JP2010031379A - 曲げ加工性に優れた銅合金板からなる電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】リードフレーム、端子、コネクタ、スイッチ、リレーなどの電子部品について、曲げ加工部の割れや薄肉化による強度低下を防止し、小型化を可能とする。
【解決手段】Ｎｉ：０．４〜５％、Ｓｉ：０．１〜１％と、さらにＺｎ：０．０１〜１０％及び／又はＳｎ：０．０１〜５％を含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなり、圧延方向に対して平行及び直角方向とも、耐力が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上、耐力と引張強さの比が０．９５以下、均一伸びと全伸びの比が０．５以上、かつ加工硬化指数（ｎ値）が０．０５以上である銅合金板を用いて製造する。上記銅合金板は、Ｇ．Ｗ．（圧延方向に直角の曲げ線）及びＢ．Ｗ．（圧延方向に平行の曲げ線）の両方向の曲げ加工性に優れている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、曲げ加工性に優れた銅合金板からなる電子部品、特にリードフレーム、端子、コネクタ、スイッチ、リレーなどの電子部品に関する。

各種電子部品に、各種銅及び銅合金が用いられている。近年、電子部品の軽薄短小化の流れが急速に進展している。それに伴い、リードフレーム、端子、コネクタ、スイッチ、リレーなどに用いられる銅合金板は、高強度、高導電率はもちろんのこと、ノッチング後の９０°曲げなど厳しい曲げ加工性が要求されることが多くなってきている。しかも、電子部品の小型化に伴い、従来厳しい曲げ加工は圧延方向に直角の曲げ線で行われる（いわゆるＧ．Ｗ．）のが通例であったのが、圧延方向に平行の曲げ線で行われる（いわゆるＢ．Ｗ．）ことが多くなってきている。
とりわけＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金板は、高強度、高耐熱性、高い耐応力緩和特性及び比較的高い導電率を兼備する合金として、これらの用途に広く用いられている。しかし高強度と曲げ加工性の両立は難しいのが現状であった。従来の特許文献を以下に示す。

特開平６−１８４６８０号公報 特開平１１−２２２６４１号公報 特開２０００−８０４２８号公報 特開２００１−４９３６９号公報

従来、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金板について、曲げ加工性の指標として引張試験における伸びがその目安として用いられ、その伸びの値は焼鈍後の冷間加工率に強く依存することが知られている。すなわち、優れた曲げ加工性を必要とする場合、強度が低くなることを前提に冷間加工率を低減させるというのがこれまでの常套手段であり、高い強度と優れた曲げ加工性を兼備させることは困難とされていた。
本発明は、従来のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金板の上記問題点に鑑みてなされたもので、電子部品用として、高い強度を保持しながら優れた曲げ加工性を持つ銅合金板を得ることを目的とする。

本発明者は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金について、高強度と優れた曲げ加工性を両立させるべく鋭意研究した結果、圧延方向に対して平行及び直角方向の引張試験による応力−歪み曲線から得られる耐力と引張強さの比、さらに均一伸びと全伸びの比及びｎ値を制御することにより、高強度であっても、Ｇ．Ｗ．、Ｂ．Ｗ．両方の曲げ加工性を向上できることを見い出し、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明に係る電子部品は、Ｎｉ：０．４〜５％、Ｓｉ：０．１〜１％を含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなり、圧延方向に対して平行及び直角方向とも、耐力が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上でかつ耐力と引張強さの比が０．９５以下、さらに、均一伸びと全伸びの比が０．５以上、かつｎ値が０．０５以上である銅合金板からなることを特徴とする。上記銅合金は、必要に応じて、さらにＺｎ：０．０１〜１０％とＳｎ：０．０１〜５％のいずれか一方又は双方を含有する。
さらに上記銅合金は、必要に応じて、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｖ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｂｉ、Ｐｂの群（Ａ群）から選択される１種又は２種以上を合計で０．０００１〜０．１％か、Ｂｅ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ａｕの群（Ｂ群）から選択される１種又は２種以上を合計で０．００１〜１％含有する。あるいはＡ群から選択される１種又は２種以上を合計で０．０００１〜０．１％とＢ群から選択される１種又は２種以上を合計で０．００１〜１％の両者を、合計で１％以下の範囲で含有する。

