JP4679040B2 - 電子材料用銅合金 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリードフレーム、端子、コネクタ、スイッチ、リレーなどの各種電子機器部品に用いるに好適な強度、導電率および曲げ加工性に優れた電子材料用銅合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器に使用される材料は、部品の小型化や高信頼性の要求に伴い、高強度、高電導性に加え、耐食性や耐熱性のより優れたものが望まれている。従来の電子機器用の銅合金としては、りん青銅や黄銅といった固溶強化型が広く用いられてきたが、高導電性の観点からＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系のコルソン合金のような析出硬化型の銅合金も使用されるようになってきた。
析出硬化型銅合金の中でもＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金は高強度と比較的高い導電率を兼備する合金系である。その強化機構は、Ｃｕマトリックス中にＮｉ−Ｓｉ系の金属間化合物粒子が析出することにより強度を向上させたものである。
【０００３】
近年の半導体機器の高集積化や小型化、或いは高密度実装に応じて電子機器に使用される材料も板厚が薄くなる傾向にある。板厚が薄くなった場合には通電時の十分な接圧を確保し情報伝達速度および放熱特性を確保するため高強度、高導電化が要求される。さらに機器の高集積化や小型化に伴い複雑な曲げ加工を施される用途が拡大している。よって従来よりも高強度かつ厳しい曲げ加工に耐えられ、情報伝達に十分な導電率および放熱特性に十分な熱伝導率に対する要求が高まっている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２０７２２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１では、強度，導電性および曲げ加工性が良好であるために、Ｎｉ／Ｓｉ＝３〜７になるように調整することで、強度、導電性および曲げ加工性の優れた電子材料用銅合金と規定している。
しかしながら、析出硬化型銅合金が高強度、高導電率を確保したうえで良好な曲げ加工性をも確保するためには、その製造工程において曲げ加工性を損なわないように工程を設計することがさらに重要がある。一般的な析出硬化型銅合金の製造工程としては、溶解鋳造、均質化焼鈍、圧延など所定の工程を経て製造された素条を用いて第二相粒子を構成する元素を銅マトリックス中に固溶させるための溶体化処理を行う。溶体化処理後の素条は焼鈍後に圧延と時効を１回以上繰り返すことで所望の特性を発揮するが、その順序および回数に制限はなく、必要に応じて歪取を伴う焼鈍工程で代替することも可能である。この溶体化処理は該合金系の固溶する温度で所定の時間保持後急冷することが析出分率の増加には望ましいが、通常再結晶温度以上の高温で行う。この溶体化を伴う焼鈍時に溶体化とは別の機構で同時に生成する再結晶組織により材料は強度低下する。低下した強度を上昇させるため時効処理と圧延を１回以上施すが、この場合の最終加工度が高い場合には高強度化が期待できる反面延性が低下する。つまり高曲げ加工性を視野に入れた工程を設計するには、溶体化処理後の延性を維持するため最終加工度を低加工度として高導電、高曲げ加工性となる工程を選択することになる。
【０００６】
良好な曲げ加工性と導電率を確保するために時効析出を伴う焼鈍条件を過時効条件とした場合には著しい強度低下を伴うことがある。また低加工度材を高強度化する目的で予め結晶粒微細化を試みた場合には、粒界移動抑制にピン止め作用を果す第二相粒子が時効を伴う焼鈍時に粗大化し、高導電率は得られるものの、強化に寄与しないばかりか曲げ加工性を劣化させる起点として作用することもある。
本発明が解決しようとする課題は、リードフレーム、端子、コネクタ、スイッチ、リレーなどの各種電子機器部品に用いるに好適な強度、曲げ加工性を有しながら導電率にも優れた電子材料用銅合金を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、鋭意研究した結果、製造工程の加工と熱処理を調整して最終製品の導電率を制御することにより高強度かつ高曲げ加工性を有する電子材料用銅合金を見出した。
【０００８】
つまり、
