JP3900733B2

JP3900733B2 - Manufacturing method of high strength and high conductivity copper alloy material

Info

Publication number: JP3900733B2
Application number: JP04806199A
Authority: JP
Inventors: 佳紀山本; 元佐々木; 健嶋田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: JP2000239812A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高強度・高導電性銅合金材の製造方法に係り、特に、半導体機器のリード材、端子、コネクタなどに使われる高強度で高導電性の銅合金材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年におけるＩＣ・ＬＳＩの高集積化および高速化の潮流は、半導体チップの発熱量増大の要因となっており、現在、半導体パッケージの合理的な放熱が問題となっている。
【０００３】
半導体パッケージの放熱経路としては、絶縁モールドを通しての放散や、積極的にヒートシンクを取付けるといった方法の他、リード材を介して配線基板に放熱することも考えられる。
【０００４】
リード材を介して配線基板に放熱する場合、リード材自体の熱伝導率（導電率で評価可能）が高いことが、直接、半導体パッケージの放熱性に影響してくることになる。この方法による放熱を行う場合、従来のリード材用合金である４２合金（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）は、導電率が約３％ＩＡＣＳと極めて低いため、半導体パッケージの設計上で大きな問題となっている。
【０００５】
したがって、リード材用合金としては、より導電率の高い材料が求められており、４２合金から銅合金への転換が行われている。この場合、銅合金に要求される特性は、高導電率であると共に、一般的なリード材としての特性を合わせ持っていること、かつ、４２合金と同等の強度を有していることである。
【０００６】
しかし、導電率が高い銅合金は熱放散性に優れているものの、４２合金と比べると強度が比較的弱い。ここで、２００ピンを越えるようなＬＳＩパッケージが製造されるようになって以来、リード材の厚さはより薄く、かつ、インナーリードおよびアウターリードの幅はより細くしたいという需要・要求が強くなっており、リード材そのものの強度が重要視されている。
【０００７】
このため、強度を高めた様々な銅合金の開発がなされてきており、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ系、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系、Ｃｕ−Ｃｒ系などの合金が挙げられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳｎをＣｕに固溶させて強度を高めたＣｕ−Ｓｎ系銅合金は導電率が３０％ＩＡＣＳ程度しかなく、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系銅合金も導電率が５０％ＩＡＣＳ程度である。また、Ｃｕ−Ｃｒ系銅合金においては、７０％ＩＡＣＳ以上の高導電率が得られるものの、強度の点でやや不十分であり、かつ、Ｃｒが難溶解材であると共に、耐火材であるＣとＣｒが反応し易いことから溶解・鋳造が困難であるという問題がある。
発明者等は、４２合金に匹敵する強度と６０％ＩＡＣＳ以上の高い導電率を備えた高強度・高導電性銅合金としてＣｕ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｐ−Ｚｎ系銅合金を先に提案した（特願平１０−２２５６９２号：以下、先願と呼ぶ）。それは次のようなものである。
ＦｅとＮｉの重量％の合計（以下、Ｆｅ＋Ｎｉと表示）が０．３〜１．０ｗｔ％、Ｐが０．０５〜０．３ｗｔ％、ＦｅとＮｉの合計重量％とＰの重量％の比（以下、（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐと表示）が３〜１０、Ｆｅの重量％とＮｉの重量％との比（以下、Ｆｅ／Ｎｉと表示）が０．８〜１．２、Ｚｎが０．１〜１．０ｗｔ％、必要によりＭｇ、Ｓｎ、Ｍｎから選択される１種以上を合計で０．０１〜０．３ｗｔ％、残部が銅で構成される銅合金材である。しかし、この銅合金材でも加工方法によって引張強度にバラツキが見受けられた。
【０００９】
そこで本発明は、先願と同組成の銅合金材において、４２合金に匹敵する約６２０ＭＰａ以上の引張強度および６５％ＩＡＣＳ以上の高導電率を有していると共に、製造が容易な高強度・高導電性銅合金材の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、
ＦｅとＮｉの重量％の合計が０．３〜１．０ｗｔ％、
Ｐが０．０５〜０．３ｗｔ％、
ＦｅとＮｉの合計重量％とＰの重量％との比（（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐ）が３〜１０、Ｆｅの重量％とＮｉの重量％との比（Ｆｅ／Ｎｉ）が０．８〜１．２、
Ｚｎが０．１〜１．０ｗｔ％、
残部が銅で構成される銅合金材を溶製した後、その溶製後の銅合金材を８００〜９５０℃に加熱後、３００℃以下まで２５℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却して溶体化処理を施し、その溶体化処理後の銅合金材に、第１冷間圧延加工を施した後、４００〜５５０℃×０．５〜５ｈｒ、好ましくは４５０〜５００℃×１〜２ｈｒの第１時効処理を施し、その第１時効処理後の銅合金材に、第２冷間圧延加工を施した後、３００〜４５０℃×０．５〜５ｈｒ、好ましくは３５０〜４００℃×１〜２ｈｒの第２時効処理を施し、最後に、その第２時効処理後の銅合金材に、加工率４０％以上の第３冷間圧延加工を施すものである。
【００１１】
請求項２の発明は、
ＦｅとＮｉの重量％の合計が０．３〜１．０ｗｔ％、
Ｐが０．０５〜０．３ｗｔ％、
ＦｅとＮｉの合計重量％とＰの重量％との比（（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐ）が３〜１０、Ｆｅの重量％とＮｉの重量％との比（Ｆｅ／Ｎｉ）が０．８〜１．２、
Ｚｎが０．１〜１．０ｗｔ％、
Ｍｇ又はＳｎ或いはＭｎから選択される１種以上を合計して０．０１〜０．３ｗｔ％、
