本发明涉及散热元件用铜合金板和散热元件。
背景技术：
台式pc或笔记本型pc等所搭载的cpu的工作速度的高速化和高密度化急速发展，来自其cpu的放热量进一步增大。若cpu的温度上升到一定高度的温度，则成为故障或热失控等的原因，因此从cpu等半导体装置有效地散热成为切实的问题。
作为吸收半导体装置的热，并使之发散到大气中的散热元件，使用的是热沉。由于对热沉要求有高导热性，所以作为原材使用的是导热率大的铜或铝等。但是，对流热阻会限制热沉的性能，难以满足放热量增大的高功能电子元件的散热要求。
因此，作为具有更高散热性的散热元件，提出有具备高导热性和热传输能力的管状热导管和平面状热导管(蒸气腔)。热导管通过封入到内部的制冷剂的蒸发(从cpu吸热)和冷凝(将吸收的热放出)的循环进行，发挥着比热沉更高的散热特性。另外提出，通过使热导管与热沉或风扇这样的散热元件加以组合，从而解决半导体装置的放热问题
作为用于散热板、热沉或热导管等的散热元件的原材，多用导电率和耐腐蚀性优异的纯铜制(无氧铜：c1020)的板或管。为了确保成形加工性，作为原材，使用的是软质的退火材(o材)或1/4h调质材，但在后述的散热元件的制造工序中，存在容易发生变形或疵点，冲切加工时容易出现毛口或冲模容易磨耗等问题。另一方面，在专利文献1和2中，作为散热元件的原材，记述的是fe－p系的铜合金板。
散热板和热沉是将纯铜板通过冲压成形、冲切加工、切削、开孔加工以及蚀刻等加工成既定形状后，根据需要进行镀ni或镀sn，之后再用焊料、钎料或粘接剂等与cpu等的半导体装置接合。
管状热导管(参照专利文献3)，其制造是将铜粉末在管内烧结而形成管芯，在加热脱气处理后，将一端进行硬钎焊密封，在真空或减压下向管内加入制冷剂，之后再将另一方的端部进行硬钎焊密封。
平面状热导管(参照专利文献4和5)，使管状热导管的散热性能进一步提高。作为平面状热导管，为了有效地进行制冷剂的冷凝和蒸发，与管状热导管同样，提出对内表面进行粗糙化加工或凹槽加工等。将进行了冲压成形、冲切加工、切削或蚀刻等的加工的上下两张纯铜板，通过硬钎焊、扩散接合或焊接等的方法接合，在内部加入制冷剂后，通过硬钎焊等方法密封。在接合工序中进行脱气处理。
另外，作为平面状热导管，提出其由外表构件，和收容在外表构件的内部的内部构件构成。为了促进制冷剂的冷凝、蒸发及输送，在外表构件的内部配置一个或多个内部构件，加工出各种形状的翅片、突起、孔洞或狭缝等。在这种形式的平面状热导管中，也是将内部构件配置在外表构件的内部后，通过硬钎焊或扩散接合等的方法，使外表构件与内部构件接合一体化，加入制冷剂后，通过硬钎焊等的方法密封。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2003－277853号公报
【专利文献2】日本特开2014－189816号公报
【专利文献3】日本特开2008－232563号公报
【专利文献4】日本特开2007－315754号公报
【专利文献5】日本特开2014－134347号公报
在这些散热元件的制造工序中，散热板和热沉在软钎焊或硬钎焊的工序中被加热至200～700℃左右。管状热导管、平面状热导管在烧结、脱气、使用了磷铜钎料(bcup－2等)的硬钎焊、扩散接合或焊接等的工序中，被加热至800～1000℃左右。
例如，作为热导管的原材而使用纯铜板时，以650℃以上的温度进行加热时的软化剧烈。因此，安装到热沉或半导体装置上，或嵌入到pc框体中等之时，制造的热导管容易变形，热导管内部的构造发生变化，存在不能发挥预期的散热性能的问题。另外，为了避免这样的变形，增加纯铜板的厚度即可，但若是如此，则热导管的质量和厚度增大。厚度增大时，在pc框体内部的间隙变小，存在对流传热性能降低的问题。
