電気・電子部品用銅合金材
【課題】金属間化合物の成長を安定して抑制することを可能とし、はんだ接合の信頼性を高めた電気・電子部品用銅合金材を提供する。
【解決手段】電気・電子部品用銅合金材は、Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる。それらの成分の質量比は、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係を有している。
【解決手段】電気・電子部品用銅合金材は、Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる。それらの成分の質量比は、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体リードフレームやコネクタ端子などの電気・電子部品の材料として用いられる電気・電子部品用銅合金材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やノートパソコンなどに使用される半導体パッケージの実装には、はんだを使用した接合を用いることが一般的に行われている。従来では、はんだは、Ｓｎ・Ｐｂ共晶系のものが主流であったが、近年においては、Ｐｂが有害物質として規制され、従来よりもＳｎ濃度が高い鉛フリーはんだが広く用いられるようになった。
【０００３】
こうした半導体パッケージにおいては、小型化・薄型化が進んでいる。リードフレームにはより薄い板厚の材料が使用されており、それに伴って強度の高い材料が求められている。こうしたリードフレームに用いられる銅合金材料としては、ＦｅおよびＰを含有するＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
その代表的な一例としては、例えばＦｅ：２．１〜２．６質量％、Ｐ：０．０１５〜０．１５質量％、Ｚｎ：０．０５〜０．２質量％含有する銅合金（Ｃ１９４００）が標準的な合金として広く知られている。この合金は、熱処理することで銅の母相中にＦｅ、あるいはＦｅ−Ｐ化合物を析出させ、それにより導電性、熱伝導性や強度のそれぞれを同時に向上させるという利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１３９７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、広く用いられてきたＳｎ・Ｐｂ共晶はんだから鉛フリーはんだ化の進行に伴い、これまでにない問題が生じている。すなわち、大部分の鉛フリーはんだは、従来のＳｎ・Ｐｂ共晶はんだに比べて融点が高い。そのため、鉛フリーはんだを使用することで部品接合時の加熱温度が従来よりも高温になる。
【０００７】
電気・電子部品の組立工程において加熱が繰り返して行われる場合は、接合界面では高温であるがために材料中のＣｕと、はんだ中のＳｎの相互拡散が促進される。その結果、ＣｕとＳｎの金属間化合物の形成、成長が従来以上に促進される。形成される金属間化合物は主に、Ｃｕ６Ｓｎ５とＣｕ３Ｓｎである。特に、Ｃｕ３Ｓｎは脆い性質があり、接合界面での成長が進むと、はんだ接合の信頼性が大きく低下する。よって、はんだ接合の信頼性を高めるためには、この金属間化合物の成長を抑制することが重要なポイントになる。
【０００８】
また、こうした材料に広く用いられているＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金に含まれるＦｅは、はんだ層への拡散速度が速く、ＣｕとＳｎの金属間化合物の形成を助長する働きを持つ。よって、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金に含まれるＦｅ量が多くなると、金属間化合物が成長しやすくなり、好ましくない。
【０００９】
従って、本発明の目的は、金属間化合物の成長を安定して抑制することを可能とし、はんだ接合の信頼性を高めた電気・電子部品用銅合金材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等が鋭意研究したところ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐ、Ｚｎ、およびＳｎの含有量をある特定の範囲に規定するだけでは、金属間化合物の成長を安定して抑制するのには不十分であることを見いだした。本発明者等はさらに、金属間化合物の成長をより一層安定して抑制するための（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比、およびＳｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比の関係を見いだし、本発明に至ったものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、それらの成分の質量比が（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係にあり、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする電気・電子部品用銅合金材にある。
