TWI589715B

TWI589715B - Copper alloy strip and with its high-current electronic components and cooling electronic components

Info

Publication number: TWI589715B
Application number: TW105100143A
Authority: TW
Inventors: Akihiro Kakitani
Original assignee: Jx Nippon Mining & Metals Corp
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2017-07-01
Also published as: JP2016141878A; KR101822374B1; KR20160096041A; JP6207539B2; CN105838915B; TW201632634A; CN105838915A

Description

銅合金條及具備其之大電流用電子零件以及散熱用電子零件

本發明係關於一種銅合金條，詳細而言係關於一種散熱性、導電性、強度以及彎曲加工性優異，適合端子、連接器、繼電器、開關、插座、匯流排、引線框架等電子零件用途，尤其適用於智慧手機、個人電腦等所使用之散熱性零件，以及用於電動汽車或混合車等所使用大電流零件之用途的銅合金條。

在智慧型手機、平板PC以及個人電腦等電機/電子設備等中，嵌入有端子、連接器、開關、插座、繼電器、匯流排、引線框架等用於取得電連接的零件以及用於散發設備所發出之熱的零件。

近年來，伴隨著智慧型手機、平板PC以及個人電腦的小型化，於電機/電子設備內的液晶零件或IC晶片等通電時的蓄熱有變大的趨勢。由於蓄熱大的狀態對IC晶片和基板的熱損傷大，因此散熱零件的散熱性成為問題。

以往，在智慧型手機、平板PC以及個人電腦等電氣/電子設備內的散熱零件中，主要使用了沃斯田鐵系不銹鋼(例如，在JIS G 4304「熱軋不銹鋼板以及鋼帶」之項中規定的SUS304)以及純鋁等。例如在附屬於智慧型手機或平板PC之液晶的散熱零件(液晶框架)中，除了高散熱性以外，還要求作為結構體的強度，以及對液晶之固定所需的彎曲加工性。

雖然沃斯田鐵系不銹鋼(SUS304)彎曲性加工性良好，但熱傳導性低，為了彌補其熱傳導性低，一併使用高價的熱傳導片等。因此散熱零件的單價變高。另一方面，雖然純鋁以及鋁合金彎曲性加工性良好，但熱傳導性以及作為結構體的強度不足。

又，端子、連接器等通電零件中，通電部的銅合金之截面積有變小的傾向。若截面積變小，則通電時來自銅合金的發熱增大。尤其是在增長顯著之電動汽車、混合車中使用的電子零件中，存在電池部的連接器等明顯會流過高電流之零件，通電時之銅合金的發熱成為問題。因此為了減少發熱量，要求通電材料的導電性優異，進而為了能夠應對零件的小型化、高性能化，要求強度(特別是高0.2%保證應力)和優異的彎曲加工性。

已知，熱傳導性和導電性呈比例關係，針對上述要求，作為具有較高之導電率和強度的合金，已知有於Cu中添加了Zr、Cr、Ti的材料。例如在CDA(Copper Development Association：銅業發展協會)註冊有C15100(0.1質量%Zr-剩餘為Cu)、C15150(0.02質量%Zr-剩餘為Cu)、C18140(0.1質量%Zr-0.3質量%Cr-0.02質量%Si-剩餘為Cu)、C18145(0.1質量%Zr-0.2質量%Cr-0.2質量%Zn-剩餘為Cu)、C18070(0.1質量%Ti-0.3質量%Cr-0.02質量%Si-剩餘為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-剩餘為Cu)等合金。

雖然對散熱零件以及電子材料用銅合金要求一定程度的強度，但例如在上述合金中，C15100等Cu-Zr合金有時強度會不足。

另一方面，雖然C18140等Cu-Cr-Zr合金一般而言0.2%保證應力比C15100好，但Cr向Cu合金的熔解非常困難。因此近年來正在進行使製造難易度相對低之Cu-Zr合金的強度、導電率以及彎曲加工性提高的發明。

