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特開2022-100959アルミニウム合金圧延材およびその製造方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022100959
(43)【公開日】2022-07-06
(54)【発明の名称】アルミニウム合金圧延材およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
   C22C 21/02 20060101AFI20220629BHJP
   C22F 1/043 20060101ALI20220629BHJP
   C22F 1/00 20060101ALN20220629BHJP
【FI】
C22C21/02
C22F1/043
C22F1/00 623
C22F1/00 630A
C22F1/00 630J
C22F1/00 630K
C22F1/00 650E
C22F1/00 650F
C22F1/00 661Z
C22F1/00 682
C22F1/00 683
C22F1/00 685Z
C22F1/00 686A
C22F1/00 691B
C22F1/00 691C
C22F1/00 694A
C22F1/00 694B
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020215266
(22)【出願日】2020-12-24
(71)【出願人】
【識別番号】521407924
【氏名又は名称】堺アルミ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109911
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 義仁
(74)【代理人】
【識別番号】100071168
【弁理士】
【氏名又は名称】清水 久義
(74)【代理人】
【識別番号】100099885
【弁理士】
【氏名又は名称】高田 健市
(72)【発明者】
【氏名】山ノ井 智明
(72)【発明者】
【氏名】久幸 晃二
(72)【発明者】
【氏名】吉田 勝起
(72)【発明者】
【氏名】角 和繁
(57)【要約】
【課題】低い熱膨張係数と高い熱伝導率を有するアルミニウム合金圧延材を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金圧延材は、化学組成が、Si:16~24質量%、Fe:2.2~6.0質量%、Cu:0.01~0.2質量%、Mn:0.01~0.2質量%、Mg:0.01~0.2質量%、Zn:0.002~0.1質量%、Ti:0.01~0.2質量%、Ni:0.8~2.8質量%、Ga:0.01~0.5質量%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金からなり、熱膨張係数αが16×10-6/K≦α≦19×10-6/Kであり、熱伝導率λが200W/m・K以上である。
【選択図】 なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
化学組成が、Si:16~24質量%、Fe:2.2~6.0質量%、Cu:0.01~0.2質量%、Mn:0.01~0.2質量%、Mg:0.01~0.2質量%、Zn:0.002~0.1質量%、Ti:0.01~0.2質量%、Ni:0.8~2.8質量%、Ga:0.01~0.5質量%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金からなり、
熱膨張係数αが16×10-6/K≦α≦19×10-6/Kであり、熱伝導率λが200W/m・K以上であることを特徴とするアルミニウム合金圧延材。
【請求項2】
さらに、P:0.005~0.06質量%を含有し、Naが0.003質量%以下、Caが0.003質量%以下、Srが0.003質量%以下に規制されている請求項1記載のアルミニウム合金圧延材。
【請求項3】
さらに、Cr:0.001~0.1質量%、V:0.001~0.03質量%、B:0.0002~0.01質量%、Zr:0.0002~0.02質量%を含有する請求項2に記載のアルミニウム合金圧延材。
【請求項4】
さらにPb:0.01~0.6質量%、Bi:0.01~0.6質量%、Sn:0.01~0.6質量%の1種以上を含有する請求項1~3のいずれかに記載のアルミニウム合金圧延材。
【請求項5】
さらに、Sb:0.005~0.3質量%を含有し、Inが0.004質量%以下に規制されていることを特徴と請求項4に記載のアルミニウム合金圧延材。
【請求項6】
請求項1~5のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金鋳塊から圧延材を作製する工程において、
前記アルミニウム合金鋳塊を460℃~550℃で1時間~20時間保持する均質化処理工程と、
前記アルミニウム合金鋳塊を470℃~540で0.5時間~10時間保持する予備加熱工程と、
