TWI509090B - Copper alloy plate, and with its high current with electronic components and thermal electronic components - Google Patents

Copper alloy plate, and with its high current with electronic components and thermal electronic components Download PDF

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Description

銅合金板、以及具備其之大電流用電子零件及散熱用電子零件
本發明係關於一種散熱性、導電性及拉延加工性優異之銅合金，詳細而言係關於一種適合於端子、連接器、繼電器、開關、插座、匯流排、引線框架等電子零件用途、尤其是智慧手機或個人電腦等所使用之散熱性零件及高電流零件之用途的銅合金。
於智慧手機、平板電腦及個人電腦等電性/電子機器等中，組裝有用於獲得端子、連接器、開關、插座、繼電器、匯流排、引線框架等之電性連接的零件。
近年來，隨著智慧手機、平板電腦及個人電腦之小型化，有對電性/電子機器內之液晶零件或IC晶片等通電時之蓄熱增大之傾向。蓄熱多之狀態由於對IC晶片或基板之熱損傷大，故而散熱零件之散熱性成為問題。
先前，智慧手機、平板電腦及個人電腦等電性/電子機器內之散熱零件一直主要使用沃斯田鐵系不鏽鋼及純鋁等。對於例如智慧手機或平板電腦之液晶所附帶之散熱零件(液晶框架)，除要求較高之散熱性以外，要求作為構造體之強度及固定於液晶所需之彎曲性或拉延加工性。
沃斯田鐵系不鏽鋼雖然彎曲性及拉延加工性良好，但導熱性較低，為了彌補此缺點而併用昂貴之導熱片材等。因此，散熱零件之單價增高。另一方面，純鋁及鋁合金雖然彎曲性及拉延加工性良好，但導熱性及作為構 造體之強度不足。
已知導熱性與導電性處於比例關係，作為具有相對較高之導電率與強度之合金，已知有對Cu添加有Zr或Ti之材料。作為導電率高且具有相對較高之強度的材料，例如於CDA(Copper Development Association，美國銅發展協會)登記有C15100(0.1質量%Zr-剩餘Cu)、C15150(0.02質量%Zr-剩餘Cu)、C18140(0.1質量%Zr-0.3質量%Cr-0.02質量%Si-剩餘Cu)、C18145(0.1質量%Zr-0.2質量%Cr-0.2質量%Zn-剩餘Cu)、C18070(0.1質量%Ti-0.3質量%Cr-0.02質量%Si-剩餘Cu)、C18080(0.06質量%Ti-0.5質量%Cr-0.1質量%Ag-0.08質量%Fe-0.06質量%Si-剩餘Cu)等合金。
但是，習知對Cu添加有Zr或Ti之銅合金(以下，稱為Cu-Zr-Ti系合金)雖然強度及熱傳導特性高，但不滿足所要求之彎曲性或拉延加工性，有時兩者均不滿足。
因此，若可在維持Cu-Zr-Ti系合金之強度及導電率之情況下改善彎曲性及拉延加工性，則可謂於工業上意義極深遠。
因此，本發明之課題在於提供一種銅合金，其兼具高強度、高導電以及優異之拉延加工性及彎曲加工性。
本發明人發現：於Cu-Zr-Ti系合金中，藉由控制板厚異向性之值，拉延加工性及彎曲加工性可獲得提升，該板厚異向性之值係由在面內之3個方位測得之蘭克福特值(Lankford value)求出。
基於以上之知識見解，而完成了以下之發明。
本發明之銅合金板含有合計0.01~0.50質量%之Zr及Ti中一種或兩種，剩餘部分由銅及不可避免之雜質構成，具有70%IACS以上之導電率、及350MPa以上之0.2%保證應力，且由壓延平行、直角、45°各方向之蘭克福特值r0 、r90 、r45 以(r0 +r90 +2×r45 )/4定義之板厚異向性為1.2以上。
較佳為本發明之銅合金板係W彎曲試驗中之壓延平行方向(GW方向)及壓延直角方向(BW方向)的最小彎曲半徑/板厚(MBR/t)可表述為MBR/t≦2.0者。再者，較佳為本發明之銅合金板含有2質量%以下之選自由Ag、Co、Ni、Cr、Mn、Mg、Si、Zn、Sn及B組成之群中的至少1種元素。
