TWI452151B - Heat dissipation and repeated bending workability of copper alloy plate - Google Patents

Heat dissipation and repeated bending workability of copper alloy plate Download PDF

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Description

散熱性及反覆彎曲加工性優異之銅合金板
本發明係關於一種適合用作以照明用等之LED構裝基板為首之可撓性印刷基板(FPC)的銅合金板，特別是關於一種散熱性及反覆彎曲加工性優異之銅合金板、及使用有其之電子機器零件等。
LED照明與先前之白熾燈或螢光燈等相比，具有低耗電、超壽命、高速響應性等優點，且不但製品價格下降，亦迅速地普及化，從而除室內用照明外，亦擴展至液晶電視或液晶顯示器等之背光、汽車之照明用等各種用途。
由於LED本身為半導體，故於額定範圍內之使用中，發光元件自身係長壽命，但覆蓋發光元件之樹脂材料易於因熱而劣化，且藉由發熱而透明度易於下降，從而變得不適於照明用之使用。又，LED係考慮到發光特性或散熱性而製造有各種封裝體形狀，但於在較小之空間中使用之情形時，需要省空間化或成形方法等各種設計。
作為對發熱之問題之對策，提出有為了高效地自FPC散熱，而於FPC貼合散熱板，又，對於省空間化，嘗試於FPC上配置LED(專利文獻1)。
又，作為照明裝置，亦提出有對配置有LED之電路基板進行複雜之加工，從而進行立體成形(專利文獻2)。
[專利文獻1]日本特開2007-141729號公報
[專利文獻2]日本特開2007-5003號公報
於將LED構裝於FPC上之情形時，作為基板之樹脂的散熱性不充分，故因長時間使用而覆蓋發光元件之樹脂熱劣化，從而作為照明之壽命變短。
為因應發熱，於使鋁板作為散熱板貼合於FPC上之情形時，存在如下之問題：因與構成FPC之電路之銅配線之線熱膨脹係數的差異，於FPC電路產生翹曲。進而，亦存在如下問題：由於反覆因熱引起之膨脹、收縮，FPC之銅配線受到反覆拉伸應力以至斷裂。
於使用銅板作為散熱板之情形時，不會產生上述問題，但銅之加工硬化係數大於鋁，故於將FPC成形為複雜之形狀時，易於產生彎曲部，或者於進行彎回與再彎曲加工等之成形條件下，易在彎曲部產生龜裂。若產生龜裂，則產生如下等問題：於將其使用於車載等施加反覆振動之環境下之情形時，龜裂進展以至斷裂。
亦可考慮使用銅板作為FPC之基板而對照明裝置進行立體成形之方法，但普通之精銅於使用於照明裝置之期間，因發熱而導致銅板自身軟化，從而難以維持初始之形狀。
即，本發明係為了解決上述課題而完成者，其課題在於提供一種散熱性、反覆彎曲加工性、形狀維持性、及耐熱性優異之FPC基板用銅合金板。
本發明人等為了解決上述課題而反覆研究，結果發現藉由對結晶之定向度進行調整，可對反覆彎曲加工性等進 行控制。
將以上之知識見解作為背景而完成之本發明於一形態中係一種銅合金板，其合計含有0.01質量%以上之選自由Ag、Cr、Fe、In、Ni、P、Si、Sn、Ti、Zn及Zr構成之群中之一種以上，Ag為1.0質量%以下，Ti為0.08質量%以下，Ni為2.0質量%以下，Zn為3.5質量%以下，Cr、Fe、In、P、Si、Sn、及Zr為合計含有0.5質量%以下之選自該等之群中之一種以上，其餘部分由Cu及雜質所構成，且導電率為60%IACS以上，拉伸強度為350MPa以上，關於藉由板表面之厚度方向之X射線繞射而求出之I(311)/I0(311)，滿足下述式：I(311)/I0(311)≧0.5。
