特許第6446011号(P6446011)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

▶ 株式会社神戸製鋼所の特許一覧
<>
  • 特許6446011-放熱部品用銅合金板及び放熱部品 図000004
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6446011
(24)【登録日】2018年12月7日
(45)【発行日】2018年12月26日
(54)【発明の名称】放熱部品用銅合金板及び放熱部品
(51)【国際特許分類】
   C22C 9/00 20060101AFI20181217BHJP
   C22C 9/01 20060101ALI20181217BHJP
   C22C 9/02 20060101ALI20181217BHJP
   C22C 9/05 20060101ALI20181217BHJP
   C22C 9/04 20060101ALI20181217BHJP
   C22C 9/06 20060101ALI20181217BHJP
   C22C 9/10 20060101ALI20181217BHJP
   C22F 1/00 20060101ALN20181217BHJP
   C22C 13/00 20060101ALN20181217BHJP
   C22F 1/08 20060101ALN20181217BHJP
【FI】
   C22C9/00
   C22C9/01
   C22C9/02
   C22C9/05
   C22C9/04
   C22C9/06
   C22C9/10
   !C22F1/00 630M
   !C22F1/00 630A
   !C22F1/00 623
   !C22F1/00 630K
   !C22F1/00 650A
   !C22F1/00 650F
   !C22F1/00 661A
   !C22F1/00 674
   !C22F1/00 661Z
   !C22F1/00 613
   !C22F1/00 640A
   !C22F1/00 682
   !C22F1/00 686A
   !C22F1/00 691B
   !C22F1/00 691C
   !C22C13/00
   !C22F1/08 A
【請求項の数】8
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2016-195431(P2016-195431)
(22)【出願日】2016年10月3日
(65)【公開番号】特開2018-59132(P2018-59132A)
(43)【公開日】2018年4月12日
【審査請求日】2017年7月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】000001199
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
(74)【代理人】
【識別番号】100100974
【弁理士】
【氏名又は名称】香本 薫
(72)【発明者】
【氏名】橋本 大輔
(72)【発明者】
【氏名】西村 昌泰
【審査官】 静野 朋季
(56)【参考文献】
【文献】 特開2001−050682(JP,A)
【文献】 特開2016−056414(JP,A)
【文献】 特許第5910790(JP,B1)
【文献】 国際公開第2016/152648(WO,A1)
【文献】 特開2007−169765(JP,A)
【文献】 特開平02−243331(JP,A)
【文献】 特開2014−114464(JP,A)
【文献】 特開2013−001982(JP,A)
【文献】 国際公開第2016/158607(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 9/00−9/10
C22F 1/08
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Mg:0.05〜0.5質量%を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、100MPa以上の0.2%耐力、5%以上の伸び及び優れた曲げ加工性と、優れた拡散接合性及びろう付け性を有し、850℃で30分加熱後冷却した場合の0.2%耐力が50MPa以上、かつ導電率が70%IACS以上であり、放熱部品を製造するプロセスの一部に拡散接合による接合が含まれることを特徴とする放熱部品用銅合金板。