本發明之大電流用電子零件及散熱用電子零件係分別具備上述之任一銅合金板者。
根據本發明，可提供兼具高強度、高導電性及優異之拉延加工性的銅合金板。該銅合金板係關於可適宜地用作端子、連接器、開關、插座、繼電器、匯流排、引線框架等電子零件之原材料，適合於智慧手機或個人電腦等所使用之散熱性零件及高電流零件之用途的銅合金板。
以下，對本發明之實施形態進行說明。
(特性)
本發明之目標為：將銅合金板之導電率、0.2%保證應力、W彎曲試驗之MBR/t、由蘭克福特值所求出之板厚異向性分別調整為70%IACS以上、 350MPa以上、2.0以下、1.2以上。若導電率為65%IACS以上，則導熱率良好，可確保良好之散熱性。又，若0.2%保證應力為350MPa以上，則具有作為構造材之原材料所需之強度。若MBR/t為2.0以下，則認為具有良好之彎曲性。進而，若由蘭克福特值所求出之板厚異向性為1.2以上，則認為具有所需之拉延加工性。
兼具上述特性之本發明之銅合金板適合於散熱用電子零件之用途。
此處，導電率設為依據JIS H0505所測得者，較佳為將該導電率設為75%IACS以上。
0.2%保證應力係依據JIS Z2201測定。就確保強度之觀點而言，較佳使0.2%保證應力在450MPa以上。
更佳為使依據JIS H3130測得之最小彎曲半徑相對於板厚之比例(MBR/t)在1.5以下。
(合金成分濃度)
本發明之實施形態之Cu-Zr-Ti系合金板，含有合計0.01~0.50質量%之Zr及Ti中一種或兩種，該Zr與Ti之總含量較佳設為0.015~0.3質量%，更佳為0.02~0.20質量%。若Zr及Ti中一種或兩種之合計未達0.01質量%，則會變得難以獲得350MPa以上之拉伸強度及15%以下之應力緩和率。若Zr及Ti中一種或兩種之合計超過0.5質量%，則會因熱壓延龜裂等而變得難以製造合金。於添加Zr之情形時，較佳為將其添加量調整為0.01~0.45質量%，於添加Ti之情形時，較佳為將其添加量調整為0.01~0.20質量%。若添加量低於下限值，則0.2%保證應力會未達350MPa，若添加量超過上限值，則有導致導電率或製造性變差之情況。
為了改善強度或耐熱性，亦可使Cu-Zr-Ti系合金中含有Ag、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、Mg、Si、Sn及B中之一種以上。但是，若添加量過多，則會有導電率降低而低於70%IACS，或合金之製造性變差之情 況，因此使添加量以總量計在1.0質量%以下，更佳在0.5質量%以下。又，為了獲得由添加所產生之效果，較佳為將添加量以總量計設為0.001質量%以上。
(厚度)
製品之厚度較佳為0.05~2.0mm。若厚度過小，則變得無法獲得充分之散熱性，因而不適合作為散熱用電子零件之原材料。另一方面，若厚度過大，則拉延加工及彎曲加工變得困難。就此種觀點而言，更佳之厚度為0.08~1.5mm。藉由使厚度成為上述範圍，可製成散熱性優異且彎曲加工性良好者。
(拉延加工性)
對試驗片之壓延平行、直角、45°方向分別施加2.5%之拉伸應變，由試驗片之長度及寬度方向之尺寸變化求出各方向之蘭克福特值即r0 、r90 、r45 ，算出由r=(r0 +r90 +2×r45 )/4定義之板厚異向性。已知r通常值越大，拉延加工性越好。又，通常伸銅品之r為0.8~1.1左右，藉由將該值調整為1.2以上，可獲得優異之拉延加工性。
此處所謂蘭克福特值係指JIS Z2254所規定者，於測定上述之各蘭克福特值r0 、r90 、r45 時，設為依據JIS Z2254而進行者。其中，本發明物為了維持作為構造材所需之強度，而伸長率較低，將負載應變設為2.5%。
為了獲得更優異之拉延加工性，較佳將板厚異向性r設在1.25以上。
(製造方法)
以下，對本發明之銅合金板之適宜製造方法之一例進行說明。
將作為純銅原料之電解銅等熔解，藉由碳脫氧等而降低氧濃度後，添加Zr及Ti中之一種或兩種、與視需要之其他合金元素，鑄造成厚度為30~300mm左右之鑄錠。藉由熱壓延將該鑄錠製成厚度為3~30mm左右之板後，反復進行冷壓延與再結晶退火，藉由最終之冷壓延而最後加工成特定 之製品厚度，最後實施弛力退火。
