导电性及弯曲挠度系数优异的铜合金板的制作方法

导电性及弯曲挠度系数优异的铜合金板的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种兼具高强度、高导电性、高弯曲挠度系数及优异的应力松弛特性的铜合金板以及利用该铜合金板的大电流用电子部件及散热用电子部件。本发明的铜合金板含有0.005～0.25质量％的Sn，余部由铜及不可避免的杂质构成，具有350MPa以上的拉伸强度，由下式给出的A值为0.5以上：A＝2Ｘ(111)+Ｘ(220)－Ｘ(200)Ｘ(hkl)＝I(hkl)/I0(hkl)(其中，I(hkl)及I0(hkl)分别是使用X射线衍射法对轧制面及铜粉求出的(hkl)面的衍射积分强度。)。
【专利说明】导电性及弯曲挠度系数优异的铜合金板

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铜合金板及通电用或散热用电子部件，特别涉及作为搭载于电机 /电子设备、汽车等中的端子、连接器、继电器、开关、插□、汇流条、引线框、散热片等电子部 件的原材料使用的铜合金板，以及使用了该铜合金板的电子部件。尤其涉及适合于电动汽 车、混合动力汽车等中使用的大电流用连接器或端子等大电流用电子部件的用途，或智能 手机、平板电脑中所用的液晶框等散热用电子部件的用途的铜合金板及使用了该铜合金板 的电子部件。

【背景技术】
[0002] 在电机/电子设备、汽车等中，组装有端子、连接器、开关、插口、继电器、汇流条、 引线框、散热片等用于传导电或热的部件，在这些部件中使用了铜合金。这里，导电性与导 热性处于比例关系。
[0003] 近年来，随着电子部件的小型化，要求提高弯曲挠度系数。当将连接器等小型化 时，很难增大板簧的位移。由此，就需要以小的位移获得高接触力，因而要求更高的弯曲挠 度系数。
[0004] 另外，如果弯曲挠度系数高，则弯曲加工时的回弹变小，冲压成型加工变得容易。 在使用厚壁材料的大电流连接器等中，该优点尤其突出。
[0005] 此外，在智能手机、平板电脑的液晶中，使用被称作液晶框的散热部件，而在此种 散热用途的铜合金板中，也要求更高的弯曲挠度系数。这是因为，如果提高弯曲挠度系数， 就可以减轻施加外力时的散热片的变形，可以改善对配置于散热片周围的液晶部件、1C芯 片等的保护性。
[0006] 这里，连接器等的板簧部通常其长度方向采取沿着与乳制方向正交的方向（弯曲 变形时的弯曲轴与轧制方向平行）。以下，将该方向称作板宽方向（TD)。所以，弯曲挠度系 数的升高在TD中特别重要。
[0007] 另一方面，随着电子部件的小型化，通电部中的铜合金的截面积有变小的趋势。如 果截面积变小，则通电时的来自铜合金的发热就会增大。另外，在成长明显的电动汽车、混 合动力汽车中所用的电子部件中，有电池部的连接器等流过明显高的电流的部件，因而通 电时的铜合金的发热就会成为问题。如果发热过大，铜合金就会暴露在高温环境中。
[0008] 在连接器等电子部件的电接点中，对铜合金板施加挠曲，利用因该挠曲而产生的 应力，获得接点处的接触力。如果将施加了挠曲的铜合金板长时间保持在高温下，就会因应 力松弛现象，使得应力即接触力降低，导致接触电阻的增大。为了应对该问题，对于铜合金 板，要求导电性更加优异，以减少发热量，另外还要求应力松弛特性更加优异，以便即使发 热也不会降低接触力。同样地在散热用途的铜合金板中，从抑制由外力造成的散热片的蠕 变变形的方面考虑，也希望应力松弛特性优异。
[0009] 作为导电率高、具有较高的强度的材料，已知有Cu - Sn系合金。例如，含有 0. 10 ?0. I5 质量％的81!的铜合金已经作为 CDA(Copper Development Association :美国 铜开发协会）合金编号〇4415用于实用。另外，Cu - Sn合金以前还一直作为铜合金箔被 用于手机的柔性印制电路板、锂离子二次电池等二次电池的负极集电体材料中。（专利文献 1、2)。