前記予備加熱を施したアルミニウム合金鋳塊に対し、熱間で、複数パスにより圧下率95%~99.5%の圧延を行う熱間圧延工程と、
前記熱間圧延後の熱間圧延材に、冷間で、複数パスにより圧下率30%~98.5%の圧延を行う冷間圧延工程
を含むことを特徴とするアルミニウム合金圧延材の製造方法。
【請求項7】
前記冷間圧延工程において、少なくとも1回のパスの前または後に、材料を260℃~400℃で0.5時間~10時間保持する熱処理を行う請求項6に記載のアルミニウム合金圧延材の製造方法。
【請求項8】
前記冷間圧延工程後の圧延材に、150℃~240℃で1時間~20時間保持する熱処理を行う請求項6または7に記載のアルミニウム合金圧延材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、回路基板やパワーモジュール等の発熱体を搭載する金属ベース基板に好適に用いられるアルミニウム合金圧延材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、自動車の電装化や各種電源回路の高能率化ニーズを受けた電子部品・電子回路の飛躍的発達に伴い、半導体素子、特に電力用半導体(パワーデバイス)や、各種照明器具、自動車のヘッドランプやリアランプ等の光源となる発光ダイオード(LED)を搭載する回路にメタルベースプリント基板が多用されるようになってきた。
【0003】
このような用途に用いられるメタルベースプリント基板は金属の上に絶縁層を重ね、さらにその上に回路を構成する導体である銅箔を貼り合わせるのが、標準的な構成となっている。
【0004】
特に近年、LED素子を搭載した照明用途のアルミベースプリント基板は、LEDの発光による発熱を拡散させることで長寿命化を図ることができるため需要が高まっている。また、アルミベースプリント基板は、照明用LED搭載基板以外でも電力用半導体素子の性能の安定化、基板温度低減によるその他の電子部品の熱によるダメージからの保護等のメリットが得られることが知られている。
【0005】
このベースとなる金属には銅またはアルミが使われている。このうち軽量化を目的としてアルミ合金の検討が進んでいるが、アルミニウムベースとした場合、絶縁層を挟んで回路を構成する銅箔との熱膨張係数の差によって発生する基板の反りや冷熱サイクルによって発生する回路銅箔の断線や銅箔と素子を接合するハンダ部におけるクラック発生等が生じやすいという課題がある。特に近年の電子部品の高密度実装に伴う回路の精細化や高発熱部品の増加による極端な冷熱サイクル部位の存在により、上記課題の解決がより重要となってきている。
【0006】
このような用途に対し、JIS1100、1050、1070等の純アルミニウム合金は熱伝導性に優れるが、銅との熱膨張係数の差が大きく、かつ強度が低いことによる反りの発生の課題がある。一方、高強度材として知られるJIS5052等のAl-Mg系合金(5000系合金)は、強度は高いが回路を構成する銅箔との熱膨張係数の差が大きいため、前述するハンダ部のクラック発生の可能性の面で不利である。また、熱伝導率が純アルミニウムより低いため放熱特性に劣る。また、Al-Si系合金(4000系合金)を用いて銅箔との熱膨張係数の差を小さくする試みも検討されているが、上記課題を十分に満足させるものではなく、またプリント配線基板製造時のドリル加工性についても必ずしも満足させるものにはなっていないのが現状である。
【0007】
例えば、特許文献1には、Siを3~20%含有し、さらにFeを0.05~2.0%、Mgを0.05~2.0%、Cuを0.05~6.0%、Mnを0.05~2.0%、Niを0.05~3.0%、Crを0.05~0.3%、Vを0.05~0.3%、Zrを0.05~0.3%、Zn1.0%を超え7.0%以下のうち1種または2種以上を含有し、残部がAlと不純物からなるAl基合金素地板の少なくとも表面層に平均粒径5μm以下の共晶Si粒子またはそれと最大粒径15μm以下の初晶Si粒子が分散含有し、かつ該素地板の両面には厚さ5μm以上の陽極酸化皮膜が形成されてなることを特徴とするAl基プリント配線板が開示されている。
【0008】
特許文献2ならびに特許文献3には、両面クラッド材の芯材として、Si:5~30質量%を含有し、残部がAlおよび不純物からなり、さらにFe:1質量%以下、Ni:1質量%以下、Cu:0.3質量%以下、P:0.1質量%以下、B:0.05質量%以下、Mn:0.2質量%以下、Zn:0.2質量%以下からなる熱膨張係数が低くかつ加工性に優れたクラッド材およびプリント配線基板が開示されている。
【0009】
特許文献4には、リン酸電解浴中で陽極酸化処理を施すプリント回路用配線基板にAl-Mg系(5052合金)、Al-Mg-Si系合金を用いるプリント配線基板及びその製造方法が開示されている。
【0010】
特許文献5には、250℃を上回る温度範囲に成形温度を持つ高耐熱性樹脂で形成したアルミベース回路基板にMn:0.05~1.0重量%、Mg:3.5~5.6重量%、Cr:0.05~0.25重量%を含有するアルミ合金が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開平6-41667号公報
