KR20170130514A

KR20170130514A - 방열 부품용 구리 합금판 및 방열 부품

Info

Publication number: KR20170130514A
Application number: KR1020177030339A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 하시모토; 마사야스 니시무라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2017-11-28
Also published as: TW201641700A; CN107429328B; CN107429328A; KR102075892B1; WO2016158390A1; JP2016186107A; JP6031549B2

Abstract

방열 부품을 제조하는 프로세스의 일부에 650℃ 이상의 온도로 가열하는 프로세스가 포함되는 경우에, 제조 후의 방열 부품에 충분한 강도와 방열 성능을 갖게 할 수 있는 구리 합금판을 제공한다. Ni와 Co의 1종 또는 2종을 1.0∼4.0질량%, Si를 0.2∼1.2질량% 함유하고, Ni와 Co의 합계 함유량 [Ni+Co]와 Si의 함유량 [Si]의 비 [Ni+Co]/[Si]가 3.5∼5이며, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지고, 850℃에서 30분 가열 후 수냉하고, 이어서 시효 처리한 후의 0.2% 내력이 300MPa 이상, 도전율이 25% IACS 이상인 방열 부품용 구리 합금판. 이 구리 합금은, 추가로 Sn: 0.005∼1.0질량%, Mg: 0.005∼0.2질량%, Zn: 2.0질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음)의 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.

Description

방열 부품용 구리 합금판 및 방열 부품

본 발명은 방열 부품용 구리 합금판 및 방열 부품에 관한 것이다.

데스크형 PC 또는 노트형 PC 등에 탑재되는 CPU의 동작 속도의 고속화 및 고밀도화가 급속하게 진전하여, 이들 CPU로부터의 발열량이 더욱 증대되고 있다. CPU의 온도가 일정 이상의 온도로 상승하면, 오작동 또는 열폭주 등의 원인이 되기 때문에, CPU 등의 반도체 장치로부터의 효과적인 방열은 절실한 문제가 되고 있다.

반도체 장치의 열을 흡수하여 대기 중에 방산시키는 방열 부품으로서 히트 싱크가 사용되고 있다. 히트 싱크에는 고열전도성이 요구되기 때문에, 소재로서 열전도율이 큰 구리 또는 알루미늄 등이 이용된다. 그러나, 대류 열저항이 히트 싱크의 성능을 제한하고 있어, 발열량이 증대되는 고기능 전자 부품의 방열 요구를 만족시키는 것이 어려워지고 있다.

이 때문에, 보다 높은 방열성을 갖는 방열 부품으로서, 높은 열전도성 및 열수송 능력을 구비하는 관상 히트 파이프 및 평면상 히트 파이프(베이퍼 챔버)가 제안되어 있다. 히트 파이프는 내부에 봉입된 냉매의 증발(CPU로부터의 흡열)과 응축(흡수한 열의 방출)이 순환적으로 행해지는 것에 의해, 히트 싱크에 비해 높은 방열 특성을 발휘한다. 또한, 히트 파이프를 히트 싱크 또는 팬과 같은 방열 부품과 조합하는 것에 의해, 반도체 장치의 발열 문제를 해결하는 것이 제안되어 있다.

방열판, 히트 싱크 또는 히트 파이프 등에 이용되는 방열 부품의 소재로서, 도전율 및 내식성이 우수한 순구리제(무산소 구리: C1020)의 판 또는 관이 다용되고 있다. 성형 가공성을 확보하기 위해, 소재로서 연질의 소둔재(O재) 또는 1/4H 조질재가 이용되지만, 후술하는 방열 부품의 제조 공정에 있어서, 변형 또는 흠집이 발생하기 쉽거나, 타발 가공 시에 버(burr)가 나오기 쉽거나 또는 타발 금형이 마모되기 쉬운 등의 문제가 있다. 한편, 특허문헌 1 및 2에는, 방열 부품의 소재로서 Fe-P계의 구리 합금판이 기재되어 있다.

방열판 및 히트 싱크는, 순구리판을 프레스 성형, 타발 가공, 절삭, 천공 가공 및 에칭 등에 의해 소정 형상으로 가공 후, 필요에 따라서 Ni 도금 또는 Sn 도금을 행하고 나서 땜납, 납 또는 접착제 등으로 CPU 등의 반도체 장치와 접합한다.

관상 히트 파이프(특허문헌 3 참조)는, 구리 분말을 관 내에 소결해서 윅(wick)을 형성하고, 가열 탈가스 처리 후, 일단을 브레이징 봉지하고, 진공 또는 감압하에서 관 내에 냉매를 넣고 나서 다른 한쪽의 단부를 브레이징 봉지하여 제조한다.

평면상 히트 파이프(특허문헌 4 및 5 참조)는, 관상 히트 파이프의 방열 성능을 더 향상시킨 것이다. 평면상 히트 파이프로서, 냉매의 응축과 증발을 효율적으로 행하기 위해서, 관상 히트 파이프와 마찬가지로, 내면에 조면화 가공 또는 홈 가공 등을 행한 것이 제안되어 있다. 프레스 성형, 타발 가공, 절삭 또는 에칭 등의 가공을 행한 상하 2매의 순구리판을 브레이징, 확산 접합 또는 용접 등의 방법에 의해 접합하고, 내부에 냉매를 넣은 후, 브레이징 등의 방법에 의해 봉지한다. 접합 공정에서 탈가스 처리가 행해지는 경우가 있다.