【００１２】
本発明はさらに、Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、それらの成分の質量比が（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係にあり、さらにＺｒ、Ｃｒ、Ｔｉから選択された１種以上の成分を合計０．０３〜１質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする電気・電子部品用銅合金材を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高い強度と導電性を併せ持つとともに、はんだ接合において安定した接合品質を保持することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。
【００１５】
この実施の形態に係る電気・電子部品用の銅合金材は、例えば半導体パッケージのリードフレームの材料として好適に用いられる。
【００１６】
（銅合金の成分）
この実施の形態である銅合金は、Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる銅合金をベースの材料とする。このような銅合金の組成によって、従来のＣ１９４００合金よりも少ない合金元素の添加量で効率的にＰ化合物の析出を促すことができるようになり、強度と導電性をバランス良く兼備した材料を得ることができる。
【００１７】
このＦｅおよびＣｏは、Ｐと一緒に添加することでＰ化合物を形成して材料中に分散析出し、材料の良好な導電率を維持しながら、強度を向上させる働きを有する。
【００１８】
Ｐの添加量を０．１質量％未満にすると、十分な量のＰ化合物を形成することができず、満足できる強度が得られない。一方、Ｐの添加量が０．３質量％を超えて添加されると、鋳造時や熱間加工時にＰ化合物の偏析に起因する割れが起こりやすくなるので好ましくない。よって、Ｐの組成範囲を０．１〜０．３質量％の範囲に規定することが好適である。
【００１９】
このＰの組成範囲に対して効果的に化合物を形成させ、高強度と高導電性をバランス良く両立させるためには、ＦｅもしくはＣｏの組成範囲を合計０．３〜１質量％に規定する必要がある。ＦｅおよびＣｏの含有量が上記組成範囲の下限を下回る場合は、Ｐ化合物の形成量が不十分になり、強度が不足する。一方、ＦｅおよびＣｏの含有量が上記組成範囲の上限を超える場合は、余剰のＦｅ、ＣｏがＣｕ中に固溶して導電率を低下させる。
【００２０】
Ｚｎは、はんだとの接合界面において境界部分に濃縮し、ＣｕおよびＳｎの相互拡散の障害となって金属間化合物の形成、成長を抑制する効果を持つ。Ｚｎはまた、強度の向上効果を持つとともに、電子部品材料として必要とするはんだ濡れ性、Ｓｎめっき密着性、および耐マイグレーション性の改善にも大きな効果がある。
【００２１】
Ｚｎが０．１５質量％の規定範囲より少ない含有量では、はんだ層との界面に濃縮してＣｕの拡散を阻害する効果が小さくなり、３質量％の規定範囲を超えて含有すると、導電率の低下などの悪影響が生じるので好ましくない。
【００２２】
Ｓｎは、強度向上に有効な働きを持つ。Ｓｎが０．０２質量％の規定範囲より少ない含有量では、強度を向上させる効果が小さくなり、０．３質量％の規定範囲を超えて含有すると、導電率の低下などの悪影響が生じるとともに、はんだ層との界面で金属間化合物を過剰に成長させるので好ましくない。
【００２３】
ところで、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐ、Ｚｎ、およびＳｎの含有量をある特定の範囲に規定するだけでは、安定して金属間化合物の成長を抑えるには不十分である。この実施の形態の基本の構成は、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比、およびＳｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を特定の範囲に規定することで、金属間化合物の成長を安定して抑制できることを見出したことにある。それらの質量比としては、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５を満足することが肝要である。
【００２４】
（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比を３〜１０の範囲に規定することで、導電率を低下させるＣｕ中の固溶元素量を抑えながら、析出物の分散による強度の向上を効果的に利用して、導電率および強度を好ましいバランスで兼備した材料を得ることができる。
【００２５】
