TWI422693B - Cu-Co-Si alloy sheet and method for producing the same - Google Patents
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Description
本發明係關於一種適用於各種電子零件之析出硬化型銅合金即Cu-Co-Si系合金板,尤其是關於一種鍍敷之均勻附著性優異之Cu-Co-Si系合金板。
對於連接器、開關、繼電器、接腳、端子、引線框架等各種電子零件中所使用之電子材料用銅合金而言,要求兼具高強度及高導電性(或導熱性)作為基本特性。近年來,電子零件之高積體化及小型化、薄壁化急速發展,與此對應地,對用於電子機器零件之銅合金之要求水準亦逐漸提高。
就高強度及高導電性之觀點而言,作為電子材料用銅合金,析出硬化型之銅合金的使用量逐漸増加,而代替以往磷青銅,黃銅等所代表之固溶強化型銅合金。析出硬化型銅合金,係藉由對經固溶處理之過飽和固溶體進行時效處理,使微細之析出物均勻分散,讓合金強度變高,同時減少銅中之固溶元素量,提升導電性。因此,可獲得強度、彈性等機械性質優異,且導電性、導熱性良好之材料。
析出硬化型銅合金之中,通常被稱作卡遜(corson)系合金之Ni-Si系銅合金係兼具較高之導電性、強度及彎曲加工性之代表性銅合金,且係業界如今積極開發之合金之一。該銅合金,係藉由使銅基質中析出微細之Ni-Si系金屬間化合物粒子,而謀求強度與導電率之提高。
為了進一步提高卡遜合金之特性,正在進行下述各種技術開發:添加除了Ni及Si以外之合金成分、排除對特性造成不良影響之成分、結晶組織之最佳化、析出粒子之最佳化等。例如,已知有藉由添加Co或控制母相中析出之第二相粒子而提高特性,可列舉如下者來作為Ni-Si-Co系銅合金之最近之改良技術。
於日本特表2005-532477號公報(專利文獻1)中,為了得到彎曲加工性、導電率、強度及抗應力鬆弛性優異之Ni-Si-Co系銅合金,亦記載有控制Ni、Si、Co量及其相互關係,及關於20μm以下之平均結晶粒徑。而且,於其製造步驟中,特徵在於第一時效退火溫度高於第2時效退火溫度(段落0045~0047)。
於日本特開2007-169765號公報(專利文獻2)中,為了提高Ni-Si-Co系銅合金之彎曲加工性,而控制第2相粒子之分佈狀態,抑制晶粒之粗大化。於該專利文獻中,對於於卡遜合金中添加了鈷之銅合金,可明瞭具有抑制高溫熱處理中之晶粒之粗大化之效果的析出物及其分佈狀態之關係,且藉由控制結晶粒徑而提高強度、導電性、應力緩和特性、彎曲加工性(段落0016)。結晶粒徑越小越佳,藉由使結晶粒徑為10μm以下而提高彎曲加工性(段落0021)。
日本特開2008-248333號公報(專利文獻3)中揭示有一種抑制Ni-Si-Co系銅合金中之粗大之第二相粒子之產生的電子材料用銅合金。於該專利文獻中認為若藉由於特定之條件下進行熱壓延及固溶化處理,而抑制粗大之第二相粒子之產生,則可實現目標之優異之特性(段落0012)。
專利文獻1:日本特表2005-532477號公報
專利文獻2:日本特開2007-169765號公報
專利文獻3:日本特開2008-248333號公報
通常,連接器、開關、繼電器、接腳、端子、引線框架等各種電子零件中所使用之電子材料用銅合金板多實施鍍Au,於此情形時,一般實施鍍Ni作為基底。該Ni基底鍍敷亦隨著近年來零件之輕量化、薄壁化而逐漸變薄。
於是,迄今未成為問題之鍍Ni之不良,具體而言為明顯化鍍Ni局部不均勻地附著之不良。