本發明之銅合金板於一實施形態中，拉伸強度於以200℃進行30分鐘之加熱後為250MPa以上。
本發明之銅合金板於一實施形態中為FPC基板用。
本發明之銅合金板於另一實施形態中為構裝有LED照明之FPC基板用。
本發明之銅合金板於又一實施形態中，厚度為0.05~0.3mm。
本發明於另一形態中係一種電子機器零件，其使用有本發明之銅合金板。
本發明於又一形態中係一種FPC，其構裝有使用有本發明之銅合金板之LED照明。
根據本發明，可提供一種散熱性、反覆彎曲加工性、形狀維持性、及耐熱性優異之FPC基板用銅合金板。
 (銅箔之成分)
於本發明中，為了改善銅箔之耐熱性，於銅添加合計0.01質量%以上之選自由Ag、Cr、Fe、In、Ni、P、Si、Sn、Ti、Zn及Zr構成之群中之一種以上。若添加元素之合計濃度低於0.01質量%，則不會表現添加元素之效果而耐熱性不足。又，對於添加元素之合計濃度之上限如下。
Ag係因添加所導致之導電率下降的影響較小，故並無特別限制，但隨著添加濃度變高成本會增加，故較佳為1.0質量%以下。
因添加所導致之導電率下降之影響較大的Cr、Fe、In、P、Sn、Zr、Si，關於該等元素之合計，較佳為0.5質量%以下，又，影響特別大之Ti較佳為0.08質量%以下。
又，Ni較佳為2.0質量%以下，Zn較佳為3.5質量%以下。
合金元素添加之基底之Cu，較佳為JIS-1020所規定之無氧銅或JIS-1100所規定之精銅。氧濃度係通常於精銅熔液中為0.01~0.0.5質量%，於無氧銅熔液中為0.001質量%。
較Cu易於氧化之Cr、Fe、In、Ni、P、Si、Sn、Ti、Zn及Zr通常添加至無氧銅熔液中。亦可於將P、Si等去氧劑添加於含有氧之溶銅而使氧濃度降至10ppm以下後，添 加該等合金元素。Ag較Cu更難以氧化，因此亦可添加至精銅熔液中、無氧銅熔液中。
(散熱性)
為了將經加熱之材料散熱，要求導熱良好之材料。導熱係材料之導電率較高者良好。當考慮LED照明點燈時之發熱時，亦存在LED之構裝密度或照明裝置之形狀等影響因素，但導電率為60%IACS以上即可，若為70%IACS以上則更佳。
(反覆彎曲加工性)
對於反覆彎曲加工性，對與集合組織之關係進行調查，結果關於藉由銅合金板表面之厚度方向之X射線繞射而求出之(311)繞射峰值的積分強度：I(311)、與藉由微粉末銅之X射線繞射而求出之(311)繞射峰值的積分強度：I0(311)的比：I(311)/I0(311)，雖不確定原因，但發現與反覆彎曲性之關聯，從而於滿足以下之關係之情形時，反覆彎曲加工性良好。
I(311)/I0(311)≧0.5
又，I(311)/I0(311)較佳為0.8以上，更佳為1.0以上。
(形狀維持性)
為了於將材料成形為特定之形狀後，維持初始之加工形狀，需要某種程度之材料強度。亦存在加工形狀之構造等影響因素，但關於材料強度即拉伸強度，於其未達350MPa之情形時，容易因為施加於材料之力而變形，故拉伸強度 需要350MPa以上。對於強度之上限並無特別設定，但可知於藉由提高材料之加工度而使強度變高之情形時，通常彎曲加工性劣化，因此只要考慮與彎曲加工性之平衡而對材料進行加工即可。又，拉伸強度更佳為400MPa以上。
(耐熱性)
對於耐熱性，以如下方式設計：根據LED照明之特性，通常以未達150℃之溫度使用，以便可作為照明機器而長時間使用。即便未達150℃，普通之精銅因長時間之使用而無法避免軟化情形，於已軟化之情形時，無法維持初始之加工形狀。為了避免此種現象，重要的是確保耐熱性。另一方面，假設作為照明機器而使用數萬時間左右，但直接再現該情形之長時間之加熱試驗並不實際，故作為標準，於以高於實際使用條件之溫度保持短時間之條件進行加熱，此處為於以200℃保持30分鐘之條件進行加熱，於拉伸強度為250MPa以上之情形時，判斷為耐熱性良好。又，更佳為於以200℃進行30分鐘加熱後，維持300MPa以上。
