TW201736611A - 散熱零件用銅合金板 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種銅合金板，其於製造散熱零件之程序的一部分包含加熱至650℃以上之溫度之程序的情形下，可使製造後之散熱零件具有充分之強度與散熱性能。此銅合金板含有Ni：0.2~0.95質量%及Fe：0.05~0.8質量%、與P：0.03~0.2質量%，Ni與Fe之合計含量設為〔Ni+Fe〕、P之含量設為〔P〕時，〔Ni+Fe〕為0.25~1.0質量%且〔Ni+Fe〕/〔P〕為2~10，除此之外的其餘部分為Cu及不可避免之雜質。此銅合金板之0.2%耐力為100MPa以上且具有優異之彎曲加工性；在850℃下加熱30分鐘後水冷，而後在500℃下加熱2小時之時效處理進行後之0.2%耐力為120MPa以上、導電率為40%IACS以上。

Description

散熱零件用銅合金板
本發明有關一種散熱零件用銅合金板，此散熱零件用銅合金板係使用在處理自電腦之CPU、LED燈等產生的熱之散熱板、散熱片、熱管等之中。本發明尤其是有關一種在作為散熱零件之製造程序的一部分，包含硬焊、擴散接合、脫氣等加熱於高溫之程序的情況下所使用之散熱零件用銅合金板。
碟型PC、筆記型PC等之上所搭載的CPU，正急速地邁向動作速度之高速化及高密度化一途，因而出自此等CPU之發熱量更加地增大。CPU之溫度若是上升至一定以上之溫度，將會成為錯誤作動、熱失控等之原因，因此自CPU等之半導體裝置的有效性散熱已成為迫切的問題。
作為吸收半導體裝置之熱，並予放散至大氣中之散熱零件，所使用的是散熱片。由於散熱片被要求高熱傳導性，故而作為其素材乃使用熱傳導率大的銅、鋁等。然而，對流熱阻卻會限制散熱片之性能，以致迄今難以滿足 發熱量增大之高機能電子零件的散熱要求。
為此，作為具有更高之散熱性的散熱零件，業界乃提案一種具有高熱傳導性及熱輸送能力之管狀熱管及平面狀熱管(均熱板)。熱管藉由其內部封入之冷媒的蒸發(自CPU之吸熱)與凝縮(吸收之熱放出)循環地進行，而發揮比散熱片更高的散熱特性。又，還有一種提案是藉由將熱管與散熱片及風扇此類散熱零件組合，而解決半導體裝置之發熱問題。
作為用於散熱板、散熱片、熱管等之散熱零件的素材，經常採用的是導電率及耐蝕性優異之純銅製(無氧銅：C1020)的板或管。為了確保成形加工性，作為素材係採用軟質之退火材(O材)及/或1/4H調質材，但於後述之散熱零件之製造步驟中，卻有變形及瑕疵易於發生、沖裁加工時易於出現毛刺、沖裁模具易於磨耗等之問題。另一方面，專利文獻1及2中，記載有作為散熱零件之素材的Fe-P系銅合金板。
散熱板及散熱片，係在將純銅板藉由壓製成形、沖裁加工、切削、開孔加工、蝕刻等加工成特定形狀後，因應必要再實施鍍Ni及/或鍍Sn之後，以焊錫、硬焊材、接著劑等與CPU等之半導體裝置接合。
管狀熱管(參見專利文獻3)，係將銅粉末於管內燒結而形成芯體，在加熱脫氣處理後，將其一端以硬焊密封，並在真空或減壓下將冷媒置入管內，再將另一個端部以硬焊密封而製造。
平面狀熱管(參見專利文獻4及5)，係將管狀熱管之散熱性能進一步提升者。作為平面狀熱管，為了將冷媒之凝縮與蒸發有效率地進行，與管狀熱管相同，業界曾提案一種將內面進行粗面化加工、溝槽加工等而成者。將已進行壓製成形、沖裁加工、切削、蝕刻等加工之上下2片之純銅板，利用硬焊、擴散接合、熔接等之方法接合，於其內部置入冷媒後，再以硬焊等之方法進行密封。在接合步驟時有進行脫氣處理之情形。
又，作為平面狀熱管，曾有提案一種由外面構件、收容於外面構件之內部之內部構件所構成者。內部構件為了促進冷媒之凝縮、蒸發及輸送，係於外面構件之內部以一個或複數個配置，且經加工形成有各種形狀之鰭片、突起、孔洞、槽隙等。針對此種形式之平面狀熱管亦然，係在將內部構件配置於外面構件之內部後，再利用硬焊、擴散接合等之方法將外面構件與內部構件接合一體化，並於置入冷媒後，以硬焊等之方法予以密封。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本特開2003-277853號公報
[專利文獻2]日本特開2014-189816號公報
[專利文獻3]日本特開2008-232563號公報
[專利文獻4]日本特開2007-315745號公報
[專利文獻5]日本特開2014-134347號公報
於此等散熱零件之製造步驟中，散熱板及散熱片在軟焊及硬焊之步驟中係被加熱至200~700℃左右。管狀熱管及平面狀熱管，在燒結、脫氣、使用磷銅硬焊材(BCuP-2等)之硬焊、擴散接合、熔接等之步驟被加熱至800~1000℃左右。
例如，作為熱管之素材使用純銅板之情形下，在650℃以上之溫度加熱時之軟化劇烈。此外，還會產生急劇之結晶粒之粗大化。因此，在對散熱片及半導體裝置安裝、或是對於PC殼體組裝等之際，所製造之熱管易於變形，且熱管內部之構造變化。此外，表面之凹凸也會增大，而有無法發揮所期望之散熱性能的問題。又，為了避免如此般之變形，雖可增厚純銅板之厚度，但若如此則熱管之質量及厚度增大。厚度增大之情形下，PC殼體內部之間隙變小，而有對流傳熱性能低落之問題。
