JP4162087B2 - 高屈曲性圧延銅箔及びその製造方法 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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
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。
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
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。
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。
2 ねじ
3 振動伝達部材
4 発振駆動体
Claims (2)
- 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。
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