本發明之銅合金板之厚度較佳為0.05~0.3mm。若銅合金板之厚度未達0.05mm，則產生因材料較薄故難以維持形狀之類的問題，若超過0.3mm，則產生因材料過厚故製品之重量變得過重之類的問題。又，如上所述，本發明之銅合金板亦包含銅箔之形態。
若銅合金板之X射線繞射強度處於上述特性範圍內，則無論成分及製造條件，均表現本發明之效果。本發明之銅合金板係例如可藉由如下之製程而製造。
壓延銅箔之製造製程中，將電解銅用作純銅之原料，並於視需要添加合金元素後，進行鑄造而製造厚度為100~300mm之鑄錠。於對該鑄錠進行熱壓延而設為厚度為5~20mm左右後，反覆冷壓延與退火，藉由冷壓延精加工成特定之厚度。
關於上述反覆彎曲加工性、拉伸強度及X射線繞射峰值強度比之關係式，滿足規定範圍之銅箔係藉由如下方式而獲得：對最後再結晶退火之升溫速度、於最後再結晶退火後馬上進行之最後冷壓延之加工條件即總加工度、及第1道次之加工度進行調整。此處，所謂最後再結晶退火係指，加工至製品之厚度為止之最後冷壓延前之再結晶退火。又，於最後冷壓延中，使材料反覆通過一對輥間(以下稱為「道次」)，從而逐漸對厚度進行精加工。此處，所謂第1道次係指，將最後再結晶退火後之材料精加工成製品之厚度之最後冷壓延中的最初道次。
最後再結晶退火之升溫速度為12~50℃/s即可。於升溫速度未達12℃/s之情形、及超過50℃/s之情形時，難以滿足上述反覆彎曲加工性。
最後冷壓延之總加工度為85%以下即可。此處，加工度係：以百分率表示將壓延前與壓延後之厚度差除以壓延前之厚度的值。於最後冷壓延之總加工度超過85%之情形時，難以滿足上述反覆彎曲加工性。又，對於總加工度之下限值係根據合金成分或濃度而不同，只要以超過拉伸強度之下限值之方式設定即可。
最後冷壓延之第1道次之加工度為20%以下即可。於最後冷壓延之第1道次之加工度超過20%之情形時，X射線繞射強度無法滿足規定之式，而難以滿足上述反覆彎曲加工性。
本發明之銅合金板可使用於導線架、連接器、接腳、端子、繼電器、開關、二次電池用箔材料等電子機器零件等中。又，本發明之銅合金板特別適合作為構裝有LED照明之FPC之材料。
[實施例]
以下，表示本發明之實施例，但該等實施例係為了更好地理解本發明及其優點而提供者，並不意圖限定發明。
[壓延銅箔之製造]
將各種元素添加於無氧銅，鑄造厚度為100mm之鑄錠。接著，藉由熱壓延而將鑄錠壓延至5mm，於去除氧化皮後，反覆進行冷壓延與退火，從而藉由最後冷壓延而以表1、2所記載之條件壓延至0.05~0.3mm。再者，於即將最後冷壓延前，進行最後再結晶退火。最後再結晶退火係以表1、2所記載之升溫速度，以材料溫度最高成為500℃之方式進行加熱，從而根據自室溫(25℃)到達500℃之時間，算出升溫速度。接著，於材料溫度到達500℃後，立即進行冷卻。
[形狀維持性]
基於JIS Z 2241，將以壓延平行方向成為長度方向之方式獲取之JIS13B號試驗片作為供試材料，藉由拉伸試驗求 出拉伸強度。於拉伸試驗中，使用ORIENTEC公司製造之UTM-10T，將藉由拉伸速度5mm/分鐘而對於同一試料，以n=2測定而得之平均值設為測定值。形狀維持性於拉伸強度為350MPa以上之情形時，評價為良好(○)。又，於未達350MPa之情形時，形狀維持性評價為不良(×)。
[散熱性]
根據最後冷壓延後之板厚，藉由利用依據JIS H 0505之四端子法而測得之導電率(%IACS)進行評價。
[集合度]
使用理學股份有限公司製造之RINT-TTR，藉由銅合金板表面之厚度方向之X射線繞射，對(311)繞射峰值之積分強度：I(311)進行評價，進而藉由微粉末銅之X射線繞射，對(311)繞射峰值之積分強度：I0(311)進行評價。繼而，算出該等之比：I(311)/I0(311)。