【請求項2】
さらにZn:0.6質量%以下を含むことを特徴とする請求項1に記載された放熱部品用銅合金板。
【請求項3】
さらにP:0.05質量%以下を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載された放熱部品用銅合金板。
【請求項4】
さらにSn、Al、Mn、Fe、Ni、Co、Si、Ag、Ti、Cr、Zrから選択される1種又は2種以上の元素を合計で0.3質量%以下含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載された放熱部品用銅合金板。
【請求項5】
Mg:0.05〜0.5質量%を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる組成を有し、拡散接合により互いに接合された複数の銅合金板からなり、前記銅合金板の0.2%耐力が50MPa以上、かつ導電率が70%IACS以上であることを特徴とする放熱部品。
【請求項6】
前記銅合金板が、さらにZn:0.6質量%以下を含むことを特徴とする請求項5に記載された放熱部品。
【請求項7】
前記銅合金板が、さらにP:0.05質量%以下を含むことを特徴とする請求項5又は6に記載された放熱部品。
【請求項8】
前記銅合金板が、さらにSn、Al、Mn、Fe、Ni、Co、Si、Ag、Ti、Cr、Zrから選択される1種又は2種以上の元素を合計で0.3質量%以下含むことを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載された放熱部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の部品を接合してベーパーチャンバー(平板状ヒートパイプ)等の放熱部品を製造する場合に用いられる放熱部品用用銅合金板、及び同銅合金板を用いて製造された放熱部品に関する。特に、放熱部品を製造するプロセスの一部に拡散接合又はろう付けなど、650℃以上の温度に加熱するプロセスが含まれる場合に用いられる放熱部品用用銅合金板、及び同銅合金板を用いて製造された放熱部品に関する。
【背景技術】
【0002】
デスク型PC、ノート型PC、タブレット端末、スマートフォンに代表される携帯電話等に搭載されるCPUの動作速度の高速化や高密度化が急速に進展し、これらのCPUからの単位面積当たりの発熱量が一段と増大している。CPUの温度が一定以上の温度に上昇すると、誤作動、熱暴走などの原因となるため、CPU等の半導体装置からの効果的な放熱は切実な問題となっている。
半導体装置の熱を吸収し、大気中に放散させる放熱部品としてヒートシンクが使われている。ヒートシンクには高熱伝導性が求められることから、素材として熱伝導率の大きい銅、アルミニウムなどが用いられる。デスク型PCにおいては、CPUの熱をヒートシンクに設置した放熱フィンなどに伝え、デスク型PC筐体内に設置した小型ファンで抜熱する方法が用いられている。
【0003】
しかし、ファンを設置するスペースのないノート型PC、タブレット端末等においては、限られた面積でより高い熱輸送能力を持つ放熱部品として、ベーパーチャンバー(平板状ヒートパイプ)が用いられるようになってきた。ヒートパイプは、内部に封入した冷媒の蒸発(CPUからの吸熱)と凝縮(吸収した熱の放出)が循環的に行われることにより、ヒートシンクに比べて高い放熱特性を発揮する。また、ヒートパイプをヒートシンクやファンといった放熱部品と組合せることにより、半導体装置の発熱問題を解決することが提案されている。
【0004】
ベーパーチャンバーは、管状ヒートパイプの放熱性能を更に向上させたものである(特許文献1〜4参照)。ベーパーチャンバーとして、冷媒の凝縮と蒸発を効率的に行うために、管状ヒートパイプと同様に、内面に粗面化加工、溝加工、粉末焼結による微細孔を形成したもの等が提案されている。
また、ベーパーチャンバーとして、外部部材(筐体)と、外部部材の内部に収容固定される内部部材とより構成されたものが提案されている。内部部材は、冷媒の凝縮、蒸発、輸送を促進するために、外部部材の内部に一又は複数配置されるもので、種々の形状のフィン、突起、穴、スリット等が加工されている。この形式のベーパーチャンバーは、内部部材を外部部材の内部に配置した後、拡散接合、ろう付け等の方法により外部部材同士及び外部部材と内部部材を接合一体化することにより製造される。ベーパーチャンバーは、内部に冷媒を入れた後、ろう付け等の方法により封止される。