残部が銅で構成される銅合金材を溶製した後、その溶製後の銅合金材を８００〜９５０℃に加熱後、３００℃以下まで２５℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却して溶体化処理を施し、その溶体化処理後の銅合金材に、第１冷間圧延加工を施した後、４００〜５５０℃×０．５〜５ｈｒ、好ましくは４５０〜５００℃×１〜２ｈｒの第１時効処理を施し、その第１時効処理後の銅合金材に、第２冷間圧延加工を施した後、３００〜４５０℃×０．５〜５ｈｒ、好ましくは３５０〜４００℃×１〜２ｈｒの第２時効処理を施し、最後に、その第２時効処理後の銅合金材に、加工率４０％以上の第３冷間圧延加工を施すものである。
【００１２】
上記数値範囲の限定理由を以下に説明する。
まず、ＦｅおよびＮｉとＰの関係について述べる。ＦｅとＮｉは、それぞれＰとの化合物を形成し、強度および導電率を向上させる性質を有している。Ｐの含有量として設定した０．０１５〜０．３重量％よりもＰの量が少なくなると、燐化合物の生成量が不足することから良好な強度が得られず、逆に、０．３重量％を超えるときには、鋳造時に燐化合物が偏析して鋳造割れが発生するようになり、実用的でない。このＰに課せられた０．０５〜０．３重量％の規制内において、熱処理によって燐化合物を効率的に生成させるためには、ＦｅとＮｉの量を合計で０．３〜１．０重量％の範囲内に設定する必要があり、これが０．３重量％を下回る時には、燐化合物の生成が不充分となり、逆に、１．０重量％を超過すると、余剰のＦｅとＮｉがＣｕ中に固溶し、特に、導電率の面において特性を低下させるようになる。
燐化合物生成による導電率の向上効果を充分に得るためには、ＦｅとＮｉの合計重量とＰの重量の比率を（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐ＝３〜１０となるように設定する必要がある。設定比率がこの範囲よりも下回るときにはＰが過剰となり、逆に、この範囲を超えるときにはＦｅ、Ｎｉが過剰となることから、燐化合物生成に関与しないこれら過剰の元素がＣｕ中に固溶状態で存在することになり、その結果、特に、導電率が大きく阻害されるようになる。高い導電率を確保する上において、これらＦｅおよびＮｉとＰの比率は特に重要であり、これをより限定された重量比に設定するとすれば、重量比でＰが１に対し、ＦｅおよびＮｉの合計量を４〜６に設定することができる。
ＦｅとＮｉの最適な比率は、強度と導電率のバランスを考慮して決める必要がある。Ｆｅは、強度向上への貢献は少ないが、導電率を向上させる性質を有しており、一方、Ｎｉは、強度向上に効果大である反面、導電率の点ではＦｅに比べて高いものを得にくい。
従って、強度および導電率に調和の取れた材料を設計するためには、合計量が０．３〜１．０重量％の範囲内において、両者の重量比率を１対１にする必要があり、さらに、厳密な配合組成下での運転が必ずしも充分であるとはいい難い量産設備による溶解鋳造作業に配慮するときには、これをＦｅ／Ｎｉ＝０．８〜１．２の範囲内に設定する必要がある。
Ｆｅ／Ｎｉが０．８未満になると、Ｎｉ過剰のために導電率が不充分なものとなり、逆に、１．２を超過するときには、Ｆｅが過剰になって強度が不足するようになる。
Ｚｎの含有量を０．１〜１．０重量％に設定する理由は、０．１重量％未満では、この元素を含有させることによって得られるリードフレームの加工時のはんだ付け性と強度向上に充分なものが得られず、逆に、１．０重量％を超えると導電率の低下をもたらすことによる。
以上述べた各元素のほかに、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｍｎのうちの少なくとも１種を含有させることによって、一層の強度向上を図ることができる。これらの元素は、単独或は２種以上の併用の形で添加され、特に、後者の場合に、高い強度向上を示す。最適な含有量は０．０１〜０．３重量％である。０．０１重量％未満では効果が不充分となり、０．３重量％を超えると導電率の低下を招くことから、上記範囲を超えての含有は避ける必要がある。
【００１３】
第１時効処理の処理温度および処理時間を、４００〜５５０℃×０．５〜５ｈｒ、好ましくは４５０〜５００℃×１〜２ｈｒと限定したのは、この範囲よりも高温及び／又は長時間の場合、析出する化合物（Ｆｅ−Ｐ化合物およびＮｉ−Ｐ化合物）が粗大化して十分な強度が得られなくなるためである。また、この範囲よりも低温及び／又は短時間の場合、化合物の析出が十分に進行せず、十分な強度および導電率が得られなくなるためである。
【００１４】
第２時効処理の処理温度および処理時間を、３００〜４５０℃×０．５〜５ｈｒ、好ましくは３５０〜４００℃×１〜２ｈｒと限定したのは、この範囲よりも高温及び／又は長時間の場合、析出する化合物（Ｆｅ−Ｐ化合物およびＮｉ−Ｐ化合物）が粗大化して十分な強度が得られなくなるためである。また、この範囲よりも低温及び／又は短時間の場合、析出物の生成が十分に進行せず、十分な導電率が得られなくなるためである。
【００１５】
第３冷間圧延加工の加工率を４０％以上と限定したのは、加工率が４０％未満の場合、十分な強度が得られないためである。
【００１６】
以上の製造方法によれば、溶製後の銅合金材に、順に、溶体化処理→第１冷間圧延加工→第１時効処理→第２冷間圧延加工→第２時効処理→第３冷間圧延加工を施すと共に、各熱処理の処理温度・時間および各加工処理の加工率を所定の範囲に調整しているため、約６２０ＭＰａ以上の引張強度および６５％ＩＡＣＳ以上の高導電率を達成することができる。
【００１７】
以下、本発明の好適一実施の形態を説明する。
【００２０】
先ず、化学組成が、Ｆｅ＋Ｎｉが０．３〜１．０ｗｔ％、Ｐが０．０５〜０．３ｗｔ％、（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐが３〜１０、Ｆｅ／Ｎｉが０．８〜１．２、Ｚｎが０．１〜１．０ｗｔ％、残部が銅で構成される銅合金材を溶製する。
【００２１】
次に、溶製後の銅合金材を所定の形状に形成した後、合金元素をＣｕマトリックス中に十分に固溶させるべく、８００〜９５０℃に加熱後、３００℃以下まで２５℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却して溶体化処理を施す。
【００２２】
加熱温度を８００〜９５０℃と高温に規定し、冷却速度を２５℃／ｍｉｎ以上に規定することによって、冷却中に粗大な析出物が形成することを防いでいる。
【００２３】
次に、溶体化処理後の銅合金材に、第１冷間圧延加工を施した後、４００〜５５０℃×０．５〜５ｈｒ、好ましくは４５０〜５００℃×１〜２ｈｒの第１時効処理を施す。
【００２４】
