JPH07331363A - 高力高導電性銅合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 銅系材料の優れた電気伝導性及び熱伝導性を
生かすと同時に、半導体機器のリード材や導電性ばね材
として十分に満足できる強度、ばね特性、半田耐熱剥離
性、耐食性並びに曲げ加工性を兼備した銅合金を提供す
る。 【構成】 Ｓｎ：０．８％以上４％未満、Ｐ：０．０１
％以上０．４％未満、Ｎｉ：０．０５％以上１％未満、
Ｚｎ：０．０１％以上３％未満を含み、必要によりさら
にＴｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｌ，
Ｂｅ，ＳｉまたはＢのうちの１種または２種以上：総量
で０．００１％〜１％を含むとともに、残部が銅及びそ
の不可避的不純物からなり、不純物のうちＳの含有量が
０．００１０重量％以下である高力高導電性銅合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、トランジスタや集積
回路（ＩＣ）等のような半導体機器のリード材やコネク
ター、端子、リレー、スイッチ等の導電性ばね材として
好適な、高強度、導電性、耐熱性等に加えて優れた半田
耐熱剥離性、耐食性、曲げ加工性を備えたＣｕ−Ｓｎ−
Ｐ系銅合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体機器のリード材には、熱膨
張係数が低く、素子及びセラミックスとの接着性、封着
性の良好なコバール（商標名：Fe−29wt％Ni−16wt％Co
合金）或いは４２合金等の高ニッケル合金が好んで使わ
れてきた。ところが、近年、半導体回路の集積度向上に
伴って消費電力の高いＩＣが多く使用されるようになっ
てきたことや、封止材料として樹脂が多く用いられるよ
うになり、しかも素子とリードフレームの接着にも改良
が加えられたこと等の事情もあって、放熱性の良い銅基
合金を半導体機器のリード材に使用する傾向が目立つよ
うになっている。

【０００３】ところで、材料の種類はともかく上述のよ
うな半導体機器のリード材には一般に次のような特性が
要求されている。 ａ）リードは、電気信号伝達部であると同時にパッケー
ジング工程中及び回路使用中に発生する熱を外部に放出
する機能を必要とするので、熱及び電気の伝導性に優れ
ること、 ｂ）半導体素子保護のために使用される樹脂などのモー
ルド材とリードとの密着性が重要であるため、熱膨張係
数がモールド材に近いこと、 ｃ）パッケージング時の種々の加熱工程により熱が加わ
るため耐熱性が良好であること、 ｄ）リードは、リード材を打抜きまた曲げ加工して作製
されるものが殆どであるため、打抜き加工性及び曲げ加
工性が良好であること、 ｅ）リードには表面に金、白金などの貴金属のめっきが
施されるため、これら貴金属とのめっき密着性が良好で
あること、 ｆ）パッケージング後にも封止材の外に露出している所
謂アウター・リード部に半田付けする場合が多いので、
良好な半田付け性を示すこと、 ｇ）プリント基板との半田付け部が、通電による発熱に
より温度上昇する際に、半田が熱剥離を起こさないこ
と、すなわち半田耐熱剥離性が良好なこと、 ｈ）機器の信頼性及び寿命の観点から耐食性が良好なこ
と、 ｉ）価格が低廉であること。

【０００４】しかしながら、これら各種の要求特性に対
し、従来より使用されている無酸素銅、錫入り銅、りん
青銅、コバール（商標名）及び４２合金には何れも一長
一短があり、前記特性の全てを必ずしも満足し得るもの
ではなかった。特に、リードの多ピン化、小型化の進展
に伴って形状の複雑化やピンの狭小化が進み、材料に一
層良好な打抜き性及び曲げ加工性が求められていること
を考慮すれば上記従来材はこれらの点で十分な性能を有
しているとは言い難かった。

【０００５】一方、ばね用材料は、リード材と同様に優
れた導電性、耐食性、強度、打抜き性、曲げ加工性等が
要求されるところの電気機器、計測機器、スイッチ、或
いはコネクター等に用いられており、従来から比較的安
価な黄銅、ばね特性の優れたりん青銅、ばね特性に加え
て耐食性にも優れた洋白といった銅合金が使用されてき
た。

【０００６】しかし、一層の高性能化が進む上記機器類
のばね材として上記銅合金を検討すると、黄銅は強度や
ばね特性の点で十分満足できるものではなく、また強度
及びばね特性に優れる洋白やりん青銅にしても部品の軽
薄短小化が進むにつれてより厳しい曲げ加工が施される
ようになったことから、これら加工性面での不満が指摘
されるようになってきた。従って、より改善された曲げ
加工性を示し、かつばね特性の優れた合金の出現が待た
れていた。