在專利文獻1中，揭示了藉由進行如下處理而強度、導電率、彎曲加工性的平衡良好之銅合金：對以重量比率計含有0.05%~0.3%之範圍之Zr的銅合金，在熱軋後進行第一冷軋、第一熱處理、第二冷軋、同時施加張力的第二熱處理。

在專利文獻2中，揭示了如下之銅合金：於含有0.01質量%~0.5質量%之範圍之Zr的銅合金中，織構的Brass(黃銅)方位之方位分佈密度為20以下，且Brass方位、S方位和Copper(銅)方位的方位分佈密度設為10以上，50以下，同時擁有強度和良好的彎曲加工性。

在專利文獻3中，揭示了如下之銅合金：於以重量比率計，含有0.05%~0.2%之範圍之Zr的銅合金中，藉由帶有背向散射電子影像(backscattered electron image)系統的掃描型電子顯微鏡進行之以EBSD法測量的KAM值之平均為1.5~1.8°，在W彎曲試驗中若將未產生破裂的最小彎曲半徑設為R，板厚設為t時，則R/t為0.1~0.6，彈性極限值為420~520N/mm²，強度、彈性以及彎曲加工性優異。

在專利文獻4中，揭示了藉由設為如下條件而實現強度、彎曲加工性、低楊氏模數(縱向彈性模數以及偏轉係數)之銅合金：以重量比率計，含有合計為0.05~1.0mass%之Cr、Zr、Ti的至少1種，在EBSD測量的晶體定向解析中，Cube方位{001}<001>的面積率為5%以上，70%以下，維氏硬度為120以上。

專利文獻1：日本特開2010-248592號公報

專利文獻2：日本特開2010-242177號公報

專利文獻3：日本特開2012-172168號公報

專利文獻4：日本專利第5170916號公報

但是，在專利文獻1~4之發明中，雖然同時具有一定程度的機械強度和良好的彎曲加工性，但近年之電子材料等之銅合金所需的強度以及彎曲加工性未必足夠。具體而言，在專利文獻1~3記載之發明的實施例中，Cu-Zr合金的拉伸強度為457~560MPa，在專利文獻4記載之實施例中Cu-Zr合金的0.2%保證應力為425MPa，拉伸強度以及0.2%保證應力皆存在強度不足的情況。

又，專利文獻中雖將著眼於拉伸強度的提高，但在實際的電子零件中大多要求高0.2%保證應力。但是，在Cu-Zr合金中，即使藉由加工硬化提高拉伸強度，也存在0.2%保證應力不會高至一定程度以上(加工硬化飽和)的問題。又，由於Cu-Zr系銅合金藉由時效進行的析出硬化以及藉由壓延進行的加工硬化小，因此專利文獻之強度提高的方案以晶體定向的控制為主。

因此，本發明目的在於，提供一種與以往的材料相比兼備高強度、高導電性以及優異之彎曲加工性的銅合金條、具備該銅合金條的大電流用電子零件以及散熱用電子零件，具體而言，本發明的課題在於改善強度(拉伸強度以及0.2%保證應力)、導電率以及彎曲加工性的平衡。

本發明人進行2次以上Cu-Zr系銅合金條的時效處理，藉由調整時效溫度、時效和時效之間的冷軋以及最終之時效後的冷軋之條件，發現能得到良好的強度、導電率以及彎曲加工性。將以上見解為背景，完成了以下的發明。

本發明的Cu-Zr系銅合金條含有0.04~0.5質量%的Zr，滿足拉伸強度為550MPa以上且導電率為80%IACS以上。

並且，本發明的銅合金條之拉伸強度(TS)和0.2%保證應力(YS)的比，較理想為YS/TS0.9。

並且，本發明的銅合金條於300℃×30min加熱後的0.2%保證應力，較理想為500MPa以上。

並且，本發明的銅合金條中，較理想為，較佳於使用X射線繞射法在壓延面中，將在厚度方向求得之{200}面的X射線繞射積分強度設為I{200}，{111}面的X射線繞射積分強度設為I{111}，{220}面的X射線繞射積分強度設為I{220}，{311}面的X射線繞射積分強度設為I{311}時，0.1〔I{200}+I{111}+I{311}〕/I{220}0.6。