第１冷間圧延によって、銅合金材中に析出物生成の起点となる格子欠陥が導入され、次の工程である第１時効処理において微細析出物が生成するのを促進する。また、第１時効処理によって、前工程の第１冷間圧延時に導入された格子欠陥を起点とし、Ｆｅ−Ｐ化合物およびＮｉ−Ｐ化合物が、Ｃｕマトリックス中に微細な形状で析出し、強度および導電率の向上が図られる。
【００２５】
次に、第１時効処理後の銅合金材に、第２冷間圧延加工を施した後、３００〜４５０℃×０．５〜５ｈｒ、好ましくは３５０〜４００℃×１〜２ｈｒの第２時効処理を施す。
【００２６】
第２冷間圧延によって、銅合金材中に析出物生成の起点となる格子欠陥が新たに導入され、次の工程である第２時効処理において新たな微細析出物が生成するのを促進する。また、第２時効処理によって、前工程の第２冷間圧延時に導入された格子欠陥を起点とし、第１時効処理時に析出しきれなかった合金元素（Ｆｅ−Ｐ化合物およびＮｉ−Ｐ化合物）がＣｕマトリックス中に微細な形状で析出し、更なる導電率の向上が図られる。
【００２７】
その後、第１時効処理および第２時効処理により十分に導電率が向上した銅合金材に、加工率４０％以上の第３冷間圧延加工を施すものである。この第３冷間圧延加工の加工硬化によって、十分な強度向上が得られる。
【００２８】
溶体化処理の加熱手段および第１〜第３冷間圧延加工の加工手段としては、一般の溶体化処理および冷間圧延加工に用いられるものであればよく、特に限定するものではない。
【００２９】
第１冷間圧延加工の加工率は特に限定するものではないが、加工率が５０〜８０％が好ましく、特に６０〜７０％が望ましい。
【００３０】
第２冷間圧延加工の加工率は特に限定するものではないが、加工率が４０〜７０％が好ましく、特に５０〜６０％が望ましい。
【００３１】
本実施の形態の高強度・高導電性銅合金材の製造方法によれば、溶製後の銅合金材に施す溶体化処理の処理温度と時間、時効処理の処理温度と時間、および冷間圧延加工の加工率を、所定の範囲に調整しているため、４２合金に匹敵する約６２０ＭＰａ以上の引張強度と、６５％ＩＡＣＳ以上の高導電率の両方の達成が可能な銅合金材を得ることができる。
【００３２】
また、銅合金材の組成中に溶解・鋳造が困難なＣｒを含有していないため、製造が容易であり、製造コストを低く抑えることができる。
【００３３】
さらに、本実施の形態の製造方法で得られた高強度・高導電性銅合金材を用いることで、放熱性に優れた多ピンのリードフレームを低コストで作製することができ、ＩＣやＬＳＩの高集積化・高速化に大きく貢献する。
【００３４】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【００３６】
本実施の形態では、前記の実施形態における添加元素の外にＭｇ又はＳｎ或はＭｎから選択される１種以上を合計して０．０１〜０．３ｗｔ％を含み、残部が銅で構成される銅合金材を用いるものである。この銅合金材を用いる以外、各熱処理（溶体化処理および時効処理）の条件および各加工処理の条件は、前記の実施形態と同じとする。
【００３７】
本実施の形態の高強度・高導電性銅合金材の製造方法においても、前記の実施形態と同様の効果を奏することは言うまでもなく、更に強度を高めることができるという新たな効果を発揮する。
【００３８】
【実施例】
（実施例１）
Ｆｅが０．４ｗｔ％、Ｎｉが０．４ｗｔ％、Ｆｅ＋Ｎｉが０．８ｗｔ％、Ｐが０．２ｗｔ％、（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐが４、Ｆｅ／Ｎｉが１．０、Ｚｎが０．３ｗｔ％、残部が無酸素銅で構成される銅合金素材を、高周波溶解炉で溶製した後、鋳型に流し込んで直径３０ｍｍ、長さ２５０ｍｍのインゴットを鋳造する。
【００３９】
次に、このインゴットを８５０℃に加熱した後、押出加工を施して幅２０ｍｍ、厚さ８ｍｍの銅合金板に形成する。その後、銅合金板に冷間圧延加工を施して厚さ２．０ｍｍの銅合金薄板を形成する。
【００４０】
その後、この銅合金薄板を９００℃に加熱して１０ｍｉｎ保持した後、水中に投入すると共に室温（約２５℃）まで約３００℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却して溶体化処理を施す。
【００４１】
次に、溶体化処理後の銅合金薄板に第１冷間圧延加工を施して厚さ０．７ｍｍに形成した後、４７０℃×２ｈｒの第１時効処理を施す。
【００４２】
その後、第１時効処理後の銅合金薄板に第２冷間圧延加工を施して厚さ０．３ｍｍに形成した後、３８０℃×２ｈｒの第２時効処理を施す。
【００４３】
最後に、第２時効処理後の銅合金薄板に加工率５０％の第３冷間圧延加工を施して厚さ０．１５ｍｍに形成し、高強度・高導電性銅合金薄板を作製する。
【００４４】
（実施例２）
Ｆｅが０．４ｗｔ％、Ｎｉが０．４ｗｔ％、Ｆｅ＋Ｎｉが０．８ｗｔ％、Ｐが０．２ｗｔ％、（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐが４、Ｆｅ／Ｎｉが１．０、Ｚｎが０．３ｗｔ％、Ｍｇが０．０５ｗｔ％、Ｓｎが０．０５ｗｔ％、残部が無酸素銅で構成される銅合金素材を用いる以外は、実施例１と同様にして、高強度・高導電性銅合金薄板を作製する。
【００４５】
（比較例１）
溶体化処理の処理温度を７５０℃とする以外は、実施例１と同様にして、銅合金薄板を作製する。
【００４６】
（比較例２）
第１時効処理の処理温度を３８０℃とする以外は、実施例１と同様にして、銅合金薄板を作製する。
【００４７】
（比較例３）
第１時効処理の処理温度を５７０℃とする以外は、実施例１と同様にして、銅合金薄板を作製する。
【００４８】
（比較例４）
第２時効処理の処理温度を２８０℃とする以外は、実施例１と同様にして、銅合金薄板を作製する。
【００４９】
（比較例５）
第２時効処理の処理温度を４７０℃とする以外は、実施例１と同様にして、銅合金薄板を作製する。
【００５０】
（比較例６）
第３冷間圧延加工の加工率を３０％とする以外は、実施例１と同様にして、銅合金薄板を作製する。
【００５１】
実施例１，２の高強度・高導電性銅合金薄板および比較例１〜比較例６の銅合金薄板の製造条件（熱処理および加工処理）を表１に示し、実施例１，２の高強度・高導電性銅合金薄板および比較例１〜比較例６の銅合金薄板の特性（引張強さ（ＭＰａ）および導電率（％ＩＡＣＳ））を表２に示す。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【表２】

【００５４】
表２に示すように、本発明の製造方法により作製された高強度・高導電性銅合金薄板においては、いずれも、引張強さが６２０ＭＰａ（６２０ＭＰａ、６４４ＭＰａ）以上、導電率が６５％ＩＡＣＳ（７０％ＩＡＣＳ、６８％ＩＡＣＳ）であった。
【００５５】