又，專利文獻1及2所記載之銅合金板(Fe-P系)亦為如此，若以650℃以上之溫度加熱則會軟化，再者與純銅相比導電率會大幅降低。因此，在經由燒結、脫氣、硬焊、擴散接合、熔接等之步驟製造例如平面狀熱管之情形下，由於該熱管之搬送及處置、及組裝入基板之步驟等而容易變形。另外，因導電率降低之故，作為熱管之所期望的性能變得不會出現。
本發明係有鑑在自純銅或銅合金板製造散熱零件之程序的一部分之中包含加熱至650℃以上之溫度的程序時之上述問題點而創成者，其目的係在提供一種對於經由加熱至650℃以上之溫度的程序而製造之散熱零件，可賦予充分之強度與散熱性能的銅合金板。
析出硬化型銅合金，藉由於溶體化處理後進行時效處理，其強度及導電率提升。然而，析出硬化型銅合金，於溶體化處理後，若非施加冷塑性加工而將成為析出位置的塑性應變導入合金中之後再進行時效處理，則有時效處理所帶來之強度及導電率之提升效果不高的情形。
若是經由硬焊、擴散接合、熔接等之加熱步驟所製作的均熱板等之散熱零件的情形下，上述加熱步驟後不實施塑性加工。因此，上述散熱零件若是由析出強化型銅合金之板材製作的情況下，在相當於溶體化處理之上述加熱步驟後，即使實施時效處理，仍會有強度及導電率未充分提升之情形。
另一方面，發明人等發現於析出硬化型銅合金之中的Cu-(Ni,Fe)-P系合金中，藉由限定Ni、Fe及P之組成範圍及〔Ni+Fe〕/P比，即使於上述加熱步驟後不施加塑性加工下而進行時效處理的情形時，散熱零件之強度及導電率仍然大幅提升，終而達成本發明。
本發明相關之散熱零件用銅合金板，係用於 作為散熱零件製造之程序的一部分，包含加熱至650℃以上之程序與時效處理之情況，其含有Ni：0.2~0.95質量%及Fe：0.05~0.8質量%、與P：0.03~0.2質量%，其餘部分為Cu及不可避免之雜質；Ni與Fe之合計含量設為〔Ni+Fe〕、P之含量設為〔P〕時，〔Ni+Fe〕為0.25~1.0質量%，〔Ni+Fe〕/〔P〕為2~10，0.2%耐力為100MPa以上且具有優異之彎曲加工性；在850℃下30分鐘加熱後水冷，而後進行在500℃下加熱2小時之時效處理後之0.2%耐力為120MPa以上、導電率為40%IACS以上
本發明相關之散熱零件用銅合金板，因應必要，作為合金元素可進而含有未達0.05質量%範圍的Co。又，本發明相關之散熱零件用銅合金板，因應必要，作為合金元素可進而含有Sn：0.005~1.0質量%、Mg：0.005~0.2質量%之範圍的Sn與Mg之1種或2種，或/及含有1.0質量%以下之範圍的Zn。另外，本發明相關之散熱零件用銅合金板，因應必要，作為合金元素，可進而含有合計為0.005~0.5質量%之Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種以上。
本發明相關之銅合金板，係用於作為散熱零件製造之程序的一部分，包含加熱至650℃以上之程序與時效處理之情況。換言之，使用本發明相關之銅合金板所製造之散熱零件，係於高溫加熱至650℃以上後接受時效 處理，強度獲得提升。
本發明相關之銅合金板，0.2%耐力為100MPa以上，且具有優異之彎曲加工性。而且，本發明相關之銅合金板，於850℃下加熱30分鐘，而後再進行在500℃下加熱2小時之時效處理後，0.2%耐力為120MPa以上，導電率為40%IACS以上。本發明相關之銅合金板，時效處理後之強度高，因此在將使用此銅合金板製造之熱管等之散熱零件安裝於散熱片及半導體裝置、或是組裝入PC殼體等時，該散熱零件不易變形。又，本發明相關之銅合金板，導電率雖較純銅板低，但時效處理後之強度高，因此可薄壁化，以散熱性能之層面來看，可補償導電率降低之部分。
以下，針對本發明之實施方式相關之散熱零件用銅合金板，進行更詳細之說明。
本發明之實施方式相關之銅合金板，係藉由壓製成形、沖裁加工、切削、蝕刻等被加熱成特定形狀，再經高溫加熱(用於脫氣、接合(硬焊、擴散接合、熔接(TIG、MIG、雷射等)、燒結等之加熱)，而被最終加工成散熱零件。根據散熱零件之種類及製造方法，上述高溫加熱之加熱條件雖有所不同，但於本發明之實施方式中，係想定上述高溫加熱係於650℃~1050℃左右進行之情形。本發明之實施方式相關之銅合金板包含後述之組成 的(Ni,Fe)-P系銅合金，若是加熱於上述溫度範圍內，則析出於母材之(Ni,Fe)-P化合物的至少一部分會固溶而結晶粒生長，產生軟化及導電率降低之現象。
本發明之實施方式相關之銅合金板，係於850℃下30分鐘加熱後再以水冷，然後進行於500℃下加熱2小時之時效處理後的強度(0.2%耐力)為120MPa以上，導電率為40%IACS以上。在850℃下30分鐘之加熱，係散熱零件之製造時想定上述高溫加熱之程序的加熱條件。本發明之實施方式相關之銅合金板若於此一條件下高溫加熱，則加熱前析出之(Ni,Fe)-P化合物固溶而結晶粒生長，產生軟化及導電率降低之現象。而後，若將上述銅合金板時效處理，則微細之(Ni,Fe)-P化合物析出。藉此，因上述高溫加熱而降低之強度及導電率顯著地改善。
上述時效處理，可利用(a)於高溫加熱後之冷卻步驟中將析出溫度範圍保持一定時間，(b)高溫加熱後冷卻至室溫，而後再加熱於析出溫度範圍保持一定時間，(c)於上述(a)之步驟後，再加熱於析出溫度範圍保持一定時間等之方法而實施。
作為具體之時效處理條件，可例舉的是於300~600℃之溫度範圍保持5分鐘~10小時之條件。在強度之提高為優先時，適當選擇微細(Ni,Fe)-P化合物生成之溫度-時間條件，在導電率之提高為優先時，適當選擇固溶之Ni、Fe及P減少之過時效處理之溫度-時間條件即可。
