KR20170125805A - 구리합금재료 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 고강도, 고도전율 및 양호한 굽힘 가공성뿐만 아니라, 양호한 내열성도 겸비한 구리합금재료 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 구리합금재료는, Ni을 0.05~1.2질량%, P을 0.01~0.15질량% 및 Sn을 0.05~2.5질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어진 합금 조성을 가지며, 전해연마 후의 재료 표면을 FE-SEM로 관찰하여, 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 화합물 입자의 개수 비율이 20개/㎛2 이상, 입자 직경이 30㎚ 초과인 화합물 입자의 개수 비율이 1개/㎛2 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구리합금재료는, Ni을 0.05~1.2질량%, P을 0.01~0.15질량% 및 Sn을 0.05~2.5질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어진 합금 조성을 가지며, 전해연마 후의 재료 표면을 FE-SEM로 관찰하여, 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 화합물 입자의 개수 비율이 20개/㎛2 이상, 입자 직경이 30㎚ 초과인 화합물 입자의 개수 비율이 1개/㎛2 이하인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 구리합금재료 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 반도체 장치에 이용되는 리드 프레임을 비롯한 전기 전자 부품에 이용되는 구리합금재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
IC나 LSI 등의 반도체 장치에 이용되는 리드 프레임(lead frame)은, 구리합금재료를 프레스 가공함으로써 형성되지만, 이때, 재료 중에 가공 워핑(warping)이 잔류한다. 이 가공 워핑이 잔류하면, 후속 공정의 에칭을 실시할 때, 재료에 휘어짐이 생기고, 리드 프레임의 리드핀 간격의 치수 정밀도가 저하된다. 이 때문에, 통상, 프레스 가공 후의 리드 프레임에 400~450℃에서의 열처리를 하여 가공 워핑을 제거하지만, 이 열처리 시에 구리합금의 결정 조직이 재결정화함으로써, 구리합금재료의 강도가 저하되는 경향이 있는 것이 알려져 있다. 거기서, 리드 프레임에 사용되는 전자기기용 구리합금재료에는, 상술한 열처리를 해도 강도가 저하되지 않는 특성(내열성)을 구비하는 것이 필요하게 된다.
또한 리드 프레임용 구리합금재료에는, 소형화된 부품에 적용하기 위한 고강도와, 부품의 발열을 억제하기 위한 고도전율을 구비하는 것뿐만 아니라, 부품 성형의 자유도를 높이기 위한 양호한 굽힘 가공성(bending workability)을 겸비하는 것도 요구된다.
이러한 요구를 만족하는 구리합금재료로서, Cu-Ni-Sn-P계 합금이 널리 제공된다. Cu-Ni-Sn-P계 합금은, Ni-P계의 화합물을 석출시킴으로써, 고강도, 고도전율 및 양호한 굽힘 가공성을 겸비할 수 있다.
특허문헌 1~9에서는, 석출물의 사이즈나 분포를 제어함으로써, 인장 강도, 도전율, 굽힘 가공성뿐만 아니라 탄력성, 내응력 완화 특성, 프레스 가공성, 내식성, 도금성, 땜납 젖음성(solder wetting), 내마이그레이션성(antimigration), 열간 가공성과 같은 여러 가지 특성을 겸비하는 것이 검토된다.
Cu-Ni-Sn-P계 합금은, 고강도, 고도전율 및 양호한 굽힘 가공성을 겸비한 우수한 합금계지만, 프레스 가공 후의 리드 프레임에 행해지는 400~450℃의 열처리에 대한 내열성은, 충분하다고는 말하기 어렵다.
특허문헌 1~9에서는 모두, 여러 가지 재료 특성의 개량을 시도하고는 있지만, 내열성의 향상에 주목한 것은 아니다.
상기 사정에 비추어, 본 발명의 목적은, 고강도, 고도전율 및 양호한 굽힘 가공성뿐만 아니라, 한층 더 양호한 내열성을 겸비한 구리합금재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은, 리드 프레임을 비롯한 전기 전자 부품에 이용되는 Cu-Ni-Sn-P계 합금에 대해 연구를 실시하여, Ni을 0.05~1.2질량%, P을 0.01~0.15질량% 및 Sn을 0.05~2.5질량% 함유하는 합금 조성을 가지며, 전해연마 후의 재료 표면을 FE-SEM로 관찰하여, 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 화합물 입자의 개수 비율을 20개/㎛2 이상, 입자 직경이 30㎚ 초과인 화합물 입자의 개수 비율을 1개/㎛2 이하로 함으로써, 고강도, 고도전율 및 양호한 굽힘 가공성을 구비하는 것뿐만 아니라, 한층 더 양호한 내열성도 겸비한 구리합금재료를 얻을 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 요지 구성은, 이하대로이다.