（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比が３未満になる場合は、化合物形成時にＰが過剰になり、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比が１０を超える場合は、逆にＦｅ、Ｃｏが過剰になる。このような過剰成分は、Ｃｕ中に固溶状態で存在するため、導電率を害する結果となるので好ましくない。より好ましくは、過剰成分をより少なくするため、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜６の範囲を選択することが望ましい。
【００２６】
Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を０．５以上に規定することで、金属間化合物の成長を促進する効果を持つＦｅとＣｏに対して一定以上の割合で成長抑制効果を持つＺｎが添加されることになり、総合的に金属間化合物の成長を抑えることができる。
【００２７】
Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比が０．５未満になる場合は、はんだ層との界面においてＺｎ成分の濃縮が不十分となり、ＣｕとＳｎの相互拡散に対する阻害効果が小さいために金属間化合物の成長抑制効果が十分に得られない。Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を０．５以上に規定することで、適正量のＺｎを添加することが可能になる。
【００２８】
Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を０．５以下に規定することで、適正量のＳｎを添加することが可能になる。Ｓｎは、過剰に添加すると、金属間化合物の成長を促進する働きをする。しかしながら、添加量が少ないと、強度向上の効果も少ない。Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を０．５以下の範囲に規定することで、適正量のＳｎを添加することができる。
【００２９】
Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比が０．５を超える場合は、適正な（Ｆｅ＋Ｃｏ）量に対してＳｎ量が多くなるため、はんだ層との界面において金属間化合物の成長が促進されるので好ましくない。
【００３０】
以上より、Ｆｅ＋Ｃｏ、Ｐ、Ｚｎ、Ｓｎを含有する銅合金の組成成分の質量比を特定することで、金属間化合物の成長を安定して抑制することができるようになる。
【００３１】
（銅合金の副成分）
この実施の形態に係る銅合金はさらに、Ｚｒ、Ｃｒ、およびＴｉから選択された１種以上の成分を合計０．０３質量％〜１質量％の範囲で添加してもよい。これらのＺｒ、Ｃｒ、およびＴｉの元素は、強度の向上に効果的に働くとともに、耐熱性を向上させて高温下での強度低下を防ぐ作用を持つ。金属間化合物の成長を安定して抑制する良好な特性をより一層期待することができる。
【００３２】
ＺｒとＣｒは、強度や耐熱性を向上させる働きを持つとともに、導電率に与える悪影響が比較的少ないことを特徴とする副成分である。ただし、含有量が多すぎると、鋳造性の悪化などの悪影響が生じる。Ｔｉにあっても、強度や耐熱性を向上させる効果に優れた副成分である。
【００３３】
これらのＺｒ、Ｃｒ、およびＴｉの元素は、単独もしくは組み合わせて添加することで、金属間化合物の成長を安定して抑制するという効果を期待することができる。しかしながら、その合計含有量が１質量％を超えると、導電率の低下や鋳造性の悪化などの悪影響が顕著になるので好ましくない。よって、Ｚｒ、Ｃｒ、およびＴｉの合計の組成範囲としては、１質量％以下に規定することが好ましい。
【００３４】
（実施の形態の効果）
上記実施の形態に係る銅合金は、以下の効果を有する。
（１）従来のＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金に比べて、より優れた強度を持ち、導電性においても良好な特性を維持する。
（２）はんだ接合後に界面に生じる金属間化合物の成長を抑制して接合部の脆化を防止し、鉛フリーはんだを使用した実装において良好な接合品質を有する特徴を持つ。
（３）このような材料は、リードフレームとして最適であり、特に、半導体パッケージなどの電気・電子部品について、安価で高特性の材料を供給するように材料面から支え、その発展に大きく寄与することができる。
【実施例】
【００３５】
以下に、表１および２を参照しながら、本発明の更に具体的な実施の形態として、実施例１〜１４（試料Ｎｏ．１〜１４）および比較例１〜１５（試料Ｎｏ．１〜１５）を挙げて詳細に説明する。なお、この実施例では、上記実施の形態の典型的な一例を挙げており、本発明は、これらの実施例および比較例に限定されるものではないことは勿論である。
【００３６】