[0010] 现有技术文献
[0011] 专利文献
[0012] 专利文献1 :日本特开2003 _ 286528号公报
[0013] 专利文献2 :日本特开2〇11 - 142(Τ71号公报
[0014] 但是，虽然Cu - Sn系合金具有高的导电率和强度，然而其TD的弯曲挠度系数作 为流过大电流的部件的用途或散发大热量的部件的用途来说并非可以令人满意的水平。另 夕卜，以往的Cu - Sn系合金的应力松弛特性的水平作为流过大电流的部件的用途或散发大 热量的部件的用途来说不一定足够。特别是，迄今为止还没有报告过兼具高弯曲挠度系数 和优异的应力松弛特性的Cu - Sn系合金。
[0015] 例如在专利文献1中，公开过将氢及氧浓度调整得较低而改善了生产能力、品质 及特性的Cu - Sn系合金箔。但是，专利文献1的Cu - Sn系合金箔中，没有进行弯曲烧度 系数的控制。
[0016] 专利文献2中，公开过TD的杨氏模量（利用振动法测量）为133. 5GPa的厚0.01mm 的Cu - Sn系合金箔。但是，虽然弯曲挠度系数与专利文献2的基于振动法的杨氏模量在 弹性系数这一点上类似，然而两者的值并不一致。另外，专利文献2中，通过调整最终冷轧 条件来控制杨氏模量，然而在该方法中，无法控制厚〇. lmm以上的Cu - Sn系合金板的弯曲 挠度系数。这是因为，以〇. 1mm的厚度为界，乳制中的金属组织的变形行为大幅度改变。
[0017] 另一方面，虽然如后所述为了改善Cu - Sn系合金板的应力松弛特性需要在最终 轧制后进行去应力退火，但专利文献1及2的Cu - Sn系合金箔都未进行该去应力退火。


【发明内容】

[0018] 因此，本发明的目的在于，提供兼具高强度、高导电性、高弯曲挠度系数及优异的 应力松弛特性的铜合金板及适合于大电流用途或散热用途的电子部件。
[0019] 本发明人反复进行了深入研究，结果发现，对于Cu _ Sn系合金板，在乳制面中取 向的晶粒的方位会对TD的弯曲挠度系数产生影响。具体来说，为了提高该弯曲挠度系数， 有效的做法是在乳制面中增加（111)面及（220)面，相反地（200)面的增加则有害。
[0020] 而且，经过实验的研究，发明了成为该弯曲挠度系数的指标的结晶方位指数，通过 控制该指数可以实现该弯曲挠度系数的改善。此外还发现，除了上述结晶方位控制以外，通 过将热伸缩率调整为合适范围，应力松弛特性就会显著地提高。
[0021] 基于以上的见解完成的本发明在一个方面中，是一种铜合金板，其特征在于，含有 0. 005?0· 25质量％的Sn，余部由铜及不可避免的杂质构成，具有350MPa以上的拉伸强 度，由下式给出的A值为0. 5以上：
[0022] A = 2 X (111)+ X (220) -X (200)
[0023] X (hkl) - I (hki)/I〇(hki)
[0024] 其中，I(hkl)及IQ(hkl)分别是使用X射线衍射法对乳制面及铜粉求出的（hkl)面的 衍射积分强度。 _5]本发明涉及的铜合金板在-个实施方式中，含有0·2质量％以下的 Ag、Fe、co、Ni、 &、1\11!、211、]^、51、？、311及3当中的一种以上。
[0026] φ发明涉及的铜合金板在另-个实施方式中，将25〇。〇下加热3〇分钟时的乳制方 向的热伸缩率调整为80ppm以下。
[0027]本发明涉及的铜合金板在另一个实施方式中，导电率为8〇% 以上，板宽方向 的弯曲挠度系数为115GPa以上。
[0028] φ发明涉及酬合金板在另-个实施方式中，导电率为8〇% 以上，板宽方向 的弯曲烧度隸为ll5GPa以上，1就下職lGGG小时后的板宽方向酿力松弛率为5〇% 以下。
[0029]本发明涉及的铜合金板在另一个实施方式中，厚度为〇· 1?2. 0mm。
[0030]本发明在另-个細中，是删了上述铜合金板的大电删电子部件。
[0031]本发明在另一个方面中，是使用了上述铜合金板的散热用电子部件。
[0032] 发明效果
