TW201448288A

TW201448288A - Ｌｅｄ導線架用銅合金板條

Info

Publication number: TW201448288A
Application number: TW103106257A
Authority: TW
Inventors: Yosuke Miwa; Yasushi Masago; Masayasu Nishimura; Hideki Matsushita
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2014-12-16
Also published as: KR20140118869A; US20140295212A1; TWI550919B; CN104073677A; KR101578286B1; CN104073677B; DE102014001928A1; US9416433B2

Abstract

本發明提供一種LED導線架用銅合金板條，其目的在於提高Cu-Fe系銅合金板條所構成的導線架的導電率和導熱率，改善LED封裝體的散熱性。提高在LED導線架的表面形成的鍍Ag反射膜的反射率，實現LED封裝體的高亮度化。在Cu-Fe系銅合金板條中，壓延垂直方向的表面粗糙度為Ra：0.2μm以下，RzJIS：1.2μm以下，Rz：1.5μm以下，且沿著壓延平行方向在表面密集地形成：壓延平行方向的平均長度為2~100μm，壓延垂直方向的平均長度為1~30μm，最大深度為400nm以下的凹坑。Ra為算數平均粗糙度，RzJIS為十點平均粗糙度，Rz為最大高度粗糙度。Cu-Fe系銅合金板條包含Fe：1.8~2.6質量%、P：0.005~0.20質量%、Zn：0.01~0.50質量%，或者包含Fe：0.01~0.5質量%、P：0.01~0.20質量%、Zn：0.01~1.0質量%、Sn：0.01~0.15質量%，餘量實質上由Cu和不可避免的雜質所構成。

Description

LED導線架用銅合金板條

本發明涉及例如作為LED的導線架使用的銅合金板條(板和條)。

近年來，以發光二極體(LED：Light Emitting Diode)作為光源的發光裝置由於節能且長壽命，在廣泛的領域內得以普及。LED元件被固定於熱傳導性和導電性優異的銅合金導線架，被組裝到封裝體中。為了有效地取出從LED元件發出的光，而在銅合金導線架的表面形成作為反射膜的鍍Ag被膜。作為LED用導線架的銅合金，多使用強度：450N/mm²、導電率：70%IACS左右的C194(參照專利文獻1、2)。

為了使LED封裝體高亮度化，有使LED元件自身高亮度化的方法和使鍍Ag高品質化(高反射率化)的方法。但是，LED元件的高亮度化接近極限，只要略微的高亮度化，元件成本就大幅度提高。因此，近年來對鍍Ag的高反射率化的要求變強烈。

另一方面，鍍Ag大大受到銅合金原材料的表面狀態的影響，容易產生凸起、未鍍、條紋等，阻礙鍍Ag的反射特性的缺陷。特別是，多用作LED用銅合金導線架的C194在原材料中包含著Fe、Fe-P或Fe-P-O粒子，露出於表面的這些粒子使上述鍍Ag缺陷產生，這使鍍Ag的反射率降低。

另外，主要用作照明用途的高亮度LED的發熱量出乎意料的大，該熱量使LED元件自身和周圍的樹脂劣化，有可能損害作為LED的特長的長壽命，因此LED元件的放熱措施被視為很重要。作為該放熱措施之一，要求比上述的C194更高的導電率(導熱率)的LED導線架。

先前技術文獻專利文獻

專利文獻1：日本特開2011-252215號公報

專利文獻2：日本特開2012-89638號公報(段落0058)

本發明目的在於提高在由C194系(Cu-Fe系銅合金)板條所構成的導線架的表面形成的鍍Ag反射膜的反射率，實現LED封裝體的高亮度化。進一步的目的在於作為LED封裝體的放熱措施的一個環節，採用具有比C194高的導電率的Cu-Fe-P系銅合金作為導線架的原材料，提高在表面形成的鍍Ag反射膜的反射率，實現LED封裝體的高亮度化。