再者，本發明的銅合金條較佳最多含有0.1質量%之選自由Ag、Ni、Mn、Mg、Zn、Sn、B以及Ca構成之群中的元素之至少1種。

本發明的大電流用電子零件以及散熱用電子零件具備上述任一者之銅合金條。

根據本發明，能夠提供兼備高強度、高導電性以及優異彎曲加工性的銅合金條。該銅合金條係關於適於可適用作為端子、連接器、開關、插座、繼電器、匯流排、引線框架、散熱板等電子零件的原材料，且用於智慧型手機、個人電腦等之散熱性零件以及用於電動汽車、混合車等之大電流用電子零件的用途之銅合金條。

以下，對本發明的實施方式詳細地進行說明。

(特性)

本發明之一實施方式的銅合金條之目的在於，將此銅合金條的導電率設為80%IACS以上且將拉伸強度設為550MPa以上。如果導電率為80%IACS以上，則熱傳導率也良好，作為大電流用電子零件以及散熱零件用的原材料並無問題。又，如果拉伸強度為550MPa以上，則具有作為結構材料之必要強度。又，如果0.2%保證應力/拉伸強度為0.9以上，則具有連接器、開關、插座、繼電器材料等電子零件所需的彈簧特性。如果300℃×30min加熱後的0.2%保證應力為500MPa以上，則具有作為大電流用電子零件以及散熱零件的耐熱性。如果使用X射線繞射法的X射線繞射積分強度為0.1[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}0.6之範圍，則具有良好的彎曲加工性。

兼備上述特性之本發明的銅合金條適於散熱用電子零件以及大電流電子零件的用途。

(合金成分濃度)

本發明的實施方式之Cu-Zr系合金條含有0.040~0.50質量%之Zr，該Zr的總含量較佳設為0.050~0.30質量%，更佳設為0.050~0.20質量%。若Zr的合計過小，則難以得到550MPa以上的拉伸強度。若Zr濃度過大，則因熱軋破裂等，合金的製造變得困難。

Cu-Zr系合金中，為了改善強度和耐熱性，能夠使其含有Ag、Sn、Zn、Mg、Mn、B、Ca中的1種以上，但是，若添加量過多，則存在導電率降低而低於80%IACS，或是合金的製造性惡化之情形，因此添加量的總量最大設為0.1質量%。

(厚度)

製品的厚度即板厚(t)較佳為0.05~2.0mm。若厚度過小，則難以得到充分的散熱性，因此不適合作為散熱用電子零件的原材料。另一方面，若厚度過大，則彎曲加工以及拉延加工變得困難。由此觀點而言，更佳的厚度為0.08~1.5mm。藉由使厚度成為上述範圍，能夠抑制蓄熱，且能夠使彎曲加工性良好。

(導電率)

在本發明中，將根據JIS H0505測量的導電率設為80%IACS以上。如果導電率為80%IACS以上，則熱傳導率良好，也能夠確保良好的散熱性。更佳設為85%IACS以上。

(拉伸強度)

在本發明中，如果將銅合金條的拉伸強度設為550MPa以上，則具有作為結構材料的原材料所需的強度。更佳設為570MPa以上。

(0.2%保證應力)

在本發明中，將銅合金條的0.2%保證應力/拉伸強度(YS/TS)設為0.9以上，藉此，銅合金條具有連接器、開關、繼電器材料所需的彈性。

(耐熱性)

本發明中，設為300℃×30min加熱後的0.2%保證應力500MPa，藉此，具有作為大電流用電子零件以及散熱零件的耐熱性。

(彎曲加工性)

本發明之彎曲加工性的評價係藉由使用寬度10mm×長度30mm之長方形的試驗片之W彎曲試驗(JIS-H3130)來進行。試驗片選取方向設為壓延平行方向(GW)以及壓延直角方向(BW)，藉由不產生破裂的最小彎曲半徑MBR(Minimum Bend Radius)和板厚t的比MBR/t進行評價。從確保良好彎曲性的觀點而言，較佳該最小彎曲半徑(MBR)的比例(MBR/t)設為2.0以下。MBR/t的更佳範圍為1.8以下。