本発明に係る銅合金板は、高強度を維持しながら、優れた曲げ加工性を有するので、高強度であり、曲げ加工部に割れがなく、薄肉化による強度低下もないリードフレーム、端子、コネクタ、スイッチ、リレーなどの電子部品を得ることができ、その小型化が可能である。

次に、本発明に係る銅合金板の成分、耐力と引張強さの比等について、その限定理由を説明する。
（Ｎｉ及びＳｉ）
これらの成分は、共存した状態でＮｉとＳｉの金属間化合物を形成することにより、導電率を大幅に低下させることなく強度を向上させる効果がある。Ｎｉが０．４％未満又はＳｉが０．１％未満ではその効果がなく、Ｎｉが５％を超え又はＳｉが１％を超えると熱間加工性が著しく低下する。従って、両成分はＮｉ：０．４〜５％、Ｓｉ：０．１〜１％とする。

（Ｚｎ）
Ｚｎは、はんだ耐熱剥離性及び耐マイグレーション性を向上させる作用があるが、０．０１％未満ではその効果が十分ではない。１０％を超えると導電率が低下するだけでなく、はんだ付け性が低下するとともに、耐応力腐食割れ感受性も高くなり好ましくない。従って、Ｚｎは０．０１〜１０％とする。
（Ｓｎ）
Ｓｎは、固溶強化により強度を向上させる成分である。０．０１％未満ではその効果が十分ではなく、５％を超えるとその効果が飽和するとともに、熱間及び冷間加工性が劣化する。従って、Ｓｎは０．０１〜５％とする。

（副成分）
Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｖ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｂｉ、Ｐｂの各元素はプレス打抜き性を向上させる役割を有する。これらの元素は、１種又は２種以上の合計が０．０００１％未満ではその効果がなく、０．１％を超えると熱間加工性が劣化するとともに曲げ加工性も劣化する。従って、これらの元素は１種又は２種以上の合計で０．０００１〜０．１％とする。
Ｂｅ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ａｕの各元素は、Ｎｉ−Ｓｉ化合物との共存により強度を一層向上させるとともにプレス打抜き性をも向上させる役割を有する。これらの元素は、１種又は２種以上の合計で０．００１％未満ではその効果がなく、１％を超えると熱間及び冷間加工性が劣化するとともに曲げ加工性も劣化する。従って、これらの元素は１種又は２種以上の合計で０．００１〜１％とする。
なお、両者を同時添加する場合は、合計で１％以下とする。

（耐力、耐力と引張強さの比）
端子の小型化を達成するためには、ばね接点部の薄肉化、狭幅化が必要になってくるが、ばね接触力を確保するためには、高強度化が必須である。耐力が４５０Ｎ／ｍｍ^２以下では、端子の小型化の実現が難しくなる。従って、耐力は４５０Ｎ／ｍｍ^２以上とする。
一方、耐力と引張強さの比を制御することは、曲げ加工性、とりわけ厳しい曲げ加工性を確保する上で重要である。本発明者は、種々実験を重ねた結果、本合金系におけるこの比を０．９５以下にすることが必要であることを見い出した。すなわち、この値を０．９５以下にすることで、曲げ加工に対する耐割れ性が向上し、後述する曲げ成形部の薄肉化防止にも効果がある。
小型端子の成形では、厳しい曲げ加工がＧ．Ｗ．のみでなく、Ｂ．Ｗ．でも施されることから、上記２つの条件（耐力値と、耐力と引張強さの比）を圧延方向に対して平行方向（Ｌ．Ｄ．）のみでなく、直角方向（Ｔ．Ｄ．）においても満足することが必要である。