【特許文献2】特開2006-328530号公報
【特許文献3】特開2007-302939号公報
【特許文献4】特開2006-24906号公報
【特許文献5】特開2015-88612号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
しかしながら、特許文献1では低熱膨張係数のAl-Si系合金を選択して共晶Si粒子や初晶Si粒子のサイズや分散度について検討し、かつ陽極酸化皮膜を改良して絶縁接着剤層との表面密着性を向上させているものの、ドリル・ルーター加工に対する被削性については検討されていない。
【0013】
特許文献2は、特許文献1において課題となっている表面密着性を両面クラッドによって解決しようとしたものであり、皮材となるアルミニウム合金に純アルミ系またはAl-Mn系を用いているが、クラッド工程を含むため工程が複雑となり製造コスト面で不利となっている。
【0014】
特許文献3は、特許文献2と同様に表面密着性を両面クラッドによって解決しようとしたものであり、皮材となるアルミニウム合金にAl-Mg-Si系を用いて密着性に加え表面硬度アップを狙っているが、やはりクラッド工程を含むため工程が複雑となり製造コスト面で不利となっている。
【0015】
特許文献4は、陽極酸化皮膜の特性改善を詳細に検討し、樹脂製絶縁材に対し安定した接着性を得ると共に接着性を向上させることを狙いとしているが、アルミニウム基材がAl-Mg系またはAl-Mg-Si系であり、銅箔との熱膨張による課題は解決されていない。
【0016】
特許文献5には、高耐熱性の絶縁層をその耐熱温度以上の焼鈍温度を持つ高強度アルミニウムと積層成形することでアルミニウムの軟化による平面度の低下を防止しさらにパワーモジュールなどの用途として高い温度環境下での耐熱性を確保することが開示されているが、銅箔との熱膨張による課題は解決出来ていない。
【0017】
上記のように、アルミニウム基板の課題となっている銅箔との熱膨張差、放熱性、表面密着性、被削性を備えるアルミニウム合金板を得ることは非常に困難である。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明は、上述した技術背景に鑑み、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を有するアルミニウム合金圧延材を提供することを目的とする。
【0019】
そして、本発明者らは鋭意研究の結果、アルミニウム合金圧延材の組成と製造工程を検討することで、回路を構成する銅箔との熱膨張係数の差によって発生する基板の反りや冷熱サイクルによって発生する回路銅箔の断線、銅箔と素子を接合するハンダ部におけるクラック発生の可能性を低減し、かつドリル・ルーター加工に対する被削性を確保しながら、放熱性に優れたアルミニウム合金圧延材が得られることを見出し、本発明に至った。
【0020】
即ち、本発明は下記[1]~[8]に記載の構成を有する。
【0021】
[1]化学組成が、Si:16~24質量%、Fe:2.2~6.0質量%、Cu:0.01~0.2質量%、Mn:0.01~0.2質量%、Mg:0.01~0.2質量%、Zn:0.002~0.1質量%、Ti:0.01~0.2質量%、Ni:0.8~2.8質量%、Ga:0.01~0.5質量%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金からなり、
熱膨張係数αが16×10-6/K≦α≦19×10-6/Kであり、熱伝導率λが200W/m・K以上であることを特徴とするアルミニウム合金圧延材。
【0022】
[2]さらに、P:0.005~0.06質量%を含有し、Naが0.003質量%以下、Caが0.003質量%以下、Srが0.003質量%以下に規制されている前項1記載のアルミニウム合金圧延材。
【0023】
[3]さらに、Cr:0.001~0.1質量%、V:0.001~0.03質量%、B:0.0002~0.01質量%、Zr:0.0002~0.02質量%を含有する前項2に記載のアルミニウム合金圧延材。
【0024】
[4]さらにPb:0.01~0.6質量%、Bi:0.01~0.6質量%、Sn:0.01~0.6質量%の1種以上を含有する前項1~3のいずれかに記載のアルミニウム合金圧延材。
【0025】
[5]さらに、Sb:0.005~0.3質量%を含有し、Inが0.004質量%以下に規制されていることを特徴とする前項4に記載のアルミニウム合金圧延材。
【0026】
[6]前項1~5のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金鋳塊から圧延材を作製する工程において、
前記アルミニウム合金鋳塊を460℃~550℃で1時間~20時間保持する均質化処理工程と、
前記アルミニウム合金鋳塊を470℃~540で0.5時間~10時間保持する予備加熱工程と、