(1) Ni을 0.05~1.2질량%, P을 0.01~0.15질량% 및 Sn을 0.05~2.5질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어진 합금 조성을 가지며, 전해연마 후의 재료 표면을 FE-SEM로 관찰하여, 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 화합물 입자의 개수 비율이 20개/㎛2 이상, 입자 직경이 30㎚ 초과인 화합물 입자의 개수 비율이 1개/㎛2 이하인 것을 특징으로 하는 구리합금재료.
(2) Ni을 0.05~1.2질량%, P을 0.01~0.15질량% 및 Sn을 0.05~2.5질량%를 함유하고, 또한 Fe, Zn, Pb, Si, Mg, Zr, Cr, Ti, Mn 및 Co 중에서 선택되는 적어도 1 성분을 함유하고, Fe이 0.001~0.1질량%, Zn이 0.001~0.5질량%, Pb이 0.001~0.05질량%, Si가 0.001~0.1질량%, Mg이 0.001~0.3질량%, Zr이 0.001~0.15질량%, Cr이 0.001~0.3질량%, Ti이 0.001~0.05질량%, Mn이 0.001~0.2질량% 및 Co가 0.001~0.2질량%이며, 또한 Mg, Zr, Cr, Ti, Mn 및 Co를 2 이상 함유하는 경우의 합계 함유량이 0.001~0.5질량%이며, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어진 합금 조성을 가지며, 전해연마 후의 재료 표면을 FE-SEM로 관찰하여, 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 화합물 입자의 개수 비율이 20개/㎛2 이상, 입자 직경이 30㎚ 초과인 화합물 입자의 개수 비율이 1개/㎛2 이하인 것을 특징으로 하는 구리합금재료.
(3) Sn을 0.05~0.5질량% 함유하고, 인장 강도가 400MPa 이상, 도전율이 50%IACS 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 구리합금재료.
(4) Sn을 0.5질량% 초과 2.5질량% 이하 함유하고, 인장 강도가 500MPa 이상, 도전율이 25%IACS 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 구리합금재료.
(5) 하기 (a)~(e)의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)~(4) 중 어느 1항에 기재된 구리합금재료의 제조 방법.
(a) 300℃까지의 냉각 속도를 30℃/분 이상으로 하는 용해 주조 공정.
(b) 5℃/분 이상으로 승온하고, 600~1000℃에서 30분~10시간 유지하는 균질화 열처리 공정.
(c) 300℃까지의 냉각 속도를 30℃/분 이상으로 하는 열간압연 공정.
(d) 가공율을 80% 이상으로 하는 냉간 압연 공정.
(e) 350~600℃에서 5초~10시간 유지하는 소둔 공정.
본 발명에 따르면, Ni을 0.05~1.2질량%, P을 0.01~0.15질량% 및 Sn을 0.05~2.5질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어진 합금 조성을 가지며, 전해연마 후의 재료 표면을 FE-SEM로 관찰하여, 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 화합물 입자의 개수 비율을 20개/㎛2 이상, 입자 직경이 30㎚ 초과인 화합물 입자의 개수 비율을 1개/㎛2 이하로 함으로써, 고강도, 고도전율 및 양호한 굽힘 가공성뿐만 아니라, 한층 더 양호한 내열성을 겸비한 구리합금재료의 제공이 가능해졌다.
도 1은, 본 발명의 구리합금재료(실시예 14)의 전해연마 후의 표면을 FE-SEM에 의해 배율: 50000배로 관찰했을 때의 SEM 사진이다.
도 2는, 비교예 22의 전해연마 후의 표면을 FE-SEM에 의해 배율: 50000배로 관찰했을 때의 SEM 사진이다.
도 2는, 비교예 22의 전해연마 후의 표면을 FE-SEM에 의해 배율: 50000배로 관찰했을 때의 SEM 사진이다.
이하, 본 발명의 구리합금재료의 바람직한 실시형태에 대해서, 상세하게 설명한다.
(구리합금재료의 성분 조성)
본 발명의 구리합금재료의 기본 조성은, Ni을 0.05~1.2질량%, P을 0.01~0.15질량% 및 Sn을 0.05~2.5질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물이다.