(晶體定向)

當使用X射線繞射法，在壓延面的表面將於厚度方向求得之{200}面的X射線繞射積分強度設為I{200}，{111}面的X射線繞射積分強度設為I{111}，{220}面的X射線繞射積分強度設為I{220}，{311}面的X射線繞射積分強度設為I{311}時，於0.1[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}0.6(即，0.1以上，0.6以下)之情形時，彎曲加工性提高。更佳的範圍是0.25以上，0.55以下。另一方面，偏離上述範圍時，彎曲加工性差。再者，純銅粉末標準試樣是以325網目(JIS Z8801)之純度99.5%的銅粉末定義。

以下，對本發明的銅合金條之較佳製造方法的一例進行說明。

熔解作為純銅原料的電解銅等，添加Zr以及視需要的其他合金元素，鑄造成厚度30~300mm左右的鑄錠。將該鑄錠藉由例如800~1000℃的熱軋製成厚度3~30mm左右之板後，反覆進行冷軋和2次以上的時效處理，經由最終冷軋加工成規定的製品厚度，視情況在最後實施弛力退火。亦可不特別實施弛力退火。

時效處理在300℃~400℃的溫度，於1~30小時之範圍進行2次以上。較佳為340~390℃，更佳為350~390℃。

藉由在壓延組織不會再結晶化之適當的條件下進行退火，利用之後的壓延而進行的加工硬化會變大，能夠得到550MPa以上的拉伸強度。若時效溫度比400℃高，則無法得到550MPa以上的強度。另一方面，若時效溫度比300℃低時，則無法得到80%IACS以上的導電率。

藉由將最終的時效溫度調整至相對於其之前1個時效溫度±25℃的範圍，晶體定向會變為0.1[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}0.6的範圍，彎曲加工性獲得改善。

並且，在最終的時效溫度比其前1個時效溫度低0~25℃之情形時，300℃×30min加熱後的0.2%保證應力成為500MPa以上。另一方面，若最終的時效溫度高，則300℃×30min加熱後的0.2%保證應力成為500MPa以下，雖然強度、導電率以及彎曲加工性的平衡優異，但從耐熱性的觀點而言仍有改善的餘地。

再者，藉由適當地進行加工處理的各條件的調節等，例如時效處理間的加工度、第一次時效處理的溫度、最終冷軋的加工度、Zr的濃度、添加元素等的調節等，能夠設為更好的拉伸強度、導電率、0.2%保證應力。

藉由將時效和時效之間的冷軋加工度調整為60%以上，能夠得到YS/TS0.9。更佳的加工度為75%以上。如果時效和時效之間的冷軋加工度未達60%，則無法得到YS/TS0.9。

雖然只要調整上述的時效條件以及時效間的冷軋加工度，時效無論進行幾次皆無問題，但若考慮製造成本，較佳為2次。

最終的時效後之冷軋加工度設為50%~80%。較佳為60~75%，更佳為60~70%。如果未達50%，則無法得到550MPa的拉伸強度，如果為80%以上，則藉由時效而析出的Cu-Zr化合物由於壓延而再固溶於母相，導電率降低，變得未達80%IACS。

進行弛力退火之情形時是使用連續退火爐而進行。將爐內溫度設為300~700℃，較佳設為350~650℃，設定為從5秒到10分鐘的範圍。弛力退火並非一定需要實施。

本發明的一實施方式藉由賦予以下特徵而改善了強度、導電率以及彎曲加工性：藉由Cu-Zr系合金條的拉伸強度550MPa且導電率80%IACS而YS/TS0.9，300℃×30min加熱後的0.2%保證應力500MPa，以及0.1[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}0.6。將為此之製造條件整理而表示如下：