[耐熱性]
使用上述JIS13B號試驗片，將其放入於加熱爐，且於溫度達到200℃後，保持30分鐘而取出試料，從而進行空冷而提供至拉伸試驗。拉伸試驗係以與上述相同之條件實施。耐熱性中，將拉伸強度為250MPa以上設為「○」，將未達250MPa設為「×」。
於表1及2中表示評價條件及結果。
[反覆彎曲加工性]
按照以下之順序，對反覆彎曲加工性進行評價。
(1)基於壓延平行方向及直角方向，將試料裁切成長 度50mm×寬度10mm。
(2)根據彎曲R=0.5mm而V彎曲加工成90°，於將其彎回成原來之短帶狀後，反覆90°V彎曲加工與彎回。
(3)反覆上述操作，將每一次進行90°V彎曲時之彎曲加工部放大至50倍來觀察，確認有無龜裂或斷裂之產生。接著，調查不會產生龜裂或斷裂之最大彎曲次數進行。 將不會產生龜裂之最大彎曲次數為5次以上評價為「◎」，將4次評價為「○」，將3次評價為「△」，將未達3次評價為「×」。
實施例1~33中，添加元素濃度均為0.01質量%以上，且各元素之濃度為上限值以下，拉伸強度為350MPa以上，於200℃加熱30分鐘後之拉伸強度為250MPa以上，且I(311)/I0(311)≧0.5，故散熱性(導電率)、反覆彎曲加工性、形狀維持性及耐熱性均優異。
比較例1為無添加元素之純銅，耐熱性較差。
比較例2添加有Sn，但濃度未達0.01質量%，故耐熱性較差。
比較例3因為最後冷壓延之總加工度超過85%，故X射線繞射強度未滿足規定之式，反覆彎曲加工性較差。
比較例4因為添加元素濃度過高，故導電率較低且散熱性較差。
比較例5與9其最後冷壓延之壓延總加工度為85%以下，但最後冷壓延之第1道次之加工度超過20%，故X射線繞射強度未滿足規定之式，反覆彎曲加工性較差。
比較例6其最後冷壓延之壓延總加工度為85%以下，但最後再結晶退火之升溫速度未達12℃/s，故X射線繞射強度未滿足規定之式，反覆彎曲加工性較差。
比較例7其最後冷壓延之壓延總加工度為85%以下，但最後再結晶退火之升溫速度超過50℃/s，故X射線繞射強度未滿足規定之式，反覆彎曲加工性較差。
比較例8因為最後再結晶退火之總加工度過低，故拉伸強度變得未達350MPa，形狀維持性較差。

Claims (7)

  1. 一種銅合金板，其合計含有0.01質量%以上之選自由Ag、Cr、Fe、In、Ni、P、Si、Sn、Ti、Zn及Zr構成之群中之一種以上，Ag為1.0質量%以下，Ti為0.08質量%以下，Ni為2.0質量%以下，Zn為3.5質量%以下，Cr、Fe、In、P、Si、Sn、及Zr為合計含有0.5質量%以下之選自該等之群中之一種以上，且其餘部分由Cu及雜質所構成，導電率為60%IACS以上，拉伸強度為350MPa以上，關於藉由板表面之厚度方向之X射線繞射而求出之I(311)/I0(311)，滿足下述式：I(311)/I0(311)≧0.5。
  2. 如申請專利範圍第1項之銅合金板，其中，拉伸強度於以200℃進行30分鐘加熱後為250MPa以上。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之銅合金板，其為FPC基板用。
  4. 如申請專利範圍第3項之銅合金板，其為構裝有LED照明之FPC基板用。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之銅合金板，其厚度為0.05~0.3mm。
  6. 一種電子機器零件，其使用有申請專利範圍第1或2項之銅合金板。
  7. 一種FPC，其構裝有使用有申請專利範圍第1或2項之銅合金板之LED照明。
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