（１）Ｎｉ：３．８〜４．５質量％、Ｓｉ：０．８５〜１．０質量％、Ｍｇ：０．０３〜０．５質量％を含有し、さらにＭｎ、Ｍｇの１種類もしくは２種を合計０．０３〜０．５質量％含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物から構成される銅合金において、最終製品の導電率をＥＣ（％ＩＡＣＳ）、合金組成中のＮｉおよびＳｉの添加量（質量％）をそれぞれ［Ｎｉ］および［Ｓｉ］とし、それらが合金中に固溶した場合の導電率をＥＣ_{ａｌｌｏｙ}としてＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＝１５０／｛１．７２＋１．５［Ｎｉ］＋４［Ｓｉ］｝で表した場合に、製造工程の加工と溶体化処理を含む熱処理の調整により得られた最終製品の導電率（ＥＣ）がＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＋２０≦ＥＣ≦ＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＋３０であり、引張強度が８３０ＭＰａ以上であり、導電率ＥＣが３２％ＩＡＣＳ以上であり、曲げ半径比が１でクラックが発生しない良好な曲げ加工性を有することを特徴とする高強度高曲げ加工性電子材料用銅合金、
（２）さらにＭｎをＭｇとの合計で、０．０３〜０．５質量％含有し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｇの１種または２種以上を０．００３〜２．０質量％含有した上記（１）に記載の高強度高曲げ加工性電子材料用銅合金
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に発明の限定の理由を説明する。
１．ＭｎおよびＭｇ
Ｍｇは加工硬化能の高い元素であり応力緩和特性および最終強度を改善する効果が大きいが、その添加量が０．０３％未満ではその効果が得られず、一方０．５０％以上では溶解鋳造時の鋳肌の劣化など鋳造性が低下する。またＭｎは固溶強化により合金強度を著しく改善するとともにＮｉおよびＳｉの共添による強度上昇の効果を一部補完する効果を備えている。Ｍｎの添加量が０．０３％未満ではその効果は得られず、一方０．５０％を超えた場合には導電率が著しく低下する。これらの元素を共添した場合の添加量は０．０３％以下ではその効果は得られず、一方０．５％以上では導電率が著しく低下するため好ましくない。そこでＭｎおよびＭｇの１種および２種の添加量を０．０３〜０．５質量％とした。
【００１０】
２．ＮｉおよびＳｉが合金中に固溶した場合の導電率（ＥＣ_{ａｌｌｏｙ}）と最終製品の導電率（ＥＣ）
ＮｉおよびＳｉが合金中に固溶した場合の導電率は加熱条件により種々異なるが、完全に固溶する温度に加熱して１時間以上保持後、急冷した場合にはＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＝１５０／｛１．７２＋１．５［Ｎｉ］＋４［Ｓｉ］｝で表される導電率に到達する。この導電率を基準として、最終製品の導電率（ＥＣ）がＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＋２０≦ＥＣ≦ＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＋３０となるように加工および熱処理条件を制御することで曲げ加工性を大きく損なうことなく高強度化を図ることが可能である。この場合の溶体化を伴う焼鈍後の製造条件については圧延と時効を１回以上繰り返すことが特性発揮のため望ましいが、その順序および回数に制限はなく、必要に応じて歪取を伴う焼鈍工程で代替することも可能である。この最終製品の導電率（ＥＣ）がＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＋２０＞ＥＣの場合には時効による析出が十分に進行していないため強度が上昇せず好ましくない。あるいはかなりの高加工度で冷間圧延を施したため歪の蓄積あるいは析出粒子の分断などにより導電率が低下し、曲げ加工性も著しく劣化する。
一方最終製品の導電率（ＥＣ）がＥＣ＞ＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＋３０の場合では過時効により強度が不足しやすく、また粗大粒子が生成して曲げ加工性が劣化しやすいため好ましくない。
【００１１】
【実施例】
