JP4100629B2 - 高強度高導電性銅合金 - Google Patents

Description

本発明は、曲げ加工性に優れ、高強度、高導電性の電子電機部品用銅合金に関するものであり、特に小型、高集積化された半導体機器リード用及び端子コネクターばね用銅合金において、電気・熱伝導性に優れ、特に高強度特性に優れた電子部品用銅合金に関する。

銅及び銅合金は、コネクタ、リード端子等の電子部品及びフレキシブル回路基板用として多用途に渡って幅広く利用されている材料であり、急速に展開するＩＴ化は、情報機器の高機能化及び小型化・薄肉化に対応して銅及び銅合金に更なる特性（強度、曲げ加工性、導電性）の向上を要求している。
電子電機部品に用いられる端子やコネクターは、電子電気機器等の小型化、軽量化に伴い、高強度、高導電性、良好な曲げ加工性が要求されている。又、ＬＳＩの高集積化に伴い、消費電力の高い半導体素子が多く使用されるようになり、半導体機器のリードフレーム材には、放熱性及び導電性の良いＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金が使用されるようになった。しかし、一般にＩＣ等のリードフレーム加工では、原材料をスタンピング法、或いはエッチング法等によりリード端子部、ＩＣとの導電接続部等を成形した後にリード端子部を直角に折り曲げることから、リードフレームには、導電性に加えて強度、とりわけ優れた曲げ加工性が要求され、このため、析出硬化型銅合金をリードフレームに適用した場合には、導電性に加えて強度、曲げ加工性が要求されるが、導電性と強度とは一般に両立しない。
従来技術では、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金中のＮｉ，Ｓｉ，Ｏ成分量を調整し、析出物の粒径及び粒径０．０３μｍ未満の析出物と０．０３〜１００μｍの析出物との数比を調節した合金が知られている（例えば、特許文献１）。しかし、この特許文献１記載の発明は、打ち抜き加工等の剪断加工に適したＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金を製造するものであり、導電性、剪断加工性に優れるものであったが、充分な曲げ加工性を具備するものではなかった。
特開平１０−２１９３７４号公報

そこで、本発明はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金の優れた熱伝導性、導電性を損なうことなく、ばね材及び半導体機器のリードフレーム材として充分な強度とを有し、曲げ加工性も兼備した銅合金を目的とした。

本発明者らは上記の目的を達成すべく、研究を重ねた結果、優れた強度、導電性及びばね性等を具備するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金の成分調整を行った上で、析出物の形状、大きさ及び面積率を規定範囲に調整することで高導電性と曲げ加工性を損なうことなく、従来にない高強度を有する銅合金が得られることを見出した。
本発明は、上記知見により完成されたものであり、銅合金においてＮｉ：１．５％以上４．０％以下（尚、本発明の記載における成分割合を表す％は質量％である。）、Ｓｉ：０．１５％以上１．０％以下を含有し、ＮｉとＳｉの含有量比率Ｎｉ／Ｓｉ：３以上７以下であり、Ｏ：０．００５０％以下で残部がＣｕ及び不可避的不純物から成る成分組成とすると共に、Ｎｉ−Ｓｉ系析出物の大きさにおいて、長径：ａ、短径：ｂとした時、ａ：２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下で且つアスペクト比ａ／ｂ：１以上３以下の析出物が銅合金中に含まれる全析出物の面積率で８０％以上を占めることにより、導電性ばね材、又半導体機器のリード材として充分に満足できる優れた導電性及び熱伝導性、強度、ばね性、曲げ加工性を兼備せしめた点に特徴を有し、好ましくは引張強さ８００〜１０００ＭＰａ、導電率３５〜５５％ＩＡＣＳの特性値を示す。上記成分組成にＺｎ、Ｍｇ、Ｓｎ及びＩｎのうち１種以上を０．０１％以上１．０％以下含有すると導電性及び熱伝導性や曲げ加工性を損なうことなく、強度及びばね性を一層優れたものにできる。

本発明の銅合金は、従来のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金として優れた導電性及び熱伝導性を損なうことなく、これまでにない優れた強度を備え、良好な曲げ加工性を兼備する。したがって、急速に展開するＩＴ化に対応し、特に小型、高集積化されたリードフレーム、端子及びコネクター等の各種電気電子部品に適切な材料として提供することが可能となる。