これに対して、比較例１の銅合金薄板は、導電率は７０％ＩＡＣＳと良好であるものの、溶体化処理の処理温度が規定範囲より低い７５０℃であるため、強度が不十分となり、引張強さが５７０ＭＰａであった。
【００５６】
比較例２の銅合金薄板は、第１時効処理の処理温度が規定範囲より低い３８０℃であるため、強度がやや不十分、および導電率が不十分となり、引張強さが５８６ＭＰａ、導電率が５８％ＩＡＣＳであった。また、比較例３の銅合金薄板は、導電率は７４％ＩＡＣＳと良好であるものの、第１時効処理の処理温度が規定範囲より高い５７０℃であるため、強度が不十分となり、引張強さが５３８ＭＰａであった。
【００５７】
比較例４の銅合金薄板は、引張強さは６２４ＭＰａと良好であるものの、第２時効処理の処理温度が規定範囲より低い２８０℃であるため、導電率があまり良好ではなく、６０％ＩＡＣＳであった。また、比較例５の銅合金薄板は、導電率は７４％ＩＡＣＳと良好であるものの、第２時効処理の処理温度が規定範囲より高い４７０℃であるため、強度がやや不十分となり、引張強さが５７８ＭＰａであった。
【００５８】
比較例６の銅合金薄板は、導電率は７０％ＩＡＣＳと良好であるものの、第３冷間圧延加工の加工率が規定範囲未満の３０％であるため、強度がやや不十分となり、引張強さが５９６ＭＰａであった。
【００５９】
本発明の製造方法により得られた高強度・高導電性銅合金材は、小型・多ピンのリードフレーム材として用いる以外に、約６２０ＭＰａ以上の引張強度および６５％ＩＡＣＳ以上の高導電率が要求される部材、例えば、半導体機器の端子材又はコネクタ材、電子機器用材などにも適用することができることは言うまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、溶製後の銅合金材に施す溶体化処理の処理温度と時間、時効処理の処理温度と時間、および冷間圧延加工の加工率を、所定の範囲に調整することで、４２合金に匹敵する約６２０ＭＰａ以上の引張強度と、６５％ＩＡＣＳ以上の高導電率の両方の達成が可能な銅合金材を得ることができるという優れた効果を発揮する。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a high-strength, high-conductivity copper alloy material, and more particularly to a method for producing a high-strength, high-conductivity copper alloy material used for lead materials, terminals, connectors, etc. of semiconductor devices. is there.
[0002]
[Prior art]
The trend toward higher integration and higher speed of IC / LSI in recent years has caused an increase in the amount of heat generated by semiconductor chips, and at present, rational heat dissipation of semiconductor packages has become a problem.
[0003]
As a heat dissipation path of the semiconductor package, it is conceivable to dissipate heat to the wiring substrate through a lead material, in addition to the method of dissipating through an insulating mold or actively attaching a heat sink.
[0004]
When heat is radiated to the wiring board through the lead material, the high thermal conductivity (evaluable by conductivity) of the lead material itself directly affects the heat dissipation of the semiconductor package. When performing heat dissipation by this method, the conventional alloy for lead material 42 (Fe—Ni alloy) has a very low conductivity of about 3% IACS, which is a major problem in the design of semiconductor packages. Yes.
[0005]
Therefore, as a lead material alloy, a material having higher conductivity is required, and conversion from 42 alloy to copper alloy is performed. In this case, the characteristics required for the copper alloy are high conductivity, combined with characteristics as a general lead material, and have the same strength as the 42 alloy. .
[0006]
However, although a copper alloy having a high electrical conductivity is excellent in heat dissipation, the strength is relatively weak compared to 42 alloy. Here, since LSI packages with more than 200 pins have been manufactured, there is a strong demand and demand for thinner lead materials and thinner inner and outer leads. Therefore, the strength of the lead material itself is regarded as important.