前記予備加熱を施したアルミニウム合金鋳塊に対し、熱間で、複数パスにより圧下率95%~99.5%の圧延を行う熱間圧延工程と、
前記熱間圧延後の熱間圧延材に、冷間で、複数パスにより圧下率30%~98.5%の圧延を行う冷間圧延工程
を含むことを特徴とするアルミニウム合金圧延材の製造方法。
【0027】
[7]前記冷間圧延工程において、少なくとも1回のパスの前または後に、材料を260℃~400℃で0.5時間~10時間保持する熱処理を行う請求項6に記載のアルミニウム合金圧延材の製造方法。
【0028】
[8]前記冷間圧延工程後の圧延材に、150℃~240℃で1時間~20時間保持する熱処理を行う請求項6または7に記載のアルミニウム合金圧延材の製造方法。
【発明の効果】
【0029】
上記[1]に記載のアルミニウム合金圧延材は、その化学組成に基づいて低い熱膨張係数と高い熱伝導率を兼ね備えている。
【0030】
上記[2][3]に記載のアルミニウム合金圧延材によれば、さらに低い熱膨張係数と高い熱伝導率を備え、かつ結晶粒の微細化による強度向上効果が得られる。
【0031】
上記[4][5]に記載のアルミニウム合金圧延材によれば、ドリル加工性が改善される。
【0032】
上記[6]に記載のアルミニウム合金圧延材の製造方法によれば、低い熱膨張係数と高い熱伝導率を兼ね備えたアルミニウム合金圧延材を作製することができる。
【0033】
上記[7]に記載のアルミニウム合金圧延材の製造方法によれば、アルミニウム合金圧延材の機械的性質、特に伸びを改善させるとともに導電率を向上させることができる。
【0034】
上記[8]に記載のアルミニウム合金圧延材の製造方法によれば、アルミニウム合金圧延材の機械的性質を改善させるとともに残留歪みを解消して反りの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための形態】
【0035】
本発明のアルミニウム合金圧延材は、合金の化学組成、熱膨張率および熱伝導率が規定されている。
[アルミニウム合金圧延材の化学組成]
(Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti、Ni、Ga)
アルミニウム合金圧延材は、必須元素として、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti、Ni、Gaを含有している。各元素の添加意義および含有量は以下のとおりである。また、残部はAlおよび不可避不純物である。
【0036】
Siはアルミニウム合金圧延材の熱膨張係数を低くするために必要な元素である。Si含有量が多くなるほど熱膨張係数は低くなる。本発明では、Si含有量は16質量%~24質量%とする。Si含有量が16質量%未満では所期する低い熱膨張係数を得ることができない。一方、Si含有量が24質量%を超えると、さらに低い熱膨張係数が得られるものの、Al-12.6質量%Siの共晶組成以上で溶解・鋳造時に晶出する初晶Siの発生量がさらに増加し、熱間圧延での圧延性が極めて低下するとともに、基板加工時のドリル・ルーター加工性に悪影響を及ぼす。さらにSi含有量は18質量%~22質量%であることが好ましく、特に19質量%~21質量%以下であることが一層好ましい。
【0037】
Feはアルミニウム合金圧延材の熱膨張係数を低下させる元素であり、結晶粒の微細化効果が期待できて強度向上に有効であり、また耐熱性を向上させる効果もあるが、多量に含有すると加工性が低下し熱間圧延、冷間圧延が困難となる。従って、Fe含有量は2.2質量%~6.0質量%とする。さらに3.5質量%~5.5質量%であることが好ましく、特に4.0質量%~5.0質量%以下であることが一層好ましい。
【0038】
Cuはアルミニウム合金圧延材の強度向上に有効な元素であるが、多量に含有すると耐食性が低下する。また、多量に含有すると熱間圧延時の加工性が著しく低下すると共に製品加工時の熱伝導率が低下し放熱性に悪影響を及ぼす。従って、Cu含有量の範囲は0.01~0.2質量%とする。さらに0.05質量%~0.15質量%であることが好ましく、特に0.08質量%~0.12質量%であることが一層好ましい。
【0039】
Mnは再結晶粒の微細化のために一般的に添加される合金元素であるが、必要以上に添加すると熱伝導率の低下を招く。従って、Mnの含有量は0.01~0.2質量%とする。さらに0.02質量%~0.18質量%であることが好ましく、特に0.03質量%~0.15質量%であることが一層好ましい。
【0040】
Mgはアルミニウムに固溶することで強度向上に寄与する元素である。しかしながら本発明では製品加工時の熱伝導率を低下させ放熱性に悪影響を及ぼす要因となる。従って、Mgの含有量は0.01~0.2質量%とする。さらに0.02質量%~0.18質量%であることが好ましく、特に0.03質量%~0.15質量%であることが一層好ましい。
【0041】