時效處理後之銅合金板，與高溫加熱後之純 銅板相比導電率低，但強度比純銅板顯著地變高。為了獲得此一效果，使用本發明之實施方式相關之銅合金板所製造的熱管等之散熱零件，在高溫加熱後經時效處理。時效處理條件係如上所述。時效處理後之散熱零件(銅合金板)強度高，在安裝於散熱片及半導體裝置、或是組裝入PC殼體等時，可防止該散熱零件之變形。又，本發明之實施方式相關之銅合金板(時效處理後)，因與純銅板相比強度為高，故可薄壁化(0.1~1.0mm厚)，藉此可提高散熱零件之散熱性能，可補償與純銅板相比時導電率降低的部分。
又，本發明之實施方式相關之銅合金板，即便是高溫加熱之溫度未達850℃(650℃以上)或超過850℃(1050℃以下)，時效處理後，仍可達成120MPa以上之0.2%耐力、及40%IACS以上之導電率。
本發明之實施方式相關之銅合金板，在被高溫加熱至650℃以上之溫度之前，係藉由壓製成形、沖裁加工、切削、蝕刻等被加工成散熱零件。銅合金板有必要具有於上述加工時之搬送及處置中不易變形的強度，以及可無阻礙地實行上述加工之機械特性。更具體而言，本發明之實施方式相關之銅合金板，具有100MPa以上之0.2%耐力、及優異之彎曲加工性。若能符合以上之特性，銅合金板之調質不成問題。例如溶體化處理材、時效處理畢而時效處理畢材再經冷軋者等，任一者均可使用。
彎曲加工中，被要求的是彎曲部不發生破 裂。再者，彎曲線及其附近，較佳的是不發生皺摺。即使是同一材質之銅合金板，因彎曲所導致之破裂及皺摺的易發生性，係依存於彎曲半徑R與板厚t之比率R/t。使用銅合金板製造均熱板等之散熱零件的情形下，作為銅合金板之彎曲加工性，通常被要求的是輥軋平行方向及直角方向均是在進行R/t≦2之彎曲的情形下不發生破裂。作為銅合金板之彎曲加工性，較佳的是在R/t≦1.5之彎曲下不發生破裂，更好的是在R/t≦1.0之彎曲下不發生破裂。銅合金板之彎曲加工性，一般而言係以板寬10mm之試驗片測試(參見後述之實施例之彎曲加工性試驗)。將銅合金板材彎曲加工之情形下，彎曲幅愈大則破裂變得更易發生，因此作為散熱零件特別是彎曲幅大的情形下，較佳的是在R/t=1.0之彎曲下不發生破裂，更好的是在R/t=0.5之彎曲下不發生破裂。又，為了在彎曲線及其附近不發生皺褶，較佳的是銅合金板之表面在板寬方向測定之平均結晶粒徑(切斷法)為20μm以下，更好的是15μm以下。
如前所述，將本發明之實施方式相關之銅合金板加工所製造之散熱零件，若是高溫加熱至650℃以上之溫度則會軟化。高溫加熱後之散熱零件，較佳的是具有於時效處理實施時之搬送及處置中不易變形的強度。為此，較佳的是於850℃下加熱30分鐘後水冷之階段，具有50MPa以上之0.2%耐力。
使用本發明之實施方式相關之銅合金板製造之散熱零件，在接受時效處理後，因應必要，以提升耐蝕 性及焊接性為主要目的，可至少在其外表面之一部分形成Sn被覆層。Sn被覆層，包含電鍍、無電解電鍍、或是此等電鍍後加熱於Sn之熔點以下或熔點以上而形成者。Sn被覆層包含Sn金屬與Sn合金，作為Sn合金，可舉的是包含除Sn以外之合計5質量%以下的作為合金元素之Bi、Ag、Cu、Ni、In及Zn中之1種以上者。
Sn被覆層之下，可形成Ni、Co、Fe等之底鍍層。此等底鍍層，具有可防止自母材之Cu或合金元素的擴散之作為障壁的機能、及因使散熱零件之表面硬度增大所達成之損傷防止機能。還可於上述底鍍層之上鍍Cu，進而鍍Sn後，再進行加熱於Sn之熔點以下或熔點以上的熱處理而形成Cu-Sn合金層，據此形成底鍍層、Cu-Sn合金層及Sn被覆層之3層構成。Cu-Sn合金層，具有可防止自母材之Cu或合金元素的擴散之作為障壁的機能、及因使散熱零件之表面硬度增大所達成之損傷防止機能。
又，使用本發明之實施方式相關之銅合金板所製造之散熱零件，在接受時效處理後，因應必要，可至少於其外表面之一部分形成Ni被覆層。Ni被覆層，具有可防止自母材之Cu或合金元素的擴散之作為障壁的機能、及因使散熱零件之表面硬度增大所達成之損傷防止機能、以及提升耐蝕性之機能。
其次，針對本發明之實施方式相關之銅合金板的組成進行說明。
本發明之實施方式相關之銅合金板，含有Ni：0.2~ 0.95質量%及Fe：0.05~0.8質量%、與P：0.03~0.2質量%。Ni及Fe之合計含量〔Ni+Fe〕係設為0.25~1.0質量%之範圍內。
Ni及Fe，與P之間生成P化合物，而提升銅合金板之強度及耐應力緩和特性。又，此一P化合物，包含Ni-P化合物、Fe-P化合物、及Ni之一部分由Fe取代之Ni-Fe-P化合物的1種或2種以上。本發明之實施方式中，將此一P化合物記為(Ni,Fe)-P化合物。P化合物其固溶溫度高，即使銅合金板被加熱至650℃以上之高溫(例如850℃)，其一部分也是較安定地存在，而防止結晶粒徑之粗大化。另一方面，銅合金板之加熱溫度愈高，則水冷後之凍結空孔濃度變高，使得析出物之核生成位置增加。因此，藉由後續進行之時效處理可增加球狀析出物之數密度，此對時效處理後之強度之提高有貢獻。
