JP4162087B2

JP4162087B2 - 高屈曲性圧延銅箔及びその製造方法

Info

Publication number: JP4162087B2
Application number: JP2003299314A
Authority: JP
Inventors: 隆紹波多野
Original assignee: Nippon Mining and Metals Co Ltd
Current assignee: Nippon Mining Holdings Inc
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP2005068484A

Description

本発明は優れた屈曲性を有するフレキシブルプリント回路基板（Flexible printed circuit、以下FPCと表記する）等の可撓性配線部材に用いる圧延銅箔に関するものである。

有機物を基材としたプリント配線基板は、ガラスエポキシまたは紙フェノール基板を構成材料とする硬質銅張積層板（リジット）と、ポリイミドまたはポリエステル基板を構成材料とする可撓性銅張積層基板（FPC）とに大別され、プリント配線基板の導電材には銅箔が使用されている。
上記プリント配線基板のうち、FPCは、樹脂基板に銅箔をラミネートし、接着剤あるいは加熱加圧により一体化して形成される。近年では高密度実装の有効な手段として、ビルドアップ基板と呼ばれる多層配線基板が多く用いられている。また、従来の三層銅張積層板に対し、二層銅張積層板が開発され、近年多用される傾向にある。三層材では接着剤を使用して銅箔と樹脂フィルムとを接着するのに対し、二層材では接着剤を介さずポリイミドフィルムと銅箔が一体化される。

FPCは、プリンターのヘッド部、ハードディスク内の駆動部、携帯電話のヒンジ部等、可動部分への配線が必要とされる場合に広く使用され、屈曲変形が繰り返し加えられる。近年の装置の小型化や高水準化に伴い、この屈曲性への要求はより高度化している。
銅箔にはその製造方法の違いにより電解銅箔と圧延銅箔の二種類があるが、FPCの構成部材となる銅箔には、主に圧延銅箔が用いられている。これは圧延銅箔の方が、屈曲性に優れるためである。また、圧延銅箔の素材には、主にタフピッチ銅（酸素含有量0.01〜0.05 mass%）が用いられる。タフピッチ銅箔は、インゴットを熱間圧延した後、所定の厚さまで冷間圧延と焼鈍とを繰り返して製造される。その後、樹脂基板との接着性を向上させるため、圧延銅箔の表面に粗化めっきが施される。

三層銅張積層板の場合、粗化めっき後の銅箔は、裁断された後、樹脂基板と貼り合わせられる。銅箔と樹脂との貼りあわせには、例えばエポキシ等の熱硬化性樹脂からなる接着剤が用いられ、張り合わせ後130〜170℃の温度で1〜2時間加熱して硬化させる。
一方、二層銅張積層板の製造方法としては、ポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミック酸を含むワニスを銅箔上に塗布して加熱硬化させる“キャスティング法”、銅箔をポリイミドフィルムに直接に積層する“ラミネート法”等がある。

銅張積層板の銅箔は、次工程で、種々の配線パターンにエッチング加工される。
銅箔の屈曲性は再結晶焼鈍を行うことにより圧延上がりよりも著しく向上する。そこで銅箔は再結晶組織に調質された状態でFPCの構成部材として使用される。このための再結晶焼鈍は、粗化めっきの前または後に行なわれる。一方、特別な再結晶焼鈍工程を付加せず、上述した銅張積層板の製造工程での熱履歴（接着剤の熱硬化、ワニスの加熱硬化等）により銅箔を再結晶させる場合もある。

FPCの屈曲性を高めるためには、その素材となる圧延銅箔の屈曲性を高めることが有効である。銅箔に屈曲変形を与えると、結晶粒界に沿って割れが進展し、銅箔が破断する。これに対し、特許文献１では、結晶粒界への応力集中を軽減するために、銅箔の立方体集合組織を発達させ、屈曲性を改善している。そして、再結晶焼鈍の際に立方体集合組織が発達するよう、銅箔の製造プロセスを最適化している。しかしながら、立方体集合組織が発達した銅箔には、引張強さおよび伸びが低いという欠点がある（例えば、非特許文献１参照。）。引張強さが低いと取り扱いの際に銅箔が変形する等の不具合が生じ、また伸びが低いと銅箔の折り曲げ性等が劣化する。

特許第３００９３８３号公報 T.Hatano、Y.Kurosawa and J.Miyake: Journal of Electronic Materials、 Vol.29、 No.5 (2000)、 p.611-616.