本發明涉及調整表面形態而提高鍍Ag反射膜的反射率之LED的導線架用Cu-Fe系銅合金板條(板和條)，其特徵在於，壓延垂直方向的表面粗糙度為Ra：0.2μm以下，Rz_JIS：1.2μm以下，Rz：1.5μm以下，且沿著壓延平行方向在表面密集地形成有：壓延平行方向的平均長度為2~100μm，壓延垂直方向的平均長度為1~30μm，最大深度為400nm以下的凹坑。還有，Ra為算數平均粗糙度，Rz_JIS為十點平均粗糙度，Rz為最大高度粗糙度。

上述C194系銅合金(Cu-Fe系銅合金)包含Fe：1.8~2.6質量%、P：0.005~0.20質量%、Zn：0.01~0.50質量%，餘量由Cu和不可避免的雜質所構成。另外，根據需要，還包含合計為0.3質量%以下的Sn、Co、Al、Cr、Mg、Mn、Ca、Pb、Ni、Ti、Zr中的1種或2種以上。

或者，上述Cu-Fe-P系銅合金包含Fe：0.01~0.5質量%、P：0.01~0.20質量%、Zn：0.01~1.0質量%、Sn：0.01~0.15質量%，餘量由Cu和不可避免的雜質所構成。另外，根據需要，還包含合計為0.3質量%以下的Co、Al、Cr、Mg、Mn、Ca、Pb、Ni、Ti、Zr、Si、Ag中的1種或2種以上。

在上述Cu-Fe-P系銅合金的板條中，露出於表面的Fe、Fe-P或Fe-P-O粒子的粒徑為5μm以下，並且具有1μm以上的粒徑的粒子為3000個/mm²以下為佳。還有，粒子的大小是指該粒子的外接圓的直徑。

根據本發明，具有高導電率(導熱率.)的導線架成為散熱路徑，可以提高LED封裝體的散熱性。另外，提高在由Cu-Fe-P系銅合金板條所構成的導線架的表面形成的鍍Ag反射膜的反射率，可以實現LED封裝體的高亮度化。

圖1是表示本發明涉及的銅合金板條的表面形態的示意圖。

圖2是本發明涉及的銅合金板條的壓延平行方向的AFM輪廓的一例。

圖3是本發明涉及的銅合金板條的壓延垂直方向的AFM輪廓的一例。

圖4是本發明涉及的銅合金板條的壓延平行方向的AFM輪廓的一例。

圖5是本發明涉及的銅合金板條的壓延垂直方向的AFM輪廓的一例。

接著，參照圖1~5，對本發明進行更具體地說明。

(銅合金板條的表面形態)

欲提高作為反射膜的鍍Ag膜的反射特性，則受到作為基材的銅合金板狀的表面形態的影響。首先，沿著銅合金板條的壓延平行方向，藉由在其表面整面密集地形成無數的細小凹坑，而將從元件發出的光均勻地分散反射，使提高反射率成為可能。

此時的銅合金板條的壓延垂直方向的表面粗糙度要求算數平均粗糙度Ra為0.2μm以下，十點平均粗糙度Rz_JIS為1.2μm以下，最大高度粗糙度Rz為1.5μm以下。如果Ra超過0.2μm，則鍍Ag膜所致之光反射的方向性消失，並且光的均勻散射是不充分的，無法提高反射率。另外，Rz_JIS超過1.2μm或Rz超過1.5μm時，同樣不能得到充分的反射率。

在銅合金板條的表面密集地存在的凹坑要求壓延平行方向的平均長度為2~100μm，壓延垂直方向的平均長度為1~30μm，沿著壓延平行方向的最大深度為400nm以下。如圖1的示意圖所示，該凹坑1在銅合金板條的表面密集地存在，後述的AFM輪廓的峰成為其邊界。

壓延平行方向的平均長度小於2μm或超過100μm時，鍍Ag膜所致之光的均勻散射不充分，無法得到高的反射率。凹坑的壓延平行方向的平均長度較佳為8~50μm，更佳為10~30μm。另外，凹坑的壓延垂直方向的平均長度小於1μm或超過30μm時，鍍Ag膜所致之光的均勻散射不充分，無法得到高的反射率。凹坑的壓延垂直方向的平均長度較佳為3~15μm，更佳為4~10μm，在壓延平行方向測定的凹坑的深度超過400nm時，鍍Ag膜所致之光的均勻散射不充分，無法得到高的反射率。凹坑的深度較佳為50~200nm，更佳為70~150nm。