下記の表１は、実施例１〜１４、および比較例１〜１５として用いた試料の組成および質量比を、下記の表２は、実施例１〜１４、および比較例１〜１５の特性値をそれぞれ示す。
【００３７】
［実施例１］
無酸素銅を母材にして、Ｆｅ：０．２質量％、Ｃｏ：０．２質量％、Ｐ：０．１質量％、Ｚｎ：０．４質量％、Ｓｎ：０．１質量％を含有した銅合金素材を高周波溶解炉で溶製し、厚さ２５ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのインゴットに鋳造した。これを９５０℃に加熱して厚さ８ｍｍまで熱間圧延した後、厚さ２ｍｍに冷間圧延して４５０℃で１分間焼鈍した。さらに、これを厚さ０．２５ｍｍに冷間圧延して４５０℃で１分間焼鈍することにより、表１の実施例１に示す銅合金を製作した。
【００３８】
以上のように製作した実施例１の銅合金について、引張強さ、伸び、導電率の各特性値を測定した。その結果、引張強さ５９４ＭＰａ、伸び１０％、導電率６５％ＩＡＣＳという本発明の目的に適合する良好な特性を得ることができた。
【００３９】
さらに、実施例１の試料Ｎｏ．１を脱脂酸洗した後、溶融したＳｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕはんだ中に浸漬して、試料Ｎｏ．１の両面にはんだを塗布した。これを２００℃に保持した恒温槽に入れて、１時間加熱を施した。加熱後の試料Ｎｏ．１を樹脂に埋め込んで切断し、断面の観察を行い、樹脂材料とはんだとの間の界面部分に形成されたＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の厚みを測定した。そして、金属間化合物層の内部や界面における欠陥（クラック、ボイド）の有無を観察した。その結果、金属間化合物層は４μｍと薄く、クラックやボイドなどの欠陥も見られなかった。
【００４０】
［実施例２〜１４］
次に、表１に示す組成を有する試料Ｎｏ．２〜１４（実施例２〜１４）の銅合金を溶解鋳造し、上記実施例１と同じ工程で加工熱処理を行い、厚さ０．２５ｍｍの試料を製作した。これらの試料Ｎｏ．２〜１４についても、上記実施例１と同様の方法で引張強さ、伸び、および導電率の各特性値を測定するとともに、はんだを塗布して加熱した時の金属間化合物層の厚みと欠陥の有無を調査した。
【００４１】
各実施例２〜１４における銅合金の特性を表２にまとめて示す。表２から明らかなように、実施例２〜１４のいずれも、６０％ＩＡＣＳを超える高い導電率と、５８０ＭＰａを超える高強度を併せ持っており、薄型パッケージのリードフレームとして十分な導電性と強度を有する銅合金が得られた。また、はんだとの界面における金属間化合物層も薄くなり、クラックやボイドなどの欠陥も見られず、実施例２〜１４のいずれも、本発明の目的に適合した良好な特性を兼備していることが確認できた。
【００４２】
［比較例］
次に、上記実施の形態に係る銅合金の組成の限定理由を、比較例を挙げて説明する。
【００４３】
表１に示す組成を有する比較例１〜１５（試料Ｎｏ．１〜１５）の銅合金を溶解鋳造し、上記実施例１と同じ工程で加工熱処理を行い、厚さ０．２５ｍｍの試料Ｎｏ．１〜１５を製作した。
【００４４】
得られた比較例の試料Ｎｏ．１〜１５について、上記実施例１と同様の方法で引張強さ、伸び、および導電率の各特性値を測定するとともに、はんだを塗布して加熱した時の金属間化合物層の厚みと欠陥の有無を調査した。比較例１〜１５における銅合金の特性を表２にまとめて示す。
【００４５】
［比較例１〜４］
比較例の試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は、表１に示すように、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＰの添加量が上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れたものである。比較例の試料Ｎｏ．１は、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＰ成分の添加量が低すぎる一例である。この場合は、表２から明らかなように、上記実施例に比べて引張強さが低く、十分な強度が得られない結果となった。
【００４６】
一方、比較例の試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４は、表１に示すように、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＰの添加量が多すぎる一例である。この場合は、表２から明らかなように、上記実施例に比べて導電率が低くなるとともに、伸びの値が低くなった。伸びの低い材料は、リードフレームの曲げ加工で割れが発生しやすくなることから、本発明の目的を満足させることはできない。
【００４７】
［比較例５〜８］