電子部品の発熱がさらに大きくなり、ベーパーチャンバーの抜熱能力を超える場合、ベーパーチャンバーと同様な内部構造を有し、冷媒を外部から連続的に供給する形式の放熱部品が用いられる(内部を低圧にする必要がない)。このタイプの放熱部品の筐体に用いられる部材、及び筐体の製造方法は基本的にベーパーチャンバーと同じである。
【0005】
ベーパーチャンバーの筐体の素材としては、熱伝導率、耐食性、加工性及びエッチング性に優れる無酸素銅(OFC)からなる、例えば板厚0.3〜1.0mm程度の軟質材(質別O)〜硬質材(質別H)の板材(条を含む)が多用されている。OFC板材を用いたベーパーチャンバーの製作工程の一例を、図1を参照して説明すると、次のようなものである。
まず、OFC板材より切出した矩形の板部材の片面に、エッチング加工又は金型を用いたプレス加工により複数の溝、凹凸等のパターンを形成する。次に、前記パターンを形成した面を内側にして、板部材1,2を上下に重ね合わせ、その状態で拡散接合又はろう付けにより前記板部材1,2を互いに接合する。拡散接合は、10−2気圧より高真空雰囲気において、接合部位に2〜6MPa程度の応力(加圧力)を掛けた状態で、800〜900℃の高温に昇温し、所定温度到達後10〜120分間程度、同温度に保持することで行われる。なお、拡散接合における接合部位の加圧は、板部材1,2が前記所定温度に到達後に行ってもよい。なお、板部材1,2の間に図示しないノズル(細径管)が嵌め込まれ、このノズルも接合される。
接合後は、真空又は減圧雰囲気において、前記ノズルを通してベーパーチャンバーの内部に作動流体(水等)を入れ、次いで前記ノズルを封止する。
【0006】
ベーパーチャンバーをろう付けにより製作する場合、上下に重ね合わせた板部材の間に、接合部の形状の銀銅ろう、りん銅ろう等の薄板又は箔を挟み、その状態で加熱炉に連続的に挿入して加熱し、ろう付け接合する。ろう付けの雰囲気は、10−1気圧程度の真空雰囲気、還元雰囲気、あるいは不活性ガス雰囲気であり、加熱温度は650〜900℃である。また、ろう付け加熱工程において、振動などで接合部にずれが生じないよう、接合部位に2〜5MPa程度の応力(加圧力)を掛けた状態で、加熱、及びろう付けが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2004−238672号公報
【特許文献2】特開2007−315745号公報
【特許文献3】特開2014−134347号公報
【特許文献4】特開2015−121355号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ベーパーチャンバー等の放熱部品の筐体の素材として、無酸素銅(OFC)の板(JISH3100に規定されたC1020)が多く使用されている。無酸素銅の板は、熱伝導率が良く(導電率:102%IACS)、熱放散性が優れ、耐食性及び加工性(曲げ、エッチング、スタンピング等)に優れ、拡散接合性、ろう付け性にも優れるという長所を有する。一方、無酸素銅の板は、例えばベーパーチャンバーの場合、製造時の高温加熱(拡散接合又はろう付け時の加熱)により軟化し、製造したベーパーチャンバーを搬送し、ヒートシンクや半導体装置へ取り付け、又はPC筐体へ組み込みむとき等に変形しやすい。ベーパーチャンバーが変形し、例えば筐体の平坦性が悪化すると、ベーパーチャンバーに所定の性能を発揮させることが難しくなる。そして、この変形を防止する必要から、素材である銅板を薄肉化(ベーパーチャンバーの軽量化)できないという問題がある。また、無酸素銅の板を用いた場合、製造プロセスの一部に拡散接合やろう付けが含まれる他の放熱部品においても、同様の問題が生じる。
【0009】
