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TWI521073B - 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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Publication number
TWI521073B
TWI521073B TW103128762A TW103128762A TWI521073B TW I521073 B TWI521073 B TW I521073B TW 103128762 A TW103128762 A TW 103128762A TW 103128762 A TW103128762 A TW 103128762A TW I521073 B TWI521073 B TW I521073B
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TW
Taiwan
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copper alloy
mass
mpa
thickness
annealing
Prior art date
Application number
TW103128762A
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TW201522671A (zh
Inventor
柿谷明宏
Original Assignee
Ｊｘ日鑛日石金屬股份有限公司
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Publication date
Application filed by Ｊｘ日鑛日石金屬股份有限公司 filed Critical Ｊｘ日鑛日石金屬股份有限公司
Publication of TW201522671A publication Critical patent/TW201522671A/zh
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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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、彎曲加工性及拉延加工性優異之銅合金板，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電動車或油電混合車等所使用之高電流零件之用途的銅合金板。
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及用於使機器所產生之熱發散的零件。
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(SUS304)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加工性或 拉延加工性。又，亦有根據所使用之散熱零件而僅需要彎曲加工性或拉延加工性之情形。
沃斯田鐵系不鏽鋼(SUS304)雖然彎曲性及拉延加工性良好，但導熱性低，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。
又，於端子、連接器等通電零件中，有通電部中之銅合金的剖面積變小之傾向。若剖面積變小，則由通電時之銅合金所產生之熱變大。特別是，顯著成長之電動車或油電混合車中所使用之電子零件中，具有電池部之連接器等流通顯著高電流之零件，於通電時銅合金之發熱成為問題。因此，為了減少發熱量，對於通電材料要求導電性優異，進一步，為了可對應於零件之小型化或高功能化，亦要求優異之彎曲加工性或拉延加工性。
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，以往之對Cu添加有Zr或Ti之銅合金(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加工性或拉延加工性，有時兩者均不滿足。
因此，在維持Cu-Zr-Ti系合金中所要求之高強度及導電率之情況下改善彎曲加工性及拉延加工性，則可謂於工業上意義極深遠。
因此，本發明之目的在於提供一種銅合金板，其兼具高強度、導電性以及優異之彎曲加工性及拉延加工性，以及具備其之大電流用電子零件及散熱用電子零件，具體而言，本發明之課題在於改善便宜且導電性及強度優異之Cu-Zr-Ti系合金之拉延加工性。
本發明人發現於Cu-Zr-Ti系合金中，藉由以延伸率為指標調整金屬組織，及控制取向於壓延面之晶粒的方位，來提高彎曲加工性及拉延加工性。然後，以上述見解為背景，完成以下發明。
本發明之銅合金板，含有合計0.01~0.50質量%之Zr及Ti中之一種或兩種，更佳為含有0.015~0.3質量%，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0.2%保證應力σ(MPa)與延伸率L(%)滿足σ/L≦150之關係。