ZnはMgと共存させることで強度向上に有効あることが知られているが、含有量が多くなると合金材の耐食性を低下させ、またアルミニウムの熱膨張係数を大きくする元素である。従って、Znの含有量は0.002~0.1質量%以下とする。さらに0.008質量%~0.08質量%が好ましく、特に0.01質量%~0.06質量%であることが一層好ましい。
【0042】
Tiは、アルミニウム合金をスラブに鋳造する際に結晶粒を微細化する効果がある。しかしながら、多量に含有すると、サイズの大きい晶出物が多く生成するため、製品の加工性や熱伝導性が低下する。従って、Ti含有量は0.01~0.2質量%以下とする。さらに0.03質量%~0.15質量%が好ましく、特に0.06質量%~0.12質量%であることが一層好ましい。
【0043】
Niはアルミニウム合金圧延材の熱膨張係数を低下させる元素であり、強度向上に有効であり、また耐熱性を向上させる効果もあるが、多量に含有すると加工性が著しく低下し熱間圧延、冷間圧延が困難となる。従って、Ni含有量は0.8~2.8質量%とする。さらに1.1質量%~2.5質量%であることが好ましく、特に1.5質量%~2.1質量%であることが一層好ましい。
【0044】
Gaは結晶粒界や晶出物界面に偏析しやすい元素であり、硬質粒子を含む難削材のドリル・ルーター加工性の改善に有効な元素である。ただし、多量に含有すると熱間圧延、冷間圧延に表面割れを発生させ加工性を著しく低下させるとともに製品加工後の熱伝導率が低下し放熱性に悪影響を及ぼす。従って、Gaの含有量は0.01~0.5質量%とする。さらに0.05質量%~0.3質量%であることが好ましく、特に0.08質量%~0.2質量%であることが一層好ましい。
(P、Na、Ca、Sr)
アルミニウム合金圧延材は、さらにPを含有するとともに、Na、Ca、Srの含有量が制御される。これらの元素は主として鋳造時にアルミニウム合金溶湯から晶出する第二相粒子に影響を及ぼす元素であり、PおよびPとの共存下で制御される元素群である。各元素の添加意義または制御意義、および含有量は以下のとおりである。
【0045】
Pは初晶Siの微細化に効果があるが、Na、Ca、Srと共存するとその効果を著しく減じる。従って、本発明では初晶Si粒子の微細化を優先させ、P含有量は0.005~0.06質量%とする。さらに、0.01質量%~0.05質量%が好ましく、特に0.05質量%~0.04質量%であることが一層好ましい。
【0046】
Naは共晶Si粒子の微細化に効果的な元素である。ただし、Pと共存するとその効果を著しく減じる。従って、本発明では初晶Si粒子の微細化を優先させるため、Na含有量は0.003質量%以下とする。さらに0.002質量%以下が好ましく、特に0.001質量%以下であることが一層好ましい。
【0047】
Caは共晶Si粒子の微細化に効果的な元素である。ただし、Pと共存するとその効果を著しく減じる。従って本発明では初晶Si粒子の微細化を優先させるため、Ca含有量は0.003質量%以下とする。さらに0.002質量%以下が好ましく、特に0.001質量%以下であることが一層好ましい。
【0048】
Srは共晶Si粒子の微細化に効果的な元素である。ただし、Pと共存するとその効果を著しく減じる。従って、本発明では初晶Si粒子の微細化を優先させるため、Sr含有量は0.003質量%以下とする。さらに0.002質量%以下が好ましく、特に0.001質量%以下であることが一層好ましい。
(Cr、V、B、Zr)
アルミニウム合金圧延材は、要すればさらに、Cr、V、B、Zrを含有する。これらの元素は主として結晶粒の微細化に影響を及ぼす元素であり、機械的性質の改善に有効な元素である。
【0049】
Crは強度向上ならびに結晶粒の微細化に有効な元素である。しかしながら多量に含有すると熱間圧延時の加工性が低下すると共に製品加工後の熱伝導率が著しく低下し放熱性に悪影響を及ぼす。従って、Cr含有量は0.001~0.1質量%とする。さらに0.002質量%~0.08質量%であることが好ましく、特に0.004質量%~0.06質量%であることが一層好ましい。
【0050】
Vは強度向上ならびに結晶粒の微細化に有効な元素である。しかしながら多量に含有すると熱間圧延時の加工性が低下すると共に製品加工後の熱伝導率が著しく低下し放熱性に悪影響を及ぼす。従って、V含有量の範囲は0.001~0.03質量%とする。さらに0.002質量%~0.02質量%であることが好ましく、特に0.004質量%~0.01質量%であることが一層好ましい。
【0051】
Zrは強度向上ならびに結晶粒の微細化に有効な元素である。しかしながら多量に含有すると熱間圧延時の加工性が低下すると共に製品加工後の熱伝導率が著しく低下し放熱性に悪影響を及ぼす。従って、Zr含有量の範囲は0.0002~0.03質量%とする。さらに0.005質量%~0.02質量%であることが好ましく、特に0.01質量%~0.01質量%であることが一層好ましい。
【0052】
Bは合金をスラブに鋳造する際に結晶粒を微細化する効果がある。しかしながら、多量に含有すると、硬質の晶出物が多く生成するため、製品の被削性を著しく低下させる。従って、B含有量は0.0002~0.01質量%以下とする。さらに0.001質量%~0.008質量%が好ましく、特に0.002質量%~0.01質量%であることが一層好ましい。
