し易いため、７０Ｈｖ以上の硬度を得るために、加熱温度、加熱時間、接合荷重等の条件の選択に留意するものとする。また、冷間圧延接合についても、接合後に密着強度を向上させるため通常は焼鈍処理が必要であり、銅層が軟化し易いため、銅層の硬度が７０Ｈｖ以上になるよう接合条件等を適宜調節する必要がある。
したがって、圧延接合体を製造する方法として、表面活性化接合により接合することが好ましい。具体的には、ステンレス鋼板と、銅板とを用意し、ステンレス鋼板及び銅板の接合される面にスパッタエッチング処理を施す工程と、スパッタエッチングした表面同士を接触させ、所定の圧下率となるように圧接して接合する工程とを含む方法によって製造することができる。
用いることができるステンレス鋼板は、成形加工性の観点から焼鈍材（ＢＡ材）、１／２Ｈ材等が好ましく用いられ、高強度を保持させる観点からは１／２Ｈ材や３／４Ｈ材、Ｈ材、さらにテンションアニール材等が好ましく用いられるが、これらに限定されるものではない。
接合前のステンレス鋼板の厚みは、接合後のステンレス層の厚みを考慮して適宜設定することができる。具体的には、０．０１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。接合前のステンレス鋼板の厚みは、マイクロメータ等によって測定可能であり、ステンレス鋼板の表面上からランダムに選択した１０点において測定した厚みの平均値をいう。
ステンレス鋼板と接合させる銅板としては、スパッタエッチング処理によって軟化するか、及び／又は銅板とステンレス鋼板とを接触させた時のステンレス鋼板からの入熱によって圧接直前時点で軟化することが可能な原板を用いる必要がある。特に、圧接直前時点で硬度７０Ｈｖ未満まで軟化することが好ましい。なお、スパッタエッチング処理によって軟化すれば、その軟化した硬度が維持されるため、圧接直前時点でも軟化した状態となる。圧接直前時点で十分に銅板が軟質化していない場合には、その後の圧接によって十分な密着強度（ピール強度）を得ることができない。ここで、スパッタエッチング処理や、銅板とステンレス鋼板とが接触した時のステンレス鋼板からの入熱（ステンレス鋼板もスパッタエッチングによって昇温している）によって銅板を軟質化させるためには、準備した銅板（軟質化する前の銅板）において８０Ｈｖ以上の硬度を有することが好ましく、より好ましくは９０Ｈｖ以上の硬度を有することが好ましい。調質としてはＨ材を用いることが好ましい。７０Ｈｖ超８０Ｈｖ未満の硬度では、エッチングやステンレス鋼板からの入熱による熱量では軟質化が困難になる傾向がある。したがって、１／４Ｈ材は好ましくない。この理由は以下のように推測される。すなわち、スパッタエッチングや接触時のステンレス鋼板からの入熱によって銅板を軟質化、つまり回復又は再結晶を起こすためには、ある程度の転位や歪が銅板内に含まれている必要があることが分かった。これに対し、硬度が７０Ｈｖ超８０Ｈｖ未満である銅板においては、この転位や歪が少なく、スパッタエッチングや接触時のステンレス鋼板からの入熱程度では十分に軟質化されないと考えられる。
あるいは、銅板として、硬度が７０Ｈｖ未満である焼鈍材（Ｏ材）を適用することができる。
銅板の接合前における厚みは、接合後の銅層の厚みを考慮して適宜設定することができる。具体的には、０．０１ｍｍ以上０．４５ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。銅板の厚みが０．４５ｍｍを超える場合は接合後に十分な密着強度が得られない場合がある。この点に関し、接合時には、圧接荷重により、銅板の銅層全体が伸びる変形と、銅層の接合界面付近における変形とが起こる。十分な密着力を得るためには接合界面付近における変形が重要となるが、厚みが厚い程、銅層全体が伸びる変形が支配的になり、密着に必要な接合界面での変形は起こりにくくなる。そのため、銅板の厚みが厚くなると、十分な密着強度が得られにくくなるものと推測される。なお接合前の銅板の厚みは、前記のステンレス鋼板と同様にして測定することができる。