本發明之銅合金板中，將使用X射線繞射法在壓延面中於厚度方向求得之{220}面之X射線繞射積分強度設為I{220}，將純銅粉末標準試樣之自{220}面之X射線繞射積分強度設為I0{220}，此時，較佳為I{220}/I0{220}≧4.0。
又，較佳為本發明之銅合金板中，W彎曲試驗中之壓延平 行方向(GW方向)及壓延垂直方向(BW方向)的最小彎曲半徑(MBR)與板厚(t)之比率可表述為MBR/t≦2.0。
再者，本發明之銅合金板中，較佳為依契遜試驗(Erichsen test)中之依契遜值/板厚可表述為0.5以上。
本發明之大電流用電子零件具備上述任一個銅合金板。又，本發明之散熱用電子零件具備上述任一個銅合金板。
根據本發明，可提供兼具高強度、高導電性、優異之彎曲加工性及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、散熱板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電動車或油電混合車等所使用之大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詳細說明。
(特性)
本發明之一實施形態之銅合金板，將此銅合金板之導電率設為70%IACS以上、將0.2%保證應力設為350MPa以上，且將0.2%保證應力/延伸率(σ/L)設為150以下。兼具此種特性之銅合金板適合於散熱用電子 零件之用途。
(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中之一種或兩種，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中之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。若Zr及Ti中之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系合金板中含有合計2.0%質量以下之Ag、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、Mg、Si、Fe、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%以下為較佳，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(亦即板厚(t))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，則彎曲加工及拉延加工變得困難。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，可製成抑制蓄熱且 彎曲加工性及拉延加工性良好者。
(導電率)
本發明中，將根據JIS H0505所測得之導電率設為70%IACS以上。若導電率為70%IACS以上，則導熱率良好，可確保良好的散熱性。更佳為設為75%IACS以上。
(0.2%保證應力)
本發明中，將銅合金板之0.2%保證應力設為350MPa以上，藉此，銅合金板可說是具有作為結構材料之原材料的必要強度。
(延伸率)
將製品的延伸率(El)設為L(%)、0.2%保證應力(YS)設為σ(MPa)時，藉由調整成滿足σ/L≦150之關係、更佳為滿足σ/L≦100之關係，拉延加工性及彎曲性提高。若0.2%保證應力/延伸率在150以下，則可謂具有必需之拉延加工性。σ/L>150之情形時，拉延加工性及彎曲性惡化。另一方面，σ/L之下限值較佳為設為30。若σ/L小，則有0.2%保證應力不滿350MPa之虞。延伸率L之上限值無特別限制，通常若為超過15%之值，則強度降低，視情形有可能0.2%保證應力會低於350MPa。因此，較佳之實施形態中，延伸率L為15%以下。
此處所謂之「延伸率」，係指根據JIS Z2241所定義之「斷裂延伸率」，又，「延伸率」及「0.2%保證應力」係設為藉由根據JIS Z2241，將試驗片之壓延方向設為與拉伸方向平行之拉伸試驗來進行測定者。
(彎曲加工性)
本發明之彎曲加工性之評價係藉由使用有寬度10mm×長度30mm之短 帶狀試驗片的W彎曲試驗(JIS H3130)來進行。試驗片採取方向設為壓延平行方向(GW)及壓延垂直方向(BW)，以不產生龜裂之最小彎曲半徑MBR(Minimum Bend Radius)與板厚t之比MBR/t來進行評價。由確保良好之彎曲性的觀點而言，此最小彎曲半徑(MBR)之比率(MBR/t)設為2.0以下為較佳。MBR/t之更適合的範圍為1.8以下。
(拉延加工性)
本發明之銅合金板較佳為利用根據JIS Z2247之依契遜試驗所測得之依契遜值相對於板厚之比率為0.5以上。若依契遜值/板厚為0.5以上，則拉延加工性於實用上沒有問題。另一方面，此依契遜值/板厚較佳為設為1.5以下。其原因在於，若超過1.5，則0.2%保證應力有可能未達350MPa。更佳為依契遜值/板厚設為0.5~1.2之範圍。