[0007]
For this reason, various copper alloys with increased strength have been developed, and examples thereof include Cu-Sn, Cu-Ni-Si, and Cu-Cr alloys.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the Cu—Sn based copper alloy in which Sn is dissolved in Cu to increase the strength has a conductivity of only about 30% IACS, and the Cu—Ni—Si based copper alloy has a conductivity of about 50% IACS. In addition, although a high conductivity of 70% IACS or higher is obtained in the Cu—Cr-based copper alloy, it is slightly insufficient in terms of strength, and Cr is a hardly soluble material and C is a refractory material. There is a problem that melting and casting are difficult because Cr and Cr are likely to react.
The inventors previously proposed a Cu-Ni-Fe-P-Zn-based copper alloy as a high-strength, high-conductivity copper alloy having a strength comparable to 42 alloy and a high conductivity of 60% IACS or higher ( Japanese Patent Application No. 10-225692: hereinafter referred to as prior application). It is as follows.
The total of the weight percent of Fe and Ni (hereinafter referred to as Fe + Ni) is 0.3 to 1.0 wt%, P is 0.05 to 0.3 wt%, the ratio of the total weight percent of Fe and Ni to the weight percent of P (Hereinafter referred to as (Fe + Ni) / P) is 3 to 10, the ratio of the weight percent of Fe to the weight percent of Ni (hereinafter referred to as Fe / Ni) is 0.8 to 1.2, and Zn is 0. 1 to 1.0 wt%, and if necessary, one or more selected from Mg, Sn, and Mn is a total of 0.01 to 0.3 wt%, and the balance is made of copper. However, even in this copper alloy material, variations in tensile strength were observed depending on the processing method.
[0009]
Therefore, the present invention is a copper alloy material having the same composition as the previous application, and has a tensile strength of about 620 MPa or more comparable to 42 alloy and a high conductivity of 65% IACS or more, and is easy to manufacture. It is providing the manufacturing method of a highly conductive copper alloy material.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention of claim 1
The total weight percent of Fe and Ni is 0.3 to 1.0 wt%,
P is 0.05 to 0.3 wt%,
The ratio of the total weight percent of Fe and Ni to the weight percent of P ((Fe + Ni) / P) is 3 to 10, and the ratio of the weight percent of Fe to the weight percent of Ni (Fe / Ni) is 0.8 to 1. .2,
Zn is 0.1 to 1.0 wt%,
After the copper alloy material composed of copper is melted, the copper alloy material after the melting is heated to 800 to 950 ° C. and then cooled to 300 ° C. or less at a cooling rate of 25 ° C./min or more. After the first cold rolling process is performed on the copper alloy material after the solution treatment, the first temperature of 400 to 550 ° C. × 0.5 to 5 hours, preferably 450 to 500 ° C. × 1 to 2 hours. After performing the first aging treatment and subjecting the copper alloy material after the first aging treatment to the second cold rolling, 300 to 450 ° C. × 0.5 to 5 hours, preferably 350 to 400 ° C. × 1 to 2 hours. The second aging treatment is performed, and finally, the third cold rolling process with a processing rate of 40% or more is performed on the copper alloy material after the second aging process.
[0011]
The invention of claim 2
The total weight percent of Fe and Ni is 0.3 to 1.0 wt%,
P is 0.05 to 0.3 wt%,
The ratio of the total weight percent of Fe and Ni to the weight percent of P ((Fe + Ni) / P) is 3 to 10, and the ratio of the weight percent of Fe to the weight percent of Ni (Fe / Ni) is 0.8 to 1. .2,
Zn is 0.1 to 1.0 wt%,
0.01-0.3 wt% in total of one or more selected from Mg, Sn, or Mn,
After the copper alloy material composed of copper is melted, the copper alloy material after the melting is heated to 800 to 950 ° C. and then cooled to 300 ° C. or less at a cooling rate of 25 ° C./min or more. After the first cold rolling process is performed on the copper alloy material after the solution treatment, the first temperature of 400 to 550 ° C. × 0.5 to 5 hours, preferably 450 to 500 ° C. × 1 to 2 hours. After performing the first aging treatment and subjecting the copper alloy material after the first aging treatment to the second cold rolling, 300 to 450 ° C. × 0.5 to 5 hours, preferably 350 to 400 ° C. × 1 to 2 hours. The second aging treatment is performed, and finally, the third cold rolling process with a processing rate of 40% or more is performed on the copper alloy material after the second aging process.
[0012]
The reason for limiting the numerical range will be described below.
First, the relationship between Fe and Ni and P will be described. Fe and Ni each have a property of forming a compound with P and improving strength and electrical conductivity. If the amount of P is less than 0.015 to 0.3% by weight set as the content of P, good strength cannot be obtained because the amount of phosphorus compound produced is insufficient, and conversely 0.3% by weight. If it exceeds 50%, the phosphorus compound segregates during casting and casting cracks occur, which is not practical. In order to efficiently produce a phosphorous compound by heat treatment within the 0.05 to 0.3 wt% regulation imposed on P, the total amount of Fe and Ni is 0.3 to 1.0 wt%. %, And when this is less than 0.3% by weight, the formation of phosphorus compounds becomes insufficient. Conversely, if it exceeds 1.0% by weight, excess Fe and Ni are contained in Cu. In particular, the characteristics deteriorate in terms of conductivity.
In order to sufficiently obtain the effect of improving the conductivity due to the generation of the phosphorus compound, it is necessary to set the ratio of the total weight of Fe and Ni and the weight of P to be (Fe + Ni) / P = 3-10. When the set ratio is lower than this range, P is excessive. Conversely, when it exceeds this range, Fe and Ni are excessive. Therefore, these excessive elements that are not involved in the formation of the phosphorus compound are in a solid solution state in Cu. As a result, in particular, the conductivity is greatly hindered. The ratio of Fe and Ni and P is particularly important in securing high electrical conductivity. If this is set to a more limited weight ratio, the weight ratio of P to 1 is 1 for Fe and Ni. The total amount can be set to 4-6.
The optimum ratio of Fe and Ni needs to be determined in consideration of the balance between strength and conductivity. Fe contributes little to improving the strength, but has the property of improving the conductivity. On the other hand, Ni is effective in improving the strength, but it has a higher conductivity than Fe. Hard to get.