比較例の試料Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８は、表１に示すように、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比が上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れた一例である。表２から明らかなように、ＦｅとＣｏが過剰になった場合も、Ｐが過剰になった場合も、上記実施例に比べて導電率が低下する結果となった。また、引張強さについてみても、上記実施例に比べて低い値となった。
【００４８】
［比較例９および１０］
比較例の試料Ｎｏ．９およびＮｏ．１０は、表１に示すように、Ｚｎの添加量、またはＺｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比のいずれかが上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れた一例である。Ｚｎの添加量が少なく、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比が不足する比較例の試料Ｎｏ．９は、表２から明らかなように、Ｚｎによる金属間化合物層の成長抑制効果が不十分であり、金属間化合物層が厚く成長した。また、材料と金属間化合物層の界面にボイドが観察されており、はんだ接合の信頼性が不十分であった。Ｚｎの添加量が多すぎる比較例の試料Ｎｏ．１０は、上記実施例に比べて導電率が悪化した。
【００４９】
［比較例１１および１２］
比較例の試料Ｎｏ．１１およびＮｏ．１２は、表１に示すように、Ｓｎの添加量、またはＳｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比のいずれかが上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れ、Ｓｎが過剰に添加された一例である。表２から明らかなように、試料Ｎｏ．１１およびＮｏ．１２のいずれも、上記実施例に比べて導電率が低下するとともに、はんだ界面の金属間化合物層が厚く成長した。また、材料と金属間化合物層の界面にボイドが観察され、はんだ接合の信頼性が不十分であった。
【００５０】
［比較例１３〜１５］
比較例の試料Ｎｏ．１３〜１５は、表１に示すように、副成分として添加したＺｒ、Ｃｒ、およびＴｉの添加量が上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れ、過剰になった一例である。この場合は、表２から明らかなように、上記実施例に比べて導電率が悪化するとともに、伸びも大きく低下しており、曲げ加工などの加工性が悪化する問題が生じる。
【００５１】
以上より、上記実施の形態に係る銅合金で規定した組成範囲、および質量比を外れた上記比較例のいずれもが、上記各実施例に比べて不十分な特性しか得られないということが分かった。
【００５２】
上記実施例に係る銅合金によると、従来の銅合金に比べて良好な強度、導電率を維持しつつ、鉛フリーはんだを使用した接合において安定した接合品質を保持することができた。こうした特性は、小型化が進む電気・電子機器に有効に活用できるものであり、設計の自由度を大幅に広げることができる。また、製造コストの面でも、上記実施例に係る銅合金は、従来の銅合金と同等のコストで製造することが可能であり、実用上の問題とはならない。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体リードフレームやコネクタ端子などの電気・電子部品の材料として用いられる電気・電子部品用銅合金材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やノートパソコンなどに使用される半導体パッケージの実装には、はんだを使用した接合を用いることが一般的に行われている。従来では、はんだは、Ｓｎ・Ｐｂ共晶系のものが主流であったが、近年においては、Ｐｂが有害物質として規制され、従来よりもＳｎ濃度が高い鉛フリーはんだが広く用いられるようになった。
【０００３】
こうした半導体パッケージにおいては、小型化・薄型化が進んでいる。リードフレームにはより薄い板厚の材料が使用されており、それに伴って強度の高い材料が求められている。こうしたリードフレームに用いられる銅合金材料としては、ＦｅおよびＰを含有するＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
その代表的な一例としては、例えばＦｅ：２．１〜２．６質量％、Ｐ：０．０１５〜０．１５質量％、Ｚｎ：０．０５〜０．２質量％含有する銅合金（Ｃ１９４００）が標準的な合金として広く知られている。この合金は、熱処理することで銅の母相中にＦｅ、あるいはＦｅ−Ｐ化合物を析出させ、それにより導電性、熱伝導性や強度のそれぞれを同時に向上させるという利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１３９７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、広く用いられてきたＳｎ・Ｐｂ共晶はんだから鉛フリーはんだ化の進行に伴い、これまでにない問題が生じている。すなわち、大部分の鉛フリーはんだは、従来のＳｎ・Ｐｂ共晶はんだに比べて融点が高い。そのため、鉛フリーはんだを使用することで部品接合時の加熱温度が従来よりも高温になる。