従って、本発明は、ベーパーチャンバー等の放熱部品の素材である銅板の改良に関し、拡散接合又はろう付け時の高温加熱後の強度を向上させ、前記銅板の薄肉化、軽量化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係る放熱部品用銅板(銅合金板)は、放熱部品を製造するプロセスの一部として拡散接合又はろう付けによる接合が含まれる場合に用いられ、Mg:0.05〜0.5質量%を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなり、100MPa以上の0.2%耐力、5%以上の伸び及び優れた曲げ加工性と、優れた拡散接合性及びろう付け性を有し、850℃で30分加熱後冷却した場合の0.2%耐力が50MPa以上、かつ導電率が70%IACS以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る放熱部品は、Mg:0.05〜0.5質量%を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる組成を有し、拡散接合又はろう付けにより互いに接合された複数の銅合金板からなり、前記銅合金板の0.2%耐力が50MPa以上、かつ導電率が70%IACS以上であることを特徴とする。
【0011】
上記銅合金板は、上記の特性を満たすことを前提に、必要に応じてさらに、以下に示す(1)〜(3)の元素又は元素群を単独で、又は(1)〜(3)のうち2以上を組み合わせて含む。(1)Zn:0.6質量%以下、(2)P:0.05質量%以下、(3)Sn、Al、Mn、Fe、Ni、Co、Si、Ag、Ti、Cr、Zrから選択される1種又は2種以上の元素を合計で0.3質量%以下。
【発明の効果】
【0012】
上記銅合金板は、850℃で30分加熱後(拡散接合又はろう付けによる接合を想定した加熱後)の強度が50MPa以上で、従来の無酸素銅の板に比べて強度が高く、薄肉化が可能であり、放熱部品(筐体)をより軽量化することが可能となる。また、上記銅合金板は、70%IACS以上の導電率を有することから、従来の無酸素銅の板に比べさほど遜色のない熱放散性を有する。
また、上記銅合金板は、高温加熱時に蒸発しやすく、拡散接合性及びろう付け性を低下させるMg、Zn、Pの含有量が低く抑えられているため、拡散接合又はろう付けにおいて、従来の無酸素銅の板に比べて遜色のない優れた接合性を有する。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】ベーパーチャンバーの拡散接合を説明するもので、パターン形成した2枚の板部材(ベーパーチャンバーの筐体部品)を接合のため重ね合わせた状態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明に係る放熱部品用銅合金板について、ベーパーチャンバーを例に挙げ、より詳細に説明する。
[銅合金の組成]
本発明に係る銅合金は、Mg:0.05〜0.5質量%を含有し、残部がCu及び不可避不純物からなる。また、必要に応じてさらに、(1)Zn:0.6質量%以下、(2)P:0.05質量%以下、(3)Sn、Al、Mn、Fe、Ni、Co、Si、Ag、Ti、Cr、Zrから選択される1種又は2種以上の元素を合計で0.3質量%以下を、個々に又は組み合わせて含む。
【0015】
Mgは、Cuに比べて原子半径が大きく、少量の添加でも固溶強化により銅合金の強度を向上させる。しかし、Mg含有量が0.05質量%未満では、高温加熱後の強度が不十分となる。一方、Mg含有量が0.5質量%を超えると、高温に加熱されたときMgが蒸発し、拡散接合性及びろう付け性が低下する。従って、Mg含有量は0.05〜0.5質量%の範囲とする。Mg含有量の上限値は好ましくは0.4質量%、より好ましくは0.3質量%である。
【0016】
Znは、はんだの耐熱剥離性及びSnめっきの耐熱剥離性を改善する。ベーパーチャンバーは放熱部である電子部品にはんだ付けすることがあり、また、耐食性改善のためベーパーチャンバーにSnめっきを行う場合がある。そのような場合に、ベーパーチャンバーの筐体の素材としてZnを含有する銅合金板が好適に用いられる。Znは少量の添加でも上記耐熱剥離性を改善する効果を有し、その含有量は好ましくは0.001質量%以上、より好ましくは0.01質量%以上である。一方、Zn含有量が0.6質量%を超えると、高温に加熱されたときZnが蒸発し、拡散接合性及びろう付け性が低下する。従って、Zn含有量は0.6質量%以下の範囲とする。Zn含有量の上限値は好ましくは0.4質量%、より好ましくは0.3質量%である。
【0017】
Pは、銅合金中にMg−P化合物を形成し、銅合金板の強度を向上させる。Pによる強度向上効果を得るには、高温加熱(拡散接合又はろう付け)後のベーパーチャンバーを400〜600℃に30分〜4時間程度加熱し、Mg−P化合物を析出させればよい。Pは少量の添加でも強度を向上させる効果を有し、その含有量は好ましくは0.001質量%以上、より好ましくは0.005質量%以上である。一方、P含有量が0.05質量%を超えると、銅合金の導電率が低下する。従って、P含有量は0.05質量%以下の範囲とする。