또한, 평면상 히트 파이프로서, 외면 부재와, 외면 부재의 내부에 수용되는 내부 부재로 구성된 것이 제안되어 있다. 내부 부재는, 냉매의 응축, 증발 및 수송을 촉진하기 위해서 외면 부재의 내부에 하나 또는 복수 배치되는 것이고, 여러 가지의 형상의 핀, 돌기, 구멍 또는 슬릿 등이 가공되어 있다. 이 형식의 평면상 히트 파이프에 있어서도, 내부 부재를 외면 부재의 내부에 배치한 후, 브레이징 또는 확산 접합 등의 방법에 의해 외면 부재와 내부 부재를 접합 일체화하고, 냉매를 넣은 후, 브레이징 등의 방법에 의해 봉지한다.

일본 특허공개 2003-277853호 공보 일본 특허공개 2014-189816호 공보 일본 특허공개 2008-232563호 공보 일본 특허공개 2007-315754호 공보 일본 특허공개 2014-134347호 공보

이들 방열 부품의 제조 공정에 있어서, 방열판 및 히트 싱크는 솔더링 또는 브레이징의 공정에서 200∼700℃ 정도로 가열된다. 관상 히트 파이프, 평면상 히트 파이프는 소결, 탈가스, 인구리납(BCuP-2 등)을 이용한 브레이징, 확산 접합 또는 용접 등의 공정에서 800∼1000℃ 정도로 가열된다.

예를 들면, 히트 파이프의 소재로서 순구리판을 이용한 경우, 650℃ 이상의 온도에서 가열을 했을 때의 연화가 심하다. 이 때문에, 히트 싱크 또는 반도체 장치에의 설치, 또는 PC 하우징에의 짜넣기 등을 할 때에, 제조한 히트 파이프가 변형되기 쉬워, 히트 파이프 내부의 구조가 변화되어 버려, 소기의 방열 성능을 발휘할 수 없게 되어 버리는 문제가 있다. 또한, 이와 같은 변형을 피하기 위해서는 순구리판의 두께를 두껍게 하면 되지만, 그렇게 하면 히트 파이프의 질량 및 두께가 증대된다. 두께가 증대된 경우, PC 하우징 내부의 극간이 작아져, 대류 전열 성능이 저하되는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 1 및 2에 기재된 구리 합금판(Fe-P계)도, 650℃ 이상의 온도에서 가열을 하면 연화되고, 더욱이 순구리에 비해 도전율이 크게 저하된다. 이 때문에, 소결, 탈가스, 브레이징, 확산 접합 또는 용접 등의 공정을 거쳐 예를 들면 평면상 히트 파이프를 제조한 경우, 동 히트 파이프의 반송 및 취급 또는 기반에의 짜넣기 공정 등에서 용이하게 변형된다. 또한, 도전율이 저하됨으로써, 히트 파이프로서의 소기의 성능이 나오지 않게 된다.

본 발명은, 순구리 또는 구리 합금판으로부터 방열 부품을 제조하는 프로세스의 일부에 650℃ 이상의 온도로 가열하는 프로세스가 포함되는 경우의 상기 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 650℃ 이상의 온도로 가열하는 프로세스를 거쳐 제조된 방열 부품에, 충분한 강도와 방열 성능을 갖게 할 수 있는 구리 합금판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 방열 부품용 구리 합금판은, 방열 부품을 제조하는 프로세스의 일부로서, 650℃ 이상으로 가열하는 프로세스와 시효 처리가 포함되는 경우에 이용되고, Ni와 Co의 1종 또는 2종을 1.0∼4.0질량%(즉, Ni 및 Co의 1종 또는 2종을 합계로 1.0∼4.0질량%)와, Si를 0.2∼1.2질량% 함유하고, Ni와 Co의 합계 함유량(질량%)을 [Ni+Co]로 하고, Si의 함유량(질량%)을 [Si]로 했을 때, 함유량비 [Ni+Co]/[Si]가 3.5∼5이며, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지고, 850℃에서 30분 가열 후 수냉하고, 이어서 시효 처리한 후의 0.2% 내력이 300MPa 이상, 도전율이 25% IACS 이상이다.

본 발명에 따른 방열 부품용 구리 합금판은, 필요에 따라서, 합금 원소로서 추가로 Sn: 0.005∼1.0질량%, Mg: 0.005∼0.2질량% 및 Zn: 2.0질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음)의 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방열 부품용 구리 합금판은, 필요에 따라서, 합금 원소로서 추가로 Al, Cr, Ti, Zr, Fe, P 및 Ag 중 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.5질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 구리 합금판은, 방열 부품을 제조하는 프로세스의 일부로서, 650℃ 이상으로 가열하는 프로세스와 시효 처리가 포함되는 경우에 사용된다. 즉, 본 발명에 따른 구리 합금판을 이용하여 제조한 방열 부품은 650℃ 이상으로 고온 가열 후 시효 처리되어, 강도가 향상되어 있다.