(1)為了使拉伸強度550MPa，

a.將時效溫度調整為未達400℃。

b.將最終壓延(finish rolling)加工度調整為50%以上。

(2)為了使導電率80%IACS，

a.將時效溫度調整為300℃以上。

b.將最終壓延加工度調整為80%以下。

(3)為了使YS/TS0.9，

a.將時效和時效之間的冷軋加工度調整為60%以上。

(4)為了使300℃×30min加熱後的0.2%保證應力500MPa，

a.將最終的時效溫度調整為比其前1個之時效溫度低0~25℃。

(5)為了使0.1[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}0.6，

a.最終的時效溫度調整為相對於其前1個之時效溫度±25℃的範圍。

如以上方式製造的銅合金條被加工成各種各樣之板厚的拉伸銅製品，例如，能夠用於智慧型手機、平板PC以及個人電腦等電氣/電子設備內的大電流電子零件以及散熱用電子零件等。

[實施例]

雖然將本發明的實施例示於以下，但該等實施例是用於更好地理解本發明及其優點而提供，並未意圖限定本發明。又，以下在實施例中，雖然示出時效次數為2次的例子，但即使時效次數為3次以上亦無問題。

向熔銅添加合金元素後，鑄造厚度為200mm的鑄錠。將鑄錠在950℃加熱3小時，在950℃進行熱軋，製成厚度15mm的板。將熱軋板表面的氧化皮(oxidized scale)用磨床研磨、去除後，反覆進行時效和冷軋，用最終冷軋加工成規定的製品厚度。最後使用連續退火爐進行弛力退火。

初次的時效中，使用分次式熔爐，在爐內溫度為200~500℃的範圍，於1~30小時的範圍進行熱處理。

時效後的冷軋中，控制總加工度。

最終的時效也使用分次式熔爐，在爐內溫度為200~500℃的範圍，於1~30小時的範圍進行熱處理。相對於初次的時效溫度改變各種條件。

最終冷軋中，控制總加工度。

弛力退火中，將爐內溫度設為500℃，將加熱時間調整為1秒~15分鐘之間。再者，對於一部分材料，省略了弛力退火。

將實施例的製造條件按發明例以及比較例揭示於表1。對製造中途的材料以及弛力退火後的材料，進行了如下測量。

(成分)

用ICP-質量分析法分析最終冷軋後或弛力退火後的材料之合金元素濃度。再者，未記載表中的成分分析值比10ppm低的元素。

(拉伸強度以及0.2%保證應力)

對最終冷軋後以及弛力退火後的材料，以拉伸方向與壓延方向平行的方式選取JIS Z2241規定的13B號試驗片，根據JIS Z2241並與壓延方向平行地進行拉伸試驗，求出了拉伸強度(TS)以及0.2%保證應力(YS)。

(耐熱性)

在設定為300℃的爐中，保持材料30min後，將取出且氣冷後的樣品以與在「拉伸強度以及0.2%保證應力」之項中說明者相同的方法測量了0.2%保證應力。

(伸長率)

自最終冷軋後或弛力退火後的材料，以拉伸方向與壓延方向平行的方式選取JIS Z2241規定的13B號試驗片，將標點間距離設為50mm測量伸長率。

(導電率)

自最終冷軋後或弛力退火後的材料，以試驗片的長邊方向與壓延方向平行的方式選取試驗片，根據JIS H0505，藉由四端子法測量了20℃的導電率。

(晶體定向)

對最終冷軋後或弛力退火後的材料之壓延面的表面，分別測量{200}、{111}、{311}以及{220}面的X射線繞射強度I。X射線繞射裝置使用理學股份有限公司製造之RINT2500，用Cu管形燈泡在管電壓為25kV、管電流為20mA的條件下進行測量。

(MBR/t)

根據JIS H3130，進行彎曲軸與壓延方向為直角方向的GW(Goodway)方向、以及彎曲軸與壓延方向為同一方向的BW(Badway)方向之各自的W彎曲試驗，使用W字型的模具改變彎曲半徑，求出未產生破裂的最小彎曲半徑(MBR)和厚度(t)的比(MBR/t)。

[表1]