(結晶方位)
將使用X射線繞射法，在壓延面中於厚度方向求出之{220}面之X射線繞射積分強度設為I{220}，將純銅粉末標準試樣之由{220}面得到之X射線繞射積分強度設為I0{220}，此時，I{220}/I0{220}為4.0以上之情形時，拉延加工性提高。於I{220}/I0{220}未達4.0之情形時，由於織構(texture)之擴展小，因此拉延加工性惡化。並未特別設定上限，更佳為設為I{220}/I0{220}為4.0~7.0。再者，純銅粉末標準試樣係以325網孔(JIS Z8801)之純度99.5%的銅粉末來定義者。
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，添加Zr、Ti及視需要之 其他的合金元素，鑄造成厚度為30~300mm左右之鑄錠。藉由例如800~1000℃的熱壓延將該鑄錠製成厚度為3~30mm左右之板後，反覆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既定之製品厚度，最後實施弛力退火。最終之冷壓延後的延伸率雖然低至不滿足2%之程度，但藉由其後之弛力退火來提高。
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0.2%保證應力調整為350MPa以上。
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獲得更高之導電率。
於最終冷壓延中，使材料反覆通過一對壓延輥間，而逐步最後加工成目標板厚。此處，對最終冷壓延之總加工度與每一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，每一道次之加工度r(%)係指通過壓 延輥1次時之板厚減少率，其可由r=(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%，較佳為45~98.5%，更佳為50 ~98%。若R過小，則難以將0.2%保證應力調整為350MPa以上，變得難以將I{220}/I0{220}調整為4.0以上。若總加工度R過大，則有壓延材之邊緣發生龜裂之情況。
將每一道次之加工度r設為15%以上。若加工度r過小，則I{220}/I0{220}減小，於全部道次中只要含有一個加工度r未達15%之道次，就難以將I{220}/I0{220}調整於4.0以上。加工度r之上限並無特別限制，但若考慮壓延所致之板厚精確度的控制，則較理想為未達40%。
本發明之弛力退火係使用可於爐內將銅合金板保持在平板狀的連續退火爐而進行。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產生翹曲。因此，批次爐不適合於本發明之弛力退火。
於連續退火爐中，將爐內溫度設為300~700℃，較佳為設為350~650℃，適當地調整加熱時間為5秒鐘至10分鐘之範圍內，將弛力退火後之0.2%保證應力(σ)調整成比弛力退火前之0.2%保證應力(σ0)低10~50MPa之值，更佳為調整成低15~45MPa之值。藉此，最終冷壓延結束時，下降之延伸率提高且彎曲加工性改善。
進一步，於連續退火爐內，針對材料例如於與壓延方向平行之方向賦予張力，將此處所附加之張力調整為5MPa以下，較佳為1~5MPa，更佳為2~4MPa。若張力過大，則難以將σ/L調整至150以下。又，有延 伸率之上升變得不足之傾向。另一方面，若張力過小，則通板中之材料會與退火爐之爐壁接觸，而傷害到材料表面或邊緣。
本發明之一實施形態係以「藉由對Cu-Zr-Ti系合金賦予σ/L≦150之技術特徵、及I{220}/I0{220}≧4.0之特徵，來改善拉延加工性及彎曲加工性」此為一技術特徵；若將用以實現其之製造條件整理表示，則如下：(1)為了使σ/L≦150，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。
(2)為了使I{220}/I0{220}≧4.0，a.於最終冷壓延中，將每一道次之加工度調整成15%以上。
b.將最終冷壓延之總加工度設為40~99%。
以上述方式製得之銅合金板，可加工成各式各樣之板厚的伸銅品，例如可用作智慧手機、平板電腦及個人電腦等電性/電子機器內之散熱用電子零件等。
[實施例]
以下，表示本發明之實施例，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。
於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，以950℃進行熱壓延，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，反覆進行退火與冷壓延，於最終之冷壓延中精加工成既定之製品厚度。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，對與壓延方向垂直之剖面進行鏡面研磨後進行化學腐蝕，並藉由切斷法(JIS H0501(1999年))求出平均結晶粒徑。