於再結晶退火中，使壓延組織之一部分或全部再結晶化。又，藉由於適當條件下進行退火，使Zr、Ti等析出，合金之導電率上升。於最終冷壓延前之再結晶退火中，將銅合金板之平均結晶粒徑調整為50μm以下。若平均結晶粒徑過大，則變得難以將製品之拉伸強度調整為350MPa以上，由蘭克福特值求出之板厚異向性成為<1.2。較佳為該平均結晶粒徑設為40μm以下。
最終冷壓延前之再結晶退火之條件係基於目標之退火後結晶粒徑及目標之製品導電率而決定。具體而言，使用批次爐或連續退火爐，將爐內溫度設為350~800℃進行退火即可。對於批次爐，於350~600℃之爐內溫度下，在30分鐘至30小時之範圍適宜調整加熱時間即可。對於連續退火爐，於450~800℃之爐內溫度下，在5秒鐘至10分鐘之範圍適宜調整加熱時間即可。一般而言，若於更低溫度下以更長時間之條件進行退火，則可以相同結晶粒徑可獲得更高之導電率。
於最終冷壓延中，使材料反復通過一對壓延輥間，而逐步最後加工成目標板厚。對最終冷壓延之總加工度與每1道次之加工度加以控制。
總加工度R(%)可由R=(t0 -t)/t0 ×100(t0 ：最終冷壓延前之板厚，t：最終冷壓延後之板厚)求得。又，每1道次之加工度K(%)係指通過壓延輥1次時之板厚減少率，其可由K=(T0 -T)/T0 ×100(T0 ：通過壓延輥前之厚度、T：通過壓延輥後之厚度)求得。
總加工度R設為40~99%。若R過小，則難以將0.2%保證應力調整為350MPa以上，若R過大，則有壓延材之邊緣發生龜裂之情況。就此種觀點而言，總加工度R宜設為45~99。
本發明之弛力退火係使用連續退火爐而進行。於採用批次爐 之情形時，由於在捲取為線圈狀之狀態下加熱材料，故而於加熱中材料會發生塑性變形而於材料上產生翹曲。因此，批次爐不適合於本發明之弛力退火。
對於壓延後之弛力退火，將於連續退火爐內對材料所負載之張力調整為1~5MPa，更佳為1~4MPa。若張力過大，則板厚異向性r降低，而變得難以調整為1.2以上。另一方面，若張力過小，則通過退火爐時材料會接觸爐壁，而於材料表面或邊緣產生傷痕等，從而有引起生產性降低之可能性。
於連續退火爐中，將爐內溫度設為300~700℃，在5秒至10分鐘之範圍適宜調整加熱時間，將弛力退火後之0.2%保證應力(σ)調整為相對於弛力退火前之0.2%保證應力(σ0 )低10~50MPa之值，較佳為低15~45MPa之值。藉此，於完成最終冷壓延中較低之伸長率上升，並且彎曲性改善。
本發明之一特徵在於：藉由對Cu-Zr-Ti系合金賦予上述弛力退火、及由蘭克福特值求出之板厚異向性r≧1.2之特徵，來改善拉延加工性及彎曲加工性；若將用以實現該等特徵之製造條件整理表示，則於如下。
a.於弛力退火中，調整為(σ0 -σ)=10~50MPa。
b.將弛力退火時之爐內張力調整為5MPa以下。
c.使精壓延之總加工度為99%以下。
[實施例]
以下，將本發明之實施例與比較例一同表示，但該等實施例係為了更好地理解本發明及其優點而提供者，並非意欲限定本發明。
向熔銅中添加合金元素後，鑄造成厚度為200mm之鑄錠。以950℃將鑄錠加熱3小時，藉由熱壓延而製成厚度為15mm之板。利用研磨機(grinder) 研削、去除熱壓延板表面之氧化皮後，反復進行退火與冷壓延，於最終之冷壓延中加工成特定之製品厚度。最後，使用連續退火爐進行弛力退火。
關於最終冷壓延前之退火(最終再結晶退火)，使用批次爐，將加熱時間設為5小時，將爐內溫度在300~700℃之範圍進行調整，而使退火後之結晶粒徑與導電率產生變化。關於退火後之結晶粒徑之測定，對與壓延方向成直角之剖面進行鏡面研磨後進行化學腐蝕，並藉由切斷法(JISH0501(1999年))求出平均結晶粒徑。
於最終冷壓延中，對總加工度及每1道次之加工度加以控制。又，求出最終冷壓延後材料之0.2%保證應力。
於使用有連續退火爐之弛力退火中，將爐內溫度設為500℃，將加熱時間調整在1秒鐘至15分鐘之間，而使退火後之0.2%保證應力產生各種變化。又，使於爐內對材料所施加之張力產生各種變化。再者，對於一部分材料，省略弛力退火。