[필수 함유 성분]
(Ni: 0.05~1.2질량%)
Ni은, 모상(母相)에 고용(固溶)하고, 또한 P과 화합물을 형성함으로써, 강도를 증가시키는 원소다. 또한, Ni은, P과 화합물을 생성하고, 이 생성물을 석출시킴으로써, 도전율을 높임과 동시에 내열성도 향상시키는 효과를 가진다. 그렇지만, Ni 함유량이 0.05질량% 미만에서는, 그 효과를 충분히 발휘하지 못하고, 또한, 1.2질량% 초과에서는, 도전율이 현저하게 저하된다. 이 때문에, Ni 함유량은, 0.05~1.2질량%로 하고, 바람직하게는 0.10~1.00질량%, 보다 바람직하게는 0.10~0.40질량%로 했다.
(P: 0.01~0.15질량%)
P은, Ni과 화합물을 생성함으로써, 강도의 증가, 도전율의 상승, 및 내열성의 향상에 기여하는 원소다. 그렇지만, P 함유량이 0.01질량% 미만에서는, 그 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 또한, 0.15질량% 초과면, 도전율의 저하, 조대한(예를 들면, 입자 직경이 30㎚ 초과) 화합물 입자의 생성에 의한 굽힘 가공성의 저하, 미세(예를 들면, 입자 직경이 5~30㎚)한 화합물의 생성 비율을 감소시킴으로써 내열성의 저하, 가공성의 저하를 일으킨다. 이 때문에, P 함유량은, 0.01~0.15질량%로 하고, 바람직하게는 0.01~0.10질량%, 보다 바람직하게는 0.05~0.10질량%로 했다.
(Sn: 0.05~2.5질량%)
Sn는, 모상에 고용함으로써, 강도의 증가 및 내열성의 향상에 기여하는 원소다. 그렇지만, Sn 함유량이 0.05질량% 미만에서는, 그 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 또한, 2.5질량% 초과면, 도전율의 저하, 열간 가공성의 열화를 일으킨다. 이 때문에, Sn 함유량은, 0.05~2.5질량%로 했다. 또한 인장 강도와 도전율 중, 특히 도전율을 중시하는 경우에는, Sn 함유량을 0.05~0.5질량%로 한정하면, 인장 강도가 400MPa 이상이고, 50%IACS 이상의 고도전율을 구비할 수 있는 점에서 바람직하고, 또한, 특히 인장 강도를 중시하는 경우에는, Sn 함유량을 0.5질량% 초과 2.5질량% 이하로 한정하면, 25%IACS 이상의 도전율로, 500MPa 이상의 고인장 강도를 구비할 수 있는 점에서 바람직하다.
[임의 첨가 성분]
본 발명에서는, 기본 조성으로서, 상술한 Ni, P 및 Sn을 함유하는 것을 필수로 하지만, 게다가 임의 첨가 성분으로서 Fe, Zn, Pb, Si, Mg, Zr, Cr, Ti, Mn 및 Co 중에서 선택되는 적어도 1 성분을 선택적으로 함유시켜도 괜찮다.
(Fe: 0.001~0.1질량%)
Fe은, P과 화합물을 형성함으로써 강도의 증가, 내열성의 향상에 기여하는 원소이며, 이 효과를 발휘하기 위해서는, Fe 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Fe 함유량이 0.1질량%보다 많으면, 재료가 자성을 띠기 쉬워지고, 재료가 자성을 띠면, 리드 프레임에 있어서의 전송 신호의 전달 특성이 열화할 염려가 있다. 이 때문에, Fe 함유량은, 0.001~0.1질량%로 하는 것이 바람직하고, 0.001~0.05질량%가 보다 바람직하고, 0.001~0.01질량%가 한층 더 바람직하다.
(Zn: 0.001~0.5질량%)
Zn는, 모상에 고용함으로써 강도의 증가, 땜납 젖음성의 향상, 도금성의 향상에 기여하는 원소이며, 이 효과를 발휘하기 위해서는, Zn 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Zn 함유량이 0.5질량%보다 많으면, 도전율이 저하되는 경향이 있다. 이 때문에, Zn 함유량은, 0.001~0.5질량%인 것이 바람직하고, 0.01~0.5질량%가 보다 바람직하고, 0.1~0.5질량%가 한층 더 바람직하다.
(Pb: 0.001~0.05질량%)
Pb는, 프레스 가공성의 향상에 기여하는 원소이며, 이 효과를 발휘하기 위해서는, Pb 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Pb 함유량을 0.05질량%보다 많이 해도, 효과의 추가적인 향상은 인정되지 않으며, 또한, 최근 환경보호의 관점에서, Pb 함유량을 가능한 한 억제하는 것이 바람직하다. 이 때문에, Pb 함유량은 0.001~0.05질량%로 하는 것이 바람직하고, 0.001~0.01질량%가 보다 바람직하다.