露出於C194系(Cu-Fe系)銅合金的最外表面的粒子由Fe、Fe-P或Fe-P-O所構成，該露出部分的粒徑(外接圓的直徑)超過5μm時，或露出部分的粒徑為1μm以上的粒子超過3000個/mm²存在時，發生凸起或未鍍等鍍Ag缺陷，成為鍍Ag被膜的反射特性劣化的原因。

本發明涉及的Cu-Fe-P系銅合金，在板條的最外表面露出Fe、Fe-P或Fe-P-O等粒子。這些粒子的露出部分的粒徑(外接圓的直徑)超過5μm時或露出部分的粒徑為1μm以上的粒子超過2000個/mm²而存在時，出現了發生凸起或未鍍等的鍍Ag缺陷的可能性。因此，在本發明涉及的銅合金板條中，希望露出於最外表面的Fe、Fe-P或Fe-P-O等粒子的露出部分的粒徑為5μm以下，並且露出部分的粒徑為1μm以上的粒子為2000個/mm²以下。

(C194系(Cu-Fe系)銅合金)

本發明涉及的C194系(Cu-Fe系)銅合金包含Fe：1.8~2.6質量%、P：0.005~0.20質量%、Zn：0.01~0.50質量%，餘量由Cu和不可避免的雜質所構成，根據需要，還包含合計為0.3質量%以下的Sn、Co、Al、Cr、Mg、Mn、Ca、Pb、Ni、Ti、Zr中的1種或2種以上。

在上述C194系(Cu-Fe系)銅合金中，Fe和P形成化合物，具有提高強度和導電率特性的作用。但是，如果含有超過2.6質量%，則熔解時不能全部固溶的Fe作為結晶產物殘留，該結晶產物為大的粒子且粒徑也達到數10μm以上，其露出於銅合金板條的表面，成為鍍Ag缺陷的原因。另外，如果小於1.8質量%，則不能得到作為LED用導線架的強度。另一方面，如果P含有超過0.2質量%，則會使作為LED用導線架的導熱性和導電性劣化，如果小於0.005質量%，則不能得到作為LED用框架的強度。

在上述C194系(Cu-Fe系)銅合金中，Zn具有提高焊料的耐熱剝離性的作用，具有維持將LED封裝體組裝到基盤時的焊料接合可靠性的作用。如果該Zn小於0.01質量%，則不足以滿足焊料的耐熱剝離性，如果含有超過0.50質量%，則導熱性和導電性劣化。

在上述C194系(Cu-Fe系)銅合金中，Sn、Co、Al、Cr、Mg、Mn、Ca、Pb、Ni、Ti、Zr使銅合金的強度、耐熱性提高，進而也具有提高製造時的熱壓延性的作用。對於向銅合金添加這些元素得到上述作用時，希望含有合計為0.02質量%以上。但是，這些成分如果含有超過合計為0.3質量%，會造成導熱性和導電率劣化。

(Cu-Fe-P系銅合金)

本發明涉及的Cu-Fe-P系銅合金包含Fe：0.01~0.5質量%、P：0.01~0.20質量%、Zn：0.01~1.0質量%、Sn：0.01~0.15質量%，餘量由Cu和不可避免的雜質所構成，根據需要，還包含合計為0.3質量%以下的Co、Al、Cr、Mg、Mn、Ca、Pb、Ni、Ti、Zr、Si、Ag中的1種或2種以上。

在上述Cu-Fe-P系銅合金中，Fe和P形成化合物，具有提高強度和導電率特性的作用。但是，如果含有超過0.5質量%，則引起銅合金的導電率和導熱率的降低。另外，如果小於0.01質量%，則不能得到作為LED用導線架的強度。另一方面，如果P含有超過0.2質量%，則使銅合金的導電率和導熱率劣化，如果小於0.01質量%，則不能得到作為LED用導線架需要的強度。