【０００７】Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系合金としては、高導電型
Ｃｕ−０．１５％Ｓｎ−Ｏ．０３％Ｐ合金（抗張力−４
２ｋｇ／ｍｍ2 、伸び−４％、導電率ＩＣＡＳ＝９０
％）及び高強度型Ｃｕ−４．０％Ｓｎ−０．２％Ｐ（抗
張力−６０ｋｇ／ｍｍ2 、伸び−５％、導電率ＩＣＡＳ
＝２０％）が市販されている。

【０００８】さらに、上記二種の合金の中間に位置する
特性をもつリードフレーム及びコネクタ用Ｃｕ−Ｓｎ−
Ｐ系銅合金は例えば特公平６−２５３８８号より公知で
ある。この合金の実施例によるとＦｅ：０．９９％，Ｍ
ｇ：０．１３％，Ｐ：０．３３％，Ｓｎ：０．２５％，
Ｃｕ：残部の組成をもち、厚さが０．２５４ｍｍである
板の特性として次のものが示されている：導電率（ＩＡ
ＣＳ）−６７．５％；０．２％降伏強さ（ｋｇ／ｍｍ2
）−５６．２４；引張強さ（ｋｇ／ｍｍ2 ）−５７．
６７；引張伸び（％）−１．５；縦方向曲げ（ＭＢＲ／
ｔ）−１．２；横方向曲げ（ＭＢＲ／ｔ）−１．６。

【０００９】従来の銅系材料の優れた電気伝導性及び熱
伝導性を生かすと同時に、半導体機器のリード材や導電
性ばね材として十分に満足できる強度、ばね特性、半田
耐熱剥離性、耐食性、並びに曲げ加工性を兼備した銅合
金は知られていなかった。

【００１０】例えば、前掲特公平６−２５３８８号にも
示されているように銅合金圧延材では一般に圧延方向と
直角方向（Ｂａｄ ｗａｙ）の曲げ加工性は圧延方向の
曲げ加工性より劣っている。これは圧延集合方位に起因
すると考えられていた。ところで、リード片は電子デバ
イスのパッケージの設計によってはＢａｄ Ｗａｙに曲
げられることもあるので、このような場合の加工性が劣
るため加工コストの増大、リード片の加工中もしくは使
用中の折損などの弊害を招いていた。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは上
記特性を高いレベルで兼備する銅合金を開発するための
研究を重ねたところ、優れた強度、電気導電性、ばね特
性等を備えるようにＣｕ−Ｓｎ−Ｐ系合金の成分調整を
行った上で、これにＮｉおよびＺｎを含有させ同時に不
純物硫黄の濃度を低減させることにより、半導体機器の
リード材や導電性ばね材の必要特性に格別な悪影響をを
及ぼすことなく、十分といえなかったＢａｄ ｗａｙの
曲げ加工性、耐食性及び半田耐熱性が著しく向上すると
の事実が明らかとなり、更にはこのような組成を有する
銅合金の結晶粒径を特定の細かい領域に調整すると、そ
の曲げ加工性が一層向上するという知見も得ることがで
きた。

【００１２】本発明は、上記知見等を基にして完成され
たものであり、その第一は、銅合金を、Ｓｎ：０．８重
量％以上４重量％未満（以降、成分割合を表す「％」は
重量％とする）、Ｐ：０．０１％以上０．４％未満、Ｎ
ｉ：０．０５％以上１％未満、Ｚｎ：０．０１％以上３
％未満を含み、必要によりＴｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｍ
ｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｂｅ，ＳｉまたはＢのうちの１
種または２種以上：総量で０．００１％〜１％をも含む
とともに、残部が銅及びその不可避的不純物からなり、
該不可避的不純物のうちＳの含有量を０．００１０％以
下とし、あるいはこれに加えてその最終再結晶焼鈍後の
平均結晶粒径を１５μｍ以下に調整することにより、半
導体機器のリード材として十分満足できる電気及び熱伝
導性、耐候性、加工性、めっき密着性、半田付け性、半
田耐熱剥離性並びに耐食性、更には導電性、ばね材とし
て十分な強度、ばね特性、導電性、加工性を兼備せしめ
たことを特徴とする高力高導電性銅合金に関する。