(Si: 0.001~0.1질량%)
Si는, 강도의 증가에 기여하는 원소이며, 이 효과를 발휘하기 위해서는, Si 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Si 함유량을 0.1질량%보다 많이 하면, 도전율의 저하나, 조대(粗大)한 화합물의 생성에 의한 굽힘 가공성의 열화가 염려된다. 이 때문에, Si 함유량은, 0.001~0.1질량%가 바람직하고, 0.01~0.1질량%가 보다 바람직하다.
(Mg: 0.001~0.3질량%)
Mg은, 강도의 증가나 내열성의 향상에 기여하는 원소다. 또한 예를 들면 전자 부품의 스프링 접점 등에 있어서, 내응력 완화 특성의 향상에 기여한다. 이러한 효과를 발휘하기 위해서는, Mg 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Mg 함유량을 0.3질량%보다 많이 하면, 도전율의 저하나, 주조시의 개재물의 형성이 염려된다. 이 때문에, Mg 함유량은, 0.001~0.3질량%가 바람직하고, 0.01~0.3질량%가 보다 바람직하다.
(Zr: 0.001~0.15질량%)
Zr은, 강도의 증가나 내열성의 향상에 기여하는 원소다. 또한 예를 들면 전자 부품의 스프링 접점 등에 있어서, 내응력 완화 특성의 향상에 기여한다. 이러한 효과를 발휘하기 위해서는, Zr 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Zr 함유량을 0.15질량%보다 많이 하면, 도전율의 저하나, 열간 가공시의 균열이 염려된다. 이 때문에, Zr 함유량은, 0.001~0.15질량%가 바람직하고, 0.01~0.1질량%가 보다 바람직하다.
(Cr: 0.001~0.3질량%)
Cr은, 강도의 증가나 내열성의 향상에 기여하는 원소이며, 이 효과를 발휘하기 위해서는, Cr 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Cr 함유량을 0.3질량%보다 많이 하면, 주조시의 창출물의 발생에 의한 굽힘 가공성의 저하가 염려된다. 이 때문에, Cr 함유량은, 0.001~0.3질량%가 바람직하고, 0.01~0.3질량%가 보다 바람직하다.
(Ti: 0.001~0.05질량%)
Ti는, 강도의 증가나 내열성의 향상에 기여하는 원소다. 또한 예를 들면 전자 부품의 스프링 접점 등에 있어서, 내응력 완화 특성의 향상에 기여한다. 이러한 효과를 발휘하기 위해서는, Ti 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Ti 함유량을 0.05질량%보다 많이 하면, 도전율의 저하나, 잉곳 표면의 주물 표면 이상이 염려된다. 이 때문에, Ti 함유량은, 0.001~0.05질량%가 바람직하고, 0.01~0.05질량%가 보다 바람직하다.
(Mn: 0.001~0.2질량%)
Mn은, 강도의 증가나 내열성의 향상, 열간 가공성의 향상에 기여하는 원소이며, 이 효과를 발휘하기 위해서는, Mn 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Mn 함유량을 0.2질량%보다 많이 하면, 도전율의 저하가 염려된다. 이 때문에, Mn 함유량은, 0.001~0.2질량%가 바람직하고, 0.01~0.2질량%가 보다 바람직하다.
(Co: 0.001~0.2질량%)
Co는, 강도의 증가나 열간 가공성의 향상에 기여하는 원소이며, 이 효과를 발휘하기 위해서는, Co 함유량을 0.001질량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그렇지만, Co 함유량을 0.2질량%보다 많이 하면, 도전율의 저하가 염려된다. 이 때문에, Co 함유량은, 0.001~0.2질량%가 바람직하고, 0.01~0.2질량%가 보다 바람직하다.
(Mg, Zr, Cr, Ti, Mn 및 Co를 2 이상 함유하는 경우의 합계 함유량: 0.001~0.5질량%)
Mg, Zr, Cr, Ti, Mn 및 Co는, P과 화합물을 형성함으로써, 강도의 증가, 내열성의 향상에 기여한다. 이러한 원소의 첨가량은 0.001~0.5질량%가 바람직하고, 0.01~0.5질량%가 보다 바람직하고, 0.1~0.5질량%가 한층 더 바람직하다. 0.5질량%보다 큰 경우, 도전율의 저하, 조대한 화합물 형성에 의한 굽힘 가공성의 저하가 염려된다.