另外，专利文献1和2所述的铜合金板(fe－p系)，若以650℃以上的温度加热，也会软化，此外与纯铜相比，导电率大幅降低。因此，经烧结、脱气、硬钎焊或扩散接合等的工序制作例如平面状热导管时，同样在热导管的搬送和装卸或向底座的嵌入工序等中容易变形。另外，导电率降低，无法显现作为热导管的预期性能。
技术实现要素：
本发明鉴于由纯铜或铜合金板制造散热元件的过程的一部分中，包含加热到650℃以上的温度的步骤时的上述问题点而做出的，其目的在于，提供一种铜合金板，其能够使经过加热至650℃以上的温度的步骤而制造的散热元件，拥有充分的强度和散热性能。
本发明的散热元件用铜合金板，用于作为制造散热元件的过程的一部分，包含加热到650℃以上的步骤和时效处理的情况，其中，含有fe：1.0～2.4质量％、p：0.005～0.1质量％，余量由cu和不可避免的杂质构成，以850℃加热30分钟后水冷，接着进行时效处理之后的0.2％屈服强度为110mpa以上，导电率为50％iacs以上。
本发明的散热元件用铜合金板，根据需要，作为合金元素还能够含有zn：2.0质量％以下(不含0质量％)，或/和sn：0.005～0.5质量％。另外，本发明的散热元件用铜合金板，还能够含有mn、mg、si、al、cr、ti、zr、ni和co之中的一种或两种以上，合计0.5质量％以下(不含0质量％)。
本发明的铜合金板，在如下情况下使用，即，作为制造散热元件的过程的一部分，包含加热到650℃以上的步骤和时效处理的情况。总之，使用本发明的铜合金板制造的散热元件，在高温加热至650℃以上后被进行时效处理，强度提高。
本发明的铜合金板，在850℃加热30分钟，接着进行时效处理时，0.2％屈服强度为110mpa以上，导电率为50％iacs以上。本发明的铜合金板，因为时效处理后的强度高，所以，将使用该铜合金板制造的热导管等的散热元件，安装到热沉或半导体装置上，或嵌入到pc框体等之中时，该散热元件难以变形。另外，本发明的铜合金板，导电率比纯铜板低，但因为时效处理后的强度高，所以能够薄壁化，在散热性能这一点上能够弥补导电率降低的量。
具体实施方式
以下，对于本发明的散热元件用铜合金板，更详细地说明。
本发明的铜合金板，通过冲压成形、冲切加工、切削或蚀刻等被加工成规定形状，经过高温加热(脱气、接合(硬钎焊、扩散接合或焊接)或用于烧结等的加热)，被做成散热元件。根据散热元件的种类或制造方法，虽然所述高温加热的加热条件有所不同，但在本发明中，设想的情况是在650℃～1050℃左右进行所述高温加热(被加热材的实体温度达到650～1000℃)。本发明的铜合金板由后述组成的fe－p系铜合金构成，若加热至所述温度范围内，则fe和p等的元素的至少一部分固溶，晶粒生长，软化和导电率的降低发生。
本发明的铜合金板以850℃加热30分钟后水冷，接着经时效处理后的强度(0.2％屈服强度)为110mpa以上，导电率为50％iacs以上。以850℃进行30分钟的加热是设想为散热元件的制造中的所述高温加热的过程的加热条件。若以此条件对于本发明的铜合金板进行高温加热，则加热前析出的fe－p化合物或fe等元素固溶，晶粒生长，发生软化和导电率的降低。若接着对所述铜合金板进行时效处理，则微细的fe－p化合物、fe等析出。由此，因所述高温加热而降低的强度和导电率显著改善。
所述时效处理能够以如下等方法实施：(a)在高温加热后的冷却工序中于析出温度范围保持一定时间；(b)高温加热后冷却至室温，其后再加热至析出温度范围并保持一定时间；(c)在所述(a)的工序后，再加热至析出温度范围而保持一定时间。
作为具体的时效处理条件，可列举在300～620的温度范围保持5分钟～10小时的条件。以强度的提高为优先时，适宜选择微细的fe－p析出物生成的温度－时间条件即可，以导电率的提高为优先时，适宜选择固溶的fe和p减少的过时效倾向的温度－时间条件即可。