【００１３】次に、本発明において銅合金の成分組成、
平均結晶粒径を前記の如くに限定した理由をその作用と
共に説明する。

【００１４】Ｓｎ Ｓｎには合金の強度と伸びを確保する作用があるが、そ
の含有量が０．８％未満であると他の成分の複合添加を
伴っても所望とする強度と伸びが得られず、一方、４％
以上の割合でＳｎを含有させると導電率が低下すること
から、Ｓｎ含有量を０．８％以上４％未満と定めた。好
ましいＳｎ含有量は１．０〜２．５％である。

【００１５】Ｐ Ｐには合金の強度並びに耐熱性を確保する作用がある
が、その含有量が０．０１％未満ではＰ含有による所望
の強度、耐熱性向上効果は得られず、一方Ｐ含有量が
０．４％以上になるとＳｎ含有量の如何にかかわらず導
電性と伸びの低下が著しくなることから、Ｐ含有量は
０．０１％以上０．４％未満と定めた。好ましいＰ含有
量は０．０２〜０．２％である。

【００１６】Ｎｉ Ｎｉには合金の強度を確保するとともに、半田耐熱剥離
性を改善する作用があるが、その含有量が０．０５％未
満ではＮｉ含有による所望の強度、半田耐熱剥離性向上
効果は得られず、一方Ｎｉ含有量が１％以上になるとＳ
ｎ含有量の如何にかかわらず導電性の低下が著しくなる
ことから、Ｎｉ含有量を０．０５％以上１％未満に定め
た。好ましいＮｉ含有量は０．１〜０．５％である。

【００１７】Ｚｎ ＺｎはＮｉと同様、強度を確保し、半田耐熱剥離性を改
善する作用があるが、その含有量が０．０１％未満では
Ｚｎ添加による所望の強度、半田耐熱剥離性効果は得ら
れず、一方Ｚｎ含有量が３％以上になると導電率の低下
が著しくなることから、Ｚｎ含有量を０．０１％以上３
％未満に定めた。好ましいＺｎ含有量は、０．０５〜
１．０％である。

【００１８】Ｓ 銅中の硫黄の固溶量は０．０００１％程度であるので通
常純度の銅合金に不純物として含有されるＳは非金属介
在物を生成している。ところで、リード材及びばね材用
銅合金は圧延による異方性が大きいためＢａｄ ｗａｙ
の低い曲げ加工性は圧延異方性により実質的に決定され
ると考えられていた。ところが本発明者等の研究による
と硫黄系非金属介在物が圧延銅材料の加工性にかなりの
悪影響をおよぼすことが分かった。すなわち非金属在介
物は材料表面にあって割れ発生の起点になり、またＳ系
非金属介在物でボイドが発生し割れの進展を促進する。
鋳造インゴット中に生成した非金属介在物は、圧延加工
により圧延方向と平行に線状に延ばされた形態あるいは
圧延方向と平行に線状に並んだ分布を示すために、圧延
方向と直角（Ｂａｄ ｗａｙ）に曲げ加工を行うような
場合には、長い割れが発生する。

【００１９】さらに、銅合金の母地に比較して、Ｓ系非
金属介在物はアンモニア、水、水素、塩水、硫化水素、
亜硫酸ガスなどによる腐食に関して耐食性が劣るため腐
食の起点となり、材料の寿命と信頼性を低下させる。ま
た応力がかかっているとＳ系介在物は容易に亀裂を起こ
すため、割れにより作られた微細な結晶面とＮＨ3 等が
反応して腐食が進行する。そこで、不純物硫黄濃度は０
まで低減されることが望ましいが、０．００１％以下ま
で低減されるとその悪影響が軽微になることより、硫黄
の含有量を０．００１％以下に定めた。

【００２０】Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ａｌ，Ｂｅ，ＳｉまたはＢ Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｂ
ｅ，ＳｉまたはＢには、上記銅合金の強度を改善する等
しい作用があるので必要により１種または２種以上の添
加がなされる。しかし、その含有量が総量で０．００１
％未満であると強度改善の効果が得られず、一方、総含
有量が１％以上になると導電性が著しく低下することか
ら、これら元素の総含有量を総量で０．００１％以上１
％未満と定めた。好ましい含有量は０．０１〜０．１％
である。

【００２１】結晶粒径 本発明に係わる銅合金では、その結晶粒径が曲げ加工性
に少なからぬ悪影響を及ぼす。特に、最終再結晶焼鈍後
の平均結晶粒径が１５μｍを超えると、曲げ加工性が著
しく不良になる。従って、良好な曲げ加工性を維持する
ためには再結晶焼鈍時の加熱温度を低くするかまたは加
熱時間を短くすることにより平均結晶粒径を１５μｍ以
下、好ましくは５μｍ未満に調整するのが良い。