(화합물 입자)
본 발명에 있어서는, 전해연마 후의 재료 표면을 FE-SEM로 관찰하여, 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 화합물 입자의 개수 비율을 20개/㎛2 이상, 입자 직경이 30㎚ 초과인 화합물 입자의 개수 비율을 1개/㎛2 이하로 함으로써, 고강도, 고도전율 및 양호한 굽힘 가공성뿐만 아니라, 양호한 내열성도 겸비한 구리합금재료를 얻을 수 있다. 여기서 말하는 「화합물 입자」란, 주조시에 형성되는 개재물이나 창출물, 주조 응고 후에 형성되는 석출물의 총칭이다. 또한, 화합물 입자의 입자 직경은, 긴 직경의 길이를 의미한다. 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 미세한 화합물 입자의 개수 비율이 20개/㎛2 이상일 때, 미세한 화합물 입자에 의해 충분한 플럭스 피닝(flux pinning)을 얻음으로써 재결정이 억제되고, 양호한 내열성을 얻을 수 있다. 한편, 미세한 화합물 입자의 개수 비율이 20개/㎛2보다 적은 경우에는 양호한 내열성을 얻을 수 없다. 또한, 입자 직경이 30㎚ 초과인 조대한 화합물 입자의 개수 비율이 1개/㎛2 이하로 함으로써, 양호한 굽힘 가공성을 얻을 수 있다. 조대한 화합물 입자의 개수 비율이 1개/㎛2를 넘으면, 조대한 화합물 입자가 파괴의 기점이 되고, 굽힘 가공성이 현저하게 열화한다. 더욱이 이 때, 조대한 화합물 입자가 많이 형성되면, 미세한 화합물 입자의 개수 비율이 감소하는 경향이 있기 때문에, 내열성도 악화될 우려도 있다. 종래, 화합물 입자의 분산 상태는, 투과형 전자현미경(TEM)을 이용해 관찰하여, 시계 범위(field of view)의 개수나 면적율로 표현되는 것이 많지만, 그러한 수치는 시험편의 두께에 의존한다. 그렇지만, TEM용으로 제작되는 시험편의 두께를 똑같이 하는 것은 곤란하고, 또한, 같은 시험편으로 측정했다고 해도, 측정 횟수에 의해서 약간 다른 결과가 될 가능성도 있다. 이 때문에, 본 발명에서는, 시험편의 두께에 기인하지 않는 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM)을 이용하여 화합물 입자의 개수 비율을 평가했다.
(구리합금재료의 제조 방법)
이어서, 본 발명의 구리합금재료의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 구리합금재료는, 통상, 용해 주조→균질화 열처리→열간압연→냉간압연→소둔→마무리 압연을 실시함으로써 제조된다. 각 공정 사이에, 필요에 따라, 면삭, 버프 연마, 산세, 탈지 등을 적절히 실시할 수 있다. 또한, 냉간압연과 소둔은, 여러 차례 반복해 실시할 수 있으며, 또한 마무리 압연 후에 저온 소둔을 할 수 있다. 본 발명의 제조 방법에 있어서는, 용해 주조, 균질화 열처리 및 열간압연으로 조대한 화합물 입자를 가능한 한 생성시키지 않고, 그 후의 냉간압연 및 소둔으로 미세한 석출물을 많이 생성시키는 것이 중요하다. 본 발명의 제조 방법은, 종래와 동일한 정도의 공정수이면서, 각각의 공정 조건을 적절히 조정함으로써, 재료 특성의 향상을 실현할 수 있다.
<용해 주조>
용해 주조는, 일반적인 방법으로 실시할 수 있지만, 본 발명에서는, 주조 시, 300℃까지의 냉각을, 30℃/분 이상의 냉각 속도로 행하는 것이, 냉각 시의 창출이나 석출을 억제하고, 조대한 화합물 입자의 생성을 억제하는 점에서 바람직하다. 상기 냉각 속도가 30℃/분보다 작으면, 냉각 시의 창출이나 석출을 충분히 억제할 수 없고, 조대한 화합물 입자가 생성하기 쉬워지는 경향이 있기 때문이다.