スパッタエッチング処理は、例えば、ステンレス鋼板と、銅板を、幅１００ｍｍ～６００ｍｍの長尺コイルとして用意し、接合面を有するステンレス鋼板及び銅板をそれぞれアース接地した一方の電極とし、絶縁支持された他の電極との間に１ＭＨｚ～５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を発生させ、且つグロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極の面積を前記の他の電極の面積の１／３以下として行う。スパッタエッチング処理中は、アース接地した電極が冷却ロールの形をとっており、各搬送材料の温度上昇を防ぐことができる。
スパッタエッチング処理では、真空中でステンレス鋼板と銅板の接合する面を不活性ガスによりスパッタすることにより、表面の吸着物を完全に除去し、且つ表面の酸化膜を除去する。不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン等や、これらを少なくとも１種類含む不活性ガスの混合気体を適用することができる。
ステンレス鋼板についてのスパッタエッチング処理は最低限度とし、ステンレス鋼板の温度が上昇し過ぎないようにすることが好ましい。銅板とステンレス鋼板の接触時に銅板が軟質化するだけで留まる程度の熱であれば良いが、接合後もステンレス鋼板の温度が高い場合には、ステンレス鋼板からの入熱で銅板の硬質化が妨げられるためである。具体的な処理条件としては、例えば単板の場合、真空下で、例えば１００Ｗ～１ｋＷのプラズマ出力で１～５０分間行うことができ、また、例えばライン材のような長尺の材料の場合、真空下で、例えば１００Ｗ～１０ｋＷのプラズマ出力、ライン速度１ｍ／分～３０ｍ／分で行うことができる。この時の真空度は、表面への再吸着物を防止するため高い方が好ましいが、例えば１×１０－５Ｐａ～１０Ｐａであれば良い。スパッタエッチング処理において、ステンレス鋼板の温度は、５℃～３００℃の温度範囲内に保たれることが好ましい。また、ステンレス鋼板のエッチング量は、例えば４０ｎｍ～２５０ｎｍとすることが好ましい。より好ましくは、５０ｎｍ～１５０ｎｍである。
銅板に対するスパッタエッチング処理は、表面の酸化膜が完全に除去されるような条件で行うことが好ましい。エッチングを十分に行って酸化膜を除去しなければ、ステンレス鋼板との密着強度が不足するためである。具体的には、例えば単板の場合、真空下で、例えば１００Ｗ～１ｋＷのプラズマ出力で１～５０分間行うことができ、また、例えばライン材のような長尺の材料の場合、１００Ｗ～１０ｋＷのプラズマ出力、ライン速度１ｍ／分～３０ｍ／分で行うことができる。この時の真空度は、表面への再吸着物を防止するため高い方が好ましいが、１×１０－５Ｐａ～１０Ｐａであれば良い。また、銅板のエッチング量は、例えば５ｎｍ～２００ｎｍとすることが好ましい。より好ましくは２０～１５０ｎｍである。銅板の硬度が８０Ｈｖ以上である場合は、銅のエッチング量を２０ｎｍ以上、より好ましくは４０ｎｍ以上とすることにより銅板の硬度を７０Ｈｖ未満とするか、ステンレス鋼板との接触時におけるステンレス鋼板からの入熱によって銅板の硬度を７０Ｈｖ未満とする必要がある。
以上のようにしてスパッタエッチングしたステンレス鋼板及び銅板の接合面を互いに接触させ、例えばロール圧接により圧接してステンレス鋼板と銅板とを接合することにより、本発明の圧延接合体を得ることができる。
接合時には、高い圧下力を加えて、１８０°ピール強度が６Ｎ／２０ｍｍとなるように密着強度を高めるとともに、圧下力によって硬度が７０Ｈｖ以上となるように銅層を硬質化させる。圧下力が不十分であると、密着強度が不足し、又は銅層の硬質化が図れないため不可である。一方で圧下力が高過ぎると、形状修正工程を経ても低減が困難な反りが圧延接合体に発生する虞がある。
ロール圧接の圧延線荷重は、特に限定されず、所定の密着強度及び銅層の硬度が得られるように適宜設定される。例えば、１．０ｔｆ／ｃｍ～１０．０ｔｆ／ｃｍの範囲に設定することができる。例えば圧接ロールのロール直径が１００ｍｍ～２５０ｍｍのとき、ロール圧接の圧延線荷重は、好ましくは１．５ｔｆ／ｃｍ～５．０ｔｆ／ｃｍであり、より好ましくは２．０ｔｆ／ｃｍ～４．０ｔｆ／ｃｍである。ただし、ロール直径が大きくなった場合や接合前のステンレス鋼板や銅板（特に銅板）の厚みが厚い場合等には、圧力確保のために圧延線荷重を高くすることが必要になる場合があり、この数値範囲に限定されるものではない。