(Pb、Bi、Sn)
アルミニウム合金圧延材は、さらにPb、Bi、Snの1種以上を含有する。
【0053】
Pb、Bi、Snはアルミニウム中の固溶限が極めて低く、結晶粒界や晶出物界面に偏析しやすく、また融点がAlに比べて低いこともあり、硬質粒子を含む難削材のドリル・ルーター加工性の改善に有効な元素である。前記効果はPb、Bi、Snで共通であり、任意の1種以上の含有で達成される。勿論、2種または3種の含有させることもできる。ただし、多量に含有すると熱間圧延、冷間圧延に表面割れを発生させ加工性を低下させる。従って、Pb、Bi、Snの含有量は0.01~0.6質量%以下とする。さらに0.05質量%~0.2質量%が好ましく、特に0.03質量%~0.15質量%であることが一層好ましい。
(Sb、In)
アルミニウム合金圧延材は、上述したPb、Bi、Snの存在下で、さらにSbを含有するとともにInを規制する。
【0054】
Sbは、Pb、Bi、Snと共存することで硬質粒子を含む難削材のドリル・ルーター加工性の改善に有効な元素である。ただし、多量に含有すると熱間圧延、冷間圧延に表面割れを発生させ加工性を低下させる。従って、Sbの含有量は0.005~0.3質量%以下とする。さらに0.01質量%~0.2質量%以下が好ましく、特に0.08質量%~0.12質量%であることが一層好ましい。
【0055】
Inは耐食性を著しく低下させるため少ないことが好ましい。不可避不純物としてのIn含有量は0.004質量%以下であることが好ましく、さらに0.003質量%以下であることが好ましく、特に0.002質量%以下であることが一層好ましい。
[アルミニウム合金圧延材の熱膨張係数および熱伝導率]
アルミニウム合金圧延材は、アルミニウム合金組成を規定した上で、熱膨張係数αがおよび熱伝導率λが規定されている。熱膨張係数αが16×10-6/K≦α≦19×10-6/Kであり、熱伝導率λが200W/m・K以上である。特に好ましい熱膨張係数αは16.8×10-6/K≦α≦18.5×10-6/Kであり、特に好ましい熱伝導率λは202W/m・K以上である。熱膨張係数と熱伝導率を上記範囲に規定することにより、アルミニウム合金圧延材を配線基板に用いた際に銅箔との熱膨張係数の差によって発生する基板の反りや冷熱サイクルによって発生する銅箔と素子を接合するハンダ部におけるクラック等を抑止し、かつドリル・ルーター加工に対する被削性を確保しながら、優れた放熱性が得られる。
【0056】
また、アルミニウム合金圧延材の導電率σはσ≧17%IACSであることが好ましく、さらに18%IACS以上が好ましく、19%IACS以上であればなお一層好ましい。
[アルミニウム合金圧延材の製造方法]
上述した本発明のアルミニウム合金圧延材、即ち所期する熱膨張係数αおよび熱伝導率λを有する圧延材は、例えば、所定組成のアルミニウム合金鋳塊から圧延材を作製する工程において、所定の熱処理を行い、所定の条件で熱間圧延および冷間圧延を実施することによって得ることができる。以下に各工程について詳述する。
(アルミニウム合金鋳塊)
常法にて溶解成分調整し、アルミニウム合金鋳塊を得る。
(均質化処理工程)
前記均質化処理はアルミニウム合金鋳塊中に固溶する元素濃度を均一にするために実施するが、処理温度が高すぎると共晶融解が生じるため、460℃~550℃で行うことが好ましく、特に470℃~540℃で行うことが好ましい。処理時間(保持時間)は1時間~20時間が好ましく、特に2時間~15時間が好ましい。
【0057】
一般に、アルミニウム合金鋳塊を圧延する場合は鋳塊の表面近傍の不純物層を除去するために面削を行う。上述した均質化処理は、面削前、面削後のどちらの時期に行ってもよい。
(予備加熱工程)
アルミニウム合金鋳塊は、圧延に供する前に予備加熱を行う。予備加熱はアルミニウム合金鋳塊を470℃~540℃で0.5時間~10時間保持することにより行う。さらに好ましい条件は、490℃~530℃で1時間~8時間である。
【0058】
なお、前記均質化処理の処理条件と予備加熱の処理条件は一部が重複しているので、重複する条件において1回の熱処理を行い、この熱処理で均質化処理と予備加熱の両方を兼ねることができる。
(熱間圧延工程)
予備加熱を施したアルミニウム合金鋳塊に、複数パスにより、圧下率95%~99.5%の熱間圧延を行う。
【0059】
熱間圧延は粗熱間圧延と仕上げ熱間圧延からなり、粗熱間圧延機を用い複数のパスからなる粗熱間圧延を行った後、粗熱間圧延機とは異なる仕上げ熱間圧延機を用いて仕上げ熱間圧延を行う。なお、本発明において、粗熱間圧延機での最終パスを熱間圧延の最終パスとする場合は、仕上げ熱間圧延を省略することができる。
【0060】
後述の冷間圧延をコイルで実施する場合には、仕上げ熱間圧延後のアルミニウム合金圧延材を巻き取り装置で巻き取って熱延コイルとすればよい。仕上げ熱間圧延を省略し、熱間粗圧延の最終パスを熱間圧延の最終パスとする場合は、熱間粗圧延の後、アルミニウム合金圧延材を巻き取り装置にて巻き取って熱延コイルとしてもよい。