於最終冷壓延中，對總加工度及每一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。
實施例之製造條件連發明例及比較例皆示於表1、2。此處， 於最終冷壓延中雖然實施了多個道次，但顯示該等各道次之加工度中之最小值。又，於表1中所示之最終再結晶退火後之結晶粒徑中之「<5μm」之表述，係表示僅壓延組織之一部份再結晶化之情形。
針對製造過程中之材料及弛力退火後之材料進行以下測定。
(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。
(延伸率)
自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，將標距設為50mm，從而測定延伸率。
(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。
(結晶方位)
針對弛力退火後之材料的表面於厚度方向測定{220}面之X射線繞射積分強度。同樣地對純銅粉末標準試樣亦測定{220}面之X射線繞射積分強度。X射線繞射裝置係使用Rigaku股份有限公司製造之RINT2500，利用Cu管球，以管電壓25kV、管電流20mA來進行測定。
(依契遜值)
針對弛力退火後之材料，使用依契遜(Erichsen)公司製造之試驗機，以試樣形狀Φ90mm、潤滑劑：脂膏、衝床之擠壓速度5mm/min之條件進行試驗，求得依契遜值。將評價結果示於表2。
(MBR/t)
根據JIS H3130，分別進行彎曲軸與壓延方向垂直之方向即GW(Goodway)方向之W彎曲試驗及彎曲軸與壓延方向為相同方向即BW(Badway)方向之W彎曲試驗，使用W字型之金屬模具，改變彎曲半徑，求得不產生龜裂之最小彎曲半徑(MBR)與厚度(t)之比(MBR/t)。
由表1、2所示之內容可得知，發明例1~11中，含有合計 0.01~0.50質量%之Zr及Ti中之一種或兩種，於最終冷壓延前之再結晶退火中將結晶粒徑調整為50μm以下，於最終冷壓延時，將總加工度調整為40~99%，於弛力退火中，於連續退火爐以1~5MPa之張力使材料通板而使0.2%保證應力降低10~50MPa。藉此，發明例1~11之銅合金板可得到σ/L≦150之關係，可達成70%IACS以上之導電率、350MPa以上之0.2%保證應力、MBR/t≦2.0之W彎曲性。再者，於發明例5、7中，由於最終冷壓延中之每一道次之加工度未達15%，因此I{220}/I0{220}未達4.0，又，該等依契遜值/板厚未達0.5，然將每一道次之此加工度設為15%以上之發明例1~4、6、8~11滿足I{220}/I0{220}≧4.0之關係及依契遜值/板厚≧0.5之關係。
另一方面，比較例1、2未進行弛力退火，σ/L超過200， 彎曲性及拉延加工性差。
比較例3~6中，雖然進行弛力退火，但由於在爐內之材料張力超過5MPa，因此σ/L為150以上，特別是在張力較高之比較例5中，σ/L變得比200還要大，比較例3~6之彎曲性及拉延加工性差。
比較例7、8其弛力退火中之0.2%保證應力之降低量過小，(σ0-σ)不在10~50MPa之範圍。因此，σ/L超過150，拉延加工性及彎曲性差。
於比較例9中，由於弛力退火之強度降低較大，因此弛力退火後之0.2%保證應力未滿足350MPa。
比較例10中，由於Zr及Ti中之一種或兩種合計未達0.01質量%，因此弛力退火後之0.2%保證應力未滿足350MPa。
比較例11中，由於Zr及Ti中之一種或兩種合計超過0.5質量%，因此導電率未滿足70%IACS。
於比較例12中，由於最終冷壓延前之再結晶退火結束時之結晶粒徑超過50μm，於比較例13中由於最終冷壓延時之總加工度未滿足40%，因此弛力退火後之0.2%保證應力未滿足350MPa。
由以上結果可知，藉由本發明，則可提供兼具高強度及導電性，且優異之拉延加工性及彎曲加工性的銅合金板，以及具備其之大電流用電子零件及散熱用電子零件。

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0.2%保證應力σ(MPa)與延伸率L(%)滿足σ/L≦150之關係；將使用X射線繞射法在壓延面中於厚度方向求得之{220}面之X射線繞射積分強度設為I{220}，將純銅粉末標準試樣之自{220}面之X射線繞射積分強度設為I0{220}，此時，I{220}/I0{220}≧4.0。
  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)及壓延垂直方向(BW方向)的最小彎曲半徑/板厚(MBR/t)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，其中，依契遜試驗(Erichsen test)中之依契遜值/板厚為0.5以上。
  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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