【0018】
Sn、Al、Mn、Fe、Ni、Co、Si、Ag、Ti、Cr、Zrは、銅合金板の強度を向上させる。しかし、これらの元素は銅合金板の導電率を低下させるため、1種又は2種以上の合計含有量の上限値は0.3質量%とし、高温加熱後の導電率が70%IACS未満にならない範囲で添加する。
このうち、Sn、Al、Mn、Si、Tiは、銅合金板の導電率を低下させる作用が強く、これらの元素の含有量は個々に0.03質量%以下、2種以上の合計で0.1質量%以下が好ましい。Fe、Ni、Coは銅合金を固溶強化するほか、銅合金がPを含む場合は銅合金中にP化物を形成し、銅合金を析出強化する。この効果を利用するには、Fe、Ni、Coの含有量は、個々に又は合計で0.05質量%以上であることが好ましい。Cr、Zrは銅合金を析出強化するほか、銅合金板を650℃以上の高温に加熱したとき、結晶粒の粗大化を防止する効果を有する。この効果を利用するには、Cr、Zrの含有量は個々に又は合計で0.01質量%以上であることが好ましい。
【0019】
不可避不純物であるH、O、S、Pb、Bi、Sb、Se、Asは、銅合金板が650℃以上の温度に長時間加熱されると粒界に集まり、加熱中及び加熱後の粒界割れ並びに粒界脆化等を引起す可能性があり、これらの元素の含有量は低減することが好ましい。
このうちHは、加熱中に粒界や介在物と母材との界面に集まり、膨れを発生させることから、好ましくは1.5ppm(質量ppm、以下同じ)未満とし、より好ましくは1ppm未満とする。Oは、好ましくは20ppm未満、より好ましくは15ppm未満とする。S、Pb、Bi、Sb、Se、Asは、好ましくは合計で30ppm未満、より好ましくは20ppm未満とする。特にBi、Sb、Se、Asについては、好ましくはこれらの元素の合計含有量を10ppm未満、より好ましくは5ppm未満とする。
【0020】
[銅合金板の特性]
本発明に係る放熱部品用銅合金板は、上記合金組成を有することにより、無酸素銅板に比べて遜色のない優れた接合性(拡散接合性、ろう付け性)を有する。
放熱部品用銅合金板は、拡散接合又はろう付け前に、プレス成形、打抜き加工、切削、エッチングなどにより、例えばベーパーチャンバーの筐体部品に加工される。銅合金板は、前記加工に際しての搬送及びハンドリングにおいて容易に変形しない強度を有し、前記加工が支障なく実行できる機械的特性を有することが好ましい。より具体的には、本発明に係る銅合金板は、0.2%耐力が100MPa以上、伸びが5%以上、及び優れた曲げ加工性を有することが好ましい。これらの特性は、本発明の組成を有する銅合金板で比較的容易に達成できる。なお、これらの特性を有していれば、銅合金板の調質は問題にならない。例えば熱処理上がり、熱処理上がり材を冷間圧延したものなど、いずれも使用可能である。
【0021】
ベーパーチャンバーの筐体部品に加工された銅合金板は、高温加熱(拡散接合又はろう付け時の加熱)を経て、ベーパーチャンバーの筐体に仕上げられる。拡散接合とろう付けでは前記高温加熱の加熱条件が異なるが、本発明では、前記高温加熱を650℃〜1050℃程度で行う場合を想定している。
本発明に係る銅合金板は、850℃で30分加熱後水冷した後の強度(0.2%耐力)が50MPa以上、導電率が70%IACS以上である。850℃で30分の加熱は、ベーパーチャンバーの筐体の製造における接合プロセス(拡散接合、ろう付け)を想定した加熱条件である。本発明に係る銅合金板を用いたベーパーチャンバーの筐体は、無酸素銅板に比べて強度が高く、ヒートシンク、半導体装置へ取り付け、又はPC筐体等に組み込む際に、変形を防止できる。また、本発明に係る銅合金板は、高温加熱後の強度が無酸素銅板に比べて高いため、薄肉化(0.1〜1.0mm厚)することができ、そのことによりベーパーチャンバーの放熱性能を高め、無酸素銅板と比べた場合の導電率の低下分を補うことができる。
なお、本発明に係る銅合金板は、高温加熱の温度が850℃未満(650℃以上)又は850℃超(1050℃以下)であっても、50MPa付近又はそれ以上の0.2%耐力、及び70%IACS付近又はそれ以上の導電率を達成できる。
【0022】