【0061】
熱間粗圧延では、熱間粗圧延の各パスの目標板厚構成とクーラント量やロール回転速度、パス間の冷却等による温度コントロールにより、所定のシートクラウンを有し、かつ難加工材に比較的発生しやすい圧延端部割れ(以下、耳割れ)や圧延表面欠陥のないアルミニウム合金圧延材を得ることができる。
【0062】
上記粗熱間圧延のパス間の冷却は、アルミニウム合金圧延材を圧延しながら圧延後の部位に対し順次実施してもよいし、アルミニウム合金圧延材全体を圧延した後実施してもよい。冷却の方法は限定されないが、水冷であっても空冷であってもよいし、クーラントを利用してもよい。
【0063】
本発明において、粗熱間圧延の最終パス後に仕上げ圧延を行わない場合は、熱間圧延の最終パス直後のアルミニウム合金圧延材の表面温度を熱延上り温度とし、粗熱間圧延の最終パス後に仕上げ圧延を行う場合は、仕上げ圧延直前のアルミニウム合金圧延材の表面温度を熱延上り温度とする。
【0064】
前記熱延上り温度は280℃以上とすることが好ましい。熱延上り温度を280℃以上とすることにより、圧延時の温度低下による耳割れを抑制することができる。なお、後工程の冷間圧延をコイルで実施するために熱間圧延後にコイル巻き取りを実施する際、温度が低くなりすぎると巻き取り張力によっては板幅端部の耳割れが進展しやすくなる。従って、コイル状に巻き取る場合で仕上げ熱間圧延を行わない場合には、上記のように熱間粗圧延最終パス上りのアルミニウム合金板の表面温度は280℃以上が好ましいが、熱間粗圧延後に熱間仕上げ圧延を行う場合は、板幅端部の耳割れ防止のため熱間仕上げ圧延後のアルミニウム合金板の表面温度を260℃以上とすることが好ましい。
(冷間圧延工程)
熱間圧延終了後、所定の厚さのアルミニウム合金圧延材を得るまで、複数パスにより冷間圧延を行う。冷間圧延を実施することにより一般に加工硬化にて強度は向上する。熱間圧延終了後、前記熱処理により時効硬化させたアルミニウム合金圧延材に冷間圧延を実施すると加工硬化による強度向上効果が期待できる。冷間圧延の総圧下率は所定の強度を得るために30%以上で実施されることが好ましい。冷間圧延によるアルミニウム合金圧延材の総圧延率はさらに40%以上が好ましく、特に50%以上が好ましい。総圧下率の上限は、加工硬化による伸びの低下を考慮し、98.5%以下とする。
【0065】
前記冷間圧延工程のパス前またはパス間にて、板幅端部の耳割れ部位をトリミングし、さらに冷間圧延を進めることで板破断を防ぐ工程を含めても良い。
(冷間圧延工程中または冷間圧延工程後の熱処理)
前記冷間圧延工程中および/または冷間圧延工程後に圧延材に熱処理を行うことが好ましい。
【0066】
冷間圧延工程中に行う熱処理、即ち中間熱処理は260℃~400℃で0.5時間~10時間の保持が好ましく、機械的性質、特に伸びを改善させるとともに導電率を向上させることができる。前記熱処理は、任意のパス前またはパス後に行い、複数のパスに対して行っても良い。熱処理の特に好ましい温度は280℃~380℃であり、300℃~370℃がなお一層好ましい。また、特に好ましい熱処理時間は1時間~9時間であり、2時間~8時間がなお一層好ましい。
【0067】
冷間圧延後の熱処理、即ち最終熱処理は150℃~240℃で1時間~20時間の保持が好ましい。前記冷間圧延によって圧延材に残留歪が残り板材に反りが発生する場合があるが、前記熱処理によって残留歪みを解消することができる。熱処理の特に好ましい温度は160℃~220℃であり、特に好ましい熱処理時間は5時間~20時間である。また、この熱処理は、平板の上に圧延材を設置し、上部から重しを乗せた平板にて挟み込んで矯正(加圧焼鈍)することがさらに有効である。
【0068】
上述したアルミニウム合金圧延材の製造方法は、コイルで行ってもよく、単板で行ってもよい。また、冷間圧延工程より後の任意の工程でアルミニウム合金圧延材を切断し切断後の工程を単板で行ってもよいし、用途に応じスリットして条にしても良い。また、所期する圧延材の特性を損なわない限り、他の工程を追加してもよい。例えば、冷間圧延後のアルミニウム合金圧延材に必要に応じて洗浄を実施しても良い。
【実施例0069】
以下に、本発明を実施例により説明する。なお、本発明は、ここに記述する実施例に発明の範囲を限定するものではなく、本発明の趣旨に適合しうる範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術範囲に含まれる。
【0070】
まず、表1の記号a~l(エル)の12種類の化学組成のアルミニウム合金スラブを鋳造し、得られたスラブの全面に面削を施し、厚さ400mm×幅750mm×長さ1500mmとした。12種類の化学組成のアルミニウム合金のうち、a~fは本発明の条件を満たし、g~l(エル)は本発明の条件から外れている。
【0071】