Therefore, in order to design a material in which the strength and the electrical conductivity are harmonized, it is necessary to make the weight ratio of the two in a one-to-one relationship within the total amount of 0.3 to 1.0% by weight. Furthermore, when considering the operation of melting and casting by mass production equipment, which is not necessarily sufficient under a strict blending composition, it is necessary to set this within the range of Fe / Ni = 0.8 to 1.2. There is.
When Fe / Ni is less than 0.8, the conductivity becomes insufficient due to Ni excess, and conversely, when it exceeds 1.2, Fe becomes excessive and the strength becomes insufficient.
The reason for setting the Zn content to 0.1 to 1.0% by weight is that if it is less than 0.1% by weight, it improves solderability and strength during processing of the lead frame obtained by containing this element. Insufficient product is obtained, and conversely, if it exceeds 1.0% by weight, the conductivity is lowered.
In addition to each element described above, at least one of Mg, Sn, and Mn can be contained to further improve the strength. These elements are added singly or in combination of two or more, and particularly in the latter case, a high strength improvement is exhibited. The optimum content is 0.01 to 0.3% by weight. If it is less than 0.01% by weight, the effect is insufficient, and if it exceeds 0.3% by weight, the conductivity is lowered. Therefore, it is necessary to avoid the content exceeding the above range.
[0013]
The treatment temperature and treatment time of the first aging treatment are limited to 400 to 550 ° C. × 0.5 to 5 hours, preferably 450 to 500 ° C. × 1 to 2 hours. In this case, the precipitated compounds (Fe—P compound and Ni—P compound) are coarsened and sufficient strength cannot be obtained. Further, when the temperature is lower than this range and / or for a short time, precipitation of the compound does not proceed sufficiently, and sufficient strength and electrical conductivity cannot be obtained.
[0014]
The treatment temperature and treatment time of the second aging treatment were limited to 300 to 450 ° C. × 0.5 to 5 hours, preferably 350 to 400 ° C. × 1 to 2 hours. In this case, the precipitated compounds (Fe—P compound and Ni—P compound) are coarsened and sufficient strength cannot be obtained. Further, when the temperature is lower than this range and / or for a short time, the formation of precipitates does not proceed sufficiently, and sufficient conductivity cannot be obtained.
[0015]
The reason why the processing rate of the third cold rolling process is limited to 40% or more is that sufficient strength cannot be obtained when the processing rate is less than 40%.
[0016]
According to the above manufacturing method, the solution treatment → first cold rolling process → first aging process → second cold rolling process → second aging process → third cold treatment is sequentially applied to the copper alloy material after melting. In addition to performing the hot rolling process, the processing temperature and time of each heat treatment and the processing rate of each processing process are adjusted within a predetermined range, so that a tensile strength of about 620 MPa or more and a high conductivity of 65% IACS or more are achieved. be able to.
[0017]
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described.
[0020]
First, chemical composition, Fe + Ni is 0.3~1.0wt%, P is 0.05~0.3wt%, (Fe + Ni) / P is 3 to 10, Fe / Ni is 0.8 to 1.2, A copper alloy material composed of 0.1 to 1.0 wt% of Zn and the balance of copper is melted.
[0021]
Next, after forming the copper alloy material after melting into a predetermined shape, the alloy element is heated to 800 to 950 ° C. to sufficiently dissolve the alloy element in the Cu matrix, and then 25 ° C./min or more to 300 ° C. or less. The solution is subjected to a solution treatment by cooling at a cooling rate of 1.
[0022]
By defining the heating temperature as high as 800 to 950 ° C. and the cooling rate as 25 ° C./min or more, the formation of coarse precipitates during cooling is prevented.
[0023]
Next, the first aging treatment of 400 to 550 ° C. × 0.5 to 5 hours, preferably 450 to 500 ° C. × 1 to 2 hours is performed after the first cold rolling process is performed on the copper alloy material after the solution treatment. Apply.
[0024]
The first cold rolling introduces a lattice defect that becomes a starting point of precipitate generation in the copper alloy material, and promotes the formation of fine precipitates in the first aging treatment as the next step. In addition, the first aging treatment starts from lattice defects introduced during the first cold rolling in the previous step, and the Fe—P compound and the Ni—P compound are precipitated in a fine shape in the Cu matrix. The conductivity is improved.
[0025]
Next, after subjecting the copper alloy material after the first aging treatment to the second cold rolling process, the second aging of 300 to 450 ° C. × 0.5 to 5 hours, preferably 350 to 400 ° C. × 1 to 2 hours is performed. Apply processing.
[0026]
The second cold rolling newly introduces a lattice defect as a starting point of precipitate generation in the copper alloy material, and promotes the generation of new fine precipitates in the second aging treatment as the next step. In addition, alloy elements (Fe-P compound and Ni-P compound) that have not been precipitated during the first aging treatment, starting from the lattice defects introduced by the second aging treatment during the second cold rolling in the previous step. It precipitates in a fine shape in the Cu matrix, and the conductivity is further improved.
[0027]
Thereafter, a third cold rolling process with a processing rate of 40% or more is performed on the copper alloy material whose conductivity is sufficiently improved by the first aging treatment and the second aging treatment. A sufficient strength improvement is obtained by the work hardening of the third cold rolling process.
[0028]
The heating means for the solution treatment and the processing means for the first to third cold rolling processes are not particularly limited as long as they are used for general solution treatment and cold rolling processes.
[0029]
The processing rate of the first cold rolling is not particularly limited, but the processing rate is preferably 50 to 80%, and particularly preferably 60 to 70%.
[0030]
The processing rate of the second cold rolling is not particularly limited, but the processing rate is preferably 40 to 70%, and particularly preferably 50 to 60%.
[0031]
According to the manufacturing method of the high-strength and high-conductivity copper alloy material of the present embodiment, the treatment temperature and time of the solution treatment applied to the copper alloy material after melting, the treatment temperature and time of the aging treatment, and the cold Since the processing rate of the rolling process is adjusted to a predetermined range, a copper alloy material capable of achieving both a tensile strength of about 620 MPa or higher comparable to 42 alloy and a high conductivity of 65% IACS or higher is obtained. be able to.