上述專利文獻1~3中記載之銅合金雖皆有記載其結晶粒徑,但完全未意識到深度方向之結晶粒徑之不均,尤其是形成於表面之粗大結晶與鍍敷之附著性之關係。
本發明之課題在於提供一種基底鍍敷、尤其是可均勻附著鍍Ni之Cu-Co-Si系合金板。
本發明人為了解決上述課題而反覆進行研究,結果可知於Cu-Ni-Si系合金板中,藉由將Ni替換為Co而形成Cu-Co-Si系合金,可追求進一步之改善與基底鍍敷之密接性。進而,發現該Cu-Co-Si系合金板之表層之結晶粒徑比內部(板厚中心)之結晶粒徑易局部性粗大化,且由於表面存在粗大化結晶,故即便整體之平均結晶粒徑較小,亦導致鍍敷(均勻附著)性降低。本發明具有下述構成。
(1)一種電子材料用銅合金板,其係含有Co:0.5~3.0質量%、Si:0.1~1.0質量%,以及剩餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成,其板厚中心之平均結晶粒徑為20μm以下,接觸於表面且長徑為45μm以上之晶粒相對於壓延方向長度1mm為5個以下。
(2)如(1)之電子材料用銅合金板,其進而含有最多0.5質量%之Cr。
(3)如(1)或(2)之電子材料用銅合金板,其進而含有總計最多2.0質量%之選自由Mg、P、As、Sb、Be、B、Mn、Sn、Ti、Zr、Al、Fe、Zn及Ag所組成之群中之1種或2種以上。
(4)一種電子材料用銅合金板之製造方法,係製造如(1)至(3)中任一項之電子材料用銅合金板,其包含依序進行如下步驟:熔解鑄造鑄錠之步驟;將材料溫度設為950℃以上且1050℃以下並加熱1小時以上後,進行熱壓延,熱壓延結束溫度為700℃以上之步驟;以8%以上之加工度進行最終道次之固溶化前之中間壓延步驟;將材料溫度設為850℃以上且1050℃以下並加熱0.5分鐘~1小時之中間固溶化步驟;以400℃以上且600℃以下進行加熱之時效步驟;及加工度為10~50%之最終壓延步驟。
(1)Co及Si之添加量
所添加之Co及Si係藉由實施適當之熱處理而於銅合金內形成金屬間化合物,且即便存在除銅以外之添加元素亦不會使導電率劣化,藉由析出強化效果而實現高強度化。
於Co及Si之添加量分別為Co:未達0.5質量%、Si:未達0.1質量%時,無法獲得所期望之強度。相反,於Co:超過3.0質量%、Si:超過1.0質量%時,雖然可實現高強度化,但導電率顯著下降,進而熱加工性劣化。因此,將Co及Si之添加量設為Co:0.5~3.0質量%、Si:0.1~1.0質量%。Co及Si之添加量較佳為Co:0.5~2.0質量%、Si:0.1~0.5質量%。
(2)Cr之添加量
Cr係於熔解鑄造時之冷卻過程中優先析出於結晶粒界,因此可強化結晶粒界,熱加工時不易產生裂痕,而可抑制製造時之產率降低。即,利用固溶化處理等對熔解鑄造時結晶粒界析出之Cr進行再固溶,於接下來之時效析出時生成以Cr作為主成分之bcc結構之析出粒子或與Si之化合物(矽化物)。於通常之Ni-Si系合金中,所添加之Si量中,無助於時效析出之Si維持固溶於母相中之狀態而殘存,從而成為導電率降低之原因。因此,藉由添加作為矽化物形成元素之Cr,使無助於時效析出之Si作為矽化物而進一步析出,可降低固溶Si量,從而可在不損害強度下防止導電率下降。然而,若Cr濃度超過0.5質量%,則由於易形成粗大之第二相粒子,故而損害製品特性。因此,於本發明之Cu-Co-Si系合金中,最多可添加0.5質量%之Cr。然而,於Cr未達0.01質量%時,其效果較小,因此較佳為添加0.01~0.5質量%,更佳為添加0.09~0.3質量%。
(3)第3元素之添加量
a)Mg、Mn、Ag及P之添加量
