铜合金材料及其制造方法技术

本发明专利技术提供了具有优异机械强度、延伸率、导电性及良好的弯曲加工性能，且用无铅焊料接合时可保持稳定的接合品质的铜合金材料。本发明专利技术的铜合金材料含有（质量％）：１．０～５．０％Ｎｉ、０．２～１．０％Ｓｉ、１．０～５．０％Ｚｎ、０．１～０．５％Ｓｎ、０．００３～０．３％Ｐ，余量为Ｃｕ和不可避免的杂质，Ｎｉ与Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ的质量比为，Ｎｉ／Ｓｉ＝４～６、Ｚｎ／Ｎｉ≥０．５、Ｓｎ／Ｎｉ＝０．０５～０．２，抗拉强度在８００Ｎ／ｍｍ↑［２］以上，延伸率８％以上，导电率３５％ＩＡＣＳ以上。本发明专利技术铜合金材料的制造方法包括：第１冷轧工序，第１热处理工序，第２冷轧工序，第２热处理工序，以及第３热处理工序。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别是以抗拉强度和0.2％屈服强度为代表的机械强度、延伸率及导电性优异，具有良好的弯曲加工性能，并且使用无铅焊料的接合可靠性优异的。
技术介绍
近年来，移动电话和笔记本个人电脑等电子装置正在向小型、薄型化和轻量化发展，因此所使用的电气、电子元件也要求更加轻、短、薄的部件。由于这样的小型化，所使用的材料也变得更薄，但由于必须保持性能的可靠性，因而要求在薄壁的情况下仍具有更高的机械强度(有时也简称为强度)的材料。另外，为了在部件加工时不会因弯曲加工而产生裂纹，需要同时具有良好的延伸率。对于这样的强度和弯曲加工性而言，在材料的轧制方向和垂直于轧制的方向上存在性能差异(各向异性)是不利的，在任何一个方向上均显示出良好的特性是致关重要的。另外，伴随着装置的高性能化的电极数的增加或通电电流的增大也会产生大量的焦耳热，因而，除了上述机械性能外，对兼具良好导电率的材料的需求越来越强烈。这样的高导电率材料，尤其是作为通电电流急速增大的汽车用的接线端和连接器材料、功率集成电路用的引线框材料，需求十分强烈。另一方面，将上述电气、电子元件连接、组装时，通常使用焊料接合。以往，焊料主要采用Sn-Pb共晶系焊料，但是近年来，Pb作为有害物质而受到限制，Sn浓度更高的无铅焊料开始广泛被使用。随着从以往广泛使用的Sn-Pb共晶焊料向无铅焊料发展，出现了以往不曾发生的问题。大部分的无铅焊料，熔点比以往的Sn-Pb共晶焊料要高，因此，使用无铅焊料时需要将部件接合时的加热温度提高到高于以往的温度。因此，在电气、电子元件的组装工艺中反复进行加热时，由于接合界面为高温，促进了元件中的Cu和焊料中的Sn相互扩散。结果，在接合界面处促进了Cu和Sn的金属间化合物的形成和生长，超出了以往的程度。所形成(生成)的金属间化合物，主要是Cu6Sn5和Cu3Sn，尤其是Cu3Sn存在脆性，如果在接合界面生长，接合的可靠性会大大降低。作为上述电气、电子元件的材料，一直使用各种铜合金。其中，作为容易兼顾机械强度和导电率的材料，曾有人提出并使用了以Cu-Ni-Si为主成分的铜合金(例如参照专利文献1～4)。专利文献1特开2002-266042号公报专利文献2特许第2572042号公报专利文献3特许第2977845号公报专利文献4特许第3465541号公报
技术实现思路
但是，这些铜合金中含有的Ni向焊料层的扩散速度非常快，具有促进Cu和Sn的金属间化合物的形成和生长的作用。因此，在上述Cu-Ni-Si合金中Ni的含量多时，存在容易生长金属间化合物的危险。另外，对于这样的Cu-Ni-Si合金，若要实现高强度时，同时会伴随有弯曲加工性能的恶化和机械性能的各向异性增强，这些性能难以兼顾。因此，本专利技术的目的在于，提供兼具优异的机械强度(抗拉强度和0.2％屈服强度)、延伸率和导电性，具有对于弯曲加工的各向异性小的良好的弯曲加工性能，并且使用无铅焊料接合时可以保持稳定的接合品质的。本专利技术是为了实现上述目的而完成的，本专利技术提供了一种铜合金材料，其特征在于，含有1.0～5.0质量％的Ni、0.2～1.0质量％的Si、1.0～5.0质量％的Zn、0.1～0.5质量％的Sn、0.003～0.3质量％的P，余量为Cu和不可避免的杂质，所述Ni与所述Si、Zn、Sn的质量比为Ni/Si＝4～6、Zn/Ni≥0.5以及Sn/Ni＝0.05～0.2，并且抗拉强度大于等于800N/mm2，延伸率大于等于8％，导电率大于等于35％IACS。