본 발명에 따른 구리 합금판은, 850℃에서 30분 가열하고, 이어서 시효 처리를 행했을 때, 0.2% 내력이 300MPa 이상, 도전율이 25% IACS 이상이다. 본 발명에 따른 구리 합금판은 시효 처리 후의 강도가 높기 때문에, 이 구리 합금판을 이용하여 제조한 히트 파이프 등의 방열 부품을, 히트 싱크 또는 반도체 장치에 설치, 또는 PC 하우징 등에 짜넣을 때에, 해당 방열 부품이 변형되기 어렵다. 또한, 본 발명에 따른 구리 합금판은, 도전율이 순구리판보다 낮지만, 시효 처리 후의 강도가 높기 때문에 박육화할 수 있고, 방열 성능의 점에서 도전율의 저하분을 보완할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 방열 부품용 구리 합금에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 구리 합금판은, 프레스 성형, 타발 가공, 절삭 또는 에칭 등에 의해 소정 형상으로 가공되고, 고온 가열(탈가스, 접합(브레이징, 확산 접합 또는 용접) 또는 소결 등을 위한 가열)을 거쳐, 방열 부품으로 완성된다. 방열 부품의 종류 또는 제조 방법에 따라 상기 고온 가열의 가열 조건이 상이하지만, 본 발명에서는 상기 고온 가열을 650℃∼1050℃ 정도에서 행하는 경우를 상정하고 있다(피가열재의 실제 온도가 650∼1000℃가 된다). 본 발명에 따른 구리 합금판은 후술하는 조성의 (Ni,Co)-Si계 구리 합금으로 이루어지고, 상기 온도 범위 내로 가열하면, 모재에 석출되어 있던 (Ni,Co)-Si 화합물의 적어도 일부가 고용되고, 결정립이 성장하여, 연화 및 도전율의 저하가 생긴다.

본 발명에 따른 구리 합금판은, 850℃에 도달 후 30분 가열 후 수냉하고, 이어서 시효 처리한 후의 강도(0.2% 내력)가 300MPa 이상, 도전율이 25% IACS 이상이다. 850℃에서 30분의 가열은 방열 부품의 제조에 있어서의 상기 고온 가열의 프로세스를 상정한 가열 조건이다. 본 발명에 따른 구리 합금판을 이 조건에서 고온 가열하면, 가열 전에 석출되어 있던 (Ni,Co)-Si 화합물이 고용되고, 결정립이 성장하여, 연화 및 도전율의 저하가 생긴다. 이어서 상기 구리 합금판을 시효 처리하면, 미세한 (Ni,Co)-Si 화합물이 석출된다. 이에 의해, 상기 고온 가열에 의해 저하된 강도 및 도전율이 현저히 개선된다.

상기 시효 처리는, (a) 고온 가열 후의 냉각 공정 중에 석출 온도 범위에서 일정 시간 유지함, (b) 고온 가열 후 실온까지 냉각하고, 그 후 석출 온도 범위로 재가열해서 일정 시간 유지함, (c) 상기 (a)의 공정 후, 석출 온도 범위로 재가열해서 일정 시간 유지함 등의 방법으로 실시할 수 있다.

구체적인 시효 처리 조건으로서, 300∼600℃의 온도 범위에서 5분∼10시간 유지하는 조건을 들 수 있다. 강도의 향상을 우선할 때는 미세한 (Ni,Co)-Si 화합물이 생성되는 온도-시간 조건을, 도전율의 향상을 우선할 때는 고용되는 Ni, Co 및 Si가 감소하는 과시효 기미의 온도-시간 조건을 적절히 선정하면 된다.

시효 처리 후의 구리 합금판은 고온 가열 후의 순구리판에 비해 도전율은 낮지만, 강도는 순구리판에 비해 현저히 높아진다. 이 효과를 얻기 위해, 본 발명에 따른 구리 합금판을 이용하여 제조한 히트 파이프 등의 방열 부품은 고온 가열 후 시효 처리된다. 시효 처리 조건은 상기한 대로이다. 시효 처리 후의 방열 부품(구리 합금판)은 강도가 높아, 히트 싱크 또는 반도체 장치에 설치, 또는 PC 하우징 등에 짜넣을 때에, 해당 방열 부품의 변형을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 구리 합금판(시효 처리 후)은 순구리판에 비해 강도가 높기 때문에, 박육화(0.1∼1.0mm 두께)할 수 있고, 그에 의해 방열 부품의 방열 성능을 높여, 순구리판과 비교한 경우의 도전율의 저하분을 보완할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 구리 합금판은 고온 가열의 온도가 850℃ 미만(650℃ 이상) 또는 850℃ 초과(1050℃ 이하)여도, 시효 처리 후에, 300MPa 이상의 0.2% 내력, 및 25% IACS 이상의 도전율을 달성할 수 있다.