时效处理后的铜合金板，导电率比高温加热后的纯铜板低，但强度比纯铜板显著提高。为了得到这一效果，使用本发明的铜合金板制造的热导管等的散热元件在高温加热后进行时效处理。时效处理条件如前述。时效处理后的散热元件(铜合金板)强度高，安装到热沉或半导体装置上、或嵌入pc框体等之时，能够防止该散热元件的变形。另外，本发明的铜合金板(时效处理后)因为强度比纯铜板高，所以能够进行薄壁化(0.1～1.0mm厚)，由此能够提高散热元件的散热性能，能够弥补相比纯铜板时的导电率的降低量。
还有，本发明的铜合金板无论高温加热的温度低于850℃(650℃以上)或高于850℃(1050℃以下)，时效处理后，都能够达成110mpa附近或其以上的0.2％屈服强度，及50％iacs附近或其以上的导电率。
本发明的铜合金板，在高温加热至650℃以上的温度之前，通过冲压成形、冲切加工、切削或蚀刻等，被加工成散热元件的构件。优选铜合金板具有在所述加工时的搬送和装卸中不容易变形的强度，并具有所述加工不会出现故障而能够实行的机械的特性。更具体地说，本发明的铜合金板，优选具有0.2％屈服强度150mpa以上、延伸率5％以上、板表面的平均晶粒直径20μm以下、和优异的弯曲加工性(参照后述的实施例)。如果满足以上的特性，则铜合金板的调质没有问题。例如固溶处理材、时效处理材、固溶处理材经冷轧的或时效处理材经冷轧的等均可以使用。
如先前所述，加工本发明的铜合金板而制造的散热元件，若高温加热至650℃以上的温度，则软化。高温加热后的散热元件，优选还具有再实施时效处理时的搬送和装卸中不容易变形的强度。为此，优选在以850℃加热30分钟后进行水冷的阶段，具有60mpa以上的0.2％屈服强度。
使用本发明的铜合金板制造的散热元件，受到时效处理后，根据需要，以提高耐腐蚀性和软钎焊性为主要目的，至少在外表面的一部分形成sn被覆层。sn被覆层中，包括经电镀或化学镀形成的层、或者在这些镀敷后，加热至sn的熔点以下或熔点以上而形成的层。sn被覆层中，包含sn金属和sn合金，作为sn合金，除了sn以外，作为合金元素，可列举含有bi、ag、cu、ni、in和zn之中的一种以上，合计5质量％以下。
在sn被覆层之下，能够形成ni、co或fe等的衬底镀层。这些衬底镀层具有作为防止来自母材的cu或合金元素的扩散的屏障的功能、和防止因增大散热元件的表面硬度造成刮伤的功能。也能够在所述衬底镀层之上镀cu，再镀sn之后，进行加热至sn的熔点以下或熔点以上的热处理而形成cu－sn合金层，成为衬底镀层、cu－sn合金层和sn被覆层的三层结构。cu－sn合金层，具有作为防止来自母材的cu或合金元素的扩散的屏障的功能、和防止因增大散热元件的表面硬度造成刮伤的功能。
另外，使用本发明的铜合金板制造的散热元件，受到时效处理后，根据需要，至少在外表面的一部分形成ni被覆层。ni被覆层具有作为防止来自母材的cu或合金元素的扩散的屏障的功能、防止因增大散热元件的表面硬度造成刮伤的功能、和提高耐腐蚀性的功能。
接下来，对于本发明的铜合金板的组成进行说明。
fe作为fe单体或与p形成化合物而析出，具有使时效处理后的铜合金板的强度和导电率提高的作用。但是，fe含量低于1.0质量％时，时效处理后的0.2％屈服强度低于110mpa。另一方面，若fe含量高于2.4质量％，则强度的提高比例饱和，另外，熔炼铸造工序中形成粗大的fe晶化物，难以在其后的加工工序中使其消失。粗大的fe晶化物使耐腐蚀性、弯曲加工性、镀覆性等降低。因此，fe含量为1.0～2.4质量％。fe含量的下限优选为1.2质量％，上限优选为2.2质量％。