另外，为了实现上述目的，本专利技术提供了上述铜合金材料的制造方法，其特征在于，包括下述工序第1冷轧工序，在作为原材料形成具有上述组成的铜合金后，将所形成的铜合金原材料冷轧至目标最终板厚的1.3～1.7倍的厚度；第1热处理工序，将第1冷轧后的材料加热至700～900℃后，以每分钟大于等于25℃的降温速度冷却至小于等于300℃；第2冷轧制工序，将第1热处理后的材料冷轧至目标最终板厚；第2热处理工序，将第2冷轧后的材料加热至400～500℃，保持30分钟～10小时；第3热处理工序，在长度方向对第2热处理后的材料施加10～100N/mm2的张力的同时，在400～550℃加热保持10秒钟～3分钟。根据本专利技术，可以提供同时具有优异的抗拉强度、延伸率和导电性，具有弯曲加工时的各向异性小的良好弯曲加工性能，并且使用无铅焊料接合时可以保持稳定的接合品质的铜合金材料附图说明图1为表示本专利技术的实施方式的铜合金材料的制造工艺的流程图。具体实施例方式<铜合金材料的组成> 本实施方式中的铜合金材料，其特征在于，在其平均组成中含有1.0～5.0质量％的Ni、0.2～1.0质量％的Si、1.0～5.0质量％的Zn、0.1～0.5质量％的Sn、0.003～0.3质量％的P，所述Ni与所述Si、Zn、Sn的质量比为，Ni/Si＝4～6、Zn/Ni≥0.5、Sn/Ni＝0.05～0.2。以下说明在本实施方式中构成铜合金材料的合金成分的添加理由和限定理由。Ni与Si一起添加时，会形成Ni-Si化合物并在材料中弥散析出，由此可以在保持良好的导电率的同时提高强度。Si的添加量不足0.2质量％时，不能形成有效的Si化合物；添加超过1.0质量％时，对导电性的不良影响增大。因此，Si的组成范围规定为0.2～1.0质量％，更优选规定为0.4～0.7质量％。对于这一Si的组成范围，为了有效地形成化合物，并且兼顾高强度和高导电性，需要将Ni的组成范围规定为1.0～5.0质量％。Ni的含量低于该组成范围的下限时，化合物的形成量不充分，机械强度不足；反之，超过该组成范围的上限时，多余的Ni会固溶到铜中而降低导电率，同时，在与焊料层的界面上固溶的Ni显示出促进扩散的作用，从而会促进界面的Cu-Sn金属间化合物的生长，降低接合的可靠性。Ni的组成范围更优选规定为2.5～3.5质量％。Zn在与焊料的接合界面处富集，发挥阻碍Cu和Sn相互扩散的作用，具有抑制金属间化合物的形成和生长的效果。另外，具有提高强度的效果，同时还具有大幅度提高耐迁移性的作用。Zn的组成范围必须规定为1.0～5.0质量％。Zn的含量低于该规定范围的下限时，在与焊料层的界面上阻碍Cu扩散的效果比较小；超过该规定范围的上限时，会产生导电率降低等不良影响。Zn的组成范围更优选规定为1.5～2.0质量％。Sn具有提高强度的效果。Sn的组成范围必须规定为0.1～0.5质量％。少于该规定范围的含量，提高强度的效果较小；反之，含量超过该规定范围时，会产生导电率降低等不良影响，同时，在与焊料层的界面促进Cu-Sn金属间化合物的生长。Sn的组成范围更优选规定为0.2～0.4质量％。P具有脱氧剂的效果，在铜合金原材料的形成过程(例如铸造时)具有抑制Si氧化所引起的损失的效果。并且，会与Ni形成化合物而弥散析出，也有助于提高强度。P的添加量不足0.003质量％时，不能得到作为脱氧剂的充分效果；添加超过0.3质量％时，在铜合金原材料的形成过程(例如铸造时)容易产生由P化合物的偏析引起的裂纹。因此，P的组成范围规定为0.003～0.3质量％。更优选规定为0.01～0.05质量％。另外，为了实现本专利技术的目的，需要规定Ni/Si、本文档来自技高网...

【技术保护点】
铜合金材料，含有：１．０～５．０质量％的Ｎｉ、０．２～１．０质量％的Ｓｉ、１．０～５．０质量％的Ｚｎ、０．１～０．５质量％的Ｓｎ、０．００３～０．３质量％的Ｐ，余量为Ｃｕ和不可避免的杂质，其中，所述Ｎｉ与所述Ｓｉ、Ｚｎ和Ｓｎ中的每一种的质量比为，Ｎｉ／Ｓｉ＝４～６、Ｚｎ／Ｎｉ≥０．５、以及Ｓｎ／Ｎｉ＝０．０５～０．２。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：高野浩聪，山本佳纪，古德浩一，佟庆平，
申请(专利权)人：日立电线株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]