본 발명에 따른 구리 합금판은 650℃ 이상의 온도로 고온 가열되기 전에, 프레스 성형, 타발 가공, 절삭 또는 에칭 등에 의해, 방열 부품을 구성하는 부재로 가공된다. 구리 합금판은 상기 가공에 있어서의 반송 및 취급에 있어서 용이하게 변형되지 않는 강도를 갖고, 상기 가공이 지장 없이 실행될 수 있는 기계적 특성을 갖는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 구리 합금판은 0.2% 내력이 300MPa 이상, 및 우수한 굽힘 가공성(후술하는 실시예 참조)을 갖는 것이 바람직하다. 이상의 특성을 만족시키고 있으면, 구리 합금판의 조질은 문제가 되지 않는다. 예를 들면 용체화 처리재, 시효 처리재 또는 시효 처리재를 냉간 압연한 것 등, 어느 것이나 사용 가능하다.

앞서 기술한 대로, 본 발명에 따른 구리 합금판을 가공하여 제조한 방열 부품은 650℃ 이상의 온도로 고온 가열하면 연화된다. 고온 가열 후의 방열 부품은 더욱이 시효 처리를 실시할 때의 반송 및 취급에 있어서 용이하게 변형되지 않는 강도를 갖는 것이 바람직하다. 그를 위해서는, 850℃에서 30분 가열 후 수냉한 단계에서 50MPa 이상의 0.2% 내력을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 구리 합금판을 이용하여 제조된 방열 부품은, 시효 처리를 받은 후, 필요에 따라서, 내식성 및 솔더링성의 향상을 주목적으로 해서, 적어도 외표면의 일부에 Sn 피복층이 형성된다. Sn 피복층에는, 전기 도금 또는 무전해 도금, 또는 이들 도금 후, Sn의 융점 이하 또는 융점 이상으로 가열해서 형성된 것이 포함된다. Sn 피복층에는, Sn 금속과 Sn 합금이 포함되고, Sn 합금으로서는, Sn 이외에 합금 원소로서 Bi, Ag, Cu, Ni, In 및 Zn 중 1종 이상을 합계로 5질량% 이하 포함하는 것을 들 수 있다.

Sn 피복층 아래에 Ni, Co 또는 Fe 등의 하지 도금을 형성할 수 있다. 이들 하지 도금은 모재로부터의 Cu 또는 합금 원소의 확산을 방지하는 배리어로서의 기능, 및 방열 부품의 표면 경도를 크게 하는 것에 의한 흠집 방지의 기능을 갖는다. 상기 하지 도금 위에 Cu를 도금하고, 더욱이 Sn을 도금 후, Sn의 융점 이하 또는 융점 이상으로 가열하는 열처리를 행해서 Cu-Sn 합금층을 형성하여, 하지 도금, Cu-Sn 합금층 및 Sn 피복층의 3층 구성으로 할 수도 있다. Cu-Sn 합금층은 모재로부터의 Cu 또는 합금 원소의 확산을 방지하는 배리어로서의 기능, 및 방열 부품의 표면 경도를 크게 하는 것에 의한 흠집 방지의 기능을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 구리 합금판을 이용하여 제조된 방열 부품은 시효 처리를 받은 후, 필요에 따라서, 적어도 외표면의 일부에 Ni 피복층이 형성된다. Ni 피복층은 모재로부터의 Cu 또는 합금 원소의 확산을 방지하는 배리어로서의 기능, 방열 부품의 표면 경도를 크게 하는 것에 의한 흠집 방지의 기능, 및 내식성을 향상시키는 기능을 갖는다.

다음으로 본 발명에 따른 구리 합금판의 조성에 대하여 설명한다.

Ni 및 Si는 Ni₂Si 석출물을 생성하여, 구리 합금의 강도를 향상시킨다. 그러나, Ni 함유량이 1.0질량% 미만 또는 Si 함유량이 0.2질량% 미만이면, 그 효과가 적다. 한편, Ni 함유량이 4.0질량%를 초과하거나 또는 Si 함유량이 1.2질량%를 초과하면, 주조 시에 Ni 또는 Si가 정출 또는 석출되어, 열간 가공성이 저하된다. 따라서, Ni 함유량은 1.0∼4.0질량%, Si 함유량은 0.2∼1.2질량%로 한다. Ni 함유량의 하한치는, 바람직하게는 1.1질량%, 상한치는, 바람직하게는 3.9질량%이다.

Ni 함유량(질량%)을 [Ni]로 하고, Si 함유량(질량%)을 [Si]로 했을 때, 그 함유량비 [Ni]/[Si]가 3.5 미만이거나 또는 5를 초과하는 경우, 과잉해진 Ni 또는 Si가 고용되어, 도전율이 저하된다. 따라서, 상기 함유량비 [Ni]/[Si]는 3.5∼5로 한다.

한편, Ni의 일부 또는 전부를 Co로 대체할 수 있다. 이 경우, Ni와 Co의 합계 함유량 [Ni+Co]를 1.0∼4.0질량%의 범위 내로 하고, 함유량비 [Ni+Co]/[Si]를 3.5∼5로 한다.