圧延接合体の全体の圧下率は、マイクロメータによって測定され、好ましくは０％以上２０％以下、より好ましくは０％以上１５％以下である。圧延接合体の圧下率は、接合前の材料であるステンレス鋼板及び銅板の総厚みと、最終的な圧延接合体の厚みから求める。すなわち、圧延接合体の圧下率は、以下の式：（接合前のステンレス鋼板及び銅板の総厚み－最終的な圧延接合体の厚み）／接合前のステンレス鋼板及び銅板の総厚み、により求められる。
接合時の雰囲気温度は、特に限定されずに、例えば常温～１５０℃である。
接合は、ステンレス鋼板と銅板の表面への酸素の再吸着によって両者間の接合強度が低下するのを防止するため、エッチング時と同様に真空中や非酸化雰囲気中、例えばＡｒ等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
以上のようにしてステンレス鋼板と銅板を接合して得た圧延接合体については、硬質な銅層を維持するため、本発明では通常、熱処理は行わない。
また、以上のようにしてステンレス鋼板と銅板を接合して得た圧延接合体は、電子機器用の放熱補強部材として好適である。電子機器内のどの部分に用いられるかによって、つまり用いられる部位によって求められる厚みは異なるが、前記圧延接合体の厚みが０．１２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である場合、銅層の硬度としては７０Ｈｖ以上、より好ましくは７５Ｈｖ以上、さらに好ましくは８０Ｈｖ以上、特に好ましくは８５Ｈｖ以上であり、ピール強度としては６Ｎ／２０ｍｍ以上であり、加工性の観点からより好ましくは８Ｎ／２０ｍｍ以上である。さらに、最大引張荷重としては３００Ｎ以上が好ましい。なお、硬度、ピール強度及び最大引張荷重は高い方が好ましいため、その上限は特に限定されるものではない。
また、放熱補強部材用の圧延接合体の厚みが０．０９ｍｍ以上０．１２ｍｍ未満である場合、圧下時の伸び代が少ないため硬度が高くなりにくい。硬度を高くしようとすると厚みに対し非常に大きな圧下力が必要になり、そのような圧下力では大きな反りが生じるなど製造上困難を生じるため、銅層の硬度は７０Ｈｖ以上、好ましくは１１０Ｈｖ以下であり、より好ましくは、下限が８０Ｈｖ以上、上限が１００Ｈｖ以下である。ピール強度は６Ｎ／２０ｍｍ以上であり、さらに、ハンドリングや強度の観点から、最大引張荷重は２００Ｎ以上であることが好ましい。なお、ピール強度、最大引張荷重は高い方が好ましいため、その上限は特に限定されるものではない。このような厚みの薄い圧延接合体を電子機器用に用いる場合には、電子機器内部での実装スペースを増やせるというメリットがより強調される。
また、放熱補強部材用の圧延接合体の厚みが０．０２ｍｍ以上０．０９ｍｍ未満である場合、圧下時の伸び代が少ないためさらに硬度が高くなりにくい。硬度を高くしようとすると厚みに対し非常に大きな圧下力が必要になり、そのような圧下力では大きな反りや皺が生じる等、製造上困難を生じるため、銅層の硬度は７０Ｈｖ以上、好ましくは１１０Ｈｖ以下であり、より好ましくは、下限値が７５Ｈｖ以上、上限値が１００Ｈｖ以下である。ピール強度は６Ｎ／２０ｍｍ以上であり、さらに、ハンドリングや強度の観点から、最大引張荷重は１５０Ｎ以上であることが好ましい。なお、ピール強度、最大引張荷重は高い方が好ましいため、その上限は特に限定されるものではない。このような厚みの薄い圧延接合体を電子機器用に用いる場合には、電子機器内部での実装スペースをさらに増やせるというメリットがより強調される。
以下、実施例及び参考例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１～９及び比較例１～１７として、銅層及びステンレス層からなる２層の圧延接合体を作製した。接合する銅板（Ｃｕ）及びステンレス鋼板（ＳＵＳ）のそれぞれの厚み、並びに調質及び種類（材種）を表１及び表２に示す。