在上述Cu-Fe-P系銅合金中，Zn具有提高焊料的耐熱剝離性的作用，具有維持將LED封裝體組裝到基盤時的焊料接合可靠性的作用。如果該Zn小於0.01質量%，則不足以滿足焊料的耐熱剝離性，如果含有超過1.0質量%，則銅合金的導熱性和導電性劣化。

Sn有助於提高銅合金的強度，如果小於0.01質量%，則不能得到充分的強度。另外，如果Sn含有超過0.15質量%，則會造成銅合金的導電率和導熱率劣化。

在上述Cu-Fe-P系銅合金中，Co、Al、Cr、Mg、Mn、Ca、Pb、Ni、Ti、Zr、Si、Ag使銅合金的強度、耐熱性提高，進而也具有提高製造時的熱壓延性的作用。向銅合金添加這些元素得到上述作用時，希望含有合計為0.02質量%以上。但是，如果這些成分含有超過合計為0.3質量%，則會造成導熱性和導電率劣化。

(銅合金板條的製造方法)

關於C194銅合金板條和Cu-Fe-P系銅合金板條，通常是將鑄錠端面切削後進行熱壓延，熱壓延後急冷或熔體化處理，繼而進行冷壓延和析出退火，然後進行最終冷壓延而製造。可根據需要重複進行冷壓延和析出退火，根據需要在最終冷壓延後進行低溫退火。在本發明涉及的銅合金板條的情況也不需要較大地改變該製造步驟本身。另一方面，粗大的Fe、Fe-P或Fe-P-O粒子主要是熔解鑄造時和熱壓延時形成，因此必須選擇適當的熔解鑄造和熱壓延的條件。具體如下。

在熔解鑄造中，於1200℃以上的銅合金熔液中添加Fe後熔解，之後也將熔液溫度保持在1200℃以上進行鑄造。鑄錠的冷卻在凝固時(固液共存時)和凝固後均按1℃/秒以上的冷卻速度進行。因此，連續鑄造或半連續鑄造時，使鑄模內的一次冷卻，鑄模之後的二次冷卻必須充分起效。在熱壓延中，將均質化處理在900℃以上，較佳在950℃以上進行，在該溫度下開始熱壓延，熱壓延結束溫度為650℃以上，較佳為700℃以上，熱壓延結束後立刻用大量的水急冷至300℃以下。

本發明涉及的銅合金板條的表面形態(表面粗糙度、凹部)是在最終冷壓延中，藉由將壓延輥的表面形狀轉印到銅合金板條而形成。換言之，需要在壓延輥的表面具有與上述表面形態對應的微細的無光澤細紋圖案。作為該壓延輥使用塞隆(SiAlON)等的氮化矽系的輥。使該輥旋轉以及沿軸方向平行移動的同時，在其表面使金剛石磨粒的超磨粒砂輪沿同方向旋轉並施加力(與接觸面的移動方向相反)，磨削輥的表面而形成無光澤細紋圖案。藉由改變金剛石磨粒的粒度和分佈密度、超磨粒砂輪的施加力、輥的旋轉速度和移動速度，而可以在輥的表面形成粗糙度(長度、寬度、高度)不同的微細的凹凸，即形成無光澤細紋圖案。

在最終冷壓延中，採用輥徑為20~100mm左右的輥，以單道次或多道次過輥的合計進行20~70%的冷加工。進行多道次過輥的情況時，較佳將第1道次的塞隆輥的無光澤細紋設定為比第2道次之後的輥的無光澤細紋還粗，將第2道次之後的壓延速度設定為比第1道次的壓延速度還慢。壓延速度慢的一方，輥的無光澤細紋會被更好地轉印到銅合金板條的表面，輥徑小的一方可以進行穩定的轉印。另外，氮化矽系的輥材質堅固不易變形，因此認為可良好地將輥的無光澤細紋圖案轉印到銅合金板條的表面。目前只有使用以超磨粒砂輪磨削了表面的氮化矽系的輥實施最終冷壓延，才能得到具有本發明規定的表面形態(特別是密集地形成的凹部)的銅合金板條。