<균질화 열처리>
균질화 열처리는, 용해 주조로 생성된 조대한 화합물 입자를 모상에 고용시키고, 용체화 상태로 하기 위해 실시한다. 균질화 열처리는, 600~1000℃에서 30분~10시간 유지하는 것이 바람직하다. 종래, 균질화 열처리의 승온 속도는 중요시되지 않았지만, 본 발명에서는, 규정하는 재료 조직을 얻기 위해, 특히 승온 속도를, 5℃/분 이상, 바람직하게는 10℃/분 이상으로 제어하는 것이 필요하다. 승온 속도가 5℃/분보다 작으면, 승온 시에 용해 주조로 형성된 조대한 화합물 입자가 성장하고, 그 후의 균질화 열처리로 조대한 화합물 입자를, 모상에 충분히 녹이지 못하고 잔존하기 쉬워지고, 최종 특성으로 굽힘 가공성을 열화시키기 때문이다. 또한, 미세한 화합물 입자의 개수 비율도 감소하기 때문에, 내열성도 악화된다. 유지 온도가 600℃ 미만 및 유지 시간이 30분 미만의 적어도 한쪽을 만족하는 경우에는, 모상에 고용되지 못한 조대한 화합물 입자가 잔존하기 쉬워지고, 최종 특성으로 굽힘 가공성은 열화할 우려가 있으며, 또한, 유지 온도가 1000℃ 초과인 경우에는 잇따르는 열간압연 공정에 있어서, 열간 가공 균열이 생길 우려가 있기 때문이다. 또한, 유지 시간은, 용체화 효과의 포화나, 실제 제조에 있어서의 시간 제약의 관점에서, 상한을 10시간으로 하는 것이 바람직하다.
<열간압연>
열간압연은, 550~950℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 특히, 300℃까지의 냉각 속도를 30℃/분 이상으로 하는 것이 필요하다. 300℃까지의 냉각 속도가 30℃/분보다 작으면, 냉각중에 조대한 화합물 입자가 석출되기 쉬워지고, 최종 특성에 악영향을 미치기 때문이다.
<냉간압연>
열간압연 후의 냉간압연은, 80% 이상의 가공율로 실시하는 것이 바람직하다. 가공율이 80% 미만이면, 재료 내에 균일하게 변형이 도입되지 않고, 후속 소둔으로 미세한 화합물 입자가 석출될 때, 재료 내에서 석출 상태에 차이가 날 우려가 있기 때문이다.
<소둔>
소둔은, 350~600℃에서 5초~10시간 유지하는 것이 바람직하다. 상기 범위보다 저온 단시간이면, 미세한 화합물 입자의 석출이 불충분하고, 강도 및 도전율의 저하가 염려되며, 또한, 상기 범위보다 고온 장시간이면, 조대한 화합물 입자가 석출되고, 굽힘 가공성의 열화나 내열성의 악화가 염려되기 때문이다.
<마무리 압연>
마무리 압연의 가공율은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 양호한 굽힘 가공성을 얻기 위해, 60% 이하로 하는 것이 바람직하다.
<저온소둔>
마무리 압연 후에, 250~400℃에서 2초~5시간의 저온소둔을 실시할 수 있다. 저온소둔에 의해, 재료의 탄력성이나 내응력 완화 특성을 향상시킬 수 있다. 상기 범위보다 저온 단시간이면, 저온소둔의 효과를 얻을 수 없을 우려가 있으며, 또한, 상기 범위보다 고온 장시간이면, 미세한 화합물 입자가 조대하게 성장하여, 굽힘 가공성이나 내열성에 악영향을 미칠 우려가 있기 때문이다. 또한 재료의 재결정이 진행되어, 소망한 강도를 얻을 수 없게 될 우려가 있다.
본 발명의 구리합금재료는, 소정의 합금 조성을 갖는 Cu-Ni-Sn-P계 구리합금의 화합물 입자의 사이즈와 양을 제어함으로써, 고강도, 고도전율 및 양호한 굽힘 가공성뿐만 아니라, 내열성도 겸비할 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 구리합금재료는, 리드 프레임을 비롯한 전기 전자 부품에 이용하는데 바람직하다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예에 따라 보다 더 상세하게 설명하지만, 본 발명이 그것들에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1~26 및 비교예 1~22)
이하에, 실시예에 따라 본 발명을 보다 더 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이것에 한정되는 것은 아니다.