Ni及Fe之合計含量〔Ni+Fe〕未達0.25質量%，或是P含量未達0.03質量%下，P化合物之析出量少，使得提升銅合金板之強度及耐應力緩和特性的效果減少。另一方面，〔Ni+Fe〕超過1.0質量%或是P含量〔P〕超過0.2質量%，則粗大之氧化物、晶析物、析出物等生成以致熱間加工性降低，且銅合金板之強度、耐應力緩和特性及彎曲加工性降低。此外，Ni、Fe及P之固溶量增加，銅合金板之導電率降低。因此，〔Ni+Fe〕設為0.25~1.0質量%，P含量設為0.03~0.2質量%。
又，Ni及Fe之個別含量，分別若是未達0.2質量 %、未達0.05質量%之情形下，則提升銅合金板之強度及耐應力緩和特性的效果少。因此，Ni及Fe之含量之下限值，分別設為0.2質量%、0.05質量%。
Ni及Fe之合計含量〔Ni+Fe〕與P含量〔P〕之含量比〔Ni+Fe〕/〔P〕，在未達2或超過10之情形下，成為過量之Ni、Fe或P會固溶而導電率降低。因此，含量比〔Ni+Fe〕/〔P〕設為2~10。〔Ni+Fe〕/〔P〕之下限值宜為2.2，上限值較佳的是9.5。
Co係在Cu基體中以Co單獨析出而提升銅合金之耐熱性，因此可因應必要添加。又，Co會取代(Ni,Fe)-P化合物之Ni或Fe之一部分，而提升銅合金板之強度及耐應力緩和特性。然而，因Co高價之故，Co含量設為未達0.05質量%。
Sn會固溶於銅合金母相中而具有提升銅合金之強度的作用，可因應必要添加。又，Sn之添加對於耐應力緩和特性之提升亦屬有效。散熱零件之使用環境若是80℃或其以上時，蠕變變形產生而使得與CPU等之熱源的接觸面減小，散熱性降低，但藉由提升耐應力緩和特性而可抑制此一現象。為了獲得強度及耐應力緩和特性之提升效果，Sn含量設為0.005質量%以上，較佳的是0.01質量%以上，更好的是0.02質量%以上。另一方面，Sn含量若是超過1.0質量%，則會降低銅合金板之彎曲加工性，且會降低時效處理後之導電率。因此，Sn含量設為1.0質量%以下，較好的是0.6質量%以下，更好的是0.3質量% 以下。
Mg與Sn相同，會固溶於銅合金母相而具有提升銅合金之強度及耐應力緩和特性的作用，因此可因應必要添加。為了獲得強度及耐應力緩和特性之提升效果，Mg含量設為0.005質量%以上。另一方面，Mg含量若是超過0.2質量%，則會降低銅合金板之彎曲加工性，且會降低時效處理後之導電率。因此，Mg含量設為0.2質量%以下，較好的是0.15質量%以下，更好的是0.05質量%以下。
Zn具有提升銅合金板之強度、及改善焊料之耐熱剝離性及Sn鍍層之耐熱剝離性的作用，可因應必要添加。在將散熱零件組裝入半導體裝置時，有必須進行焊接之情況，而且在散熱零件製造後，為了改善耐蝕性有進行鍍Sn之情況。於如此之散熱零件之製造中，含有Zn之銅合金板可適當地使用。然而，Zn之含量若是超過1.0質量%，則焊料潤濕性降低，因此Zn之含量設為1.0質量%以下。Zn之含量較佳的是設為0.7質量%以下，更好的是0.5質量%以下。另一方面，Zn含量若是未達0.01質量%，則耐熱剝離性之改善不夠充分，Zn之含量較好的是0.01質量%以上。Zn含量更好的是0.05質量%以上，再好的是0.1質量%以上。
又，本發明之實施方式相關之銅合金板含Zn之情形下，若是以500℃以上之溫度加熱，則因加熱氛圍Zn會氣化，而有劣化銅合金板之表面性狀，或污染加熱爐之情 形。基於防止Zn之氣化之觀點，Zn之含量宜設為0.5質量%以下，更好的是0.3質量%以下，再好的是0.2質量%以下。
Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr及Ag具有提升銅合金之強度及耐熱性的作用，因此可因應必要添加其等之1種或2種以上。此等元素若被添加之情形下，含量若多則銅合金之導電率降低，因此此等元素之1種或2種以上之合計含量限制於0.5質量%以下。另一方面，為了獲得上述作用，此等元素之合計含量之下限值設為0.005質量%以上。下限值較佳的是0.01質量%，更好的是0.02質量%。
其中，Si、Al及Mn即使少量地含有也會降低銅合金之導電率，因此各自之上限值宜設為Si：0.2質量%、Al：0.2質量%及Mn：0.1質量%。另一方面，為了獲得上述作用，Si、Al及Mn其各自之下限值宜設為Si：0.01質量%、Al：0.01質量%及Mn：0.01質量%。Cr、Ti及Zr，易於形成數μm~數10μm左右之氧化物系、硫化物系等之夾雜物，因冷軋而在上述夾雜物與母材之間形成間隙，於上述夾雜物存在於表面時，會降低銅合金之耐蝕性。因此，Cr、Ti及Zr之上限值，宜設為Cr：0.2質量%、Ti：0.1質量%及Zr：0.05質量%。另一方面，為了獲得上述作用，Cr、Ti及Zr，其等各自之下限值宜設為Cr：0.005質量%、Ti：0.01質量%及Zr：0.005質量%。Ag之上限值設為0.5質量%，為了獲得上述作用，下限值 宜設為0.01質量%。
作為不可避免之雜質的H、O、S、Pb、Bi、Sb、Se及As，在銅合金板於650℃以上之溫度下長期被加熱時會聚集於粒界，而有引起加熱中及加熱後之粒界破裂及粒界脆化等之可能性，因此此等元素之含量宜減少。H在加熱中會聚集於粒界、及/或夾雜物與母材之界面，而產生膨脹，因此較佳的是設為未達1.5ppm(質量ppm，以下同)，更好的是未達1ppm。O宜設為未達20ppm，更好的是未達15ppm。S、Pb、Bi、Sb、Se及As，較佳的是合計含量設為未達30ppm，更好的是設為未達20ppm。特別是有關Bi、Sb、Se及As，較佳的是此等元素之合計含量設為未達10ppm，更好的是設為未達5ppm。