本発明の目的は、引張強さおよび伸びを低下させることなく、銅箔の屈曲性を改善することである。

前述したように、銅箔に屈曲変形を与えると、結晶粒界に沿って割れが進展し、銅箔の破断に至る。この場合、結晶粒を小さくすると、すなわち粒界の総面積を大きくすると、粒界への応力集中が分散されて小さくなり、屈曲寿命が向上することが期待される。
本発明者らは、再結晶後の銅箔の結晶粒径を微細化する方策を検討した。その結果、焼鈍条件を調整するだけでは不十分であり、ＣｕへのＳｎの添加が極めて有効であることを見出した。純Ｃｕには再結晶の際に立方体集合組織が発達する特徴があるが、立方体方位に配向する結晶粒の成長速度は著しく速く、このため純銅の結晶粒を微細化することは困難であった。Ｓｎ添加は焼鈍時立方体集合組織の発達を抑制し、その結果として結晶粒が微細化すると考えられた。
さらに本発明者らは、Ｓｎを添加することにより結晶粒を微細化した銅箔の特性を評価し、その屈曲性が非常に優れることを見出した。また、引張強さおよび伸びについても、従来の銅箔と比較して同等以上であった。

本発明は以上の研究を通して、完成されたものであり、即ち
（１）Ｓｎを0.01〜0.2 mass％含有しＳｎとＣｕの合計が99.9 mass％以上であり、平均結晶粒径が５μｍ以下、最大結晶粒径が１５μm以下である再結晶組織を有することを特徴とする圧延銅箔、
（２）インゴットを熱間圧延した後、冷間圧延と焼鈍とを繰り返し、最終冷間圧延で箔の厚みに仕上げ、その後再結晶焼鈍を施すプロセスで製造し、
ａ）最終冷間圧延の直前の焼鈍を、この焼鈍で得られる再結晶粒の平均粒径が１０μm以下になる条件下で行い、
ｂ）最終冷間圧延の加工度を８０%以上とし、
ｃ）最終圧延後の焼鈍において、焼鈍温度、Ｔ（℃）および焼鈍時間、ｔ（ｈ）が、
８００≦（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）≦９５０
の関係になる条件下で焼鈍を行うことを特徴とする上記（１）の圧延銅箔の製造方法、
である。

本発明の銅箔は、高い屈曲性、引張強さおよび伸びを併せ持つ。この銅箔は、フレキシブルプリント回路基板用の銅箔として好適である。

以下に本発明を構成する各要素の限定理由について説明する。
（１）結晶粒径
結晶粒径を微細化することにより屈曲性が向上する。優れた屈曲性を得るためには、平均結晶粒径を５μｍ以下に調整する必要がある。また、最大結晶粒径にも留意する必要がある。平均結晶粒径が小さくても、局部的に大きな結晶粒があると、この大きな結晶粒に応力が集中し、この大きな結晶粒の粒界において割れが生成・成長するためである。最大結晶粒径を15μｍ以下にする必要がある。結晶粒の微細化には、引張強さおよび伸びを高くする効果もある。

（２）組成
ＣｕにＳｎを添加すると、結晶粒が微細化する。しかし、Ｓｎ濃度が0.01 mass%未満では、焼鈍を始めとする製造条件を調整しても、上記結晶粒径を得ることができない。また、Ｓｎが0.2 mass%を超えると導電率の低下が大きくなり、導電率が高いというＣｕの特徴が失われる。
一方、Ｓｎを添加するベースとなるＣｕには、酸素濃度が0.0005 mass%以下である無酸素銅と酸素濃度が0.01〜0.05 mass%のタフピッチ銅の二種類がある。本発明では無酸素銅にＳｎを添加する。タフピッチ銅にＳｎを添加すると、Ｓｎと酸素が化合物を生成するため、銅箔を屈曲した際にこの化合物粒子を起点にして破断が起こり、優れた屈曲性は期待できない。なお、 JIS-Ｈ3100（1999年）により、無酸素銅C1020の組成は、Ｃｕが99.6 mass%以上と定義されている。

（４）箔の厚み
銅箔の厚みは５〜３５μmであることが好ましい。箔の厚みが５μm未満の場合、各種部品に加工される際にしわがよったり、破れやすくなるなどハンドリングに困難が生じる。また、３５μmを超えると、銅箔に曲げ変形を加えた際の曲げ部外周における歪が大きくなり、屈曲性や折り曲げ性が低下する。