（均一伸びと全伸びの比）
曲げ加工性とは、通常、割れが発生しない限界の曲げ条件で表わすことが多いが、小型端子では割れの発生を防止すると同時に、曲げ成形部の肉厚が薄くなることによる端子部品としての強度低下を抑制することが重要となる。一方、本発明者の知見によれば、全伸びに対する均一伸びの比を大きくすることにより、曲げ加工性、特に曲げ成形部の薄肉化を改善することが可能である。
本発明者は、この知見に基づき種々実験を重ねた結果、本合金系におけるこの比の適正範囲を見い出した。すなわち、この比が０．５未満では、割れ性が劣化する、あるいは曲げ成形部の肉厚が薄くなるといった不具合が出てくる。従って、均一伸びと全伸びの比を０．５以上とする。

（ｎ値）
ｎ値（加工硬化指数）は、一般に成形性の指標になることが知られているが、合金系はもちろん強度レベルによっても適正な値が異なってくる。本発明者は、種々実験を重ねた結果、本合金系におけるこの値の適正範囲を見い出した。
この値が０．０５未満では、とくに曲げ成形部の肉厚が薄くなるといった不具合が出てくる。従って、ｎ値は０．０５以上とする。

（製造工程）
ところで、前記組成のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金は、従来、連続鋳造など適当な方法で鋳塊を造塊し、この鋳塊を８５０〜９５０℃程度に加熱して均質化焼鈍後を行い、熱間圧延した後、水冷してＮｉ−Ｓｉ化合物の析出を抑制し、次いでこの熱延材に対して、（１）冷間圧延→（２）溶体化処理→（３）冷間圧延→（４）時効処理→（５）冷間圧延の加工熱処理を施し、目標とする最終板厚の板材を製造している。さらに、（５）の冷間加工の後、歪み取りや歪み矯正を目的とする短時間加熱、テンションレベリングなどの処理を行うこともある。

（１）の冷間圧延は、比較的板厚の厚い熱延材を圧延するため、その加工率は９０％を上回る。その後の加工熱処理条件は、合金の組成によって適宜変化させているが、（２）の溶体化処理条件としては冷延材を５℃／秒以上の速度で７００〜８００℃に加熱し、その温度で３〜３０秒程度保持し、５℃／秒以上の速度で３５０℃以下の温度まで冷却するという方法がとられ、（３）と（５）の冷間圧延は高強度化のため、従来は合計で５０％以上の圧延率が選択されている。あるいは（３）と（５）の圧延率を合計５０％未満とすることもあるが、その場合は（３）と（５）の冷間圧延の加工率の比を２程度以下とし、時効処理後の圧延率を大きくすることで高強度化を達成しようとしていた。これにより、前記組成のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金において、耐力が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度を得ることができるが、耐力と引張強さの比０．９５以下、均一伸びと全伸びの比０．５以上、かつｎ値０．０５以上の特性を得ることができない。

一方、（３）の冷間加工率を３５％以下、かつ（５）の加工率との和を４０％以下（いずれも０％でもよい）としたとき、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｉ系合金において耐力が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度を得ると同時に、耐力と引張強さの比を０．９５以下、均一伸びと全伸びの比を０．５以上、かつｎ値を０．０５以上とすることができる。特に、（３）の冷間圧延の加工率：ａ％と（５）の冷間圧延の加工率：ｂ％の比ａ／ｂを、ａ又はｂが０の場合を除いて、３〜２０程度とすることでよい結果が得られる。

ただし、上記の特性を得るには、（２）の溶体化処理と（４）の時効処理において適切な条件を選択する必要がある。具体的には、溶体化処理の加熱は、前記の加熱条件のなかで、再結晶粒の粒径が５〜１５μｍとなり、かつ導電率が２７％ＩＡＣＳ以下となる加熱条件（加熱温度と加熱時間の組合せ）を選択する。それは、溶体化処理によって結晶粒径が１５μｍを越え、かつ導電率が２７％ＩＡＣＳを越えると、時効処理によって、Ｎｉ−Ｓｉ化合物の析出が起こらない粒界無析出帯（Precipitate Free Zone）が形成されやすく、曲げ加工性が低下しやすいためである。また、時効処理は再結晶が発生しないあるいは再結晶粒の寸法が１０μｍ未満となる条件を選択する。具体的には熱処理温度としては４４０〜５００℃、熱処理時間は３０分以上で３００分以下の範囲である。さらに、時効後の硬さＨｖがピークを示す条件（温度・時間）より過時効側（高温側又は／及び長時間側）を選択することが望ましい。