本発明に係る銅合金板を用いて製造されたベーパーチャンバーは、必要に応じて、耐食性及びはんだ付け性の向上を主目的として、少なくとも外表面の一部にSn被覆層が形成される。Sn被覆層には、電気めっき、無電解めっき、あるいはこれらのめっき後、Snの融点以下又は融点以上に加熱して形成されたものが含まれる。Sn被覆層には、Sn金属とSn合金が含まれ、Sn合金としては、Sn以外に合金元素としてBi,Ag,Cu,Ni,In,Znのうち1種以上を合計で5質量%以下含むものが挙げられる。
【0023】
Sn被覆層の下に、Ni,Co,Fe等の下地めっきを形成することができる。これらの下地めっきは、母材からのCuや合金元素の拡散を防止するバリアとしての機能、及び放熱部品の表面硬さを大きくすることによる傷つき防止の機能を有する。前記下地めっきの上にCuをめっきし、さらにSnをめっき後、Snの融点以下又は融点以上に加熱する熱処理を行ってCu−Sn合金層を形成し、下地めっき、Cu−Sn合金層及びSn被覆層の3層構成とすることもできる。Cu−Sn合金層は、母材からのCuや合金元素の拡散を防止するバリアとしての機能、及び放熱部品の表面硬さを大きくすることによる傷つき防止の機能を有する。
【0024】
また、本発明に係る銅合金板を用いて製造されたベーパーチャンバーは、必要に応じて、少なくとも外表面の一部にNi被覆層が形成される。Ni被覆層は、母材からのCuや合金元素の拡散を防止するバリア、放熱部品の表面硬さを大きくすることによる傷つき防止、及び耐食性を向上させる機能を有する。
【0025】
[銅合金板の製造方法]
本発明に係る銅合金板は、通常の固溶強化型銅合金板と同様、溶解、鋳造、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、熱処理の工程により、製造することができる。熱処理は、バッチ炉又は連続熱処理炉により行うことができる。バッチ炉により熱処理する場合は、銅合金板材の実体温度が350〜600℃に到達後0.5〜4時間保持する条件が望ましい。連続熱処理炉により熱処理する場合は、炉内雰囲気温度を450〜700℃の雰囲気とし、連続通板すればよい。これらの熱処理により、銅合金板材は回復又は再結晶し、所定の強度と伸び及び優れた曲げ加工性を備えるようになる。
冷間圧延−熱処理の後、必要に応じて冷間圧延を行い、さらに必要に応じてひずみ取り焼鈍を行なうことができる。
以上の製造方法により、0.2%耐力が100MPa以上、伸びが5%以上で優れた曲げ加工性を有し、かつ優れた接合性を有する放熱部品用銅合金板を製造できる。また、製造された銅合金板は、850℃で30分加熱後冷却したとき、50MPa以上の0.2%耐力、及び70%IACS以上の導電率を有する。
【実施例】
【0027】
表1に示す組成の銅合金を真空雰囲気中で溶解・鋳造し、それぞれ厚さ60mm、幅200mm、長さ80mmの鋳塊を作製した。表1のNo.1(無酸素銅)では、不可避不純物であるHは0.6ppm、Oは7ppm、S、Pb、Bi、Sb、Se、Asは合計で6ppmであった。No.1以外の銅合金では、不可避不純物であるHは1ppm未満、Oは15ppm未満、S、Pb、Bi、Sb、Se、Asは合計で15ppm未満であった。
【0028】
【表1】
【0029】
各鋳塊に対し900℃で1時間の均熱処理を行い、続いて熱間圧延を行って板厚20mmの熱間圧延材(幅200mm)とし、650℃以上の温度から水冷し、水冷後の熱間圧延材の両面を1mmずつ面削した(厚さ18mm)。面削後の材料を、厚さ14.7mmまで冷間圧延した。冷間圧延材(厚さ14.7mm)の一部を取り置き、これを供試材として、下記要領で拡散接合性の測定を行った。
【0030】
冷間圧延材(厚さ14.7mm)の残部に対し、さらに冷間圧延を行って板厚0.4mmとし、続いて400℃×2時間の熱処理を行い、さらに板厚0.3mmまで冷間圧延を行った(加工率:25%)。その後硝石炉により250℃で15秒間(No.1)又は300℃で20秒間(No.2〜27)の熱処理を行い、放熱部品用銅板(No.1)及び銅合金板(No.2〜27)を製造した。この銅板及び銅合金板を供試材として、下記要領でろう付け性及び機械的特性の測定を行った。
また、前記銅板及び銅合金板(板厚0.3mm)を、850℃で30分間加熱後水冷し、これを供試材として、下記要領で導電率及び機械的特性の測定を行った。
各測定結果を表2に示す。
【0031】
[拡散接合性]
拡散接合性の指標として、拡散接合強度の素材強度比(拡散接合強度を素材強度で除したもの)を求めた。拡散接合強度、素材強度、及び拡散接合強度の素材強度比は以下の手順で求めた。
(拡散接合強度)