（５）製造プロセス
最終圧延後の再結晶焼鈍において微細結晶粒を得るためには、再結晶粒の核生成サイトを提供する必要がある。最終圧延で導入する格子欠陥、および最終圧延前の焼鈍で生成する再結晶粒の結晶粒界が、核生成サイトとして作用する。そこで、最終冷間圧延の加工度を８０％以上に規定し、最終冷間圧延の直前の焼鈍で形成する再結晶粒の平均粒径を１０μｍ以下に規定する。
また、微細結晶粒を得るためには、最終圧延後の焼鈍条件を適正化する必要がある。実験データに基づき、上記結晶粒を得るための焼鈍温度、Ｔ（℃）および焼鈍時間、ｔ（ｈ）を、次式で規定した。
８００≦（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）≦９５０
この式で規定されるＴとｔの範囲を図示すると、図１のようになる。より好ましい条件は、
８５０≦（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）≦９００
である。（以下、（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）を式１とする。）
なお、この再結晶焼鈍は、粗化めっきの前に行ってもよいし、粗化めっきの後に行ってもよい。さらに、銅張積層板を製造する際の熱処理（接着剤の熱硬化、ワニスの加熱硬化等）を利用し、銅箔を再結晶させてもよい。

以下、本発明の様態を実施例により説明する
カーボン脱酸によりO濃度を0.0005 mass%以下に下げた溶銅に所定量のＳｎを添加し、表１に示す成分の厚さ200 mm、幅500 mmの銅インゴットを製造した。インゴットを熱間圧延した後、焼鈍と冷間圧延を繰り返し、最終の冷間圧延で所定の厚みの箔に仕上げ、最後に再結晶焼鈍を施した。最終圧延前の焼鈍では、焼鈍後の再結晶粒径を測定した。この測定では、圧延方向に直角な断面を鏡面研磨後に化学腐食し、切断法（JIS H 0501（1999年））により平均結晶粒径を求めた。
得られた銅箔について、次の評価を行った。

１）再結晶後の結晶粒径
圧延面を鏡面研磨後に化学腐食し、切断法（JIS H 0501（1999年））に準じ、所定長さの線分により完全に切られる結晶粒数を数える方法により平均結晶粒径を求めた。また、最大結晶粒を求めた。ここで、最大結晶粒を求める際の粒径は、結晶粒を含む最小の円の直径と定義した。

２）屈曲性
図２に示す装置により、屈曲疲労寿命の測定を行った。この装置は、発振駆動体４に振動伝達部材３を結合した構造になっており、被試験銅箔１は、矢印で示したねじ２の部分と３の先端部の計４点で装置に固定される。振動部３が上下に駆動すると、銅箔１の中間部は、所定の曲率半径rでヘアピン状に屈曲される。本試験では、以下の条件下で屈曲を繰り返した時の破断までの回数を求めた。
試験片幅12.7 mm、試験片長さ：200 mm、試験片採取方向：試験片の長さ方向が圧延方向と平行になるように採取、曲率半径r：2.5 mm、振動ストローク：25 mm、振動速度：1500回／分
なお、厚みが１８μｍの銅箔でいえば、屈曲疲労寿命が４０万回以上の場合に、優れた屈曲性を有していると判断した。また、この試験は加速試験であり、実際にFPCが使用させる条件よりも厳しい条件下で行っている。

３）引張試験
引張試験により引張強さと伸びを求めた。引張試験片は幅12.7mm、長さ150mmの短冊片を用い、引張速度を50mm/minに固定し、破断後の伸びを実測した。

４）導電率
定電圧直流電位差計を用いて比抵抗を測定し、導電率（IACS%）を求めた。測定試験片は引張試験片と同じ寸法とした。
（１）実施例１

素材成分の影響を示す。
種々の濃度のＳｎを添加した無酸素銅を素材とし、最終圧延加工度を９０％、最終圧延前の結晶粒径を７〜８μmに調整し、厚み１８μmの銅箔を製造した。この銅箔を４００℃で１時間（式1：（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）＝８９０）の条件で焼鈍し、諸特性を評価した。この結果を表１に示す。