本發明之實施方式相關之銅合金板，可藉由將具有上述組成之鑄塊均熱處理後，以(1)熱軋-冷軋-退火，(2)熱軋-冷軋-退火-冷軋，(3)熱軋-冷軋-退火-冷軋-低溫退火等之步驟而製造。上述(1)~(3)中，冷軋-退火之步驟可進行複數次。
上述退火中，包含軟化退火、再結晶退火或析出退火(時效處理)。軟化退火或再結晶退火之情形下，加熱溫度可自600~950℃之範圍，加熱時間為5秒~1小時之範圍選定。軟化退火或再結晶退火兼作為溶體化處理之情形下，進行在650~950℃下加熱5秒~3分鐘之連續退火即可。析出退火之情形下，如前所述，以在300~600℃左 右之溫度範圍內保持0.5~10小時之條件進行即可。軟化退火或再結晶退火兼作為溶體化處理之情形下，可以後續步驟進行析出退火。
最終冷軋，配合目標之0.2%耐力與彎曲加工性，自加工率5~80%之範圍選定即可。
低溫退火，係為了恢復銅合金板之延性，而將銅合金板於不再結晶下予以軟化者，連續退火之情形下，定為於300~650℃之氛圍下保持1秒~5分鐘左右即可。又，分批式退火之情形下，銅合金板之實體溫度定為在250℃~400℃下保持5分鐘~1小時左右即可。
根據以上之製造方法，可製造0.2%耐力為100MPa以上，且具有優異之彎曲加工性的銅合金板。又，此一銅合金板在850℃下經加熱30分鐘，而後接受在500℃下加熱2小時之時效處理時，具有120MPa以上之0.2%耐力及40%IACS以上之導電率。
本發明之實施方式相關之銅合金板，較佳的是在將鑄塊均熱處理且熱軋後，以冷軋、伴隨溶體化之再結晶處理、冷軋、時效處理之步驟而製造。伴隨著溶體化之再結晶處理後，也可在不作冷軋下進行時效處理，後續再進行冷軋。此一製造方法之前提下，使用上述組成之銅合金，利用以下之條件所製造之銅合金板，其0.2%耐力為300MPa以上，具有優異之彎曲加工性。
熔解及鑄造，可利用連續鑄造、半連續鑄造等之一般方法進行。又，作為銅熔解原料，較佳的是使用S、Pb、 Bi、Se及As含量少者。又，較佳的是注意被覆於銅合金熔液之木炭之赤熱化(水分除去)、生金屬、邊角原料、導槽、鑄模之乾燥、及熔液之脫氧等，減少O及H。
均質化處理，宜在鑄塊內部之溫度到達800℃以上之溫度後，保持30分鐘以上。均質化處理之保持時間更好的是1小時以上，再好的是2小時以上。
均質化處理後，將熱軋以800℃以上之溫度開始。為了在熱軋材中不致形成粗大之(Ni,Fe)-P析出物，較佳的是熱軋以600℃以上之溫度終了，並自該溫度以水冷等之方法進行急冷。熱軋後之急冷開始溫度若是較600℃為低，則粗大之(Ni,Fe)-P析出物形成，組織易於變得不均一，導致銅合金板(製品板)之強度降低。熱軋之終了溫度宜為650℃以上之溫度，更好的是700℃以上之溫度。又，熱軋後急冷之熱軋材之組織成為再結晶組織。後述之伴隨著溶體化之再結晶處理可由熱軋後進行之急冷兼而實施。
藉由熱軋後之冷軋，對於銅合金板施加一定之應變，而可在後續之再結晶處理後，獲得具有所期望之再結晶組織(微細之再結晶組織)之銅合金板。
伴隨著溶體化之再結晶處理，係在650~950℃，較佳係在670~900℃、3分鐘以下之保持條件下進行。銅合金中之Ni、Fe及P之含量少的情形下，於上述溫度範圍內之較低溫區域，Ni、Fe及P之含量多的情形下，宜在上述溫度範圍內之較高溫區域進行。藉由此一再結晶處 理，除可將Ni、Fe及P固溶於銅合金母材外，還可形成彎曲加工性成為良好之再結晶組織(結晶粒徑1~20μm)。此一再結晶處理之溫度若較650℃為低，則Ni、Fe及P之固溶量減少，強度降低。另一方面，若是再結晶處理之溫度超過950℃或處理時間超過3分鐘，則再結晶粒粗大化。
伴隨著溶體化之再結晶處理後，可選擇(a)冷軋-時效處理、(b)冷軋-時效處理-冷軋、(e)冷軋-時效處理-冷軋-低溫退火、(d)時效處理-冷軋、(e)時效處理-冷軋-低溫退火之之任一步驟。
時效處理(析出退次)，係在加熱溫度300~600℃左右下保持0.5~10小時之條件下進行。此一加熱溫度若是未達300℃則析出量少，若是超過600℃則析出物易於粗大化。加熱溫度之下限宜為350℃，上限宜為580℃，更好的是設為560℃。時效處理之保持時間，係根據加熱溫度適當選擇，係在0.5~10小時之範圍內進行。此一保持時間若是在0.5小時以下，則析出變得不充分，而即使超過10小時析出量也仍是飽和，生產性降低。保持時間之下限宜為1小時，更好的是設為2小時。
[實施例1]
鑄造表1及2所示組成之銅合金，分別製作厚度45mm、長85mm及寬200mm之鑄塊。此一銅合金中，不可避免之雜質的H未達1ppm，O未達15ppm， S、Pb、Bi、Sb、Se及As合計含量未達20ppm。
針對各鑄塊以965℃進行3小時之均熱處理，而後再進行熱軋而形成為板厚15mm之熱軋材，再自650℃以上之溫度進行淬火(水冷)。將淬火後之熱軋材之兩面以逐次1mm地研磨(表面切削)後，冷粗軋至目標板厚0.6mm，再進行650~950℃下保持10~60秒之再結晶處理(伴隨溶體化)。其次，再於500℃下進行2小時之時效處理(析出退火)後，實施50%之精加工冷軋，製造板厚0.3mm之銅合金板。
又，表1及2所示之實施例4、7及10與比較例1及5，係將冷粗軋後之銅合金板(厚度0.6mm)之一部分(長2000mm)使用於後述之〔實施例3〕及〔實施例4〕。