次に、本発明において銅合金の組成、析出物の大きさ、アスペクト比等の数値範囲を限定した理由をその作用と共に説明する。
［Ｎｉ量］
Ｎｉは合金の強度及び耐熱性を確保する作用があると共に後述するＳｉとの化合物を析出させ、合金の強度上昇に寄与する。しかし、その含有量が１．５％未満であると所望の強度が得られず、一方、４．０％を超えてＮｉを含有させると熱間圧延時の加工性が低下すると共に製品の曲げ加工性及び導電率の低下が顕著となる。更にその上、析出物の大粒子の面積率を増してしまい好ましくない。従って本発明の合金のＮｉ含有量は１．５％以上４．０％以下、好ましくは２．５〜３．５％である。
［Ｓｉ量］
Ｓｉは、Ｎｉとの化合物を析出して合金の強度及び耐熱性を向上させる。Ｓｉ含有量が０．１５％未満であると化合物の析出が不充分であるため、所望の強度が得られない。一方、Ｓｉ含有量が１．０％を超えて含有させると熱間圧延時の加工性が低下すると共に導電率の低下が顕著となる。更にその上、析出物の大粒子の面積率を増してしまい好ましくない。従って本発明の合金のＳｉ含有量は０．１５％以上１．０％以下、好ましくは０．４〜０．９％である。
［Ｎｉ／Ｓｉ比］
ＮｉとＳｉの含有量が上記範囲内にあってもＮｉとＳｉの含有比率Ｎｉ／Ｓｉが３未満又は７を超えると、Ｎｉ−Ｓｉ系析出物の適切な組成比から外れるために３未満の場合にはＳｉ、７を超えた場合にはＮｉの固溶する量が増大してしまい、導電率の低下が顕著となり好ましくない。従って本発明の合金のＮｉ／Ｓｉ比は３以上７以下、好ましくは４．０〜５．５である。

［Ｏ量］
Ｏは、Ｓｉと合金中で反応しやすく、Ｓｉが合金中に酸化物の状態で存在するとＮｉとＳｉの化合物の析出を阻害し、高強度が得られず、曲げ加工性が劣化する。従って、本発明の合金のＯ含有量は、０．００５０％以下、好ましくは０．００３０％以下である。
［Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｉｎ量］
Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｎ及びＩｎ量は、いずれも合金の導電性を大きく低下させずに主として固溶強化により強度を向上させる作用を有している。従って必要によりこれらの金属を１種類以上を添加するが、その含有量が総量で０．０１％未満であると固溶強化による強度向上の効果が得られず、一方、総量で１．０％以上を添加すると合金の導電率及び曲げ加工性低下が顕著になる。このため、単独添加又は２種類以上の複合添加されるＺｎ、Ｍｇ、Ｓｎ及びＩｎ量は、０．０１％以上１．０％以下、好ましくは総量で０．０５％以上０．８％以下である。尚、これらの元素は本発明においては、意図的に添加される元素であり、総量で０．０１％以上の場合には、不可避的不純物とはみなさない。即ち、請求項２に係る本発明は、これらの元素が意図的に添加されて総量で０．０１％以上となり、かつ他の要件も満たす合金である。

［Ｎｉ−Ｓｉ系析出物の大きさと面積率］
Ｎｉ−Ｓｉ系析出物の長径をａ（ｎｍ）、短径をｂ（ｎｍ）とすると、ａが２０ｎｍ未満の析出物は、加工歪η＝２以上の圧延加工を行うと、析出物が銅中に再固溶してしまい導電率を低下させてしまう。ここで、加工歪ηは、圧延前の板厚をｔ₀、圧延後の板厚をｔとした場合、η＝ｌｎ（ｔ₀／ｔ）で表される。又、ａが２００ｎｍを超えると合金中の析出物の分散間隔が大きくなり過ぎるために、強度の上昇が得られなくなる。従って、本発明の合金中のＮｉ−Ｓｉ系析出物の大きさはａ：２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。又析出物のアスペクト比をａ／ｂで表すと、ａ／ｂが３を超える場合には、η＝２以上の圧延加工を行うと析出物が銅中に再固溶してしまい導電率を低下させてしまう。従って析出物のアスペクト比ａ／ｂは１以上３以下である。一方、上記範囲内の析出物に関する合金中の析出物の面積率が８０％未満の場合は、ａが２００ｎｍを超える析出物が多く存在することになる。そして例えば、ａが２００ｎｍを超える析出物や溶解鋳造時に生じた晶出物が熱間圧延や溶体化処理で固溶しなかった１０００ｎｍ以上のＮｉ−Ｓｉ系の粒子（晶出物）が多く存在する時には、圧延加工での加工硬化によっても所望の強度は得られない。従って、上記範囲内の析出物の面積率は全析出物（全てのＮｉ−Ｓｉ系析出物）中の８０％以上である。
上記本発明の要件を満たすＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金は、通常当業者が製造において採用する、インゴット鋳造、熱間圧延、溶体化処理、中間冷間圧延、時効処理、最終冷間圧延、歪取り焼鈍等において、適宜加熱温度、時間、冷却速度、圧延加工度等を選択することにより製造することが出来る。本発明の合金は優れた導電性及び熱伝導性、強度、ばね性、曲げ加工性を兼備し、引張強さが好ましくは８００〜９５０ＭＰａ、更に好ましくは８００〜１０００ＭＰａ、導電率が好ましくは３５〜５５％ＩＡＣＳの特性値を示す。