實施例

將表1~4中所示成分的銅合金用小型電爐在大氣中在木炭皮膜下熔煉，鑄造了厚度50mm、寬度80mm、長度180mm的鑄錠。對所製作的上述鑄錠的正面和背面進行端面切削各5mm後，在950℃下進行均質化處理後熱壓延，製成厚度12mmt的板材，從700℃以上的溫度進行急冷。將該板材的正面和背面分別進行端面切削約1mm。對這些板材反復進行冷軋和500~550℃×2~5小時的析出退火後，使用在表面形成無光澤細紋圖案的直徑50mm的塞隆輥(僅No.33，130為不具有無光澤細紋圖案的普通的高速鋼輥)，以40%的加工率進行最終冷壓延，製作厚度0.2mm的銅合金條作為試驗材料。

使用所製作的試驗材料，按下述要點進行拉伸強度、導電率、露出於表面的粒子的粒徑和密度、表面粗糙度和凹坑形狀的各測定試驗。測定結果示於表1~8中。但是，關於No.14~19、33~40的拉伸強度、導電率、露出於表面的粒子的粒徑和密度，視為與No.1相同的值，省略了測定試驗本身。另外，關於No.114~119、130~137的拉伸強度、導電率、露出於表面的粒子的粒徑和密度，視為與No.101相同的值，省略了測定試驗本身。

(拉伸強度的測定)

從試驗材料上採樣長度方向與壓延方向呈平行的JIS5 號試驗片，依據JISZ2241的規定進行拉伸試驗，測定拉伸強度。拉伸強度對於試驗材料No.1~40，400N/mm²以上為合格。對於試驗材料No.101~137，450N/mm²以上為合格。

(導電率的測定)

導電率依據JISH0505的規定測定。導電率對於試驗材料No.1~40，65%IACS以上為合格。對於試驗材料No.101~137，80%IACS以上為合格。

(露出於表面的粒子粒徑和密度的測定)

使用所製作的試驗材料，利用×2000倍進行表面的SEM觀察，在100μm×100μm的範圍內計量粒徑(外接圓直徑)為1μm以上的Fe、Fe-P或Fe-P-O粒子或夾雜物的個數，算出1mm²的平均個數。另外，在同範圍中測定上述粒子或夾雜物的最大粒徑。

(表面粗糙度的測定)

使用所製作的試驗材料，利用AFM(Atomic Force Microscope)沿壓延垂直方向觀察試驗材料表面狀態，求得曲線表面粗糙度(AFM輪廓)，由該AFM輪廓求得Ra(算數平均粗糙度)，Rz_JIS(十點平均粗糙度)和Rz(最大高度粗糙度)。壓延垂直方向的AFM輪廓的一例示於圖3和圖5中。

(凹坑形狀的測定)

凹坑的壓延平行方向的平均長度和深度由壓延平行方向的AFM輪廓求得。壓延平行方向的AFM輪廓的一例示於圖2和圖4。如圖2和圖4所示，與銅合金板表面的一般的粗糙度曲線不同，在壓延平行方向連續形成有明顯的凹坑。另外，凹坑的壓延垂直方向的平均長度由壓延垂直方向的AFM輪廓(參照圖3和圖5)求得。AFM輪廓的測定長度為500μm。

凹坑的長度為AFM輪廓的相鄰的峰頂之間的距離，並將壓延平行方向和壓延垂直方向均由AFM輪廓求得的Rsm(輪廓曲線要素的平均長度)視為凹坑的平均長度。凹坑的深度為AFM輪廓相鄰的峰頂和谷底之間的距離，其最大值作為凹坑的最大深度。

接著，對製作的試驗材料在下述條件下進行鍍Ag，按下述要點進行有無鍍Ag缺陷的觀察、耐熱剝離性試驗和反射率的測定。測定結果示於表1~8中。

(鍍Ag條件)

對各試驗材料進行電解脫脂(5Adm²×60sec)，酸洗(20質量%硫酸×5sec)，以平均厚度0.1μm為目標進行Cu閃鍍後，進行了厚度2.5μm的鍍Ag。Ag鍍敷液的成分如下。Ag濃度：80g/L，游離KCN濃度：120g/L，碳酸鉀濃度：15g/L，添加劑(商品名：Ag20-10T(Metalor Technologies SA製))：20ml/L。