次に、面削した12種類のアルミニウム合金スラブに対して表2に示す10種類の条件1)~10)のいずれかを組み合わせて圧延材を作製した。a~l(エル)のアルミニウム合金と製造条件1)~10)の組み合わせは表3に示すとおりである。即ち、加熱炉中で表2記載の均質化処理を実施した後、同じ炉中で温度を降下させ、表2記載の熱間圧延前加熱温度に到達後に保持し(予備加熱)、表2記載の条件にて熱間圧延を実施し、表2記載の熱延上り温度、板厚の熱間圧延板を得た。仕上げ熱間圧延後の合金板に表2記載の中間熱処理、冷間圧延、最終熱処理を施し、所定の板厚(板厚:1.5mm)のアルミニウム合金圧延板を得た。
【0072】
熱間圧延時の圧延加工性については、以下の方法により評価した。
[耳割れ]
熱間圧延後にコイル巻き取りをする際、板幅両端部の耳割れの端面からの長さを圧延板上面より記録し、板幅端部に発生したクラックの最大値が8mm以下のものを「○」、8mmを超え15mm以下のものを「△」、15mmを超えるものを「×」とした。
【0073】
得られたアルミニウム合金圧延材の引張強さ、伸び、導電率、熱伝導率、熱膨張係数を以下の方法により評価した。
[引張強さ、伸び]
引張強さ(σ)および伸び(δ)は、JIS Z 2201に定めるJIS5号試験片にて、圧延方向に対し平行方向に採取した試料について常温、常法により測定した。
引張強さは150MPa以上のものを「○」、150MPa未満のものを「×」、伸びは10%以上のものを「○」、10%未満のものを「×」、とした。
[導電率]
アルミニウム合金圧延材の導電率を、国際的に採択された焼鈍標準軟銅(体積低効率1.7241×10-2μΩm)の導電率を100%IACSとしたときの相対値(%IACS)として求めた。導電率は、17%IACS以上のものを「○」、17%IACS未満のものを「×」とした。
[熱伝導率]
アルミニウム合金圧延材の熱伝導率はレーザーフラッシュ法で測定した。測定条件は以下の通りである。
・測定方法:レーザーフラッシュ法(パルスレーザー)
・測定温度:25℃
・試料形状:1.5×10mmφ
・雰囲気:真空中
熱伝導率は、200W/mK以上のものを「○」、200W/mK未満のものを「×」とした。
[熱膨張係数]
アルミニウム合金圧延材の線膨張係数は熱機械分析(TMA)法で測定した。測定条件は以下の通りであり、
・測定方法:TMA法(示差膨張方式)
・測定温度パターン:20~100℃(基準温度20℃、昇温速度:5℃/min)
・試料形状:1.5×3×18mm
・雰囲気:Heガス中
・参照試料:石英
20~100℃(20℃間隔)の線膨張量(ΔL)、20℃との温度変化(ΔT)、室温時の長さ(L)から各温度における線膨張率を求め(ΔL/L)それらを平均して熱膨張係数とした。熱膨張係数が19×10-6/K以下のものを「○」、19×10-6/Kを超えるものを「×」とした。
【0074】
さらに、前記アルミニウム圧延材を用いてプリント配線基板を作製し、反り率、穴位置精度、ドリル折損性を評価した。
[反り率]
反り率の評価は、JIS C 6481プリント配線板用銅張積層板試験方法の5.22 反り率及びねじれ率(静置法)に定める方法に従って実施した。
【0075】
供試材は、・アルミニウム合金圧延材(基材):1.5mm厚/絶縁層:100μm/銅箔:70μm全面貼り付けの積層材を100×200mmに裁断したものである。前記供試材の基材側の実体温度で220℃×120sec加熱保持後にファン空冷し、常温における長辺側の最大高さhを計測して加熱前に予め測定した最大高さhとの差異:H=h-hを長辺長さ:200mmで除した値を反り率:W=H/200×100(%)とし、Wが1.0%以下のものを「○」、1.0%を超えるものを「×」とした。
[穴位置精度]
ドリル加工条件は以下の通りとした。
・ドリルビット:φ0.25mm 超硬ドリル
・回転数:125,000rpm
・送り速度:2.5m/min
・ドリルビット数:1000ヒット(n=2)
反り率の評価で作製した供試材を3枚重ねとし、1000ヒット(穴あけ加工)後、最下部の基板穴中心部からの誤差間隔を測定し、最大値が50μm以下であるものを「○」、50μmを超え80μm以下のものを「△」、80μmを超えるものを「×」とした。
【0076】
なお、1000ヒットまでにドリルが折損した供試材については、その時点までのデータで穴位置精度を評価した。
[ドリル折損性]
ドリル折損性の評価は、上記条件でドリル加工試験を実施した際のドリル折損の有無について行い、n=2の試験中に1000ヒットまで折れなかったものを「○」、いずれか1回でも折れたものを「×」とした。
【0077】
熱間圧延後の耳割れ、最終加工後のアルミ基材の引張強さ、導電率、熱伝導率、熱膨張係数、プリント配線板の反り、穴位置精度、ドリル折損性の評価結果を表3に示す。
【0078】
【表1】
【0079】
【表2】
【0080】
【表3】
【0081】
表3より、本発明が規定するアルミニウム合金圧延材が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【0082】
本発明のアルミニウム合金圧延材は、回路基板やパワーモジュール等の発熱体を搭載する金属ベース基板に好適に用いられる。