試料の製造
電気銅或いは無酸素銅を主原料とし、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、銅マグネシウム母合金（Ｃｕ−Ｍｇ）、錫（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）を副原料とし、高周波溶解炉にて真空中又はアルゴン雰囲気中で溶製し、２５×５０×１５０ｍｍのインゴットに鋳造した。次にインゴットを熱間圧延及び溶体化処理、中間冷間圧延、時効処理、最終冷間圧延、歪取り焼鈍の順に実施し、厚さ０．１５ｍｍの平板とした。
得られた板材各種の試験片を採取して試験を行い、「強度」、「導電率」、「曲げ加工性」の評価を行った。
目的の大きさの析出物を析出させるための方法
目的の大きさの析出物を析出させるための方法の一例を下記に示す。
(1)析出物の長径ａ：２０〜２００ｎｍの場合
インゴットを７５０〜９５０℃に０．５〜１２時間加熱し、鋳造時に生じたＮｉ−Ｓｉ系晶出物を固溶させた後、熱間圧延を行う。熱間圧延終了時に材料温度７００〜９００℃、好ましくは８５０〜９００℃から水冷を行う。熱間圧延終了時に７００℃以上の材料温度が得られない場合は、再度７００〜９５０℃に０．５時間以上加熱後、水冷し溶体化を十分に行う。その後加工歪η＝０〜２．５の冷間圧延、３００〜６５０℃で０．１〜２４時間の時効処理を行う。
(2)析出物の長径ａ：２０ｎｍ未満の場合
熱間圧延は上記(1)と同様に行い、加工歪η＝０〜２．５の冷間圧延後、３００〜４５０℃で０．５〜２４時間の時効処理を行う。
(3)析出物の長径ａ：２００ｎｍ超の場合
熱間圧延前のインゴットの加熱は上記(1)と同様に行い、熱間圧延後の積極的な冷却は行わず、放冷（空冷）する。加工歪η＝０〜２．５の冷間圧延後、５５０〜７００℃で０．１〜２４時間の時効処理を行う。
析出物の評価
走査型電子顕微鏡及び透過型電子顕微鏡を使用して、最終冷間圧延前の合金条を圧延方向に平行に厚み直角に切断し、断面の析出物を１０視野観察し、撮影した写真の画像を画像解析装置（株式会社ニレコ製、商品名ルーゼックス）を用いて長径ａが５ｎｍ以上の析出物のすべてについて個々に長径ａ、短径ｂ，及び面積を測定した。図１及び図２に実施例１の析出物の長径及び短径測定値の頻度分布を示す。尚、本発明において、析出物の全面積は、長径ａが５μｍ以上の析出物の面積の総和をいうが、その析出物の全面積に対して、長径ａが２０ｎｍ〜２００ｎｍ、アスペクト比ａ／ｂが１〜３である析出物の面積総和の割合を面積率Ｃ（％）として算出した。又、測定した全析出物の長径の平均値とした平均長径ａ_taとこの平均長径ａ_taと測定した全析出物の短径の平均値の平均短径ｂ_taで求めた平均のアスペクト比ａ_ta／ｂ_taを表１−２及び表２−２に参考として記載した。これは、面積率Ｃ（％）の記載だけでは、析出物の大きさを知ることできないためである。
尚、最終冷間圧延（通常は加工歪η＝２以上）により、長径２０ｎｍ以下のＮｉ−Ｓｉ系析出物又は長径２０ｎｍを超えているがアスペクト比が３を超える析出物は固溶してしまうが、２０ｎｍ以上かつアスペクト比が１〜３の析出物は最終冷間圧延後もその長径、短径及びアスペクト比を保つことを確認した。又、析出物の面積率Ｃも、２００ｎｍを超える析出物は固溶しないため最終冷間圧延後もほとんど変化しない。
試験片の物性評価
「強度」については、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に規定された引張試験に従って１３号Ｂ試験片を用いて行い、引張強さを測定した。
「導電率」は４端子法を用いて試験片の電気抵抗を測定し、標準軟銅（体積抵抗率が１．７２４１μΩｃｍのもの）との電気伝導度の比を百分率で表し、％ＩＡＣＳで表示した。
「曲げ加工性」については、Ｗ曲げ試験機で１０ｍｍ幅の試験片を曲げ半径０．１５ｍｍの金型で５０ｋＮの荷重で曲げ試験した曲げ部表面を光学顕微鏡（１００倍）で観察することにより割れの有無を調査評価し、割れ発生のない場合を○、割れが発生した場合を×で表示した。