若添加微量之Mg、Mn、Ag及P,則會改善強度、應力緩和特性等之製品特性而不損害導電率。主要是藉由使上述Mg、Mn、Ag及P固溶於母相而發揮添加之效果,但亦可藉由使第二相粒子中含有上述Mg、Mn、Ag及P固溶而發揮進一步之效果。然而,若Mg、Mn、Ag及P之總濃度超過2.0質量%,則特性改善效果飽和且有損製造性。因此,於本發明之Cu-Co-Si系合金板中,較佳為最多添加總計2.0質量%之選自Mg、Mn、Ag及P中之1種或2種以上。然而,於未達0.01質量%時,其效果較小,因此更佳為總計添加0.01~2.0質量%,進而更佳為總計添加0.02~0.5質量%,典型的是總計添加0.04~0.2質量%。
b)Sn及Zn之添加量
藉由添加微量Sn及Zn亦可改善強度、應力緩和特性、鍍敷性等製品特性而不損害導電率。主要藉由使上述Sn及Zn固溶於母相而發揮添加之效果。然而,若Sn及Zn之總計超過2.0質量%,則特性改善效果飽和且有損製造性。因此,於本發明之Cu-Co-Si系合金板中,最多可添加總計2.0質量%之選自Sn及Zn中之1種或2種。然而,於未達0.05質量%時,其效果較小,因此較佳為總計添加0.05~2.0質量%,更佳為總計添加0.5~1.0質量%。
c)As、Sb、Be、B、Ti、Zr、Al及Fe之添加量
對於As、Sb、Be、B、Ti、Zr、Al及Fe而言,亦藉由根據所要求之製品特性來調整添加量,而改善導電率、強度、應力緩和特性、鍍敷性等製品特性。主要藉由使上述As、Sb、Be、B、Ti、Zr、Al及Fe固溶於母相而發揮添加之效果,但亦可藉由使第二相粒子中含有上述As、Sb、Be、B、Ti、Zr、Al及Fe,或形成新組成之第二相粒子而發揮進一步之效果。然而,若該等元素之總計超過2.0質量%,則特性改善效果飽和且有損製造性。因此,於本發明之Cu-Co-Si系合金板中,最多可添加總計2.0質量%之選自As、Sb、Be、B、Ti、Zr、Al及Fe中之1種或2種以上。然而,於未達0.001質量%時,其效果較小,因此較佳為總計添加0.001~2.0質量%,更佳為總計添加0.05~1.0質量%。
若上述Mg、P、As、Sb、Be、B、Mn、Sn、Ti、Zr、Al、Fe、Zn及Ag之添加量合計超過2.0質量%,則易於損害製造性,因此較佳為將該等元素之合計設為2.0質量%以下,更佳為設為1.5質量%以下,進而更佳為設為1.0質量%以下。
(4)結晶粒徑
先前公知若結晶粒徑較小則可獲得高強度,於本發明中,壓延方向剖面之板厚中心之平均結晶粒徑亦為20μm以下。此處,板厚中心之平均結晶粒徑係根據JIS H 0501(切斷法)而測定。本發明之銅合金板之板厚中心之平均結晶粒徑於加工度為10~50%之最終壓延之前後不發生顯著之相對變化。因此,若於最終壓延前為20μm以下之平均結晶粒徑,則於最終壓延後亦維持較平均結晶粒徑為20μm之樣本銅合金更微細之結晶構造。因此,即便結晶構造過於微細而使最終壓延後之平均結晶粒徑於數值上無法正確地測定出,亦可藉由將於相同條件下對最終壓延前平均結晶粒徑為20μm之樣本進行最終壓延者作為標準並進行比較,而判斷是否平均結晶粒徑超過20μm。再者,本發明之「於板厚中心處平均結晶粒徑為20μm以下」係用以確定與先前技術相同之高強度之規定,「板厚中心」係用以表示測定位置之用語。
於先前技術中,結晶粒徑之不均、尤其是表面之粗大化結晶並不特別醒目,全然不知表面中之粗大化晶粒會對鍍敷之均勻附著性造成不良影響。然而,表層於壓延步驟中最易積存應變能,且於通常之製造條件下與內部(板厚中心)相比,其結晶易局部性粗大化。又,於熱處理步驟中,存在表層與內部之熱歷程不同之情形,亦存在與內部(板厚中心)相比結晶局部性粗大化之情形。再者,於此情形時,此處所謂之「表層」係指距離表面25μm之範圍。