【０００７】
電気・電子部品の組立工程において加熱が繰り返して行われる場合は、接合界面では高温であるがために材料中のＣｕと、はんだ中のＳｎの相互拡散が促進される。その結果、ＣｕとＳｎの金属間化合物の形成、成長が従来以上に促進される。形成される金属間化合物は主に、Ｃｕ６Ｓｎ５とＣｕ３Ｓｎである。特に、Ｃｕ３Ｓｎは脆い性質があり、接合界面での成長が進むと、はんだ接合の信頼性が大きく低下する。よって、はんだ接合の信頼性を高めるためには、この金属間化合物の成長を抑制することが重要なポイントになる。
【０００８】
また、こうした材料に広く用いられているＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金に含まれるＦｅは、はんだ層への拡散速度が速く、ＣｕとＳｎの金属間化合物の形成を助長する働きを持つ。よって、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金に含まれるＦｅ量が多くなると、金属間化合物が成長しやすくなり、好ましくない。
【０００９】
従って、本発明の目的は、金属間化合物の成長を安定して抑制することを可能とし、はんだ接合の信頼性を高めた電気・電子部品用銅合金材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等が鋭意研究したところ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐ、Ｚｎ、およびＳｎの含有量をある特定の範囲に規定するだけでは、金属間化合物の成長を安定して抑制するのには不十分であることを見いだした。本発明者等はさらに、金属間化合物の成長をより一層安定して抑制するための（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比、およびＳｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比の関係を見いだし、本発明に至ったものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、それらの成分の質量比が（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係にあり、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする電気・電子部品用銅合金材にある。
【００１２】
本発明はさらに、Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、それらの成分の質量比が（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係にあり、さらにＺｒ、Ｃｒ、Ｔｉから選択された１種以上の成分を合計０．０３〜１質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする電気・電子部品用銅合金材を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高い強度と導電性を併せ持つとともに、はんだ接合において安定した接合品質を保持することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。
【００１５】
この実施の形態に係る電気・電子部品用の銅合金材は、例えば半導体パッケージのリードフレームの材料として好適に用いられる。
【００１６】
（銅合金の成分）
この実施の形態である銅合金は、Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなる銅合金をベースの材料とする。このような銅合金の組成によって、従来のＣ１９４００合金よりも少ない合金元素の添加量で効率的にＰ化合物の析出を促すことができるようになり、強度と導電性をバランス良く兼備した材料を得ることができる。
【００１７】
このＦｅおよびＣｏは、Ｐと一緒に添加することでＰ化合物を形成して材料中に分散析出し、材料の良好な導電率を維持しながら、強度を向上させる働きを有する。
【００１８】
Ｐの添加量を０．１質量％未満にすると、十分な量のＰ化合物を形成することができず、満足できる強度が得られない。一方、Ｐの添加量が０．３質量％を超えて添加されると、鋳造時や熱間加工時にＰ化合物の偏析に起因する割れが起こりやすくなるので好ましくない。よって、Ｐの組成範囲を０．１〜０．３質量％の範囲に規定することが好適である。
【００１９】