高周波溶解炉にて表１の各組成の銅合金を溶製した。その後熱間圧延、冷間圧延、溶体化処理、冷間圧延、時効処理、必要に応じて最終の冷間圧延、歪取焼鈍を施した。具体的に溶体化処理温度は７００℃から９００℃の範囲で１分以上の保持を行い、その後直ちに水冷した。続いて種々の加工度で冷間圧延および、４００〜６００℃の各温度で時効処理を行なうが、この場合の最適条件は請求項１記載の式から算出される値となるよう加工度、保持温度および保持時間を調整した。
【００１２】
また、一部の材料には最終の冷間圧延を施した後、歪取焼鈍を行った。強度は引張試験機において引張強さを測定し、導電率はダブルブリッジを用いて電気抵抗を測定した。曲げ試験は試験片幅を１０ｍｍして、板厚と同じ曲げ半径で負荷荷重５トンでＷ曲げ試験を行なった。なお、曲げ試験後の評価は、圧延平行方向（曲げ軸が圧延方向に直角）の曲げ部表面を光学顕微鏡（倍率５０倍以上）で観察し、良好なもの（クラックおよび大きな肌荒れのないもの）を○、肌荒れが大きくクラックの発生しているものを×とした。
【００１３】
【表１】

【００１４】
表１に示すように本発明例Ｎｏ．８〜２１では、導電率（ＥＣ）が本発明の請求範囲にあり、強度、曲げ加工性ともに良好な特性を備えた銅合金が得られた。比較例Ｎｏ．１〜７は、Ｎｉ及びＳｉの含有量が本発明の範囲を外れるので、引張強度が比較的低い。一方、比較例Ｎｏ．２２〜２６では、合金組成は本発明例の範囲であるが、製造工程が不適切なため目標とする特性が得られなかった例であり、比較例Ｎｏ．２２では溶体化温度が低く未固溶量が増加したため、時効処理後の導電率がＥＣ＞ＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＋３０となり強度が不足した。Ｎｏ．２３ではＮｏ．２２をさらに強度上昇させるため最終冷間圧延を施したが、所望の強度を得るためには高加工度を要し、延性が低下して曲げ加工性が劣化した。Ｎｏ．２４では時効焼鈍前の冷間圧延加工度が高く、さらに時効温度も高温であったため過時効焼鈍となり最終強度が劣化した。Ｎｏ．２５ではＮｏ．２４の強度をさらに上昇させるため低加工度の冷間圧延を施したが、時効前の冷間圧延により結晶粒が圧延組織を呈して扁平しており、曲げ加工性が劣化した。Ｎｏ．２６では、高温で溶体化処理を施した後、冷間圧延および時効処理を施したが、時効時間が短かったため、強度の上昇に対して時効処理後の導電率が低く、さらに高温での溶体化処理時に結晶粒径が粗大化したため曲げ加工性が劣化した。
【００１５】
また、Ｎｏ．２７はＮｉ、Ｓｉとも低いため強度が劣る。比較例Ｎｏ．２８はＮｉが高いため導電率が劣る。Ｎｏ．２９はＳｉが高いため熱間圧延中に顕著な割れが生じ特性評価ができなかった。比較例Ｎｏ．３０はＭｎが高いため導電率が著しく低下した。Ｎｏ．３１は副成分が本発明範囲を超えているため、導電率が著しく低下した。Ｎｏ．３２は副成分が本発明範囲を超えているため、熱間圧延中に顕著な割れが生じ特性評価ができなかった。Ｎｏ．３３は溶体化処理不足で粗大粒子が残留し、最終時効処理後に強度および曲げ加工性が劣化した例である。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、製造工程の加工と熱処理を調整して最終製品の導電率を制御することにより高強度かつ高曲げ加工性を有する電子材料用銅合金を得ることができる。

Claims (2)

1. Ｎｉ：３．８〜４．５質量％、Ｓｉ：０．８５〜１．０質量％、Ｍｇ：０．０３〜０．５質量％を含有し、残部Ｃｕおよび不可避的不純物から構成される銅合金において、最終製品の導電率をＥＣ（％ＩＡＣＳ）、合金組成中のＮｉおよびＳｉの添加量（質量％）をそれぞれ［Ｎｉ］及び［Ｓｉ］とし、それらが合金中に固溶した場合の導電率をＥＣ_{ａｌｌｏｙ}としてＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＝１５０／｛１．７２＋１．５［Ｎｉ］＋４［Ｓｉ］｝で表した場合に、製造工程の加工と溶体化処理を含む熱処理の調整により得られた最終製品の導電率（ＥＣ）がＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＋２０≦ＥＣ≦ＥＣ_{ａｌｌｏｙ}＋３０であり、引張強度が８３０ＭＰａ以上であり、導電率ＥＣが３２％ＩＡＣＳ以上であり、曲げ半径比が１でクラックが発生しない良好な曲げ加工性を有することを特徴とする高強度高曲げ加工性電子材料用銅合金。
2. さらにＭｎをＭｇとの合計で、０．０３〜０．５質量％含有し、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｇの１種または２種以上を０．００３〜２．０質量％含有した請求項１に記載の高強度高曲げ加工性電子材料用銅合金。