將所獲得之銅合金板作為待測樣品，根據下述要領，進行導電率、機械特性、彎曲加工性及焊料潤濕性之各種測定試驗。其結果示於表3及4。
又，將所獲得之銅合金板以850℃作30分鐘加熱後再予水冷者，以及進而進行以500℃加熱2小時之時效處理(析出處理)者，分別作為待測樣品，進行導電率及機械特性之各測定試驗。其結果係示於表3及4。
(導電率之測定)
導電率之測定，係根據JIS-H0505中所規定之非鐵金屬材料導電率測定法，以使用雙電橋式之四端子法進行。
(機械特性)
自待測樣品，以長度方向成為輥壓平行方向之方式切出JIS5號拉伸試驗片，並根據JIS-A2241實施拉伸試驗，測定耐力及伸長率。耐力係相當於永久伸長率0.2%之抗拉強度。
(彎曲加工性)
彎曲加工性之測定，係依據伸銅協會標準JBMA-T307中所規定之W彎曲試驗方法實施。自各待測樣品切出寬10mm及長30mm之試驗片，使用R/t=0.5之治具，進行G.W.(Good Way(彎曲軸與輥軋方向垂直))及B.W.(Bad Way(彎曲軸與輥軋方向平行))之彎曲。 其次，利用100倍之光学顯微鏡目視觀察彎曲部有無破裂，以G.W.及B.W.二者均未發生者為○(合格)，以G.W.及B.W.之任一者或二者發生破裂者為×(不合格)，以此進行評估。
(焊料潤濕性)
自各待測樣品採取長條狀試驗片，將非活性助焊劑浸漬塗布1秒後，以潤濕平衡法測定焊料潤濕時間。焊料係使用保持於260±5℃之Sn-3質量%Ag-0.5質量%Cu，以浸漬速度為25mm/sec、浸漬深度為5mm、且浸漬時間為5sec之試驗條件實施。焊料潤濕時間為2秒以下者評估為焊料潤濕性優異。又，比較例6以外，焊料潤濕時間為2秒以下。
表1及3所示之實施例1~24之銅合金板，合金組成符合本發明之規定，在850℃下加熱30分鐘，其次再進行時效處理後之強度(0.2%耐力)為120MPa以 上，且導電率為40%IACS以上。又，850℃加熱前之銅合金板的特性，強度(0.2%耐力)為300MPa以上，彎曲加工性、焊料潤濕性均屬優異。
相對於此，表2及4所示之比較例1~10之銅合金板，如以下所示，任何特性均屬不佳。
比較例1不含Ni，且Ni及Fe之合計含量〔Ni+Fe〕少，因此時效處理後之強度低。
比較例2，其P含量過量，因此熱軋時發生破裂，無法前進到熱軋後之步驟。
比較例3，其Ni含量少，且Ni及Fe之合計含量〔Ni+Fe〕少，P含量也少，因此時效處理後之強度低。
比較例4、5，其各自之Sn或Mg含量過量，時效處理後之導電率低。
比較例6，其Zn含量過量，如先前所述，焊料潤濕性不佳。
比較例7，其主要元素以外之元素(Al、Mn等)之合計含量過量而超過0.5質量%，時效處理後之導電率低。
比較例8不含Fe，且Ni及Fe之合計含量〔Ni+Fe〕少，因此時效處理後之強度低。
比較例9，其Ni及Fe之合計含量〔Ni+Fe〕及P含量過量，熱軋時發生破裂，無法前進到熱軋後之步驟。
比較例10，Ni含量少，時效處理後之耐力低。
[實施例2]
針對〔實施例1〕所製造之銅合金板(板厚0.3mm)之中具有代表性者(表1及2所示之實施例4、7及10與比較例1及5)，於1000℃下加熱30分鐘後水冷之，再以500℃進行加熱2小時(時效處理)，將該銅合金板作為待測樣品，依〔實施例1〕記載之方法進行導電率及機械特性之各種測定試驗。其結果係示於表5中。
如表5所示，實施例4、7及10，1000℃下加熱30分鐘，其次再作時效處理後之強度(0.2%耐力)為120MPa以上，且導電率為40%IACS以上。將表5所示之數值(時效處理後之耐力與導電率)，與在850℃下加熱30分鐘，其次再作時效處理後之測定結果(參見表3)進行比較，數值上並無大的不同。
另一方面，比較例1、5，其在1000℃下加熱30分鐘，其次再作時效處理後之強度或導電率未達基準(0.2%耐力為120MPa以上，導電率為40%IACS以上)。
[實施例3]
針對表1及2所示之實施例4、7及10與比較例1及5，使用〔實施例1〕所製造之冷粗軋後之銅合金板(厚度0.6mm)，對其進一步實施50%之冷軋，製造板厚0.3mm之銅合金板。其次，對於此一銅合金板進行在650~825℃下保持10~60秒之再結晶處理(伴隨溶體化)。
將所獲得之銅合金板作為待測樣品，根據上述〔實施例1〕中所記載之方法，進行導電率、機械特性及彎曲加工性之各種測定試驗。又，將所獲得之銅合金板以850℃加熱30分鐘後水冷者，及進而以500℃加熱2小時之進行時效處理(析出處理)者，分別作為待測樣品，相同地進行導電率及機械特性之各種測定試驗。將其結果示於表6。表6中，實施例4A、7A及10A之組成與表1之實施例4、7及10之組成相同，比較例1A及5A之組成與表2之比較例1及5之組成相同。
表6所示之實施例4A、7A及10A之銅合金板，其合金組成符合本發明之規定，在850℃下加熱30分鐘，其次再作時效處理後之強度(0.2%耐力)為120 MPa以上，且導電率為40%IACS以上。又，在850℃下加熱前之銅合金板的特性方面，強度(0.2%耐力)為100MPa以上，彎曲加工性亦屬優異。
相對於此，比較例1A之銅合金板之時效處理後之強度低，比較例5A之銅合金之時效處理後之導電率低。
[實施例4]
