JP2004315940A - Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度及び高導電性を両立させた電子材料用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金を提供する。
【解決手段】Ｎｉを１．０〜４．５質量％（以下％とする）、Ｓｉを０．２５〜１．５％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる銅基合金において、ＮｉとＳｉの質量濃度を［Ｎｉ］、［Ｓｉ］とした場合のＮｉとＳｉの質量濃度比（以下［Ｎｉ］／［Ｓｉ］とする）が４〜６で、且つ、（式１）で定義するχが０．１〜０．４５となるような［Ｎｉ］、［Ｓｉ］であることを特徴とする高強度および高導電性を両立させたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金、
（［Ｎｉ］−４χ）^２（［Ｓｉ］−χ）＝１／８……（式１）。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強度および導電性に優れた電子材料などの電子部品の製造に使用するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リードフレーム、電子機器の各種端子、コネクタなどに使用される銅合金は、高い強度および高い導電性を両立させることが要求される。更に、近年、リードフレーム、電子機器の各種端子、コネクタなどにおいて、リード数などの増加、狭ピッチ化が進み、電子部品の高密度実装性、高信頼性が要求されている。これら、電子部品に使用される材料においても、薄板化、加工性が良いこと、高導電率など、要求される特性は益々厳しくなってきている。
【０００３】
リードフレーム、電子機器の各種端子、コネクタなどに使用される材料は、高い強度および高い導電性が必要で、従来のりん青銅、黄銅などに代表される固溶強化型合金に代わり、電子機器類および部品の軽量化、高強度、高導電性の観点から、時効硬化型の銅合金の使用量が増加している。時効硬化型の銅合金は、溶体化処理された過飽和固溶体を時効処理することにより、微細粒子が均一に析出して引張強さや耐力、ばね限界値などの機械的特性が向上し、同時に、銅中の固溶元素量が減少し導電率が向上する。
【０００４】
時効硬化型銅合金のうち、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金は高強度と高導電性を併せ持つ代表的な銅合金である。この銅合金は、微細なＮｉ−Ｓｉ系金属間化合物粒子が析出して強度と導電性に優れ、リードフレーム、電子機器の各種端子、コネクタなどの材料として実用化されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特願２０００−０１８３１９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金はＮｉ−Ｓｉ系金属間化合物粒子が析出することによって、強度と導電性が向上する。しかしながら、一般的に合金の強度と導電率とは相反する関係であり、強度が高いと導電性は低下し、導電性が高いと強度は低下する。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の場合、添加するＮｉ及びＳｉを低濃度にするとＮｉ−Ｓｉ系金属間化合物粒子の析出物を形成しない固溶元素が少なくなり十分な導電性は得られるものの、低濃度であるので析出量は少なくなり強度が不十分になる。一方、高濃度にすると析出量が多くなり十分な強度は得られるものの、Ｎｉ−Ｓｉ系金属間化合物粒子の析出物を形成しない固溶元素が多くなり導電性が不十分になるという不具合があった。
本発明は上述した問題解決のためになされたもので、高強度及び高導電性を両立させた電子材料用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために本発明者らは、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の研究を重ねたところ、高強度および高導電性を両立させたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の開発に成功した。
【０００８】
即ち本発明は、
（１）Ｎｉを１．０〜４．５％、Ｓｉを０．２５〜１．５％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる銅基合金で、ＮｉとＳｉの質量濃度を［Ｎｉ］、［Ｓｉ］とした場合のＮｉとＳｉの［Ｎｉ］／［Ｓｉ］が４〜６で、且つ、（式１）で定義するχが０．１〜０．４５となるようなうな［Ｎｉ］、［Ｓｉ］であることを特徴とする高強度および高導電性を両立させたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金、
（［Ｎｉ］−４χ）^２（［Ｓｉ］−χ）＝１／８……（式１）
（２）Ｍｇを０．０５〜０．３％含有することを特徴とする上記（１）に記載のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金、