次に、本発明の実施例について、比較例とともに以下に説明する。
表１に示す化学組成の銅合金をクリプトル炉にて木炭被覆下で大気溶解し、ブックモールドに鋳造し、５０×８０×２００ｍｍの鋳塊を作製した。この鋳塊を熱間圧延後、直ちに水中急冷し厚さ１５ｍｍの熱延材とした。この熱延材の表面の酸化スケールを除去するため、表面をグラインダで切削した。その後、本発明例の組成Ｎｏ．１〜１８及び比較例の組成１９〜２４に対しては、前記実施の形態に記載した加工熱処理条件を採用して最終板厚０．２５ｍｍの板材に調整した。

一方、Ｎｏ．３の組成については、加工熱処理条件を変化させ、（３）時効処理前の加工率、（４）時効処理条件及び（５）時効処理後の加工率として前記実施の形態に記載した加工熱処理条件を適用した３−１〜３−４（本発明例）、及び従来の製造方法を適用した３−５〜３−７（比較例）の板材を製作した（最終板厚０．２５ｍｍ）。なお、（３）（４）（５）の条件は、３−１が３０％、４８０℃×２時間、０％（圧延せず）、３−２が０％（圧延せず）、４４０℃×２時間、０％（圧延せず）、３−３が３０％、４８０℃×２時間、５％、３−４が３０％、４５０℃×２時間、０％（圧延せず）とした。また、３−５は３０％、４８０℃×２時間、２０％、３−６は５０％、４５０℃×２時間、０％（圧延せず）、３−７は５０％、４８０℃×２時間、１０％とした。

これらの板材について、引張強さ、耐力、均一伸び、全伸び、ｎ値、導電率及びＷ曲げ加工性を下記要領にて調査した。その結果を表２及び表３に示す。
＜引張強さ、耐力、均一伸び、全伸び、ｎ値＞
板材からＬ．Ｄ．、Ｔ．Ｄ．の両方向に５号試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１に記載の方法に準じて引張試験を行い、応力−歪み曲線を得た。この曲線より引張強さ、全伸び、及びオフセット法で０．２％耐力（永久伸び０．２％）を求めた。また、最大引張荷重を示す永久伸びを均一伸びとして読み取った。さらに応力−歪み曲線を真応力−真歪み曲線に変換し、ｎ値を読み取った。
＜導電率＞
ＪＩＳＨ０５０５に記載の方法に準じた。電気抵抗の測定はダブルブリッジを用いた。

＜曲げ加工性＞
板材からＬ．Ｄ．（圧延方向に対して平行）、Ｔ．Ｄ．（圧延方向に対して直角）両方向に幅１０ｍｍの試験片を採取し、ＪＩＳＨ３１３０に記載の方法に準じ、Ｒ＝０．１２５ｍｍにて９．８×１０^３Ｎ（１０００ｋｇｆ）の荷重をかけてＷ曲げを施した。試験片採取方向がＬ．ＤのものはＧ．Ｗ．（曲げ軸が圧延方向に直角）、Ｔ．Ｄ．のものはＢ．Ｗ．（曲げ軸が圧延方向に平行）である。Ｗ曲げ試験後、５０倍の倍率で光学顕微鏡にて曲げ外側を外観観察し、割れの有無を判定した。また、試験片を樹脂に埋込み研磨後、２００倍の倍率で光学顕微鏡にて曲げ頂点部の肉厚を測り、素材肉厚（０．２５ｍｍ）との比（肉厚比）を求めた。