[0033]根据本发明，可以提供兼具高强度、高导电性、高弯曲挠度系数及优异的应力松弛 特性的铜合金板及适合于大电流用途或散热用途的电子部件。该铜合金板可以作为端子、 连接器、开关、插口、继电器、汇流条、引线框、散热片等电子部件的原材料合适地使用，特别 是作为通过大电流的电子部件的原材料或散发大热量的电子部件的原材料很有用。

【专利附图】

【附图说明】
[0034]图1是说明热伸缩率测量用的试验片的图。
[0035]图2是说明应力松弛率的测量原理的图。
[0036]图3是说明应力松弛率的测量原理的图。

【具体实施方式】
[0037] 以下，对本发明进行说明。
[0038](目标特性）
[0039] 本发明的实施方式涉及的Cu _ Sn系合金板具有8〇% IACS以上的导电率，并且具 有350MPa以上的拉伸强度。如果导电率为80% IACS以上，则可以说通电时的发热量与纯 铜相等。另外，如果拉伸强度为350MPa以上，则可以说具有作为通过大电流的部件的原材 料或散发大热量的部件的原材料所必需的强度。
[0040] 本发明的实施方式涉及的Cu _ Sn系合金板的TD的弯曲挠度系数优选为i 15GPa 以上，更优选为l2〇GPa以上。所谓弹簧挠度系数，是对悬臂梁在不超过弹性极限的范围中 施加负载、根据此时的挠曲量算出的值。虽然作为铜合金板的弹性系数的指标还有利用拉 伸试验求出的杨氏模量，然而还是弹簧挠度系数这方面与连接器等的板簧接点处的接触力 显示出更加良好的相关性。以往的Cu _ Sn系合金板的弯曲挠度系数为llOGPa左右，通过 将其调整为115GPa以上，在加工为连接器等后接触力就会明显地提高，另外，在加工为散 热片等后相对于外力难以明显地弹性变形。
[0041] 对于本发明的实施方式涉及的铜合金板的应力松弛特性，沿TD附加0. 2%耐受力 的80%的应力，在150°C下保持1000小时后的铜合金板的应力松弛率（以下简记为应力松 弛率）为50%以下，更优选为40%以下，进一步优选为30%以下。通常的Cu _ Sn系合金 板的应力松弛率为70?80%左右，然而通过将其设为50%以下，在加工为连接器后即使通 过大电流也很难产生与伴随接触力降低的接触电阻的增加，另外，在加工为散热片后即使 同时地施加热和外力也很难产生蠕变变形。
[0042](合金成分浓度）
[0043] Sn浓度设为〇· 〇〇5?〇· 25质量％，优选设为〇· 〇5?〇. 2〇质量％。如果Sn大 于0· 25质量％，则难以获得80% IACS以上的导电率，如果Sn小于〇. 〇〇5%，则难以获得 350MPa以上的拉伸强度及50%以下的应力松弛率。 _4]在Cu - Sn系合金中，为了改善强度、耐热性，可以含有Ag、Fe、c〇、 Ni、Cr、Mn、Zn、 Mg、Si、P及B当中的一种以上。但是，如果添加量过多，则导电率降低在8〇% IACS以下， 或生产能力恶化，因此添加量以总量计限制为〇· 2质量％以下,更优选限制为〇. 1质量％以 下，进一步优选限制为0· 05质量％以下。另外，为了获得利用添加带来的效果，优选使添加 量以总量计为0· 001质量％以上。
[0045](轧制面的结晶方位）
[0046]将由下式给出的结晶方位指数A(以下简记为A值）调整为〇.5以上，更优选调整 为1. 0以上。这里，I(hkl)及IQ(M1)分别是使用X射线衍射法对乳制面及铜粉求出的（hki) 面的衍射积分强度。
[0047] A - 2 X (1U)+ X (220) -X (200)
[0048] X _ 二 I_/I〇(hkl)
[0049]如果将A值调整为0·5以上，则弯曲挠度系数为115GPa以上，同时应力松弛特性 也会提高。对于A值的上限值，从弯曲挠度系数及应力松弛特性改善的方面考虑没有限制， 然而A值在典型的情况下取10. 0以下的值。
[0050](热伸缩率）
[0051]当对铜合金板加热时，就会产生极其微小的尺寸变化。本发明中将该尺寸变化的 比例称作"热伸缩率"。本发明人发现，通过对控制了 A值的Cu - Sn系铜合金板调整热伸 缩率，就可以明显地改善应力松弛率。