０．０１〜０．２mass％の範囲のＳｎを含有する発明例No.１〜７は、平均結晶粒径が５μｍ以下、最大結晶粒径が１５μｍ以下である。屈曲回数は６０万回以上、引張強さは２６０ＭＰａ以上、伸びは２０％以上である。
比較例No.１０は、Ｓｎを含有しない無酸素銅である。立方体集合組織が発達したために、最終圧延前の結晶粒径を１０μｍ以下に調整できず、最終焼鈍後の平均結晶粒径は５μｍを超え、さらに最終焼鈍後の最大結晶粒径は１５μｍを超えた。この銅箔の屈曲回数、引張強さ、伸びは、いずれも発明例よりかなり劣っている。
比較例No.８は、Ｓｎを添加したもののその添加量が０．０１mass％に満たない例である。最終焼鈍後の平均結晶粒径は５μｍを超え、最終焼鈍後の最大結晶粒径は１５μｍを超えている。屈曲回数、引張強さおよび伸びは、発明例と比較して劣っている。
比較例No.９は、０．２mass％を超えるＳｎを添加した例である。屈曲回数、引張強さおよび伸びは発明例と同等であるが、導電率が他の例より低い。
比較例No.１１は、Ｓｎを含有しない無酸素銅に対し、最終圧延加工度を９８％と高くして立方体集合組織を極度に発達させることにより屈曲性を改善した例である。屈曲回数は本発明例と同等であるが、伸びおよび引張強さが非常に低い。
（２）実施例２

最終圧延加工度および最終圧延前の結晶粒径の影響を示す。
Ｓｎ濃度が０.１２mass％の無酸素銅を素材とし、最終圧延加工度および最終圧延前の結晶粒径を変化させ、厚み１２μmの銅箔を製造した。この銅箔を３６０℃で５時間（式１：（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）＝８８５）の条件で焼鈍し、諸特性を評価した。この結果を表２に示す。

発明例No.１２〜１５は、最終圧延加工度が８０％以上、最終圧延前の結晶粒径が１０μｍ以下の条件で製造されたものであり、平均結晶粒径が５μｍ以下、最大結晶粒径が１５μｍ以下である。屈曲回数は１００万回以上、引張強さは２６０ＭＰａ以上、伸びは２０％以上である。
比較例No.１６は最終圧延加工度が８０％より小さいため、また比較例No.１７は最終圧延前の結晶粒径が１０μｍを超えるため、平均結晶粒径は５μｍ以下であるが、最大結晶粒径が１５μｍを超えている。このため屈曲回数が非常に少ない。また、引張強さと伸びも発明例より低い。
（３）実施例３

最終圧延後の焼鈍条件の影響を示す。
Ｓｎ濃度が０．１５mass％の無酸素銅を素材とし、最終圧延加工度を９２％、最終圧延前の結晶粒径を６〜７μmに調整し、厚み１０μmの銅箔を製造した。この銅箔を種々の条件で焼鈍し、諸特性を評価した。この結果を表３に示す。

発明例No.１８〜２１は、式1：（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）＝８００〜９５０の条件で焼鈍した例であり、屈曲回数は２００万回以上、引張強さは２６０ＭＰａ以上、伸びは１６％以上である。これら発明例の中でも、（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）を、８５０〜９００の範囲に最適化した発明例No．１９、２０の特性は特に優れている。なお、実施例１および２と比較して屈曲回数が多く伸びが低い理由は、厚みが薄いためである。
比較例No.２２は式1：（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）が８００を下回ったため、圧延組織が完全に再結晶せずに未再結晶部が残留し、屈曲回数および伸びが発明例より劣る。
比較例No.２３は式1：（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）が９５０を超えたため、焼鈍後の結晶粒径が５μｍを超え、焼鈍後の結晶粒径が１５μｍを超えた。このため、屈曲回数および引張強さが発明例より劣る。

所定の結晶粒を得るための焼鈍時間と焼鈍時間、ｔ（ｈ）の関係を示した図である。屈曲寿命の測定を行うために使用した屈曲試験装置の説明図である。

符号の説明

１銅箔
２ねじ
３振動伝達部材
４発振駆動体

Claims

Ｓｎを0.01〜0.2 mass％含有しＳｎとＣｕの合計が99.9 mass％以上であり、平均結晶粒径が５μｍ以下、最大結晶粒径が１５μm以下である再結晶組織を有することを特徴とする圧延銅箔。
インゴットを熱間圧延した後、冷間圧延と焼鈍とを繰り返し、最終冷間圧延で箔の厚みに仕上げ、その後再結晶焼鈍を施すプロセスで製造し、
ａ）最終冷間圧延の直前の焼鈍を、この焼鈍で得られる再結晶粒の平均粒径が１０μm以下になる条件下で行い、
ｂ）最終冷間圧延の加工度を８０%以上とし、
ｃ）最終圧延後の焼鈍において、焼鈍温度、Ｔ（℃）および焼鈍時間、ｔ（ｈ）が、
８００≦（Ｔ＋２７３）×ｌｏｇ（ｔ＋２０）≦９５０
の関係になる条件下で焼鈍を行う、
ことを特徴とする請求項１の圧延銅箔の製造方法。