本発明に係る高強度高導電性銅合金の実施例を、表１−１、及び表２−１に示す成分組成の銅合金について、比較例とともに説明する。本発明の合金実施例１〜７は、アスペクト比が１〜１．６の３０ｎｍから１００ｎｍ程度の微細な析出物を含み、優れた強度、導電率及び曲げ加工性を具備していた。一方、比較例８〜１７までの結果を検討すると、比較例８〜１１については、本発明の合金組成の範囲から外れた組成での合金である。比較例８は、Ｎｉの添加量が１．５％未満となっているためにＮｉ−Ｓｉ系析出物の析出量が少なくなるため、充分な強度が得られない。比較例９は、Ｓｉの添加量が１．０％を超えるため、Ｓｉの固溶量が増してしまい導電率の低下を生じ、かつ曲げ加工性が劣る。比較例１０は、Ｎｉ／Ｓｉ比が析出物の適切な組成比から外れるために、Ｎｉの固溶する量が増大して導電率の低下が生じ、又Ｎｉ−Ｓｉ系析出物の析出量が少なくなるため、充分な強度が得られない。比較例１１は、副成分としてＺｎ，Ｍｇ，Ｓｎの添加量が総じて１．０％を超えているため、強度は充分であるものの、これらの固溶により導電率が低下し、又曲げ加工性が劣る。尚、比較例１１でのＺｎ，Ｍｇ及びＳｎは不可避的不純物ではないので請求項１に係る発明例に該当せず、１．０％を超えるＺｎ，Ｍｇ及びＳｎ量を含有するため請求項２に係る発明例にも該当しない。

比較例１２〜１７については、本発明の合金の析出状態から外れる合金である。比較例１２は、析出物の大きさが２０ｎｍ未満であるため、加工中に固溶してしまい、導電率が低下した。比較例１３は、析出物のアスペクト比が３を超えたため、加工中に固溶してしまい、曲げ加工性が劣る。比較例１４は、析出物の大きさが２００ｎｍを超えたため析出物の分散間隔が大きくなってしまい、所望の強度が得られない。比較例１５は、２０ｎｍから２００ｎｍの大きさの析出物以外に、粗大な析出物が多く見られ、このために全体としての析出物による強化が低下した。図３及び図４に比較例１６の析出物の長径及び短径測定値の頻度分布を示す。比較例１６は、アスペクト比が３を超えており、図３及び図４に示すように粗大な析出物が存在するため、面積率Ｃが６０％と小さな値になっており、強度及び導電率が低下している。比較例１７は、比較例１２と同様に、析出物の大きさが２０ｎｍ未満であるため、加工中に固溶してしまい、導電率が低下した。

表中「−」は「添加せず」を表す。

実施例１の析出物の長径測定値の頻度分布を示すグラフである。 実施例１の析出物の短径測定値の頻度分布を示すグラフである。 比較例１６の析出物の長径測定値の頻度分布を示すグラフである。 比較例１６の析出物の短径測定値の頻度分布を示すグラフである。

Claims (2)

1. 質量割合にて、
   Ｎｉ：１．５％以上４．０％以下、
   Ｓｉ：０．１５％以上１．０％以下を含有し、
   ＮｉとＳｉの含有量比率Ｎｉ／Ｓｉ：３以上７以下であり、
   Ｏ：０．００５０％以下で残部がＣｕ及び不可避的不純物から成る銅合金において、
   長径：ａ、短径：ｂとした時、ａが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下で且つ、最終冷間圧延前においてアスペクト比ａ／ｂが１以上３以下のＮｉ−Ｓｉ系析出物が銅合金中に含まれる全析出物の面積率で８０％以上を占め、
   引張強さ：８００〜９５０ＭＰａ且つ導電率：３５〜５５％ＩＡＣＳであることを特徴とする、優れた導電率、曲げ加工性を兼備した電子部品用高強度高導電性銅合金。
2. 質量割合にて、
   Ｎｉ：１．５％以上４．０％以下、
   Ｓｉ：０．１５％以上１．０％以下を含有し、
   ＮｉとＳｉの含有量比率Ｎｉ／Ｓｉ：３以上７以下、
   Ｏ：０．００５０％以下で、
   Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓｎ及びＩｎのうち１種以上を合計で０．０１％以上１．０％以下を含有し、残部がＣｕ及び不可避的不純物から成る銅合金において、
   長径：ａ、短径：ｂとした時、ａが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下で且つ、最終冷間圧延前においてアスペクト比ａ／ｂが１以上３以下のＮｉ−Ｓｉ系析出物が銅合金中に含まれる全析出物の面積率で８０％以上を占め、
   引張強さ：８００〜１０００ＭＰａ且つ導電率：３５〜５５％ＩＡＣＳであることを特徴とする電子部品用高強度高導電性銅合金。

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