합금 성분을 용해하고, 300℃까지 30℃/분 이상의 냉각 속도로 냉각하면서 주조하고, 표 1에 나타낸 성분 조성을 갖는 잉곳를 제작한 후, 표 2에 나타낸 승온 속도로 승온하고, 600~1000℃에서 30분에서 10시간 유지하는 균질화 열처리를 하고, 이어서 열간압연을 실시했다. 열간압연 후에, 표 2에 나타낸 300℃까지의 냉각 속도로 냉각하고, 그 후, 면삭에 의해 표면 산화층을 제거하고, 80% 이상의 가공율로 냉간압연을 실시했다. 그 후, 350~600℃에서 5초~10시간 소둔을 실시하고, 이어서 마무리 압연을 60% 이하의 가공율로 하고, 마지막에 250~400℃에서 2초~5시간의 저온소둔을 실시하고, 판두께 0.5mm의 구리합금재료를 제조했다.
이와 같이 하여 제조한 공시재에 대해, 하기의 평가를 실시했다.
(조직 관찰)
제조한 각 구리합금재료(공시재)에서 채취한 시험편(사이즈: 20mm×20mm)의 표면 20㎛를 인산계 수용액으로 전해연마한 후, FE-SEM에 의해, 재료 표면을 10000~100000배로 관찰했다. 관찰은 1㎛×1㎛의 범위를 임의로 3시야(視野) 관찰하여, 그 시야 범위 내에 존재하는, 입자 직경이 5~30㎚인 미세한 화합물 입자의 개수와, 입자 직경이 30㎚ 초과의 조대한 화합물 입자의 개수를 계측했다. 그 후, 계측한 개수를, 1㎛×1㎛(1㎛2)의 시야 면적당 개수 비율로 환산했다. 환산한 개수 비율은 사사오입하고, 미세한 화합물 입자에 관해서는 정수로 나타내고, 또한, 조대한 화합물 입자에 관해서는 소수점 둘째 자리 숫자까지를 나타냈다.
(인장 강도의 측정)
인장 강도는, 각 공시재로부터, JIS Z2241:2011의 부속서 B에 규정된 5호 시험편을, 압연 평행 방향에 따라 베어내 3개 채취하고, JIS Z2241:2011에 규정된 「금속재료 인장 시험 방법」에 준하여 3개 측정했다. 그들 인장 강도의 평균치를 표 2에 나타낸다.
(도전율의 측정)
20℃(±0.5℃)로 유지된 항온조에서, 사단자법에 의해 비저항치를 계측하고, 계측한 비저항치로부터 도전율을 산출했다. 또한, 단자간 거리는 100mm로 했다.
(굽힘 가공성)
JCBA T307:2007에 따라, 굽힘 시험을 실시했다. 판 폭 10mm의 시험편을, 굽힘축이 압연 방향과 수직이 되는 방향(G.W.방향) 및 평행이 되는 방향(B.W.방향)에 대해서 각각 안쪽 굽힘 반경 0.5mm, 굽힘 각도 90°의 W굽힘을 실시했다. 리드 프레임을 비롯한 전기 전자 부품에 대해서는, G.W.방향과 B.W.방향 양방향의 굽힘 가공이 상정되므로, 굽힘 후의 굽힘부 정점의 표면을 광학 현미경에 의해 관찰하여, G.W.방향과 B.W.방향의 어느 쪽도 균열이 발생하지 않은 것을 굽힘 가공성 양호(A), 발생한 것을 굽힘 가공성 불량(D)으로 평가했다. 그 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
(내열성)
내열성은, 450℃로 승온한 염욕에 시험편을 투입하고, 5분간 경과 후에 취출하여 수냉하는 열처리를 하고, 열처리 후의 경도를, 열처리 전의 경도로 나눈 값이 0.8 이상인 경우를 내열성 양호(A), 0.8 미만인 것을 내열성 불량(D)으로 평가했다. 그 평가 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 경도는, JIS Z2244:2009에 규정된 비커스 경도 시험(Vicker's Hardness Test)-시험 방법에 따라 측정했다. 또한, 열처리 후의 재료는, 염욕과 접촉한 표면에 피막이 형성됐기 때문에, 산세(pickling)로 제거한 후에 경도를 측정했다.
표 1 및 표 2에 나타낸 결과로부터, Sn 농도가 0.05~0.5질량%의 범위인 실시예 1~13은 모두, 인장 강도가 432~492MPa와 400MPa 이상이며, 도전율이 50~77%IACS와 50%IACS 이상이며, 양호한 굽힘 가공성(A)과 양호한 내열성(A)을 얻을 수 있다. 이에 대해, 표 1에 나타낸 성분 조성이 본 발명의 범위 외인 비교예 1~9 및 표 2에 나타낸 제조 조건이 본 발명의 범위 외인 비교예 10 및 11은 모두, 인장 강도, 도전율, 굽힘 가공성, 내열성 및 제조성의 적어도 1개가 뒤떨어졌다.