[0052] 本发明中，作为热伸缩率，使用25〇°C下加热3〇分钟时的乳制方向的尺寸变化率。 优选将该热伸缩率的绝对值（以下简记为热伸缩率）调整为80ppm以下，更优选调整为 50ppm以下。对于热伸缩率的下限值，从铜合金板的特性的方面考虑没有限制，然而热伸缩 率很少为lppm以下。通过将A值调整为〇· 5以上，而且将热伸缩率调整为80ppm以下，应 力松弛率就会达到50%以下。
[0053](厚度）
[0054] 产品的厚度优选为〇. 1?2. Oram。如果厚度过薄，则通电部截面积变小，通电时的 发热增加，因此不适合作为流过大电流的连接器等的原材料，另外，由于受到微弱的外力就 会变形，因此也不适合作为散热片等的原材料。另一方面,如果厚度过厚，则弯曲加工变得 困难。从此种观点考虑，更为优选的厚度为0· 2?1. 5mm。通过使厚度为上述范围，可以在 抑制通电时的发热的同时，使弯曲加工性良好。
[0055](用途）
[0056] 本发明的实施方式涉及的铜合金板可以适用于电机/电子设备、汽车等中所用的 端子、连接器、继电器、开关、插□、汇流条、引线框、散热片等电子部件的用途，特别是对于 电动汽车、混合动力汽车等中所用的大电流用连接器或端子等大电流用电子部件的用途、 或智能手机、平板电脑中所用的液晶框等散热用电子部件的用途很有用。
[0057](制造方法）
[0058] 在作为纯铜原料将电解铜等溶解后，添加 Sn及根据需要使用的其他合金元素，铸 造成厚30?300mm左右的铸锭。将该铸锭利用例如800?1000°C的热乳制做成厚3? 30mm左右的板后，反复进行冷轧和重结晶退火，利用最终的冷轧精加工为给定的产品厚度， 最后实施去应力退火。
[0059] 将A值调整为〇· 5以上的方法并不限定为特定的方法，例如可以利用热轧条件的 控制来实现。
[0060] 本发明的热乳中，使加热为850?1000°C的铸锭在一对轧制辊间反复通过，精加 工为目标的板厚。每1道次的加工度会对A值产生影响。这里，所谓每1道次的加工度 R(% )是通过1次轧制辊时的板厚减少率，利用R = (TQ - T)/TQX 100(TQ :通过乳制辊前的 厚度，T :通过轧制辊后的厚度）给出。
[0061] 对于该R，优选使全部道次当中的最大值（Rrnax)为25 %以下，使全部道次的平均 值（Rave)为20%以下。通过满足这两个条件，A值就会达到〇· 5以上。更优选将Rave设 为19%以下。
[0062]重结晶退火中，使乳制组织的一部分或全部重结晶化。最终冷乳前的重结晶退火 中，将铜合金板的平均晶粒直径调整为50 μ m以下。如果平均晶粒直径过大，则难以将产品 的拉伸强度调整为350MPa以上。
[0063]最终冷轧前的重结晶退火的条件基于作为目标的退火后的晶粒直径来决定。具体 来说，只要使用分批式炉或连续退火炉，将炉内温度设为250?80(TC而进行退火即可。分 批式炉中只要在250?600°C的炉内温度下在30分钟到30小时的范围中适当地调整加热 时间即可。连续退火炉中只要在450? 8〇0°C的炉内温度下在5秒到10分钟的范围中适当 地调整加热时间即可。
[0064]最终冷乳中，使材料在一对轧制辊间反复通过，精加工为目标的板厚。最终冷乳的 加 工度优选设为25?99%。这里加工度r(%)以r= (tQ - t)/tQX100(tQ:轧制前的板 厚、t :乳制后的板厚）给出。如果r过小，则难以将拉伸强度调整为350MP￡l以上。如果r 过大，则会有乳制材料的边缘破裂的情况。
[0065]除了借助热乳条件控制的A值的调整以外，通过还将产品的热伸缩率调整为 80ppm以下，应力松弛率就会达到50%以下。将热伸缩率调整为8〇ppm以下的方法并不限定 为特定的方法，然而例如可以通过在最终乳制后在合适的条件下进行去应力退火来实现。 [00 66]即，通过将去应力退火后的拉伸强度调整为相对于去应力退火前（最终乳制完 成）的拉伸强度低10?lOOMPa的值，优选为低20?80MPa的值，热伸缩率就会达到80ppm 以下。如果拉伸强度的降低量过小，则难以将热伸缩率调整为8〇ppm以下。如果拉伸强度 的降低量过大，则会有产品的拉伸强度小于350MPa的情况。