銅板及びステンレス鋼板を接合するにあたり、銅板及びステンレス鋼板に対してスパッタエッチング処理を施した。各実施例及び比較例におけるスパッタエッチング処理のプラズマ出力（Ｗ）及び処理時間（分）を表１及び表２に示す。また、銅板及びステンレス鋼板のエッチング量（ｎｍ）も併せて示す。なお、銅板のエッチング量は、予備実験の結果に基づき、７００Ｗのプラズマ出力に対して、エッチングレートを６．０ｎｍ／ｍｉｎとして算出した。また、ステンレス鋼板のエッチング量については、文献「高津清一、“スパッタ”，テレビジョン、第１７巻、第７号、４４～５０頁」を参照し、銅に対する鉄のエッチングレートに基づき、７００Ｗのプラズマ出力に対してエッチングレートが３．０ｎｍ／ｍｉｎであるものとして算出した。
なお、表１及び表２中、実施例５、６及び比較例１０のＲＦ処理条件の欄における「一時停止込」とは、スパッタエッチングを３分実施後、３分停止し、その後、再度３分スパッタエッチングを行った後に３分停止し、さらに１分スパッタエッチングしたことを意味する。
スパッタエッチング処理後の銅板及びステンレス鋼板を、室温で、互いに接触させて圧延ロール径１００～２００ｍｍにてロール圧接により接合し、圧延接合体を製造した。各実施例及び比較例における圧延線荷重（ｔｆ／ｃｍ）を表１及び表２に示す。
比較例１３～１７については、表面活性化接合を行った後、７００℃で１０分間の熱処理を行った。
実施例１～９及び比較例１～１７で製造したそれぞれの圧延接合体について、１８０°ピール強度（Ｎ／２０ｍｍ）、銅層及びステンレス層のビッカース硬度（Ｈｖ）、最大引張荷重（Ｎ）、引張強さ（Ｎ／ｍｍ２）及び伸び（％）を測定した。１８０°ピール強度は、上述の手順に従い、テンシロン万能材料試験機ＲＴＣ－１３５０Ａ（株式会社オリエンテック製）を用いて測定した。また、実施例８及び９以外の硬度は、銅層に対してはマイクロビッカース硬度計（荷重５０ｇｆ）を用い、ステンレス層に対してはマイクロビッカース硬度計（荷重１００ｇｆ）を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験－試験方法）に準じて測定した。実施例８及び９の硬度は、銅層に対してはマイクロビッカース硬度計（荷重５０ｇｆ）を用い、ステンレス層に対してはマイクロビッカース硬度計（荷重５０ｇｆ）を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験－試験方法）に準じて測定した。最大引張荷重、引張強度及び伸びは、圧延接合体を１３Ｂ号試験片に加工し、上述の方法に従って、テンシロン万能材料試験機ＲＴＣ－１３５０Ａ（株式会社オリエンテック製）を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（金属材料引張試験方法）に準じて測定した。また、ロール圧接により接合する際のロールに接触しない部分における銅板のビッカース硬度（圧接直前時点での銅板の硬度に相当する）を測定し、スパッタエッチング処理によって、及び／又は銅板とステンレス鋼板との接触時におけるステンレス鋼板からの入熱によって銅板が軟化したか否かを確認した。以上の測定結果を表１及び表２に示す。
Figure 0007162960000001
Figure 0007162960000002
表１及び表２に示すように、実施例１～９の圧延接合体は、いずれも６Ｎ／２０ｍｍ以上のピール強度を有するとともに、銅層の硬度が７０Ｈｖ以上であった。銅層が硬質であることから強度と放熱性が両立した圧延接合体が得られており、また十分な密着強度を有していた。
比較例１３～１７では、最終的に得られた圧延接合体における銅層の硬度が低く、本発明の圧延接合体の水準には達しなかった。この結果は、接合後に７００℃の熱処理を施したため、銅層が軟化したことによるものと考えられる。
比較例１～５では、いずれもピール強度が小さく、放熱補強部材等に用いる圧延接合体としては不十分であった。この結果は、銅の厚みに対して線荷重が小さく（２ｔｆ／ｃｍ未満）、十分な密着強度が得られなかったためと推測される。
また、比較例３～７及び１１において圧延接合体のピール強度が低いが、銅板が１／４Ｈ材であり、銅板とステンレス鋼板の接触時のステンレス鋼板からの入熱によって軟質化せず、圧接しても密着強度が上がりにくかったためと考えられる。
比較例８は、スパッタエッチング処理による銅板の軟化の度合いが小さいため、最終的な圧延接合体における密着強度が得られず、ピール強度が小さくなったものと考えられる。
比較例９では、銅板に対するスパッタエッチング処理時間が短いため（３分）、銅板表面の酸化膜が十分に除去されず、そのため圧接によって密着強度が向上せず、ピール強度が小さくなった可能性がある。