또한, Sn 농도가 0.5질량% 초과 2.5질량% 이하의 범위인 실시예 14~26은 모두, 인장 강도가 512~593MPa와 500MPa 이상이며, 도전율이 27~38%IACS와 25%IACS 이상이며, 양호한 굽힘 가공성(A)과 양호한 내열성(A)을 얻을 수 있다. 이에 대해, 표 1에 나타낸 성분 조성이 본 발명의 범위 외인 비교예 12~20 및 표 2에 나타낸 제조 조건이 본 발명의 범위 외인 비교예 21 및 22는 모두, 인장 강도, 도전율, 굽힘 가공성, 내열성 및 제조성의 적어도 1개가 뒤떨어졌다.
또한, 도 1 및 도 2는, 각각 실시예 14와 비교예 22의 구리합금재료의 전해연마 후의 표면을, FE-SEM에 의해 관찰했을 때의 SEM 사진을 나타낸 것이다. 도 1에 나타낸 실시예 14의 구리합금재료에서는, 미세한 화합물 입자가 분산하는데 대해, 도 2에 나타낸 비교예 22의 구리합금재료에서는, 화합물 입자가 조대하게 되는 것을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 고강도, 고도전율 및 양호한 굽힘 가공성뿐만 아니라, 한층 더 양호한 내열성을 겸비한 구리합금재료의 제공이 가능해졌다. 본 발명의 구리합금재료는, 특히, 반도체 장치에 이용되는 리드 프레임을 비롯한 전기 전자 부품에 이용되는데 바람직하다.
Claims (5)
- Ni을 0.05~1.2질량%, P을 0.01~0.15질량% 및 Sn을 0.05~2.5질량% 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어진 합금 조성을 가지며, 전해연마 후의 재료 표면을 FE-SEM로 관찰하여, 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 화합물 입자의 개수 비율이 20개/㎛2 이상, 입자 직경이 30㎚ 초과인 화합물 입자의 개수 비율이 1개/㎛2 이하인 것을 특징으로 하는 구리합금재료.
- Ni을 0.05~1.2질량%, P을 0.01~0.15질량% 및 Sn을 0.05~2.5질량%를 함유하고, 또한 Fe, Zn, Pb, Si, Mg, Zr, Cr, Ti, Mn 및 Co 중에서 선택되는 적어도 1 성분을 함유하고, Fe이 0.001~0.1질량%, Zn이 0.001~0.5질량%, Pb이 0.001~0.05질량%, Si가 0.001~0.1질량%, Mg이 0.001~0.3질량%, Zr이 0.001~0.15질량%, Cr이 0.001~0.3질량%, Ti이 0.001~0.05질량%, Mn이 0.001~0.2질량% 및 Co가 0.001~0.2질량%이며, 또한 Mg, Zr, Cr, Ti, Mn 및 Co를 2 이상 함유하는 경우의 합계 함유량이 0.001~0.5질량%이며, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 이루어진 합금 조성을 가지며, 전해연마 후의 재료 표면을 FE-SEM로 관찰하여, 1㎛×1㎛의 시야 면적당, 입자 직경이 5~30㎚인 화합물 입자의 개수 비율이 20개/㎛2 이상, 입자 직경이 30㎚ 초과인 화합물 입자의 개수 비율이 1개/㎛2 이하인 것을 특징으로 하는 구리합금재료.
- 청구항 1 또는 2에 있어서, Sn을 0.05~0.5질량% 함유하고, 인장 강도가 400MPa 이상, 도전율이 50%IACS 이상인 것을 특징으로 하는 구리합금재료.
- 청구항 1 또는 2에 있어서, Sn을 0.5질량% 초과 2.5질량% 이하 함유하고, 인장 강도가 500MPa 이상, 도전율이 25%IACS 이상인 것을 특징으로 하는 구리합금재료.
- 하기 (a)~(e)의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 4의 어느 한 항에 기재된 구리합금재료의 제조 방법.
(a) 300℃까지의 냉각 속도를 30℃/분 이상으로 하는 용해 주조 공정.
(b) 5℃/분 이상으로 승온하고, 600~1000℃에서 30분~10시간 유지하는 균질화 열처리 공정.
(c) 300℃까지의 냉각 속도를 30℃/분 이상으로 하는 열간압연 공정.
(d) 가공율을 80% 이상으로 하는 냉간압연 공정.
(e) 350~600℃에서 5초~10시간 유지하는 소둔공정.
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