(1)No.1〜25の各供試材から14.7mm×70mm×30mmのブロックを切出し、400℃×2時間の熱処理を行った後、板厚11mmまで冷間圧延を行った(加工率25%)。なお、この熱処理条件及び最終冷間圧延の加工率は、板厚0.3mmに冷間圧延した供試材(放熱部品用銅板及び銅合金板)の熱処理条件及び最終冷間圧延の加工率と同じである。
(2)各ブロックから、直径10mm、長さ30mmの円柱形の試験片を6個ずつ作製した。この試験片の長手方向は圧延方向に平行である。
(3)各試験片の一方の端面(直径10mmの面)をエメリー紙で研磨した後、バフ研磨し、前記端面の表面粗さを、概ね、最大高さRz:0.8μm、算術平均粗さRa:0.06μmとなるように調整した。
(4)拡散接合試験装置は、チャンバー内の真空引き、ガス置換、昇温、端面を突き合わせた試験片同士の加圧、及び加圧状態の保持が可能な試験装置である。装置内に研磨した端面同士を対向させた試験片(2個で1組)を入れ、装置内を真空排気する。
(5)真空度が2×10−2Paに到達後、平均昇温速度100℃/minで昇温し、試験片温度が850℃に到達後、端面同士を圧力4MPaで突合せ、30分保持する。次いで装置内にNガスを導入し、加圧したままで200℃まで冷却した(平均冷却速度約20℃/分)。200℃に到達後、装置から拡散接合された試験片(接合試験片)を取り出した。
(6)接合試験片は、各供試材ごとに3個ずつ作製した。各接合試験片から全長60mm、平行部直径6mm、平行部長さ30mm、つかみ部直径10mm、つかみ部長さ各10mmの引張試験片を作製した。この引張り試験片に対して室温で引張試験を行い、引張強さを測定し、3個の接合試験片の引張強さの最小値を拡散接合強度とした。
【0032】
(素材強度)
(1)No.1〜25の各供試材から、14.7mm×40mm×60mmのブロックを切出し、400℃×2時間の熱処理を行った後、板厚11mmまで冷間圧延を行った(加工率25%)。この熱処理条件及び最終冷間圧延の加工率は、板厚0.3mmに冷間圧延した供試材(放熱部品用銅板及び銅合金板)の熱処理条件及び最終冷間圧延の加工率と同じである。
(2)各ブロックから、全長60mm、平行部直径6mm、平行部長さ30mm、つかみ部直径10mm、つかみ部長さ各10mmの引張試験片を3個ずつ作製した。引張試験片の長手方向は圧延方向に平行である。
(3)各引張試験片を、熱処理装置内に入れ、真空度下(2×10−2Pa)で、平均昇温速度100℃/minで昇温し、試験片温度が850℃に到達後、30分保持した。次いで装置内にNガスを導入して200℃まで冷却し(平均冷却速度約20℃/分)、200℃に到達後、装置から引張試験片を取出した。この熱処理条件は、拡散接合強度の測定で行った拡散接合時の加熱冷却条件と、加圧力を加えない点を除いて同じである。
(4)各試験片を用い、JISZ2241の規定に準拠し、室温にて引張試験を行った。その結果得られた引張強さ(3個の平均値)を、それぞれの素材強度とした。
【0033】
(拡散接合強度の素材強度比)
両試験結果から、拡散接合強度の素材強度比(拡散接合強度を素材強度で除したもの)を求めた。この値を放熱部品用銅板及び銅合金板の拡散接合強度の素材強度比とみなし、この値が0.95以上を合格とした。
引張り試験後の破面をSEM(走査型電子顕微鏡)により観察すると、合格材においては、全面がディンプルに覆われ、典型的な延性破面を呈している。これは、突き合わせた試験材の端面同士が拡散接合により一体化したことを示している。一方、不合格材の破面においては、ディンプルの面積比が少なく、拡散接合による一体化が十分発生しなかったことを示している。また、不合格材の場合、拡散接合試験後、拡散接合装置内部を装置外から観察できるように設けた石英ガラスの窓の内面側に、半透明の付着物が見られた。この付着物をEPMA(電子プローブマイクロアナライザ)により分析したところ、試験片の材料に含まれるZn、Mgが検出された。これらの事実から、不合格材においては、拡散接合時の高温加熱により試験片の表面よりZn、Mgが蒸発し、蒸発の圧力により直接的に、又は蒸発した元素が試験材の接合端面に酸化物となって付着し、端面における拡散接合が妨げられたものと推側される。
【0034】
[ろう付け性]
ろう付け性は、ろうの濡れ広がり試験で測定した。