[0067]具体来说，在使用分批式炉的情况下，只要通过在1〇〇?500°C的炉内温度下在30 分钟到30小时的范围中适当地调整加热时间，另外，在使用连续退火炉的情况下，只要在 300?700°C的炉内温度下在5秒到10分钟的范围中适当地调整加热时间，将拉伸强度的 降低量调整为上述范围即可。
[0068][实施例]
[0069]以下将与比较例一起给出本发明的实施例，然而这些实施例是为了更好地理解本 发明及其优点而提供，并非意图限定发明。
[0070] 在向熔铜中添加合金元素后，铸造为厚200mm的铸锭。将铸锭在85(TC下加热3小 时，利用热乳制做成厚15_的板。在研削、除去热轧后的板表面的氧化皮后，反复进行退火 和冷轧，在最终的冷轧中精加工为给定的产品厚度。最后进行去应力退火。
[0071] 热轧中，使每1道次的加工度的最大值（Rmax)及平均值（Rave)发生各种变化。 [0072]对于最终冷乳前的退火（最终重结晶退火），在退火时的厚度大于2mm的情况下， 使用分批式炉进行，在厚度为2mm以下的情况下使用连续退火炉进行。在分批式炉的情况 下，将加热时间设为 5小时，在25〇?6〇0°C的范围中调整炉内温度，改变退火后的晶粒直 径。在连续退火炉的情况下，将炉内温度设为700°C,在5秒到15分钟之间适当地调整加热 时间，改变退火后的晶粒直径。最终冷轧中，使加工度（ r)发生各种变化。
[0073] 去应力退火中，使用连续退火炉，将炉内温度设为50(TC，在1秒到10分钟之间调 整加热时间，使拉伸强度的降低量发生各种变化。而且，在一部分的实施例中未进行去应力 退火。
[0074]对于每个制造途中的材料及去应力退火后的材料（产品），进行下面的测量。 [0075](成分）
[0076]利用ICP _质量分析法分析了去应力退火后的材料的合金元素浓度。
[0077](最终重结晶退火后的平均晶粒直径）
[0078]将与乳制方向正交的截面利用机械研磨精加工为镜面后，利用蚀刻显现出晶界。 在该金相组织上，依照JIS H0501 (1999年）的切割法测量，求出平均晶粒直径。
[0079](产品的晶体取向）
[0080]对去应力退火后的材料的乳制面，沿厚度方向测量出（hkl)面的X射线衍射积分 强度（I(hkl))。另外，对铜粉末（关东化学株式会社制、铜（粉末），2N5、>99.5%、325mesh)， 也测量出（hki)面的X射线衍射积分强度（ IcKhkl))。在X射线衍射仪中使用（株）Rigaku(日 本理学株式会社）制RINT 2500,利用Cu灯管，在管电压25k V、管电流20mA下进行了测量。 测量面（(hkl))采用（111)、（220)及（100)的三面，利用下式算出A值。
[0081] A = 2 X (111)+ X (220) -X (2〇〇)
[0082] X (hkl) = I(hki)/I0(hkl)
[0083] (拉伸强度）
[0084]对每个最终冷轧后及去应力退火后的材料，选取JIS Z2241中规定的13B号试验 片并使试验片拉伸方向与轧制方向平行，依照JIS Z2241与乳制方向平行地进行拉伸试验， 求出拉伸强度。
[0085](热伸缩率）
[0086]从去应力退火后的材料中，选取宽20mm、长210mm的长方形的试验片并使试验片 的长度方向与乳制方向平行，如图1所示地相隔LQ( = 200mm)的间隔刻印出两个点的打痕。 其后，在25〇 C下加热30分钟，测量出加热后的打痕间隔（Q。此后，作为热伸缩率（ppm)， 求出以（L 一 LQ)/LQX106的式子算出的值的绝对值。
[0087](导电率）