このＰの組成範囲に対して効果的に化合物を形成させ、高強度と高導電性をバランス良く両立させるためには、ＦｅもしくはＣｏの組成範囲を合計０．３〜１質量％に規定する必要がある。ＦｅおよびＣｏの含有量が上記組成範囲の下限を下回る場合は、Ｐ化合物の形成量が不十分になり、強度が不足する。一方、ＦｅおよびＣｏの含有量が上記組成範囲の上限を超える場合は、余剰のＦｅ、ＣｏがＣｕ中に固溶して導電率を低下させる。
【００２０】
Ｚｎは、はんだとの接合界面において境界部分に濃縮し、ＣｕおよびＳｎの相互拡散の障害となって金属間化合物の形成、成長を抑制する効果を持つ。Ｚｎはまた、強度の向上効果を持つとともに、電子部品材料として必要とするはんだ濡れ性、Ｓｎめっき密着性、および耐マイグレーション性の改善にも大きな効果がある。
【００２１】
Ｚｎが０．１５質量％の規定範囲より少ない含有量では、はんだ層との界面に濃縮してＣｕの拡散を阻害する効果が小さくなり、３質量％の規定範囲を超えて含有すると、導電率の低下などの悪影響が生じるので好ましくない。
【００２２】
Ｓｎは、強度向上に有効な働きを持つ。Ｓｎが０．０２質量％の規定範囲より少ない含有量では、強度を向上させる効果が小さくなり、０．３質量％の規定範囲を超えて含有すると、導電率の低下などの悪影響が生じるとともに、はんだ層との界面で金属間化合物を過剰に成長させるので好ましくない。
【００２３】
ところで、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐ、Ｚｎ、およびＳｎの含有量をある特定の範囲に規定するだけでは、安定して金属間化合物の成長を抑えるには不十分である。この実施の形態の基本の構成は、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比、およびＳｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を特定の範囲に規定することで、金属間化合物の成長を安定して抑制できることを見出したことにある。それらの質量比としては、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５を満足することが肝要である。
【００２４】
（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比を３〜１０の範囲に規定することで、導電率を低下させるＣｕ中の固溶元素量を抑えながら、析出物の分散による強度の向上を効果的に利用して、導電率および強度を好ましいバランスで兼備した材料を得ることができる。
【００２５】
（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比が３未満になる場合は、化合物形成時にＰが過剰になり、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比が１０を超える場合は、逆にＦｅ、Ｃｏが過剰になる。このような過剰成分は、Ｃｕ中に固溶状態で存在するため、導電率を害する結果となるので好ましくない。より好ましくは、過剰成分をより少なくするため、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜６の範囲を選択することが望ましい。
【００２６】
Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を０．５以上に規定することで、金属間化合物の成長を促進する効果を持つＦｅとＣｏに対して一定以上の割合で成長抑制効果を持つＺｎが添加されることになり、総合的に金属間化合物の成長を抑えることができる。
【００２７】
Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比が０．５未満になる場合は、はんだ層との界面においてＺｎ成分の濃縮が不十分となり、ＣｕとＳｎの相互拡散に対する阻害効果が小さいために金属間化合物の成長抑制効果が十分に得られない。Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を０．５以上に規定することで、適正量のＺｎを添加することが可能になる。
【００２８】
Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を０．５以下に規定することで、適正量のＳｎを添加することが可能になる。Ｓｎは、過剰に添加すると、金属間化合物の成長を促進する働きをする。しかしながら、添加量が少ないと、強度向上の効果も少ない。Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比を０．５以下の範囲に規定することで、適正量のＳｎを添加することができる。
【００２９】
Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比が０．５を超える場合は、適正な（Ｆｅ＋Ｃｏ）量に対してＳｎ量が多くなるため、はんだ層との界面において金属間化合物の成長が促進されるので好ましくない。