Sn은 구리 합금 모상에 고용되어 구리 합금의 강도를 향상시키는 작용을 갖기 때문에, 필요에 따라서 첨가된다. 또한, Sn의 첨가는 내응력완화특성의 향상에도 유효하다. 방열 부품의 사용 환경이 80℃ 또는 그 이상이 되면, 크리프 변형이 생겨 CPU 등의 열원과의 접촉면이 작아져, 방열성이 저하되지만, 내응력완화특성을 향상시킴으로써, 이 현상을 억제할 수 있다. 강도 및 내응력완화특성의 향상의 효과를 얻기 위해, Sn 함유량은 0.005질량% 이상으로 하고, 바람직하게는 0.01질량% 이상, 보다 바람직하게는 0.02질량% 이상으로 한다. 한편, Sn 함유량이 1.0질량%를 초과하면, 구리 합금판의 굽힘 가공성을 저하시키고, 또한 시효 처리 후의 도전율을 저하시킨다. 따라서, Sn 함유량은 1.0질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.6질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.3질량% 이하로 한다.

Mg는 Sn과 마찬가지로, 구리 합금 모상에 고용되어 구리 합금의 강도 및 내응력완화특성을 향상시키는 작용을 갖기 때문에, 필요에 따라서 첨가된다. 강도 및 내응력완화특성의 향상의 효과를 얻기 위해, Mg 함유량은 0.005질량% 이상으로 한다. 한편, Mg 함유량이 0.2질량%를 초과하면, 구리 합금판의 굽힘 가공성을 저하시키고, 또한 시효 처리 후의 도전율을 저하시킨다. 따라서, Mg 함유량은 0.2질량% 이하로 하고, 바람직하게는 0.15질량% 이하, 보다 바람직하게는 0.05질량% 이하로 한다.

Zn은 구리 합금판의 땜납의 내열박리성 및 Sn 도금의 내열박리성을 개선하는 작용을 갖기 때문에, 필요에 따라서 첨가된다. 방열 부품을 반도체 장치에 짜넣을 때, 솔더링이 필요한 경우가 있고, 또한 방열 부품을 제조 후, 내식성 개선을 위해 Sn 도금을 행하는 경우가 있다. 이와 같은 방열 부품의 제조에, Zn을 함유하는 구리 합금판이 적합하게 이용된다. 그러나, Zn의 함유량이 2.0질량%를 초과하면, 땜납 젖음성이 저하되기 때문에, Zn의 함유량은 2.0질량% 이하로 한다. Zn의 함유량의 상한치는 0.7질량% 이하가 바람직하고, 0.5질량% 이하가 보다 바람직하다. 한편, Zn 함유량이 0.01질량% 미만이면, 내열박리성의 개선에는 불충분하여, Zn의 함유량은 0.01질량% 이상인 것이 바람직하다. Zn 함유량의 하한치는 0.05질량%가 보다 바람직하고, 0.1질량%가 더 바람직하다.

한편, 본 발명의 구리 합금판이 Zn을 포함하는 경우, 500℃ 이상의 온도에서 가열하면, 가열 분위기에 따라서는 Zn이 기화되어, 구리 합금판의 표면 성상을 저하시키거나, 가열로를 오염시키는 경우가 있다. Zn의 기화를 방지한다는 관점에서는, Zn의 함유량은 바람직하게는 0.5질량% 이하로 하고, 보다 바람직하게는 0.3질량% 이하, 더 바람직하게는 0.2질량% 이하로 한다.

Al, Mn, Cr, Ti, Zr, Fe, P 및 Ag는 구리 합금의 강도 및 내열성을 향상시키는 작용을 갖기 때문에, 이들의 1종 또는 2종 이상이 필요에 따라서 첨가된다. 그러나, 이들 원소의 1종 또는 2종 이상의 합계 함유량이 0.5질량%를 초과하면 도전율이 저하되기 때문에, 당해 합계 함유량은 0.5질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음)로 한다. 이들 원소의 1종 또는 2종 이상의 합계 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.01질량%, 보다 바람직하게는 0.02%, 더 바람직하게는 0.03%이다.

불가피 불순물인 H, O, S, Pb, Bi, Sb, Se 및 As는 구리 합금판이 650℃ 이상의 온도로 장시간 가열되면 입계에 모여들어, 가열 중 및 가열 후의 입계 균열 및 입계 취화 등을 야기할 가능성이 있기 때문에, 이들 원소의 함유량은 저감하는 것이 바람직하다. H는 가열 중에 입계, 개재물과 모재의 계면에 모여들어, 부풂을 발생시키기 때문에, 바람직하게는 1.5ppm(질량ppm, 이하 동일) 미만으로 하고, 보다 바람직하게는 1ppm 미만으로 한다. O는, 바람직하게는 20ppm 미만, 보다 바람직하게는 15ppm 미만으로 한다. S, Pb, Bi, Sb, Se 및 As는, 바람직하게는 합계로 30ppm 미만, 보다 바람직하게는 20ppm 미만으로 한다. 특히 Bi, Sb, Se 및 As에 대해서는, 바람직하게는 이들 원소의 합계 함유량을 10ppm 미만, 보다 바람직하게는 5ppm 미만으로 한다.

본 발명에 따른 구리 합금판은, 표준적인 제조 방법으로서, 주괴를 균열(均熱) 처리하고, 열간 압연한 후, 냉간 압연, 용체화를 수반하는 재결정 처리, 냉간 압연 및 시효 처리의 공정으로 제조된다. 상기 조성의 구리 합금을 이용하여 이하의 조건에서 제조한 구리 합금판은 0.2% 내력이 300MPa 이상이고, 우수한 굽힘 가공성을 갖는다. 또한, 850℃에서 30분 가열하고, 이어서 시효 처리한 후, 300MPa 이상의 0.2% 내력 및 25% IACS 이상의 도전율을 갖는다.