針對製造過程中之材料及弛力退火後之材料，進行以下之測定。
(成分)
藉由ICP-質譜分析法來分析弛力退火後材料之合金元素濃度。
(0.2%保證應力)
針對最終冷壓延後及弛力退火後之材料，以拉伸方向與壓延方向平行之方式採取JIS Z2241所規定之13B號試驗片，依據JIS Z2241，與壓延方向平行地進行拉伸試驗，而求出0.2%保證應力。
(導電率)
自弛力退火後之材料，以試驗片之長度方向與壓延方向平行之方式採取試驗片，依據JIS H0505，藉由四端子法來測定20℃之導電率。
(板厚異向性)
沿試驗片之壓延平行、直角、45°方向採取JIS Z2241所規定之JIS13B 號試驗片。使用拉伸試驗器，對該等試驗片分別施加2.5%之拉伸應變，並算出板厚異向性。
(MBR/t)
製作寬度10mm×長度30mm之短條狀之試驗片，藉由W彎曲試驗(JIS H3130)而進行。採取試驗片之方向設為壓延平行方向(GW)及壓延直角方向(BW)，藉由不產生龜裂之最小彎曲半徑MBR(Minimum Bend Radius)與板厚t之比MBR/t進行評價。
將該等之評價結果示於表1。再者，於表1所示內容中，最終再結晶退火後之結晶粒徑的「<5」之表述，包含全部壓延組織發生再結晶化且其平均結晶粒徑為5μm以下之情形、及壓延組織之僅一部分發生再結晶化之情形兩者。
由表1所示之內容得知，關於發明例1~23之銅合金板，由於將Zr與Ti之合計濃度調整為0.01~0.50質量%，最終壓延之總加工度為99%以下，藉由弛力退火之張力為1~5MPa而在規定範圍內，故而全部滿足0.2%保證應力為350MPa以上，導電率為70%以上，板厚異向性r為1.2以上，獲得散熱性、強度及加工性良好之材料。
比較例1未實施弛力退火，板厚異向性未達1.2，拉延加工性差，並且BW之彎曲加工性差。比較例2、3雖然進行了弛力退火，但張力超過規定範圍之上限，板厚異向性未達1.2，拉延加工性差。
關於比較例4，由弛力退火引起之0.2%保證應力之降低量過小，板厚異向性未達1.2，拉延加工性差，並且GW、BW上之彎曲加工性均差。關於比較例5，弛力退火時之0.2%保證應力之降低量過大，板厚異向性未達1.2，拉延加工性差，並且弛力退火後之耐力未達350MPa，強度不足。
比較例6由於Zr之添加濃度過低，故而耐力未達350MPa，強度不足。關於比較例7，Zr之添加濃度過量，導電率未達70%，散熱性差。
比較例8由於再結晶退火時之結晶粒徑超過50μm，故而板厚異向性未達1.2，拉延加工性差，並且強度不足。
比較例9由於最終壓延時之總加工度未達40%，故而強度不足。

Claims (6)

  1. 一種銅合金板，含有合計0.01~0.50質量%之Zr及Ti中一種或兩種，剩餘部分由銅及不可避免之雜質構成，具有70%IACS以上之導電率、及350MPa以上之0.2%保證應力，且由壓延平行、直角、45°各方向之蘭克福特值(Lankford value)r0 、r90 、r45 以(r0 +r90 +2×r45 )/4定義之板厚異向性為1.2以上。
  2. 如申請專利範圍第1項之銅合金板，其含有合計0.015~0.3質量%之Zr及Ti中一種或兩種。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之銅合金板，其中，W彎曲試驗中之壓延平行方向(GW方向)及壓延直角方向(BW方向)的最小彎曲半徑/板厚(MBR/t)可表述為MBR/t≦2.0。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之銅合金板，其含有2質量%以下之選自由Ag、Co、Ni、Cr、Mn、Mg、Si、Zn、Sn及B組成之群中的至少1種元素。
  5. 一種大電流用電子零件，具備申請專利範圍第1或2項之銅合金板。
  6. 一種散熱用電子零件，具備申請專利範圍第1或2項之銅合金板。
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