これらの結果より、本発明の規定範囲内の合金Ｎｏ．１〜２、３−１〜３−４、及び４〜１８は、引張試験の結果、Ｌ．Ｄ．、Ｔ．Ｄ．両方向で、耐力と引張強さの比が０．９５以下、均一伸びと全伸びの比が０．５以上、かつｎ値が０．０５以上であり、耐力４５０Ｎ／ｍｍ^２以上の高強度において、曲げ加工性（耐割れ性及び肉厚比）が優れていた。また、導電率も高い。
なお、Ｎｏ．１とＮｏ．２はＮｉとＳｉが低めで耐力がやや低く、逆にＮｏ．４とＮｏ．５はＮｉとＳｉが高めで、耐力がやや高い。また、Ｎｏ．３−２はＮｏ．３−１に比べて耐力と引張強さの比が小さめ、均一伸びと全伸びの比が大きめ、かつｎ値が大きめのため、Ｗ曲げ部の肉厚比が大きい、すなわち曲げ加工性が良好である。一方、Ｎｏ．３−３は均一伸びと全伸びの比が小さめ、Ｎｏ．３−４は耐力と引張強さの比が大きめのため、Ｗ曲げ部の肉厚比が低め、すなわち曲げ加工性がやや低下している。
一方、比較合金Ｎｏ．１９はＮｉとＳｉが低く、強度が低い。逆に、比較合金Ｎｏ．２０はＮｉとＳｉが高いため、熱間圧延で割れが発生した。比較合金Ｎｏ．２１はＺｎが多いため、導電率が低く、耐応力腐食割れ性が低い。比較合金Ｎｏ．２２と２３はＳｎ又はＰ含有量が高く、熱間圧延で割れが発生した。Ｎｏ．２４はＦｅ含有量が高く、熱間圧延で微小割れが発生するとともに、曲げ加工性が低くなっている。Ｎｏ．３−５、３−６、３−７は、各々、耐力と引張強さの比が高い、又は均一伸びと全伸びの比が小さい、又はｎ値が小さいため、Ｗ曲げで割れが発生及び（又は）曲げ部の肉厚比が低くなっており、曲げ加工性が劣っている。

Claims (5)

1. Ｎｉ：０．４〜５％（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：０．１〜１％を含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなり、圧延方向に対して平行及び直角方向とも、耐力が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上、耐力と引張強さの比が０．８５以上０．９５以下、均一伸びと全伸びの比が０．５以上０．８８以下、かつ加工硬化指数（以下、ｎ値という）が０．０５以上０．１２以下である銅合金板からなることを特徴とする電子部品。
2. Ｎｉ：０．４〜５％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｚｎ：０．０１〜１０％を含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなり、圧延方向に対して平行及び直角方向とも、耐力が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上、耐力と引張強さの比が０．８５以上０．９５以下、均一伸びと全伸びの比が０．５以上０．８８以下、かつｎ値が０．０５以上０．１２以下である銅合金板からなることを特徴とする電子部品。
3. Ｎｉ：０．４〜５％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｓｎ：０．０１〜５％を含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなり、圧延方向に対して平行及び直角方向とも、耐力が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上、耐力と引張強さの比が０．８５以上０．９５以下、均一伸びと全伸びの比が０．５以上０．８８以下、かつｎ値が０．０５以上０．１２以下である銅合金板からなることを特徴とする電子部品。
4. Ｎｉ：０．４〜５％、Ｓｉ：０．１〜１％、Ｚｎ：０．０１〜１０％、Ｓｎ：０．０１〜５％を含み、残部Ｃｕと不可避不純物からなり、圧延方向に対して平行及び直角方向とも、耐力が４５０Ｎ／ｍｍ^２以上、耐力と引張強さの比が０．８５以上０．９５以下、均一伸びと全伸びの比が０．５以上０．８８以下、かつｎ値が０．０５以上０．１２以下である銅合金板からなることを特徴とする電子部品。
5. さらに、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｃａ、Ｖ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｂｉ、Ｐｂから選択される１種又は２種以上を合計で０．０００１〜０．１％か、Ｂｅ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ａｕから選択される１種又は２種以上を合計で０．００１〜１％か、両者を合計で１％以下含有する銅合金板からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された電子部品。