용해 및 주조는 연속 주조 또는 반연속 주조 등의 통상의 방법에 의해 행할 수 있다. 한편, 구리 용해 원료로서, S, Pb, Bi, Se 및 As 함유량이 적은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 구리 합금 용탕에 피복하는 목탄의 적열화(수분 제거), 지금(地金), 스크랩 원료, 통, 주형의 건조, 및 용탕의 탈산 등에 주의해서, O 및 H를 저감하는 것이 바람직하다.

균질화 처리는 주괴 내부의 온도가 800℃ 도달 후, 30분 이상 유지하는 것이 바람직하다. 균질화 처리의 유지 시간은 1시간 이상이 보다 바람직하고, 2시간 이상이 더 바람직하다.

균질화 처리 후, 열간 압연을 800℃ 이상의 온도에서 개시한다. 열간 압연재에 조대한 (Ni,Co)-Si 석출물이 형성되지 않도록, 열간 압연은 600℃ 이상의 온도에서 종료하고, 그 온도로부터 수냉 등의 방법에 의해 급냉하는 것이 바람직하다. 열간 압연 후의 급냉 개시 온도가 600℃보다 낮으면, 조대한 (Ni,Co)-Si 석출물이 형성되고, 조직이 불균일해지기 쉬워, 구리 합금판(제품판)의 강도가 저하된다.

열간 압연 후의 냉간 압연에 의해, 구리 합금판에 일정한 변형을 가함으로써, 계속되는 재결정 처리 후에, 원하는 재결정 조직(미세한 재결정 조직)을 갖는 구리 합금판이 얻어진다. 이 냉간 압연의 가공률은 5∼35%로 하는 것이 바람직하다.

용체화를 수반하는 재결정 처리는 650∼950℃, 바람직하게는 670∼900℃에서 3분 이하의 유지의 조건에서 행한다. 구리 합금 중의 Ni, Co 및 Si의 함유량이 적은 경우에는 상기 온도 범위 내의 보다 저온 영역에서, Ni, Co 및 Si의 함유량이 많은 경우에는 상기 온도 범위 내의 보다 고온 영역에서 행하는 것이 바람직하다. 이 재결정 처리에 의해, Ni, Co 및 Si를 구리 합금 모재에 고용시킴과 더불어, 굽힘 가공성이 양호해지는 재결정 조직(평균 결정 입경이 1∼20μm)을 형성할 수 있다. 이 재결정 처리의 온도가 600℃보다 낮으면, Ni, Co 및 Si의 고용량이 적어져, 강도가 저하된다. 한편, 재결정 처리의 온도가 950℃를 초과하거나 또는 처리 시간이 3분을 초과하면, 재결정립이 조대화된다.

용체화를 수반하는 재결정 처리 후에는, (a) 냉간 압연 및 시효 처리하거나, (b) 냉간 압연 및 시효 처리 후, 다시 제품 두께까지 냉간 압연하거나, 또는 (c) 상기 (b)의 후에 저온 소둔(연성의 회복)을 행한다.

시효 처리는 가열 온도 300∼600℃ 정도에서 0.5∼10시간 유지하는 조건에서 행한다. 이 가열 온도가 300℃ 미만이면 석출량이 적고, 600℃를 초과하면 석출물이 조대화되기 쉽다. 가열 온도의 하한은, 바람직하게는 350℃로 하고, 상한은 바람직하게는 580℃, 보다 바람직하게는 560℃로 한다. 시효 처리의 유지 시간은 가열 온도에 따라 적절히 선택하고, 0.5∼10시간의 범위 내에서 행한다. 이 유지 시간이 0.5시간 이하이면 석출이 불충분해지고, 10시간을 초과해도 석출량이 포화되어, 생산성이 저하된다. 유지 시간의 하한은, 바람직하게는 1시간, 보다 바람직하게는 2시간으로 한다.

실시예 1

표 1에 나타내는 조성의 구리 합금을 주조하여, 각각 두께 45mm의 주괴를 제작했다. 이 구리 합금에 있어서, 불가피 불순물인 H는 1ppm 미만, O는 20ppm 미만, S, Pb, Bi, Sb, Se 및 As는 합계로 20ppm 미만이었다.

각 주괴에 대해 965℃에서 3시간의 균열 처리를 행하고, 계속해서 열간 압연을 행하여 판 두께 15mm의 열간 압연재로 하고, 600℃ 이상의 온도로부터 담금질(수냉)했다. 담금질 후의 열간 압연재의 양면을 1mm씩 연마한 후, 목표 판 두께 0.43mm까지 냉간 조(粗)압연하고, 650∼850℃에서 10∼60초 유지하는 재결정 처리(용체화를 수반함)를 행했다. 이어서 450℃에서 2시간의 석출 소둔 후, 30%의 마무리 냉간 압연을 실시하여, 판 두께 0.3mm의 구리 합금판을 제조했다.

얻어진 구리 합금판을 공시재로 해서, 하기 요령으로 도전율, 기계적 특성, 굽힘 가공성 및 땜납 젖음성의 각 측정 시험을 행했다.