p通过脱氧作用而降低铜合金中包含的氧量，具有防止在含氢的还原气氛中加热散热元件时的氢脆性的作用。用于防止氢脆化所需要的p含量为0.005质量％以上。另外，固溶的p使铜合金的导电率降低，但通过加热至析出温度会形成fe－p化合物，由此铜合金的强度、耐热性和导电率提高。但是，若p的含量高于0.1质量％，则固溶的p的量增加，导电率低于50％iacs。因此，p的含量为0.005～0.1质量％。
zn具有改善铜合金板的焊料的耐热剥离性和镀sn的耐热剥离性的作用，因此根据需要添加。将散热元件插入半导体装置时，有需要软钎焊的情况，另外散热元件制造后，有为了改善耐腐蚀性而进行镀sn的情况。在这样的散热元件的制造中，适合使用含有zn的铜合金板。但是，若zn的含量高于2.0质量％，则焊料润湿性降低，因此zn的含量为2.0质量％以下。zn的含量的上限值优选为0.7质量％以下，更优选为0.5质量％以下。另一方面，在zn含量低于0.01质量％时，耐热剥离性的改善不充分，zn的含量优选为0.01质量％以上。zn含量的下限值更优选为0.05质量％，进一步优选为0.1质量％。
还有，本发明的铜合金板含有zn时，若以500℃以上的温度加热，则由于加热气氛导致zn气化，会污染加热炉。从防止zn气化的观点出发，zn的含量优选为0.5质量％以下，更优选为0.3质量％以下，进一步优选为0.2质量％以下。
sn在铜合金母相中固溶，具有使铜合金的强度提高的作用，因此根据需要添加。另外，sn的添加对于抗应力弛豫特性的提高也有效。若散热元件的使用环境为80℃或更高，则蠕变变形发生，与cpu等的热源的接触面变小，散热性降低，但通过使抗应力弛豫特性提高，能够抑制这一现象。为了得到强度和抗应力弛豫特性的提高效果，sn含量为0.005质量％以上，优选为0.01质量％以上，更优选为0.02质量％以上，进一步优选为0.05质量％以上。另一方面，若sn的含量高于0.5质量％，时效处理后的铜合金板的导电率低于50％iacs。因此，sn的含量为0.5质量％以下。
mn、mg、si、al、cr、ti、zr、ni和co具有使铜合金的强度和耐热性提高的作用，因此根据需要添加其一种或两种以上。但是，若这些元素的一种或两种以上的合计含量高于0.5质量％，则导电率降低，因此该含量为0.5质量％以下(不含0质量％)。这些元素的一种或两种以上的合计含量的下限值优选为0.01质量％，更优选为0.02％，进一步优选为0.03％。
还有，复合添加作为任意元素的zn、sn及其他的强化元素(mn、mg、si、al、cr、ti、zr、ni和co)时，在以850℃加热30分钟后水冷，接着经时效处理之后的导电率不低于50％iacs的范围内添加。
作为不可避免的杂质的h、o、s、pb、bi、sb、se和as，若铜合金板在650℃以上的温度被长时间加热，则在晶界汇集，有加热中和加热后引起晶界裂纹及晶界脆化等的可能性，因此优选减少这些元素的含量。h在加热中汇集到晶界，还有夹杂物与母材的界面，使膨胀发生，因此优选低于1.5ppm(质量ppm，下同)，更优选低于1ppm。o优选低于20ppm，更优选低于15ppm。s、pb、bi、sb、se和as优选为合计低于30ppm，更优选低于20ppm。特别是关于bi、sb、se和as，优选这些元素的合计含量低于10ppm，更优选低于5ppm。
本发明的铜合金板，例如，可通过热轧铸块后，反复进行1次或2次以上冷轧和热处理(时效处理)来制造。使用所述组成的铜合金，按以下的条件制造的铜合金板，具有0.2％屈服强度150mpa以上、延伸率5％以上、板表面的平均晶粒直径在20μm以下、优异的弯曲加工性。另外，以850℃加热30分钟，接着经时效处理后，具有110mpa以上的0.2％屈服强度和50％iacs以上的导电率。