[0032]
Moreover, since the composition of the copper alloy material does not contain Cr that is difficult to melt and cast, the production is easy and the production cost can be kept low.
[0033]
Furthermore, by using the high-strength and high-conductivity copper alloy material obtained by the manufacturing method of the present embodiment, a multi-pin lead frame with excellent heat dissipation can be manufactured at low cost, and an IC or LSI Greatly contributes to higher integration and higher speed.
[0034]
Next, another embodiment of the present invention.
[0036]
In the present embodiment, in addition to the additive element in the above-described embodiment, one or more selected from Mg, Sn, or Mn is included in a total of 0.01 to 0.3 wt% , and the balance is made of copper. A copper alloy material is used. Except for using this copper alloy material, the conditions for each heat treatment (solution treatment and aging treatment) and the conditions for each processing treatment are the same as those in the above embodiment .
[0037]
Also in the manufacturing method of the high-strength and high-conductivity copper alloy material of the present embodiment, it goes without saying that the same effect as that of the above-described embodiment is exhibited, and a new effect that the strength can be further increased is exhibited.
[0038]
【Example】
Example 1
Fe 0.4 wt%, Ni 0.4 wt%, Fe + Ni 0.8 wt%, P 0.2 wt%, (Fe + Ni) / P 4, Fe / Ni 1.0, Zn 0.3 wt% A copper alloy material composed of oxygen-free copper is melted in a high frequency melting furnace, and then poured into a mold to cast an ingot having a diameter of 30 mm and a length of 250 mm.
[0039]
Next, after heating this ingot to 850 ° C., extrusion is performed to form a copper alloy plate having a width of 20 mm and a thickness of 8 mm. Thereafter, the copper alloy sheet is cold-rolled to form a 2.0 mm thick copper alloy sheet.
[0040]
Thereafter, the copper alloy thin plate is heated to 900 ° C. and held for 10 minutes, and then poured into water and cooled to room temperature (about 25 ° C.) at a cooling rate of about 300 ° C./min for solution treatment.
[0041]
Next, the copper alloy thin plate after solution treatment is subjected to a first cold rolling process to form a thickness of 0.7 mm, and then a first aging treatment at 470 ° C. × 2 hr is performed.
[0042]
Thereafter, the copper alloy thin plate after the first aging treatment is subjected to a second cold rolling process to form a thickness of 0.3 mm, and then a second aging treatment of 380 ° C. × 2 hr is performed.
[0043]
Finally, the copper alloy sheet after the second aging treatment is subjected to a third cold rolling process with a processing rate of 50% to form a thickness of 0.15 mm to produce a high-strength, high-conductivity copper alloy sheet.
[0044]
(Example 2)
Fe 0.4 wt%, Ni 0.4 wt%, Fe + Ni 0.8 wt%, P 0.2 wt%, (Fe + Ni) / P 4, Fe / Ni 1.0, Zn 0.3 wt% A high-strength, high-conductivity copper alloy thin plate was prepared in the same manner as in Example 1 except that a copper alloy material composed of 0.05 wt% Mg, 0.05 wt% Sn, and the remaining oxygen-free copper was used. Make it.
[0045]
(Comparative Example 1)
A copper alloy thin plate is produced in the same manner as in Example 1 except that the solution treatment temperature is 750 ° C.
[0046]
(Comparative Example 2)
A copper alloy thin plate is produced in the same manner as in Example 1 except that the treatment temperature of the first aging treatment is 380 ° C.
[0047]
(Comparative Example 3)
A copper alloy thin plate is produced in the same manner as in Example 1 except that the treatment temperature of the first aging treatment is 570 ° C.
[0048]
(Comparative Example 4)
A copper alloy thin plate is produced in the same manner as in Example 1 except that the treatment temperature of the second aging treatment is 280 ° C.
[0049]
(Comparative Example 5)
A copper alloy thin plate is produced in the same manner as in Example 1 except that the treatment temperature of the second aging treatment is 470 ° C.
[0050]
(Comparative Example 6)
A copper alloy thin plate is produced in the same manner as in Example 1 except that the processing rate of the third cold rolling process is set to 30%.
[0051]
The production conditions (heat treatment and processing) of the high strength and high conductivity copper alloy thin plates of Examples 1 and 2 and the copper alloy thin plates of Comparative Examples 1 to 6 are shown in Table 1, and the high strength of Examples 1 and 2 Table 2 shows the properties (tensile strength (MPa) and conductivity (% IACS)) of the highly conductive copper alloy sheet and the copper alloy sheets of Comparative Examples 1 to 6.
[0052]
[Table 1]

[0053]
[Table 2]

[0054]
As shown in Table 2, in the high strength and high conductivity copper alloy thin plate produced by the production method of the present invention, the tensile strength is 620 MPa (620 MPa, 644 MPa) or more, and the conductivity is 65% IACS ( 70% IACS, 68% IACS).
[0055]
On the other hand, the copper alloy thin plate of Comparative Example 1 has a good electrical conductivity of 70% IACS, but the solution treatment temperature is 750 ° C., which is lower than the specified range. The strength was 570 MPa.
[0056]
The copper alloy thin plate of Comparative Example 2 has a first aging treatment temperature of 380 ° C. which is lower than the specified range, so that the strength is slightly insufficient and the conductivity is insufficient, the tensile strength is 586 MPa, and the conductivity is 58% IACS. Further, although the copper alloy thin plate of Comparative Example 3 has good conductivity of 74% IACS, the treatment temperature of the first aging treatment is 570 ° C. which is higher than the specified range, so that the strength is insufficient and the tensile strength is high. Was 538 MPa.