本發明人等發現藉由使Cu-Co-Si系合金板之表面之粗大化之晶粒變少,可獲得鍍敷均勻地附著之電子材料用銅合金板。
具體而言,接觸於表面且最終壓延後之長徑為45μm以上之晶粒相對於壓延方向之長度1mm為5個以下,較佳為4個以下,更佳為2個以下。若超過5個,則鍍敷無法均勻地附著,成為當以肉眼觀察鍍敷表面時產生模糊之狀態之不良品。
又,晶粒個數係於顯微鏡照片(倍率:×400)中測定與壓延方向之剖面之表面接觸的45μm以上之晶粒之個數,將晶粒個數除以複數(10次)測定視野中之表面之長度2000μm之範圍的合計長度而作為1mm單位。
本發明之銅合金板由於表面中長徑45μm以上之晶粒為5個以下,故而鍍敷之均勻附著性優異。本發明之銅合金板可使用各種鍍敷材料,例如可列舉通常用於鍍Au之基底之Ni基底鍍敷、或Cu基底鍍敷、鍍Sn。
關於本發明之鍍敷厚度,通常使用之2~5μm之厚度自不用說,即便為0.5~2.0μm之厚度亦表現出充分之均勻附著性。
(5)製造方法
本發明之銅合金板之製造方法使用銅合金板中一般的製造製程(熔解、鑄造→熱壓延→中間冷壓延→中間固溶化→最終冷壓延→時效),但於其步驟內調整下述條件而製造目標之銅合金板。再者,中間壓延、中間固溶化亦可視需要重複進行複數次。
於本發明中,重要的是嚴密地控制熱壓延、中間冷壓延、中間固溶化處理之條件。其原因在於,本發明之銅合金板中添加有第二相粒子易粗大化之Co,而第二相粒子之生成及成長速度被熱處理時之保持溫度與冷卻速度較大地影響。
於熔解、鑄造步驟中,熔解電解銅、Si、Co等原料而得到所期望之組成之熔液。繼而,將此熔液鑄造成鑄錠。於其後之熱壓延中必須進行均勻的熱處理,且儘可能地去除鑄造中產生之Co-Si等結晶化物。例如,於950℃~1050℃下保持1小時以上後進行熱壓延。於熱壓延前之保持溫度未達950℃時,固溶不充分,另一方面,若超過1050℃則存在材料熔解之可能性。
又,於熱壓延結束時之溫度未達700℃之情形時,表示熱壓延之最終道次或包含最終道次之數道次之加工係於未達700℃下進行。於熱壓延結束時之溫度未達700℃之情形時,內部為再結晶狀態,相對於此,表層以受到加工應變之狀態結束。若於此狀態下經過冷壓延,且於通常之條件下進行固溶化,則內部為正常之再結晶組織,相對於此,表層形成粗大化之晶粒。因此,為了防止表層之粗大化結晶之形成,理想的是以700℃以上、較佳為850℃以上結束熱壓延,且理想的是熱壓延結束後進行急冷。急冷可藉由水冷而達成。
於熱壓延後,於目標範圍內適當選擇次數及順序而進行中間壓延及中間固溶化。若中間壓延之最終道次之加工度未達5%,則僅材料表面積蓄加工應變能,因此導致於表層產生粗大之晶粒。尤其是將最終道次之中間壓延加工度設為8%以上較佳。又,控制用於中間壓延之壓延油之黏度及中間壓延之速度亦可有效地均勻施加加工應變能。
充分地進行中間固溶化,以使熔解鑄造時之結晶化粒子或熱壓延後之析出粒子固溶,而儘可能地去除粗大之Co-Si等析出物。例如,若固溶化處理溫度未達850℃,則固溶不充分,無法獲得所期望之強度。另一方面,若固溶化處理溫度超過1050℃,則存在材料熔解之可能性。因此,較佳為進行使材料溫度加熱至850℃~1050℃之固溶化處理。固溶化處理之時間較佳為0.5分鐘~1小時。
再者,溫度與時間之關係,為了獲得相同之熱處理效果(例如相同之結晶粒徑),常識上必須於高溫之情形時縮短時間,於低溫之情形時增加時間。例如,於本發明中,理想的是於950℃之情形時為1~2分鐘,於1000℃之情形時為0.5~1分鐘。