針對表1及2所示之實施例4、7及10與比較例1及5，使用〔實施例1〕所製造之冷粗軋後之銅合金板(厚度0.6mm)，對其進一步實施冷軋，形成板厚為0.32mm者。其次，進行在650~825℃下保持10~60秒之再結晶處理(伴隨溶體化)後，實施精加工冷軋，製造板厚0.3mm之銅合金板。
將所獲得之銅合金板作為待測樣品，根據上述實施例1所記載之方法，進行導電率、機械特性及彎曲加工性之各種測定試驗。又，將所獲得之銅合金板以850℃加熱30分鐘後水冷者、及進而進行以500℃加熱2小時之時效處理(析出處理)者，分別作為待測樣品，相同地進行導電率及機械特性之各種測定試驗。其結果示於表7中。表7中，實施例4B、7B及10B之組成與表1之實施例4、7及10之組成相同，比較例1B及5B之組成與表2之比較例1及5之組成相同。
表7所示之實施例4B、7B及10B之銅合金板，其合金組成符合本發明之規定，以850℃加熱30分鐘，其次再作時效處理後之強度(0.2%耐力)為120MPa以上，且導電率為40%IACS以上。又，在850℃下加熱前之銅合金板之特性方面，強度(0.2%耐力)為100MPa以上，彎曲加工性亦屬優異。
相對於此，比較例1B之銅合金板，其時效處理後之強度低，比較例5B之銅合金，其時效處理後之導電率低。
本說明書之發明內容，包含以下之型態。
型態1：
一種散熱零件用銅合金板，其特徵在於：其含有Ni：0.2~0.95質量%及Fe：0.05~0.8質量%、與P：0.03~0.2質量%，其餘部分為Cu及不可避免之雜質；Ni與Fe之合計含量設為〔Ni+Fe〕、P之含量設為〔P〕時，〔Ni+Fe〕為0.25~1.0質量%，〔Ni+Fe〕/〔P〕為2~10，0.2%耐力為100MPa以上且具有優異之彎曲加工性；在850℃下加熱30分鐘後水冷，而後在500℃下加熱2小時之時效處理進行後之0.2%耐力為120MPa以上、導電率 為40%IACS以上；而且於製造散熱零件之程序的一部分包括加熱於650℃以上之程序與時效處理。
型態2：
如型態1之散熱零件用銅合金板，其中進而含有未達0.05質量%範圍的Co。
型態3：
如型態1或2之散熱零件用銅合金板，其中進而含有Sn：0.005~1.0質量%、Mg：0.005~0.2質量%之範圍的Sn與Mg之1種或2種。
型態4：
如型態1至3中任一型態之散熱零件用銅合金板，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：
(i)Zn為1.0質量%以下
(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種以上，合計為0.005~0.5質量%。
型態5：
一種散熱零件，其特徵在於：其包含銅合金板，此銅合金板含有Ni：0.2~0.95質量%及Fe：0.05~0.8質量%、與P：0.03~0.2質量%，其餘部分為Cu及不可避免之雜質；Ni與Fe之合計含量設為〔Ni+Fe〕、P之含量設為〔P〕時，〔Ni+Fe〕為0.25~1.0質量%，〔Ni+Fe〕/〔P〕為2~10；且(Ni,Fe)-P化合物析出，具有120MPa以上之0.2%耐力及40%IACS以上之導電率。
型態6：
如型態5之散熱零件，其中上述銅合金板進而含有未達0.05質量%範圍的Co。
型態7：
如型態5或6之散熱零件，其中上述銅合金板進而含有Sn：0.005~1.0質量%、Mg：0.005~0.2質量%之範圍的Sn與Mg之1種或2種。
型態8：
如型態5至7中任一型態之散熱零件，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：(i)Zn為1.0質量%以下(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種以上，合計為0.005~0.5質量%。
型態9：
如型態5至8中任一型態之散熱零件，其外表面之至少一部分上形成有Sn被覆層及Ni被覆層之至少1者。
型態10：
一種散熱零件的製造方法，其特徵在於：將如型態1至4中任一型態之散熱零件用銅合金板加工成特定形狀後，施以加熱至650℃以上之程序，而後再進行時效處理，而獲得具有110MPa以上之0.2%耐力及40%IACS以上之導電率的散熱零件。
型態11：
如型態10之散熱零件的製造方法，其中在時效處理 後，於散熱零件的外表面之至少一部分上，形成Sn被覆層及Ni被覆層之至少1者。
本申請案伴同以申請日為2015年12月25日之日本發明專利申請特願第2015-254645號、及申請日為2016年9月8日之日本發明專利申請特願第2016-175464號為基礎申請案之優先權主張。特願第2015-254645號及特願第2016-175464號基於參考納入本說明書中。

Claims (19)

  1. 一種散熱零件用銅合金板，其特徵在於：其含有Ni：0.2~0.95質量%及Fe：0.05~0.8質量%、與P：0.03~0.2質量%，其餘部分為Cu及不可避免之雜質；Ni與Fe之合計含量設為〔Ni+Fe〕、P之含量設為〔P〕時，〔Ni+Fe〕為0.25~1.0質量%，〔Ni+Fe〕/〔P〕為2~10，0.2%耐力為100MPa以上且具有優異之彎曲加工性；在850℃下加熱30分鐘後水冷，而後在500℃下加熱2小時之時效處理進行後之0.2%耐力為120MPa以上、導電率為40%IACS以上；而且於製造散熱零件之程序的一部分包括加熱至650℃以上之程序與時效處理。