[0088] 从去应力退火后的材料中，选取试验片并使试验片的长度方向与乳制方向平行， 依照JIS H05〇5利用四端子法测量出2(TC下的导电率。
[0089](弯曲挠度系数）
[0090]依照日本铜及黄铜协会（JACBA)技术标准"利用铜及铜合金板条的悬臂梁的弯曲 挠度系数测量方法"测量出TD的弯曲挠度系数。
[0091] 选取板厚t、宽w( = 10mm)的长方形的试验片并使试验片的长度方向与乳制方向 正交。将该试样的一端固定,在从固定端起L( = 100t)的位置施加 P( = 0· 1_)的负载， 根据此时的挠曲d，使用下式求出TD的弯曲挠度系数E。
[0092] E = 4 · P · (L/t) V (w · d)
[0093] (应力松弛率）
[0094] 从去应力退火后的材料中，选取宽10mm、长100mm的长方形的试验片并使试验片 的长度方向与轧制方向正交。如图2所示，将1 = 50mm的位置作为作用点，对试验片施加 y。 的挠曲，加载了相当于TD的0. 2%耐受力（依照JISZM41进行测量）的8〇%的应力（s)。 yQ利用下式求出。
[0095] y0 = (2/3) · I2 · s/(E · t)
[0096] 这里，E是TD的弯曲挠度系数，t是试样的厚度。在150°C下加热1000小 时后去除负载，如图3所示地测量永久变形量（高度）y，算出应力松弛率{[y (mm)/ y0(mm)] X 100(% )}。
[0097] 在表1中表示出评价结果。表1的最终重结晶退火后的晶粒直径中的"< 10 μ m"的 标示包括全部乳制组织发生重结晶化而其平均晶粒直径小于10 μ m的情况、以及仅乳制组 织的一部分发生重结晶化的情况两方面。另外，去应力退火的拉伸强度的降低中的"〇MPa" 的标示表示没有进行去应力退火。
[0098] 表2中，作为热轧的各道次中的材料的精加工厚度及每1道次的加工度，例示出表 1的发明例1、发明例4、比较例1及比较例2的数据。
[0099] [表 1] 〔OSSi§*A'%:衣--201U 〔姗21__1〔0S2I--I

【权利要求】
1. 一种铜合金板，其特征在于， 含有0. 005?0. 25质量％的Sn，余部由铜及不可避免的杂质构成，具有350MPa以上的 拉伸强度，由下式给出的A值为0.5以上： A - 2 X (111)+ X (220) - X (200) X (hkl) - I (hkl)/l〇(hkl) 其中，I(hkl)及Ι_υ分别是使用X射线衍射法对轧制面及铜粉求出的（hkl)面的衍射 积分强度。
2. 根据权利要求1所述的铜合金板，其特征在于， 含有0. 2质量％以下的Ag、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、Mg、Si、P、Sn及B当中的一种以上。
3. 根据权利要求1或2所述的铜合金板，其特征在于， 将250°C下加热30分钟时的轧制方向的热伸缩率调整为80ppm以下。
4. 根据权利要求1或2所述的铜合金板，其特征在于， 导电率为80% IACS以上，板宽方向的弯曲挠度系数为115GPa以上。
5. 根据权利要求1或2所述的铜合金板，其特征在于， 将250°C下加热30分钟时的轧制方向的热伸缩率调整为80ppm以下，导电率为80% IACS以上，板宽方向的弯曲挠度系数为115GPa以上，150°C下保持1000小时后的板宽方向 的应力松弛率为50%以下。
6. 根据权利要求1或2所述的铜合金板，其特征在于， 厚度为〇· 1?2. 0mm。
7. -种大电流用电子部件，其使用了权利要求1或2所述的铜合金板。
8. -种散热用电子部件，其使用了权利要求1或2所述的铜合金板。
【文档编号】C22C9/02GK104232979SQ201410256695
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2013年6月13日
【发明者】隆绍 波多野 申请人:Jx日矿日石金属株式会社