【００２２】本発明に係わる銅合金は、以下具体的に説
明するように優れた強度、ばね特性、電気伝導性、耐熱
性等を具備すると共に良好な曲げ加工性を示し、しか
も、半田耐熱剥離性、耐食性にも優れるものである。銅
合金の厚さは特に限定されないが０．０５〜０．５ｍｍ
であると各種用途に適している。 強度：従来の高強度Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系合金に匹敵する強
度を有する。 ばね特性：従来の高強度Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系合金に匹敵す
る伸びを有する。 電気伝導度：従来の高強度Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系合金と同等
程度の電気伝導度をもつ。 耐熱性：軟化温度が４５０℃以上である。 曲げ加工性：従来のＣｕ−Ｓｎ−Ｐ系合金より著しく曲
げ加工性がすぐれている。すなわち、本発明では板厚
（ｔ）０．０５〜０．５ｍｍの材料を曲げ半径１×ｔ
（ｔは板厚ｍｍ）以下、曲げ角度９０°以上にてBad Wa
y に亀裂を生じることなく曲げることができる。従来は
このような条件の曲げは困難であり、ＭＢＲ／ｔ比率≫
１が一般的であった。 耐食性：Ｓ系非金属介在物が起点になる腐食に対し従来
のＣｕ−Ｓｎ−Ｐ系合金より優れている。特に上記の条
件で曲げられたときの耐応力腐食性が優れている。 半田耐熱剥離性：Ｎｉ，Ｚｎの添加により良好な性能が
実現される。 以下実施例により本発明をより詳しく説明する。

【００２３】

【実施例】再電解電気銅を原料とし高周波溶解炉にて図
５の表に示される各種成分組成の銅合金を溶製し、厚さ
２０ｍｍのインゴットに鋳造した。なお、溶解・鋳造は
大気中で実施した。

【００２４】次に、このインゴットを７００℃で４時間
均質化焼鈍してから面削を行い、厚さ：０．８ｍｍにま
で冷間圧延を行い、３５０〜６００℃の温度で１時間焼
鈍して結晶粒径を調整した後、更なる冷間圧延で厚さ：
０．４ｍｍの板とした。そして、最後に３００℃で１時
間の歪取焼鈍を施し、このようにして得られた各板材に
つき平均結晶粒径を調べると共に、諸特性の評価を行っ
た。

【００２５】なお、強度及び伸びの評価は圧延方向の引
張試験により、また耐熱性の評価は加熱時間５分におけ
る軟化温度の測定により、そして電気伝導性（放熱性）
の評価は導電率（％ＩＡＣＳ）の測定によりそれぞれ実
施した。

【００２６】曲げ加工性については、１０ｍｍ幅の試験
片を図１のように圧延方向と直角に、そして内側曲げ半
径: ０．４ｍｍ（＝板厚）で片側に９０°の曲げを繰り
返し行い、破断までの曲げ回数（往復で１回とする）を
測定した。試験はｎ＝５で行い、その平均値で評価を行
った。

【００２７】耐食性はアンモニア雰囲気中の応力腐食割
れ試験で評価した。試料を図２に示す形状に加工し、図
３に示すように中央部で曲率半径１０ｍｍで曲げを行な
って両端を固定した後、図４に示すように底に３０％ア
ンモニア水溶液を入れた容器中に吊るし、容器に蓋をし
て密閉した。そして、曲げ部で割れが発生するまでの時
間を計測した。

【００２８】図５の表からわかるように、本発明合金
は、優れた、強度、導電率、耐熱性を有し、曲げ加工
性、半田耐熱剥離性、耐食性にも優れていることがわか
る。一方、比較合金のNo. １〜No. ４は、本発明合金N
o. １と一部の成分組成が異なるものであるが、本発明
合金No. １の特性と比較すると、比較合金No. １はＳｎ
が低いために強度が劣る、比較合金No. ２はＳｎが高い
ために導電率が劣る、比較合金No. ３はＰが低いために
強度及び耐熱性が劣る、比較合金No. ４はＰが高いため
に導電率が劣る。また、比較合金のNo. ５〜No. ７は、
本発明合金No. ２と一部の成分組成または結晶粒径が異
なるものであるが、本発明合金No. ２の特性と比較する
と、比較合金No. ５はＮｉ，Ｚｎをともに含有しないた
め強度および半田耐熱剥離性が劣る、比較合金No. ６は
Ｎｉが高いために導電率が劣る、比較合金No. ７はＺｎ
は高いために導電率が劣る、比較合金No. ８はＳが高い
ため曲げ性および耐食性が劣る、比較合金No. ９は結晶
粒径が大きいために曲げ性が劣る。なお図５の表の組成
は本発明の特に好ましい組成範囲、硫黄含有量上限なら
びに特性範囲も示すものである。