  2. 如申請專利範圍第1項之散熱零件用銅合金板，其中進而含有未達0.05質量%範圍的Co。
  3. 如申請專利範圍第1項之散熱零件用銅合金板，其中進而含有Sn：0.005~1.0質量%、Mg：0.005~0.2質量%之範圍的Sn與Mg之1種或2種。
  4. 如申請專利範圍第2項之散熱零件用銅合金板，其中進而含有Sn：0.005~1.0質量%、Mg：0.005~0.2質量%之範圍的Sn與Mg之1種或2種。
  5. 如申請專利範圍第1項之散熱零件用銅合金板，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：(i)Zn為1.0質量%以下(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種 以上，合計為0.005~0.5質量%。
  6. 如申請專利範圍第2項之散熱零件用銅合金板，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：(i)Zn為1.0質量%以下(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種以上，合計為0.005~0.5質量%。
  7. 如申請專利範圍第3項之散熱零件用銅合金板，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：(i)Zn為1.0質量%以下(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種以上，合計為0.005~0.5質量%。
  8. 如申請專利範圍第4項之散熱零件用銅合金板，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：(i)Zn為1.0質量%以下(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種以上，合計為0.005~0.5質量%。
  9. 一種散熱零件，其特徵在於：其包含銅合金板，此銅合金板含有Ni：0.2~0.95質量%及Fe：0.05~0.8質量%、與P：0.03~0.2質量%，其餘部分為Cu及不可避免之雜質；Ni與Fe之合計含量設為〔Ni+Fe〕、P之含量設為〔P〕時，〔Ni+Fe〕為0.25~1.0質量%，〔Ni+Fe〕 /〔P〕為2~10；且(Ni,Fe)-P化合物析出，具有120MPa以上之0.2%耐力及40%IACS以上之導電率。
  10. 如申請專利範圍第9項之散熱零件，其中上述銅合金板進而含有未達0.05質量%範圍的Co。
  11. 如申請專利範圍第9項之散熱零件，其中上述銅合金板進而含有Sn：0.005~1.0質量%、Mg：0.005~0.2質量%之範圍的Sn與Mg之1種或2種。
  12. 如申請專利範圍第10項之散熱零件，其中上述銅合金進而含有Sn：0.005~1.0質量%、Mg：0.005~0.2質量%之範圍的Sn與Mg之1種或2種。
  13. 如申請專利範圍第9項之散熱零件，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：(i)Zn為1.0質量%以下(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種以上，合計為0.005~0.5質量%。
  14. 如申請專利範圍第10項之散熱零件，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：(i)Zn為1.0質量%以下(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種以上，合計為0.005~0.5質量%。
  15. 如申請專利範圍第11項之散熱零件，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：(i)Zn為1.0質量%以下(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種 以上，合計為0.005~0.5質量%。
  16. 如申請專利範圍第12項之散熱零件，其中進而以至少符合以下之(i)或(ii)之方式，含有其他元素：(i)Zn為1.0質量%以下(ii)Si、Al、Mn、Cr、Ti、Zr、Ag中之1種或2種以上，合計為0.005~0.5質量%。
  17. 如申請專利範圍第9至16項中任一項之散熱零件，其外表面之至少一部分上形成有Sn被覆層及Ni被覆層之至少1者。
  18. 一種散熱零件的製造方法，其特徵在於：將如申請專利範圍第1至8項中任一項之散熱零件用銅合金板加工成特定形狀後，施以加熱於至650℃以上之程序，而後再進行時效處理，而獲得具有110MPa以上之0.2%耐力及40%IACS以上之導電率的散熱零件。
  19. 如申請專利範圍第18項之散熱零件的製造方法，其中在時效處理後，於散熱零件的外表面之至少一部分上，形成Sn被覆層及Ni被覆層之至少1者。
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