供試材を酸洗して酸化膜を除去した後、各冷間圧延材から、正方形(50mm×50mm)の試験片を切り取り、#2000エメリー紙研磨、及びバフ研磨して表面粗さRa:0.07μmに調整し、さらに溶剤脱脂及び電解脱脂を行った。ろう材は、直径2mmのBCuP−2(Cu−7質量%P)を用い、これを質量0.38gの長さ(長さ15mm相当)に切り出して使用した。試験片上にろう材を載せて真空炉に入れ、室温において圧力10−3Paの真空雰囲気にした後、この真空雰囲気を保って840℃に加熱した(平均昇温速度100℃/分)。試験片の温度が840℃に到達後30秒間保持し、次いで室温まで冷却し(200℃までの平均降温速度20℃/分)、試験片を炉から取出した。試験片上のろうをCCDカメラVHX−600(株式会社キーエンス製)により観察し、同カメラに内蔵されている画像解析装置により、ろうの広がった部分とそれ以外の部分を2値化して識別し、ろうの濡れ広がり面積を求めた。濡れ広がり面積が5cm以上のものを合格とした。
不合格材においては、拡散接合試験と同様に、高温加熱により試験材の表面よりZn、Mgが蒸発し、蒸発の圧力により直接的に、又は蒸発した元素が試験片の表面に酸化物となって付着することにより、ろうの濡れ広がりが妨げられたものと推側される。
【0035】
[機械的特性]
供試材から、長手方向が圧延平行方向となるようにJIS5号引張り試験片を切り出し、JIS−Z2241に準拠して引張り試験を実施して、耐力及び伸びを測定した。耐力は永久伸び0.2%に相当する引張強さである。
[曲げ加工性]
曲げ加工性の測定は、伸銅協会標準JBMA−T307に規定されるW曲げ試験方法に従い実施した。各供試材から幅10mm、長さ30mmの試験片を切り出し、R/t=0.5となる冶具を用いて、G.W.(Good Way(曲げ軸が圧延方向に垂直))の曲げを行った。次いで、曲げ部における割れの有無を100倍の光学顕微鏡により目視観察し、割れの発生がないものを○(合格)と評価した。
[導電率]
導電率の測定は,JIS−H0505に規定されている非鉄金属材料導電率測定法に準拠し,ダブルブリッジを用いた四端子法で行った。
【0036】
【表2】
【0037】
表1,2に示すように、無酸素銅からなるNo.1(従来材)は、拡散接合強度の素材強度比が高く、ろう濡れ広がり面積が大きく、拡散接合性及びろう付け性が優れる。拡散接合において石英窓の曇りも見られない。また、No.1の850℃×30分加熱後の特性は、導電率が高く(102%IACS)、0.2%耐力が極度に低い(38MPa)。
一方、合金組成が本発明の規定範囲内であるNo.3〜7、9〜11、13〜15、17〜19、21、22、26、27は、拡散接合強度の素材強度比が95%以上、ろう濡れ広がり面積が5.0cm以上で、従来材であるNo.1に遜色のない拡散接合性及びろう付け性を有する。拡散接合において石英窓の曇りも見られない。また、850℃で30分加熱後の特性は、0.2%耐力が50MPa以上と従来材であるNo.1に比べて相当に高く、導電率が70%IACS以上である。
【0038】
これに対し、合金組成が本発明の規定範囲外であるNo.2,8,12,16,20,23〜25は、拡散接合強度の素材強度比(拡散接合性)、ろう濡れ広がり面積(ろう付け性)、850℃で30分加熱後の0.2%耐力又は導電率のいずれか1つ以上の特性が劣る。
No.2は、Mg含有量が不足するため、850℃×30分加熱後の0.2%耐力が50MPaに達しない。
No.8は、Mg含有量が過剰なため、拡散接合性及びろう付け性が劣り、拡散接合において石英窓の曇りが発生した。また、850℃×30分加熱後の導電率が低い。
No.12は、Zn含有量が過剰なため、拡散接合性及びろう付け性が劣り、拡散接合において石英窓の曇りが発生した。
No.16は、P含有量が過剰なため、850℃×30分加熱後の導電率が低い。
No.20は、Zn含有量が過剰なため、拡散接合性及びろう付け性が劣り、拡散接合において石英窓の曇りが発生した。また、P含有量が過剰なため、850℃×30分加熱後の導電率が低い。
No.23は、P含有量が過剰なため、850℃×30分加熱後の導電率が低い。850℃で30分加熱後冷却した場合の導電率が58%IACSと低い。
No.24は、その他元素(Al、Si、Mn)の合計含有量が過剰なためため、850℃×30分加熱後の導電率が低い。また、拡散接合性及びろう付け性が劣る。これは、850℃×30分加熱したとき、Al、Si、Mnが板表面で酸化し、接合を妨げたためと推測される。
No.25は、その他元素(Fe、Sn)の合計含有量が過剰なため、850℃×30分加熱後の導電率が低い。
【符号の説明】
【0039】
1,2 板部材
図1