（３）Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｇ、またはＢｅのうち１種類以上を総量で０．００５〜２．０％含有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明において銅合金の組成範囲を上記の通りに限定した理由を具体的に説明する。
Ｎｉ及びＳｉ濃度
Ｎｉ及びＳｉは、時効処理を行うことによりＮｉとＳｉが微細なＮｉ_２Ｓｉを主とした金属間化合物の析出粒子を形成し、合金の強度を著しく増加させる一方、導電性も高く向上する。ただし、Ｎｉ濃度が１．０％未満の場合、または、Ｓｉ濃度が０．２５％未満の場合は、他方の成分を添加しても所望とする強度が得られない。また、Ｎｉ濃度が４．５％を超える場合、またはＳｉ濃度が１．５％を超える場合は十分な強度が得られるものの、導電性が低くなり、更には強度の向上に寄与しない粗大なＮｉ−Ｓｉ系粒子（晶出物及び析出物）が母相中に生成し、曲げ加工性、エッチング性及びめっき性の低下を招く。よって、Ｎｉ濃度を１．０〜４．５％、Ｓｉ濃度を０．２５〜１．５％と定めた。
【００１０】
［ Ｎｉ ］ ／ ［ Ｓｉ ］ 質量濃度比
合金中の固溶Ｎｉ量および固溶Ｓｉ量が減少すると導電率が増加する。Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金に時効処理を施すと、Ｎｉ_２Ｓｉが析出して固溶Ｎｉ量および固溶Ｓｉ量が減少することにより、導電率が向上する。時効後の固溶Ｎｉ量および固溶Ｓｉ量は後述する溶解度積の関係（式１）に従って増減する。例えば、合金中のＮｉ濃度およびＳｉ濃度の比（［Ｎｉ］／［Ｓｉ］）が増加すると、固溶Ｎｉ量が増加し、固溶Ｓｉ量が減少する。一方、導電率低下への影響度を比較すると、固溶Ｓｉの方が固溶Ｎｉ量よりかなり大きい。従って、最大の導電率を与える［Ｎｉ］／［Ｓｉ］は、析出物Ｎｉ_２ＳｉにおけるＮｉ／Ｓｉ比（＝４．１８）とは一致しない。
【００１１】
本発明者らは［Ｎｉ］／［Ｓｉ］と送電率との関係を実験により検討し、高い導電率を得る為には［Ｎｉ］／［Ｓｉ］を４〜６の範囲に調整することが必要であり、４．２〜４．７の範囲に調整することが最も好ましいことを明らかにした。この組成は、Ｎｉ_２Ｓｉの組成に対し、Ｎｉが若干過剰となる組成である。
［Ｎｉ］／［Ｓｉ］が４未満では固溶Ｓｉ量が増えるため、導電率が著しく低下するのに加え、熱処理時に材料表面にＳｉ酸化膜が生成しやすくなり半田付け性およびメッキ性の劣化の原因なる。一方、［Ｎｉ］／［Ｓｉ］が６を超えると固溶Ｎｉ量が増えるために所望とする導電率が得られない。
【００１２】
（式１）について
Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金はＮｉ_２Ｓｉ粒子が析出することによって、強度が向上する。先述したように導電率の観点からは、Ｎｉ_２Ｓｉ組成に対してＮｉ量が若干過剰気味が良い。このようにＮｉが過剰な場合、Ｎｉ_２Ｓｉ粒子の析出量はＳｉ濃度によって決定されると見なすのが従来の考え方であった。即ち、Ｎｉ過剰組成の場合には、時効後の強度がＳｉ濃度によって決定されると考えられてきた。
【００１３】
本発明者らは、高導電率が得られるＮｉ過剰組成をベースとして、ＮｉおよびＳｉ濃度と強度との関係について研究を重ねた結果、同じＳｉ濃度でも［Ｎｉ］／［Ｓｉ］が違うと大きい場合で数十ＭＰａもの強度さが生じ、また、Ｓｉ濃度と強度に必ずしも相関は見られないことを知見した。いいかえれば、Ｎｉ２Ｓｉの析出量を決定するパラメータは、Ｓｉ濃度ではないことを見出したのである。
そして、溶解度積の考えに基づき実験データを解析を行った結果、ＮｉおよびＳｉ濃度とＮｉ_２Ｓｉの析出量との関係について、以下の実験式を得た。
（［Ｎｉ］−４χ）^２（［Ｓｉ］−χ）＝１／８……（式１）
ここで、χは析出量を示すパラメータである。より具体的には、χは析出したし濃度に相当し、４χは析出したＮｉ濃度に相当する。したがって、（［Ｎｉ］−４χ）は固溶しているに濃度に相当し、（［Ｓｉ］−χ）は固溶したＳｉ濃度に相当する。
時効後の強度はこのχと強い相関を示す。すなわち、χを適正な値に調整することにより所望の強度が得られ、そのためには（式１）を用いて［Ｎｉ］および［Ｓｉ］を適正な値にすればよい。以上のように、χという析出の状態を示すパラメータを導入し、溶解度積の関係に基づいてＮｉとＳｉ濃度を調整することにより、時効後の強度を制御する技術は、本発明で初めて見出された物である。
【００１４】
溶解度積の値（（式１）の右辺）は、温度による関数である。低温ではこの値は小さく、即ち、低温にて時効処理を行えば、理論的には析出物の量が多くなり、高強度で高導電率の材料が得られることになるが、これはあくまでも平衡状態での理論である。低温にて金属材料を平衡状態まで時効処理を行うためには、無限に近い時効時間が必要となる。本発明者らは、種々の組成および析出の状態を調べ、工業的な時効処理に対する溶解度積の適正値は１／８であり、この場合におけるχの値が０．１〜０．４５であれば、高強度、高導電率の材料が工業的に安定して得られることを明らかにした。
【００１５】
Ｍｇ濃度
Ｍｇは応力緩和特性を大幅に改善する効果及び熱間加工性を改善する効果があるが、０．０５％未満ではその効果が得られず、０．３０％を超えると鋳造性（鋳肌品質の低下）、熱間加工性及びめっき耐熱剥離性が低下するためＭｇの濃度を０．０５〜０．３％と定める。
【００１６】
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｇ、またはＢｅ
Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｇ、またはＢｅには、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金の強度及び耐熱性を改善する作用がある。また、これらの中でＺｎには、半田接合の耐熱性を改善する効果もあり、Ｆｅには組織を微細化する効果もある。更にＴｉ、Ｚｒ、Ａｌ及びＭｎは熱間圧延性を改善する効果を有する。この理由は、これらの元素が硫黄との親和性が強いため硫黄と化合物を形成し、熱間圧延割れの原因であるインゴット粒界への硫黄の偏析を軽減するためである。Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｇ、またはＢｅの濃度が総量で０．００５％未満であると上記の効果は得られず、総含有量が２．０％を越えると導電性が著しく低下する。そこで、これらの含有量を総量で０．００５〜２．０％と定める。
【００１７】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。大気溶解炉にて表１に示す各種成分組成の銅合金を溶製し、厚さ３０ｍｍのインゴットに鋳造した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
次に厚さ９ｍｍまで熱間圧延を行い、表面スケール除去の為面削を施した後、冷間圧延により厚さ１ｍｍの板とした。その後、７５０℃〜８５０℃の温度で溶体化処理を行った後、厚さ０．４ｍｍまで冷間圧延した。そして各合金の組成につき、引張強さが最大となる温度で３時間の時効処理を行った。この温度は４００〜６００℃の範囲であった。更に、冷間圧延で厚さ０．２５ｍｍの板とした。最終熱処理後の試料の強度は、引張試験機において引張強さにより評価した。導電性は四端子法にて導電率（％ＩＡＣＳ）により評価した。また、［Ｎｉ］／［Ｓｉ］およびχの値が、請求項１の範囲内を（○）、範囲外を（×）として評価した。表１に結果を示す。
【００２０】
表１から分かるように発明例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１３は［Ｎｉ］／［Ｓｉ］およびχの値を全てが請求項１の範囲内である。従って、発明例は、引張強さで７２０ＭＰａ以上、導電率で４５％ＩＡＣＳ以上であり、高強度、高導電性を有している。
さらに応力緩和特性を改善するためにＭｇを添加した発明例Ｎｏ．２、４、６、７、８でも、Ｍｇを添加しないものと同様に、高い強度と導電率が得られている。
また、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｇ、またはＢｅのうち１種類以上を総量で０．００５〜２．０％添加した発明例Ｎｏ．７〜１３は添加されていない発明例Ｎｏ．１〜６に比べて導電性はやや劣るものの、強度の面では優れている。
【００２１】
一方、比較例を見ると、Ｎｏ．１４及び１６は、χの値が０．４５より高いため、強度はそれほど増加せず、導電率が低くなった。これは、強度に寄与しない粗大なＮｉ−Ｓｉ系粒子（晶出物及び析出物）が生成するためである。Ｎｏ．１５は、高い導電率を示したが、析出量を意味するχの値が低いため、強度が低くなった。Ｎｏ．１７は、［Ｎｉ］／［Ｓｉ］が低く、Ｓｉ過剰となり導電率が低くなった。Ｎｏ．１８は、［Ｎｉ］／［Ｓｉ］が高く、固溶Ｎｉが多く、導電率が低くなった。Ｎｏ．１９は、χの値が高く、更に［Ｎｉ］／［Ｓｉ］が低いので、導電率が著しく低下した。
Ｎｏ．２０は、Ｍｇの添加量が多すぎるため、熱間圧延での加工性が悪く、割れが発生し、後工程を進めることができなかった。
Ｎｏ．２１〜２３では、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｇ、またはＢｅのうち１種類以上の元素が添加された時の総量が２．０％を超えているため、導電率が著しく悪かった。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明合金は、優れた強度と導電性を有しており、リードフレーム、端子、コネクターなどの電子材料用銅合金として好適である。

Claims (3)

1. Ｎｉを１．０〜４．５質量％（以下％とする）、Ｓｉを０．２５〜１．５％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる銅基合金において、ＮｉとＳｉの質量濃度を［Ｎｉ］、［Ｓｉ］とした場合のＮｉとＳｉの質量濃度比（以下［Ｎｉ］／［Ｓｉ］とする）が４〜６で、且つ、（式１）で定義するχが０．１〜０．４５となるような［Ｎｉ］、［Ｓｉ］であることを特徴とする高強度および高導電性を両立させたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金、
   （［Ｎｉ］−４χ）^２（［Ｓｉ］−χ）＝１／８……（式１）。
2. Ｍｇを０．０５〜０．３％含有することを特徴とする請求項１に記載のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金。
3. Ｚｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｇ、またはＢｅのうち１種類以上を総量で０．００５〜２．０％含有することを特徴とする請求項１または２に記載のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ合金。