關於固溶化處理後之冷卻速度,通常為了防止已固溶之第二相粒子析出而進行急冷。
繼而,於400℃以上且600℃以下之溫度條件下進行時效處理,使微細之第二相粒子均勻地析出。其原因在於,若時效溫度未達400℃,則有第二相粒子之析出不足,而無法獲得所期望之強度與導電率之問題,若超過600℃,則有析出之第二相粒子粗大化,而無法獲得所期望之強度之問題。時效溫度較佳為450℃以上且550℃以下。
最終壓延之加工度較佳為10~50%,更佳為30~50%。若未達10%,則無法獲得所期望之強度。另一方面,若超過50%,則彎曲加工性劣化。
由於本發明之銅合金板於表面不存在粗大晶粒,故而鍍敷之均勻附著性優異,可適用於引線框架、連接器、接腳、端子、繼電器、開關、二次電池用箔材等電子零件。
[實施例]
以下表示本發明之實施例及比較例,該等實施例係為了更加理解本發明及其優點而提供者,並不意圖限定發明。
(1)測定方法
(a)板厚中心之結晶粒徑:於固溶化處理後製造最終壓延前之壓延方向之板厚中心之平均結晶粒徑為20μm的標準樣本(Co:1.0質量%、Si:0.66質量%、剩餘部分為銅)。平均結晶粒徑係根據JIS H 0501(切斷法)而測定。對標準樣本進行最終冷壓延(加工度15%),拍攝壓延方向剖面之板厚中心之光學顯微鏡照片(倍率:×400)並作為基準。然後,以目測比較各實施例(發明例及比較例)之最終冷壓延後之板厚中心之光學顯微鏡照片(與基準相同倍率)與基準的大小,於大於基準之情形時,於結晶粒徑較大的情形係結晶粒徑大於20μm(>20μm),於與基準相同或小於基準之情形時,將結晶粒徑作為20μm以下(≦20μm)。
(b)表層附近之晶粒之觀察
關於表層,使用壓延方向表層剖面之顯微鏡照片,於自表層起深度10μm之位置繪製平行於表面之線,以10個視野求出線之長度,同時藉由線段法求出一部分接觸於表面之45μm以上之結晶粒徑之個數,將45μm以上之結晶粒徑之個數的合計除以線段之合計,而求出每1mm之45μm以上之結晶粒徑之個數。
(c)鍍敷附著之均勻性
(電解脫脂順序)
於鹼性水溶液中將試料作為陰極進行電解脫脂。
使用10質量%硫酸水溶液進行酸洗。
(Ni基底鍍敷條件)
‧鍍敷浴組成:硫酸鎳250g/L、氯化鎳45g/L、硼酸30g/L
‧鍍敷浴溫度:50℃
‧電流密度:5A/dm2
‧鍍Ni厚度係藉由電鍍時間進行調整,設為1.0μm。鍍敷厚度測定係使用CT-1型電解式膜厚計(電測股份有限公司製造),並使用Kocour公司製造之電解液R-54來進行。
(鍍敷附著均勻性評價)
拍攝鍍敷表面之光學顯微鏡照片(倍率:×200,視野面積為0.1mm2
),測定觀察島狀鍍敷之個數及分佈狀態。評價如下述所示。
S:無,
A:島狀鍍敷之個數為50個/mm2
以下,
B:島狀鍍敷之個數為100個/mm2
以下,
C:島狀鍍敷之個數超過100個/mm2
。
再者,圖1係本發明例1之鍍敷表面之光學顯微鏡照片,相當於「S」等級,圖2係比較例11之鍍敷表面之光學顯微鏡照片,相當於「C」等級。又,圖3係於鍍敷表面所觀察到之「島狀鍍敷」之放大照片(倍率:×2500),將此種島形狀作為1個而測定視野中之島狀鍍敷之個數。
(d)強度
進行壓延平行方向之拉伸試驗而測定0.2%安全限應力(YS:MPa)。
(e)導電率(EC;%IACS)
藉由利用雙電橋之體積電阻率測定而求出。
(f)彎曲加工性
依據JIS H 3130進行Badway(彎曲軸為與壓延方向相同之方向)之W彎曲試驗,測定不產生裂痕之最小半徑(MBR)相對於板厚(t)之比即MBR/t值。彎曲加工性係利用以下之基準而進行評價。
MBR/t≦2.0 良好