熔炼或铸造，能够通过连续铸造或半连续铸造等的通常的方法进行。还有，作为铜熔炼原料，优选使用s、pb、bi、se和as的含量少的。另外，关注到被覆于铜合金熔融金属的木炭的红热化(脱水)，基体金属，废料，水槽、铸模的干燥，和熔液的脱氧等，优选减少o和h。
对于铸块，优选进行均质化处理，均质化处理中，优选在铸块内部的温度到达800℃后，保持30分钟以上。均质化处理的保持时间更优选为1小时以上，进一步优选为2小时以上。
均质化处理后，以800℃以上的温度开始热轧。优选以热轧材中不会形成粗大的fe、或fe－p析出物的方式，在600℃以上的温度结束热轧，由此温度通过水冷等的方法进行急冷。若热轧后的急冷开始温度比600℃低，则粗大的fe－p析出物形成，组织容易变得不均匀，铜合金板(制品板)的强度降低。
热轧后，(a)将热轧材冷轧至制品厚度，进行时效处理，(b)对于热轧材进行冷轧和时效处理，再冷轧至制品厚度，或(c)在所述(b)之后进行低温退火(延展性的恢复)。
时效处理(析出处理)，以加热温度300～620℃左右、保持0.5～10小时的条件进行。该加热温度低于300℃时，析出量少，若高于620℃，则析出物容易粗大化。加热温度的下限优选为350℃，更优选为400℃，上限优选为600℃，更优选为580℃。时效处理的保持时间，根据加热温度适宜选择，在0.5～10小时的范围内进行。该保持时间在0.5小时以下时，析出不充分，超过10小时，析出量也是饱和，生产率降低。保持时间的下限优选为1小时，更优选为2小时。时效处理也能够在上述加热温度和保持时间的范围内，反复进行2次以上。
【实施例1】
铸造表1所示的组成的铜合金(只有比较例9为纯铜)，分别制作厚度45mm的铸块。在该铜和铜合金中，作为不可避免的杂质的h低于1ppm，o低于20ppm，s、pb、bi、sb、se和as合计低于20ppm。
对于各铸块以950℃进行2小时的均热处理，接着进行热轧而作为板厚15mm的热轧材，从700℃以上的温度进行淬火(水冷)。将淬火后的热轧材的两面各研磨1mm后，冷粗轧至目标板厚0.6mm，进行以500℃保持2小时的时效处理(伴有再结晶)，接着实施50％的最终冷轧，制造板厚0.3mm的铜合金板。
【表1】
另外，在室温下真空拉制所得到的铜合金板后，进行ar气置换并加热，在板材的温度到达850℃之后加热30分钟后水冷，再以500℃加热所述水冷材2小时(时效处理)，分别将其作为供试材，进行导电率和机械的特性的各测量。
各试验结果显示在表1中。
(导电率的测量)
导电率的测量，依据jis－h0505所规定的有色金属材料导电率测量法，以使用了双电桥的四端子法进行。试验片的尺寸为，宽15mm和长300mm。
(机械的特性)
从供试材上，使纵长方向为轧制平行方向而切下jis5号拉伸试验片，依据jis－z2241实施拉伸试验，测量屈服强度和延伸率。屈服强度是相当于永久伸长0.2％的抗拉强度。
(平均晶粒直径)
平均晶粒直径(当量圆直径)，使用sem(scanningelectronmicroscope)，通过电子背散射衍射(ebsd：electronback－scatterdiffraction)进行测量。
(弯曲加工性)
弯曲加工性的测量，遵循伸铜协会标准jbma－t307所规定的w弯曲试验方法实施。从各供试材上切下宽10mm，长30mm的试验片，使用r/t＝0.5的夹具，进行g.w.(goodway(弯曲轴与轧制方向垂直))和b.w.(badway(弯曲轴与轧制方向平行))的弯曲。接着，利用100倍的光学显微镜，目视观察弯曲部有无裂纹，g.w.或b.w.的双方都没有发生裂纹的评价为○(合格)，g.w.或b.w.的任意一方或双方发生裂纹的评价为×(不合格)。
(焊料润湿性)