[0057]
Although the copper alloy thin plate of Comparative Example 4 has a tensile strength as good as 624 MPa, the treatment temperature of the second aging treatment is 280 ° C., which is lower than the specified range, so the conductivity is not so good, with 60% IACS. there were. In addition, although the copper alloy thin plate of Comparative Example 5 has a good conductivity of 74% IACS, the processing temperature of the second aging treatment is 470 ° C., which is higher than the specified range, so that the strength is slightly insufficient and the tensile strength is high. Was 578 MPa.
[0058]
Although the copper alloy thin plate of Comparative Example 6 has a good electrical conductivity of 70% IACS, the processing rate of the third cold rolling is 30%, which is less than the specified range, so that the strength is slightly insufficient, and the tensile strength is high. Was 596 MPa.
[0059]
The high-strength, high-conductivity copper alloy material obtained by the production method of the present invention requires a tensile strength of about 620 MPa or more and a high conductivity of 65% IACS or more, in addition to being used as a small-sized, multi-pin lead frame material. Needless to say, the present invention can also be applied to a member to be used, for example, a terminal material or connector material of a semiconductor device, a material for an electronic device, or the like.
[0060]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, the processing temperature and time of the solution treatment applied to the copper alloy material after melting, the processing temperature and time of the aging treatment, and the processing rate of the cold rolling are adjusted to a predetermined range. Thus, an excellent effect is obtained that a copper alloy material capable of achieving both a tensile strength of about 620 MPa or more comparable to 42 alloy and a high conductivity of 65% IACS or more can be obtained.

Claims

ＦｅとＮｉの重量％の合計が０．３〜１．０ｗｔ％、Ｐが０．０５〜０．３ｗｔ％、ＦｅとＮｉの合計重量％とＰの重量％との比（（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐ）が３〜１０、Ｆｅの重量％とＮｉの重量％との比（Ｆｅ／Ｎｉ）が０．８〜１．２、Ｚｎが０．１〜１．０ｗｔ％、残部が銅で構成される銅合金材を溶製した後、その溶製後の銅合金材を８００〜９５０℃に加熱後、３００℃以下まで２５℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却して溶体化処理を施し、その溶体化処理後の銅合金材に、第１冷間圧延加工を施した後、４００〜５５０℃×０．５〜５ｈｒの第１時効処理を施し、その第１時効処理後の銅合金材に、第２冷間圧延加工を施した後、３００〜４５０℃×０．５〜５ｈｒの第２時効処理を施し、最後に、その第２時効処理後の銅合金材に、加工率４０％以上の第３冷間圧延加工を施すことを特徴とする高強度・高導電性銅合金材の製造方法。The total weight percent of Fe and Ni is 0.3 to 1.0 wt%, P is 0.05 to 0.3 wt%, and the ratio of the total weight percent of Fe and Ni to the weight percent of P ((Fe + Ni) / P ) Is 3 to 10, the ratio of Fe wt% to Ni wt% (Fe / Ni) is 0.8 to 1.2, Zn is 0.1 to 1.0 wt%, and the balance is copper. After melting the copper alloy material, the molten copper alloy material is heated to 800 to 950 ° C., then cooled to 300 ° C. or less at a cooling rate of 25 ° C./min or more, and subjected to a solution treatment. After performing the first cold rolling process on the copper alloy material after the aging treatment, the first aging treatment of 400 to 550 ° C. × 0.5 to 5 hours is performed, and the copper alloy material after the first aging treatment is applied, It was subjected to secondary cold rolling, subjected to a second aging treatment of 300 to 450 ° C. × 0.5 to 5 hr, finally, the copper alloy material after the second aging treatment , The method of producing a high strength and high conductivity copper alloy material characterized by applying a third cold rolling process of more working ratio of 40%.

ＦｅとＮｉの重量％の合計が０．３〜１．０ｗｔ％、Ｐが０．０５〜０．３ｗｔ％、ＦｅとＮｉの合計重量％とＰの重量％との比（（Ｆｅ＋Ｎｉ）／Ｐ）が３〜１０、Ｆｅの重量％とＮｉの重量％との比（Ｆｅ／Ｎｉ）が０．８〜１．２、Ｚｎが０．１〜１．０ｗｔ％、Ｍｇ又はＳｎ或いはＭｎから選択される１種以上を合計して０．０１〜０．３ｗｔ％、残部が銅で構成される銅合金材を溶製した後、その溶製後の銅合金材を８００〜９５０℃に加熱後、３００℃以下まで２５℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で冷却して溶体化処理を施し、その溶体化処理後の銅合金材に、第１冷間圧延加工を施した後、４００〜５５０℃×０．５〜５ｈｒの第１時効処理を施し、その第１時効処理後の銅合金材に、第２冷間圧延加工を施した後、３００〜４５０℃×０．５〜５ｈｒの第２時効処理を施し、最後に、その第２時効処理後の銅合金材に、加工率４０％以上の第３冷間圧延加工を施すことを特徴とする高強度・高導電性銅合金材の製造方法。The total weight percent of Fe and Ni is 0.3 to 1.0 wt%, P is 0.05 to 0.3 wt%, and the ratio of the total weight percent of Fe and Ni to the weight percent of P ((Fe + Ni) / P ) Is 3 to 10, the ratio of Fe wt% to Ni wt% (Fe / Ni) is 0.8 to 1.2, Zn is 0.1 to 1.0 wt%, Mg, Sn or Mn is selected After melting a copper alloy material composed of 0.01 to 0.3 wt% in total, the balance being made of copper, after heating the molten copper alloy material to 800 to 950 ° C The solution is cooled to a temperature of 300 ° C. or less at a cooling rate of 25 ° C./min or more and subjected to a solution treatment. After the solution treatment, the first cold rolling process is performed on the copper alloy material, and then 400 to 550 ° C. × 0.5 subjecting the first aging treatment 5 hr, its first aging treatment the copper alloy material after, after subjected to the second cold rolling process, 300-45 ° C. × subjected to the second aging treatment 0.5 to 5 hr, finally, high, wherein the subjecting its second aging copper alloy material after the third cold rolling process of more working ratio of 40% A manufacturing method of strength and high conductivity copper alloy material.