또한, 얻어진 구리 합금판을 실온에서 진공 배기 후, Ar 가스로 치환해서 가열하고, 판재의 온도가 850℃에 도달하고 나서 30분간 가열 후 수냉한 것, 상기 수냉재를 다시 500℃에서 2시간 가열(시효 처리)한 것을, 각각 공시재로 해서, 도전율 및 기계적 특성의 각 측정을 행했다.

각 시험 결과를 표 2에 나타낸다.

(도전율의 측정)

도전율의 측정은 JIS-H0505에 규정되어 있는 비철금속 재료 도전율 측정법에 준거하여, 더블 브리지를 이용한 사단자법으로 행했다. 시험편의 치수는 폭 15mm 및 길이 300mm이다.

(기계적 특성)

공시재로부터, 길이 방향이 압연 평행 방향이 되도록 JIS 5호 인장 시험편을 잘라내고, JIS-Z2241에 준거해서 인장 시험을 실시하여, 내력과 신도를 측정했다. 내력은 영구 신도 0.2%에 상당하는 인장 강도이다.

(굽힘 가공성)

굽힘 가공성의 측정은 신동협회표준 JBMA-T307로 규정되는 W 굽힘 시험 방법에 따라 실시했다. 각 공시재로부터 폭 10mm, 길이 30mm의 시험편을 잘라내고, R/t=0.5가 되는 지그를 이용하여, G. W.(Good Way(굽힘축이 압연 방향에 수직)) 및 B. W.(Bad Way(굽힘축이 압연 방향에 평행))의 굽힘을 행했다. 이어서, 굽힘부에 있어서의 균열의 유무를 100배의 광학 현미경에 의해 육안으로 관찰하고, G. W. 또는 B. W.의 쌍방에서 균열의 발생이 없는 것을 ○(합격), G. W. 또는 B. W.의 어느 일방 또는 쌍방에서 균열이 발생한 것을 ×(불합격)로 평가했다.

(땜납 젖음성)

각 공시재로부터 단책(短冊)상 시험편을 채취하고, 비활성 플럭스를 1초간 침지 도포한 후, 메니스코그래프법으로 땜납 젖음 시간을 측정했다. 땜납은 260±5℃로 유지한 Sn-3질량%Ag-0.5질량%Cu를 이용하여, 침지 속도 25mm/sec, 침지 깊이 5mm 및 침지 시간 5sec의 시험 조건에서 실시했다. 땜납 젖음 시간이 2초 이하인 것을 땜납 젖음성이 우수하다고 평가했다. 한편, 비교예 7 이외는 땜납 젖음 시간이 2초 이하였다.

표 2에 나타내는 실시예 1∼18의 구리 합금판은 합금 조성이 본 발명의 규정을 만족시키고, 850℃에서 30분간 가열하고, 이어서 시효 처리한 후의 강도(0.2% 내력)가 300MPa 이상이고, 또한 도전율이 25% IACS 이상이다. 또한, 850℃에서 가열하기 전의 구리 합금판의 특성은 강도(0.2% 내력)가 300MPa 이상이고, 굽힘 가공성 및 땜납 젖음성도 우수하다. 850℃에서 가열한 후에도 50MPa 이상의 강도(0.2% 내력)를 갖는다.

이에 비해, 비교예 1∼7의 구리 합금판은 이하에 나타내는 바와 같이 어떤 특성이 뒤떨어진다.

비교예 1은 Ni 함유량이 적기 때문에, 시효 처리 후의 강도가 낮다.

비교예 2는 Ni 함유량이 과잉이기 때문에, 열간 압연 시에 균열이 생겨, 열간 압연 후의 공정으로 진행시킬 수 없었다.

비교예 3은 Ni와 Si의 함유량비 [Ni]/[Si]가 지나치게 높아, 과잉해진 Ni가 고용되어, 시효 처리 후의 도전율이 저하되었다.

비교예 4는 Ni와 Si의 함유량비 [Ni]/[Si]가 지나치게 낮아, 과잉해진 Si가 고용되어, 시효 처리 후의 도전율이 저하되었다.

비교예 5 및 6은 각각 Sn 또는 Mg 함유량이 과잉이어서, 구리 합금판의 굽힘 가공성이 뒤떨어지고, 시효 처리 후의 도전율이 저하되었다.

비교예 7은 Zn 함유량이 과잉이어서, 앞서 기술한 바와 같이 땜납 젖음성이 뒤떨어져 있었다.

실시예 2

표 1에 나타내는 구리 합금판 중 대표적인 것(실시예 2 및 6과 비교예 1 및 7)에 대하여, 1000℃에서 30분간 가열 후 수냉하고, 다시 500℃에서 2시간 가열(시효 처리)하고, 당해 구리 합금판을 공시재로 해서, 도전율 및 기계적 특성의 각 측정 시험을 실시예 1에 기재된 방법으로 행했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 실시예 2 및 6은 1000℃에서 30분간 가열하고, 이어서 시효 처리한 후의 강도(0.2% 내력)가 300MPa 이상이고, 또한 도전율이 25% IACS 이상이다.