比較例１０は、最終的に得られた圧延接合体における銅層の硬度が低かった。これは、ステンレス鋼板に対するスパッタエッチングの処理時間が長く（１００分）、ステンレス鋼板が過剰に昇温したため、接合後にもステンレス層からの入熱によって銅層が軟化したことによるものと考えられる。
比較例１２は、銅板が厚いため（０．３ｍｍ）、２ｔｆ／ｃｍの線荷重では不十分であり、十分なピール強度が得られなかったものと考えられる。
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 圧延接合体
２Ａ、２Ｂ ベイパーチャンバー
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 銅層
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ ステンレス層
３０ 銅板
３１ 凸部
４０、７０ ステンレス鋼板
５０ 熱輸送デバイス
６０ 銅層
Ａ 領域
Ｓ 部分

Claims (11)

  1. 銅層とステンレス層とからなる圧延接合体であって、
    前記圧延接合体の厚みが０．０２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、
    前記銅層の硬度が７０Ｈｖ以上であり、
    前記ステンレス層の硬度が１８０Ｈｖ以上であり、
    前記圧延接合体の１８０°ピール強度が６Ｎ／２０ｍｍ以上である、
    前記圧延接合体。
  2. 前記銅層の厚みが０．０１ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下であり、
    前記ステンレス層の厚みが０．０１ｍｍ以上０．３８ｍｍ以下である、
    請求項１に記載の圧延接合体。
  3. 前記圧延接合体の１８０°ピール強度が８Ｎ／２０ｍｍ以上である、
    請求項１又は２に記載の圧延接合体。
  4. 前記銅層と前記ステンレス層の２層からなる請求項１～３のいずれか一項に記載の圧延接合体。
  5. 前記ステンレス層が部分的に除去された請求項１～４のいずれか一項に記載の圧延接合体。
  6. 前記ステンレス層が部分的に除去され、前記除去された部分において前記銅層が露出している請求項１～４のいずれか一項に記載の圧延接合体。
  7. 前記銅層が部分的に除去された請求項１～４のいずれか一項に記載の圧延接合体。
  8. 前記銅層が部分的に除去され、前記除去された部分において前記ステンレス層が露出している請求項１～４のいずれか一項に記載の圧延接合体。
  9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の圧延接合体を含む電子機器用の放熱補強部材。
  10. 銅層とステンレス層とからなる圧延接合体の製造方法であって、
    銅板及びステンレス鋼板を準備する工程と、
    前記銅板及び前記ステンレス鋼板の接合される面にスパッタエッチング処理を施す工程と、
    前記スパッタエッチング処理後に、前記銅板と前記ステンレス鋼板とを接触させロール圧接により前記銅板と前記ステンレス鋼板とを接合する工程とを含み、
    前記準備した銅板の硬度が８０Ｈｖ以上であり、
    前記銅板が、前記スパッタエッチング処理によって軟化し、及び／又は前記銅板と前記ステンレス鋼板とを接触させた時の前記ステンレス鋼板からの入熱によって圧接直前時点で軟化し、
    接合後の前記圧延接合体の厚みが０．０２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、前記圧延接合体の銅層の硬度が７０Ｈｖ以上であり、前記圧延接合体の１８０°ピール強度が６Ｎ／２０ｍｍ以上である、前記圧延接合体の製造方法。
  11. 前記準備した銅板が、前記スパッタエッチング処理によって硬度７０Ｈｖ未満まで軟化するか、及び／又は前記銅板と前記ステンレス鋼板とを接触させた時の前記ステンレス鋼板からの入熱によって圧接直前時点で硬度７０Ｈｖ未満まで軟化する請求項１０に記載の圧延接合体の製造方法。
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