从各供试材上提取狭条状试验片，浸渍涂布非活性焊剂1秒后，弧面状沾锡法测量焊料润湿时间。焊料使用保持在260±5℃的sn－3质量％ag－0.5质量％cu，以浸渍速度25mm/sec、浸渍深度5mm和浸渍时间5sec的试验条件实施。焊料润湿时间在2秒以下的评价为焊料润湿性优异。还有，除比较例7以外，焊料润湿时间均为2秒以下。
表1所示的实施例1～12的铜合金板，合金组成满足本发明的规定，以850℃加热30分钟，接着进行时效处理之后的强度(0.2％屈服强度)在110mpa以上，且导电率为50％iacs以上。另外，以850℃加热前的铜合金板的特性中，强度(0.2％屈服强度)为150mpa以上，延伸率为5％以上，平均晶粒直径为20μm以下，弯曲加工性和焊料润湿性也优异。以850℃加热后，与作为现有材的比较例9相比，也具有70mpa以上的高强度(0.2％屈服强度)。
相对于此，比较例1～8的铜合金板和比较例9的纯铜板，如以下所示，某种特性差。
比较例1和2因为fe含量少，所以时效处理后的强度低。
比较例3其p含量过剩，无助于fe－p化合物析出的p固溶，时效处理后的导电率低。
比较例4因为zn和sn的合计含量比较多，固溶的zn和sn的合计量多，所以时效处理后的导电率低于50％iacs。
比较例5和6其sn含量过剩，固溶的sn导致时效处理后的导电率降低。
比较例7其zn含量过剩，如前述焊料润湿性差。
比较例8其zn、sn和其他元素的合计含量比较多，时效处理后的导电率低于50％iacs。
比较例9是现有的纯铜板，导电率高，但强度在时效处理后也低。
【实施例2】
对于表1所示的铜合金板之中代表性的(实施例3和7与比较例1和4)，以1000℃加热30分钟后水冷，再以500℃加热2小时(时效处理)，以该铜合金板作为供试材，按实施例1所述的方法进行导电率和机械的特性的各测量试验。其结果显示在表2中。
【表2】
如表2所示，实施例3和7以及比较例1和4，以1000℃加热30分钟，接着经时效处理之后的强度(0.2％屈服强度)和导电率，比以850℃加热30分钟，接着经时效处理之后的强度和导电率(参照表1)有所降低。但是，在实施例3和7中，强度(0.2％屈服强度)和导电率的降低小，作为以1000℃加热30分钟，接着经时效处理之后的强度和导电率，能够得到110mpa和50％iacs附近或更高的值。
本说明书的公开的内容，包括以下的方式。
方式1：
一种散热元件用铜合金板，其特征在于，含有fe：1.0～2.4质量％、p：0.005～0.1质量％，余量由cu和不可避免的杂质构成，以850℃加热30分钟后水冷，接着经时效处理后的0.2％屈服强度为110mpa以上，导电率为50％iacs以上，在制造散热元件的过程的一部分中包含加热到650℃以上的步骤和时效处理。
方式2：
根据方式1所述的散热元件用铜合金板，其特征在于，还含有zn为2.0质量％以下(不含0质量％)。
方式3：
根据方式1或2所述的散热元件用铜合金板，其特征在于，还含有sn为0.005～0.5质量％。
方式4：
根据方式1～3中任一项所述的散热元件用铜合金板，其特征在于，还含有mn、mg、si、al、cr、ti、zr、ni和co之中的一种或两种以上，合计0.5质量％以下(不含0质量％)。
方式5：
一种散热元件，其特征在于，由方式1～4所述的散热元件用铜合金板制造，在加热至650℃以上的步骤之后，经受时效处理。
方式6：
根据方式5所述的一种散热元件，其特征在于，外表面的至少一部分上形成有sn被覆层。
方式7：
根据方式5所述的一种散热元件，其特征在于，在外表面的至少一部分上形成有ni被覆层。
本申请伴随以申请日为2015年3月27日的日本国专利申请，专利申请第2015－066518号为基础申请的优先权主张。专利申请第2015－066518号由于参照而编入本说明书。