2.0<MBR/t 不良
(2)製造方法
藉由高頻熔解爐於1300℃下熔化表1中記載之各成分組成之銅合金,而鑄造成厚度30mm之鑄錠。然後,將此鑄錠於表1中記載之條件下加熱3小時後,以熱壓延結束溫度(最終溫度)進行熱壓延直至板厚為10mm為止,熱壓延結束後迅速地進行水冷直至室溫為止。繼而,為了去除表面之鏽皮,實施平面切削直至厚度為9mm為止後,適當進行最終道次之加工度為5~15%之冷壓延、材料溫度900℃下之0.5分鐘~1小時之中間固溶化步驟,而製成厚度0.15mm之板。固溶化處理結束後以水冷迅速地進行冷卻直至室溫為止。繼而,於惰性環境中且於520℃下進行3小時之時效處理。繼而,進行加工度為15%之最終冷壓延,而製造各試驗片。將各試驗片之測定結果示於表1。
發明例1之最終道次中之中間壓延之加工度為15%,相對於此,相同組成之發明例2中加工度較低為10%,因此於表面產生粗大粒子而鍍敷均勻附著性稍差。發明例4與5之關係亦相同。
發明例1之最終溫度(熱壓延結束時之溫度)為750℃,相對於此,相同組成之發明例3中最終溫度較低為700℃,因此鍍敷均勻附著性更差。發明例4與6之關係亦相同。
發明例1之熱壓延開始溫度為950℃,最終溫度為750℃,相對於此,相同組成之比較例11中分別較低為800℃及500℃,因此於表面產生粗大粒子而鍍敷均勻附著性較差。再者,若於比較例11之銅合金表面以3.0μm之厚度實施鍍Ni,則鍍敷後之表面之島狀鍍敷變得不明顯,而成為接近「S」等級之狀態。
發明例4與比較例14之關係亦相同。
比較例11之最終道次中之中間壓延之加工度為15%,相對於此,相同組成之比較例12中加工度較低為5%,因此於表面進一步產生粗大粒子而鍍敷均勻附著性更差。
發明例7之熱壓延開始溫度為950℃,最終溫度為750℃,最終道次中之中間壓延之加工度為15%,相對於此,相同組成之比較例17中均較低為800℃、500℃、5%,因此於表面產生粗大粒子而鍍敷均勻附著性較差。發明例8與比較例18之關係亦相同。
圖1,係實施鍍Ni之本發明之銅合金板(發明例1)之鍍敷表面之顯微鏡照片(倍率:×200)。
圖2,係實施鍍Ni之比較例之銅合金板(比較例11)之鍍敷表面之顯微鏡照片(倍率:×200)。
圖3,係圖2之鍍敷表面之放大顯微鏡照片(倍率:×2500)。
Claims (4)
- 一種電子材料用銅合金板,其係含有Co:0.5~3.0質量%、Si:0.1~1.0質量%,以及剩餘部分由Cu及不可避免之雜質所構成,其板厚中心之平均結晶粒徑為20μm以下,接觸於表面且長徑為45μm以上之晶粒相對於壓延方向長度1mm為5個以下。
- 如申請專利範圍第1項之電子材料用銅合金板,其進而含有最多0.5質量%之Cr。
- 如申請專利範圍第1或2項之電子材料用銅合金板,其進而含有總計最多2.0質量%之選自由Mg、P、As、Sb、Be、B、Mn、Sn、Ti、Zr、Al、Fe、Zn及Ag所組成之群中之1種或2種以上。
- 一種電子材料用銅合金板之製造方法,係製造申請專利範圍第1或2項之電子材料用銅合金板,其包含依序進行如下步驟:熔解鑄造鑄錠之步驟;將材料溫度設為950℃以上且1050℃以下並加熱1小時以上後,進行熱壓延,且熱壓延結束溫度為700℃以上之步驟;以8%以上之加工度進行最終道次之固溶化前之中間壓延步驟;將材料溫度設為850℃以上且1050℃以下並加熱0.5分鐘~1小時之中間固溶化步驟;以400℃以上且600℃以下進行加熱之時效步驟;及加工度為10~50%之最終壓延步驟。
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