(有無鍍Ag缺陷)

SEM觀察鍍Ag表面，評價1mm²的範圍的鍍Ag有無缺陷(鍍敷未鍍、凸起)。

(耐熱剝離性)

從各試驗材料採樣長方形試驗片，沾焊後，保持150℃×1000Hr，確認彎曲復原時的焊料的剝離狀況。將焊料未剝離的評價為○(合格)，剝離的評價為×(不合格)。還有，焊料使用Sn-3質量%Ag-0.5質量%Cu焊料，按浴溫260±5℃、浸漬時間5sec來進行。

(反射率的測定)

採用Konica Minolta股份公司製的分光測色計CM-600d測定總反射率(正反射率+漫反射率)。總反射率90%以上為合格。

如表1、2所示，No.1~21的合金成分、露出於試驗材料表面的粒子的尺寸和密度、表面粗糙度及表面的凹坑的大小等均滿足本發明的規定，不僅拉伸強度大、導電率高、焊料耐熱剝離性優異，而且與未形成凹部的通常的C194(No.33)相比，鍍Ag的反射率高。

同樣，如表3、4所示，No.101~119的合金成分、表面粗糙度和表面的凹坑的大小等均滿足本發明的規定，不僅拉伸強度大、導電率高、焊料耐熱剝離性優異，而且與未形成凹部的Cu-Fe-P合金(No.130)相比，鍍Ag的反射率高。

另一方面，如表2所示，本發明中規定的合金成分以外的No.22~32中，No.23~32的拉伸強度、導電率和焊料耐熱剝離性的任意一項特性均較差，另外，No.22、25、28的表面露出粒子的最大粒徑大，粒徑1μm以上的露出粒子的密度也高，因此產生鍍Ag缺陷，反射率也低。

另外，如表4所示，本發明中規定的合金成分以外的No.120~129的拉伸強度、導電率和焊料耐熱剝離性的任意一項特性均較差。還有，No.129與C194相當。

另外，雖然在表面形成有密集的凹部，但是未滿足表面粗糙度的規定、凹部的平均長度和凹部的最大深度的規定中的1個或2個以上的No.34~40、131~137的任意一個反射率均低。

本申請案是依據日本發明專利申請案第2013-067387號和2013-067467號(申請日：2013年3月27日)要求主張優先權。其內容經由引用併入本文。

Claims

一種LED導線架用銅合金板條，其特徵為，壓延垂直方向的表面粗糙度為Ra：0.2μm以下，Rz_JIS：1.2μm以下，Rz：1.5μm以下，且沿著壓延平行方向在表面密集地形成：壓延平行方向的平均長度為2~100μm，壓延垂直方向的平均長度為1~30μm，最大深度為400nm以下的凹坑。
如申請專利範圍第1項所述的LED導線架用銅合金板條，其中，包含Fe：1.8~2.6質量%、P：0.005~0.20質量%、Zn：0.01~0.50質量%，餘量由Cu和不可避免的雜質所構成。
如申請專利範圍第2項所述的LED導線架用銅合金板條，其中，還包含合計為0.02~0.3質量%的Sn、Co、Al、Cr、Mg、Mn、Ca、Pb、Ni、Ti、Zr中的1種或2種以上。
如申請專利範圍第1~3項中任一項所述的LED導線架用銅合金板條，其中，露出於表面的Fe、Fe-P或Fe-P-O粒子的粒徑為5μm以下，並且具有1μm以上的粒徑的粒子為3000個/mm²以下。
如申請專利範圍第1項所述的LED導線架用銅合金板條，其中，包含Fe：0.01~0.5質量%、P：0.01~0.20質量%、Zn：0.01~1.0質量%、Sn：0.01~0.15質量%，餘量由Cu和不可避免的雜質所構成。
如申請專利範圍第5項所述的LED導線架用銅合金板條，其中，還包含合計為0.02~0.3質量%的Co、Al、Cr、Mg、Mn、Ca、Pb、Ni、Ti、Zr、Si、Ag中的1種或2種以上。