【００２９】また、本発明合金Ｎｏ．２と比較合金Ｎ
ｏ．８につき試料の幅（１０ｍｍ）が圧延方向と直角方
向の試料を調製し、図１に示す繰り返し曲げ加工試験を
行ったところ次の結果が得られた。 Bad Way 曲げではＳを低下することによる曲げ性改良は
３．７／２．７＝１．３７倍（表１の本発明合金Ｎｏ．
２と比較合金Ｎｏ．８の比率）であり、一方圧延方向曲
げの同じ倍率は１．０８である。したがって、Ｓを低減
することによる曲げ性改善は特にBad Way 曲げで顕著で
あることが分かる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の高力高導電
性銅合金は、従来の高強度型Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐ系合金と比
較すると、強度、導電性、耐熱性、半田耐熱剥離性、耐
食性及び曲げ加工性の総合性能が優れており、特に厳し
い曲げ加工を受けかつ／又は応力腐食にさらされる用途
に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】曲げ加工性の試験法を説明する図である。

【図２】腐食試験片の図である。

【図３】腐食試験において試験片において応力を加える
方法の説明図である。

【図４】腐食試験法の説明図である。

【図５】本発明合金及び比較合金の成分組成と特性を示
す図表である。図中、 Ｇ．Ｓ．：再結晶焼鈍での結晶粒径 ＴＳ ：引張強さ Ｅｌ ：伸び ＥＣ ：導電率である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量割合にて、Ｓｎ：０．８％以上４％
   未満、Ｐ：０．０１％以上０．４％未満、Ｎｉ：０．０
   ５％以上１％未満、Ｚｎ：０．０１％以上３％未満を含
   むとともに、残部が銅及びその不可避的不純物からな
   り、該不可避的不純物のうちＳの含有量が０．００１０
   ％以下であることを特徴とする高力高導電性銅合金。
2. 【請求項２】 重量割合にて、Ｓｎ：０．８％以上４％
   未満、Ｐ：０．０１％以上０．４％未満、Ｎｉ：０．０
   ５％以上１％未満、Ｚｎ：０．０１％以上３％未満、Ｔ
   ｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｂ
   ｅ，ＳｉまたはＢのうちの１種または２種以上：総量で
   ０．００１％〜１％を含むとともに、残部が銅及びその
   不可避的不純物からなり、該不可避的不純物のうちＳの
   含有量が０．００１０％以下であることを特徴とする高
   力高導電性銅合金。
3. 【請求項３】 重量割合にて、Ｓｎ：０．８％以上４％
   未満、Ｐ：０．０１％以上０．４％未満、Ｎｉ：０．０
   ５％以上１％未満、Ｚｎ：０．０１％以上３％未満を含
   むとともに、残部が銅及びその不可避的不純物からな
   り、該不可避的不純物のうちＳの含有量が０．００１０
   ％以下であり、かつ最終再結晶焼鈍後の平均結晶粒径が
   １５μｍ以下であることを特徴とする高力高導電性銅合
   金。
4. 【請求項４】 重量割合にて、Ｓｎ：０．８％以上４％
   未満、Ｐ：０．０１％以上０．４％未満、Ｎｉ：０．０
   ５％以上１％未満、Ｚｎ：０．０１％以上３％未満、Ｔ
   ｉ，Ｚｒ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｂ
   ｅ，ＳｉまたはＢのうちの１種または２種以上：総量で
   ０．００１％〜１％を含むとともに、残部が銅及びその
   不可避的不純物からなり、該不可避的不純物のうちＳの
   含有量が０．００１０％以下であり、かつ最終再結晶焼
   鈍後の平均結晶粒径が１５μｍ以下であることを特徴と
   する高力高導電性銅合金。
5. 【請求項５】 板厚が０．０５〜０．５ｍｍである圧延
   板の圧延方向と直交方向に曲げ加工された請求項１から
   ４までのいずれか１項記載の高力高導性銅合金。
6. 【請求項６】 曲げ半径が１×ｔ（ｔは板厚ｍｍ）以下
   でありかつ曲げ角度が９０°以上である請求項５記載の
   高力高導性銅合金。
7. 【請求項７】 湿潤又は腐食雰囲気で使用されることを
   特徴とする請求項５又は６項記載の高力高導性銅合金。