한편, 비교예 1은 1000℃에서 30분간 가열하고, 이어서 시효 처리한 후의 강도가 뒤떨어진다.

한편, 실시예 2 및 6 및 비교예 1 및 7 모두에 있어서, 1000℃에서 30분간 가열하고, 이어서 시효 처리한 후의 강도와 도전율의 값은 850℃에서 30분간 가열하고, 이어서 시효 처리한 후의 강도와 도전율의 값과 큰 차이가 없었다.

본 명세서의 개시 내용은 이하의 태양을 포함한다.

태양 1:

Ni와 Co의 1종 또는 2종을 1.0∼4.0질량%, Si를 0.2∼1.2질량% 함유하고, Ni와 Co의 합계 함유량 [Ni+Co]와 Si의 함유량 [Si]의 비 [Ni+Co]/[Si]가 3.5∼5이며, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지고, 850℃에서 30분 가열 후 수냉하고, 이어서 시효 처리한 후의 0.2% 내력이 300MPa 이상, 도전율이 25% IACS 이상이며, 방열 부품을 제조하는 프로세스의 일부에 650℃ 이상으로 가열하는 프로세스와 시효 처리가 포함되는 것을 특징으로 하는 방열 부품용 구리 합금판.

태양 2:

추가로, Sn과 Mg의 1종 또는 2종을 Sn: 0.005∼1.0질량%, Mg: 0.005∼0.2질량%의 범위로 함유하는 것을 특징으로 하는 태양 1에 기재된 방열 부품용 구리 합금판.

태양 3:

추가로, Zn을 2.0질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 함유하는 것을 특징으로 하는 태양 1 또는 2에 기재된 방열 부품용 구리 합금판.

태양 4:

추가로, Al, Mn, Cr, Ti, Zr, Fe, P 및 Ag 중 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.5질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 함유하는 것을 특징으로 하는 태양 1∼3 중 어느 하나에 기재된 방열 부품용 구리 합금판.

태양 5:

태양 1∼4 중 어느 하나에 기재된 방열 부품용 구리 합금판으로부터 제조되고, 650℃ 이상으로 가열하는 프로세스 후, 시효 처리를 받은 것을 특징으로 하는 방열 부품.

태양 6:

외표면의 적어도 일부에 Sn 피복층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양 5에 기재된 방열 부품.

태양 7:

외표면의 적어도 일부에 Ni 피복층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양 5에 기재된 방열 부품.

본 출원은, 출원일이 2015년 3월 27일인 일본 특허출원, 특원 제2015-066677호를 기초 출원으로 하는 우선권 주장을 수반한다. 특원 제2015-066677호는 참조하는 것에 의해 본 명세서에 원용된다.

Claims

Ni와 Co의 1종 또는 2종을 1.0∼4.0질량%, Si를 0.2∼1.2질량% 함유하고, Ni와 Co의 합계 함유량 [Ni+Co]와 Si의 함유량 [Si]의 비 [Ni+Co]/[Si]가 3.5∼5이며, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어지고, 850℃에서 30분 가열 후 수냉하고, 이어서 시효 처리한 후의 0.2% 내력이 300MPa 이상, 도전율이 25% IACS 이상이며, 방열 부품을 제조하는 프로세스의 일부에 650℃ 이상으로 가열하는 프로세스와 시효 처리가 포함되는 것을 특징으로 하는 방열 부품용 구리 합금판.
제 1 항에 있어서,
추가로, Sn과 Mg의 1종 또는 2종을 Sn: 0.005∼1.0질량%, Mg: 0.005∼0.2질량%의 범위로 함유하는 것을 특징으로 하는 방열 부품용 구리 합금판.
제 1 항에 있어서,
추가로, Zn을 2.0질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 함유하는 것을 특징으로 하는 방열 부품용 구리 합금판.
제 2 항에 있어서,
추가로, Zn을 2.0질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 함유하는 것을 특징으로 하는 방열 부품용 구리 합금판.
제 1 항에 있어서,
추가로, Al, Mn, Cr, Ti, Zr, Fe, P 및 Ag 중 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.5질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 함유하는 것을 특징으로 하는 방열 부품용 구리 합금판.
제 2 항에 있어서,
추가로, Al, Mn, Cr, Ti, Zr, Fe, P 및 Ag 중 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.5질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 함유하는 것을 특징으로 하는 방열 부품용 구리 합금판.
제 3 항에 있어서,
추가로, Al, Mn, Cr, Ti, Zr, Fe, P 및 Ag 중 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.5질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 함유하는 것을 특징으로 하는 방열 부품용 구리 합금판.
제 4 항에 있어서,
추가로, Al, Mn, Cr, Ti, Zr, Fe, P 및 Ag 중 1종 또는 2종 이상을 합계로 0.5질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음) 함유하는 것을 특징으로 하는 방열 부품용 구리 합금판.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 방열 부품용 구리 합금판으로부터 제조되고, 650℃ 이상으로 가열하는 프로세스 후, 시효 처리를 받은 것을 특징으로 하는 방열 부품.
제 9 항에 있어서,
외표면의 적어도 일부에 Sn 피복층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방열 부품.
제 9 항에 있어서,
외표면의 적어도 일부에 Ni 피복층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방열 부품.