從表1所示內容可知，在發明例1~20中，合計含有0.04~0.50質量%的Zr，在300~400℃實施第1次時效，將其後的冷軋加工度調整為60%以上，在300~400℃實施其後之最終的時效，將最終冷軋加工度調整為50~80%，最終實施弛力退火(發明例12省略)。由此，發明例1~20的銅合金條能夠達成拉伸強度550MPa，且0.2%保證應力/拉伸強度0.9，並且導電率80%IACS。

又，在將第一次和最終的時效之溫度差設為±25℃以內之情形時，彎曲加工性改善，且在將第一次時效溫度設為比最終的時效溫度低之情形時，耐熱性改善。自該觀點而言，若與其他的發明例比較，發明例5由於第一次時效溫度比最終的時效溫度低，因此耐熱性差，發明例7由於第一次和最終的時效之溫度差為25℃以上，因此耐熱性以及彎曲加工性差。

另一方面，比較例1、2的時效溫度在300~400℃的範圍以外，在時效溫度低的比較例1中導電率低，時效溫度高的比較例2的拉伸強度低。

比較例3的時效間之冷軋加工度低，0.2%保證應力/拉伸強度的比低於0.9。

比較例5、6的最終冷軋加工度在50~80%的範圍以外，加工度低的比較例5之拉伸強度低，加工度高的比較例6的導電率低。

比較例7以及8是以1次時效處理製造而成的材料，難以兼顧拉伸強度或0.2%保證應力/拉伸強度的比、或導電率的平衡。

比較例9的Zr濃度低，拉伸強度低。

比較例10由於添加元素的濃度為0.1質量%以上，因此導電率低。

比較例11是以與專利文獻1(日本特開2010-248592號公報)的實施例1相同之製法製作而成的銅合金。拉伸強度、0.2%保證應力/拉伸強度的比低。

比較例12以及13是以與專利文獻2(日本特開2010-242177號公報)的各個實施例1以及實施例12相同的製法製作而成的銅合金。在比較例12的Cu-Zr合金中，拉伸強度、0.2%保證應力/拉伸強度的比皆低。另一方面，雖然如比較例13般藉由加入添加元素而滿足拉伸強度550MPa以及導電率80%IACS，但0.2%保證應力低，0.2%保證應力/拉伸強度的比低。

雖然比較例14是以與專利文獻3(日本特開2012-172168號公報)的實施例5相同的製法製作而成的銅合金，比較例15是以與專利文獻4(日本專利第5170916號公報)的發明例1-1相同的製法製作而成的銅合金，但0.2%保證應力低，0.2%保證應力/拉伸強度的比低。

從以上的結果可明瞭，根據本發明，能夠提供兼備高強度、高導電性以及高彎曲加工性的銅合金條、具備該銅合金條的大電流用電子零件、散熱用電子零件以及銅合金條的製造方法。

Claims

一種銅合金條，其含有0.04~0.5質量%的Zr，滿足拉伸強度為550MPa以上，0.2%保證應力/拉伸強度0.9且導電率為80%IACS以上。
如申請專利範圍第1項的銅合金條，其滿足300℃×30min加熱後的0.2%保證應力500MPa。
如申請專利範圍第1項的銅合金條，其中，於將壓延面的表面之來自{200}面的X射線繞射強度設為I{200}，來自{111}面的X射線繞射強度設為I{111}，來自{220}面的X射線繞射強度設為I{220}時，滿足0.1[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}0.6。
如申請專利範圍第2項的銅合金條，其中，於將壓延面的表面之來自{200}面的X射線繞射強度設為I{200}，來自{111}面的X射線繞射強度設為I{111}，來自{220}面的X射線繞射強度設為I{220}時，滿足0.1[I{200}+I{111}+I{311}]/I{220}0.6。
如申請專利範圍第1~4項中任一項的銅合金條，其含有0~0.1質量%之選自由Ag、Ni、Mn、Mg、Zn、Sn、B以及Ca構成之群中的元素之至少1種。
一種大電流用電子零件，其具備申請專利範圍第1~5項中任一項的銅合金條。
一種散熱用電子零件，其具備申請專利範圍第1~5項中任一項的銅合金條。