【００３０】
以上より、Ｆｅ＋Ｃｏ、Ｐ、Ｚｎ、Ｓｎを含有する銅合金の組成成分の質量比を特定することで、金属間化合物の成長を安定して抑制することができるようになる。
【００３１】
（銅合金の副成分）
この実施の形態に係る銅合金はさらに、Ｚｒ、Ｃｒ、およびＴｉから選択された１種以上の成分を合計０．０３質量％〜１質量％の範囲で添加してもよい。これらのＺｒ、Ｃｒ、およびＴｉの元素は、強度の向上に効果的に働くとともに、耐熱性を向上させて高温下での強度低下を防ぐ作用を持つ。金属間化合物の成長を安定して抑制する良好な特性をより一層期待することができる。
【００３２】
ＺｒとＣｒは、強度や耐熱性を向上させる働きを持つとともに、導電率に与える悪影響が比較的少ないことを特徴とする副成分である。ただし、含有量が多すぎると、鋳造性の悪化などの悪影響が生じる。Ｔｉにあっても、強度や耐熱性を向上させる効果に優れた副成分である。
【００３３】
これらのＺｒ、Ｃｒ、およびＴｉの元素は、単独もしくは組み合わせて添加することで、金属間化合物の成長を安定して抑制するという効果を期待することができる。しかしながら、その合計含有量が１質量％を超えると、導電率の低下や鋳造性の悪化などの悪影響が顕著になるので好ましくない。よって、Ｚｒ、Ｃｒ、およびＴｉの合計の組成範囲としては、１質量％以下に規定することが好ましい。
【００３４】
（実施の形態の効果）
上記実施の形態に係る銅合金は、以下の効果を有する。
（１）従来のＣｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金に比べて、より優れた強度を持ち、導電性においても良好な特性を維持する。
（２）はんだ接合後に界面に生じる金属間化合物の成長を抑制して接合部の脆化を防止し、鉛フリーはんだを使用した実装において良好な接合品質を有する特徴を持つ。
（３）このような材料は、リードフレームとして最適であり、特に、半導体パッケージなどの電気・電子部品について、安価で高特性の材料を供給するように材料面から支え、その発展に大きく寄与することができる。
【実施例】
【００３５】
以下に、表１および２を参照しながら、本発明の更に具体的な実施の形態として、実施例１〜１４（試料Ｎｏ．１〜１４）および比較例１〜１５（試料Ｎｏ．１〜１５）を挙げて詳細に説明する。なお、この実施例では、上記実施の形態の典型的な一例を挙げており、本発明は、これらの実施例および比較例に限定されるものではないことは勿論である。
【００３６】
下記の表１は、実施例１〜１４、および比較例１〜１５として用いた試料の組成および質量比を、下記の表２は、実施例１〜１４、および比較例１〜１５の特性値をそれぞれ示す。
【００３７】
［実施例１］
無酸素銅を母材にして、Ｆｅ：０．２質量％、Ｃｏ：０．２質量％、Ｐ：０．１質量％、Ｚｎ：０．４質量％、Ｓｎ：０．１質量％を含有した銅合金素材を高周波溶解炉で溶製し、厚さ２５ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのインゴットに鋳造した。これを９５０℃に加熱して厚さ８ｍｍまで熱間圧延した後、厚さ２ｍｍに冷間圧延して４５０℃で１分間焼鈍した。さらに、これを厚さ０．２５ｍｍに冷間圧延して４５０℃で１分間焼鈍することにより、表１の実施例１に示す銅合金を製作した。
【００３８】
以上のように製作した実施例１の銅合金について、引張強さ、伸び、導電率の各特性値を測定した。その結果、引張強さ５９４ＭＰａ、伸び１０％、導電率６５％ＩＡＣＳという本発明の目的に適合する良好な特性を得ることができた。
【００３９】
さらに、実施例１の試料Ｎｏ．１を脱脂酸洗した後、溶融したＳｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕはんだ中に浸漬して、試料Ｎｏ．１の両面にはんだを塗布した。これを２００℃に保持した恒温槽に入れて、１時間加熱を施した。加熱後の試料Ｎｏ．１を樹脂に埋め込んで切断し、断面の観察を行い、樹脂材料とはんだとの間の界面部分に形成されたＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の厚みを測定した。そして、金属間化合物層の内部や界面における欠陥（クラック、ボイド）の有無を観察した。その結果、金属間化合物層は４μｍと薄く、クラックやボイドなどの欠陥も見られなかった。
【００４０】
［実施例２〜１４］
次に、表１に示す組成を有する試料Ｎｏ．２〜１４（実施例２〜１４）の銅合金を溶解鋳造し、上記実施例１と同じ工程で加工熱処理を行い、厚さ０．２５ｍｍの試料を製作した。これらの試料Ｎｏ．２〜１４についても、上記実施例１と同様の方法で引張強さ、伸び、および導電率の各特性値を測定するとともに、はんだを塗布して加熱した時の金属間化合物層の厚みと欠陥の有無を調査した。
【００４１】
各実施例２〜１４における銅合金の特性を表２にまとめて示す。表２から明らかなように、実施例２〜１４のいずれも、６０％ＩＡＣＳを超える高い導電率と、５８０ＭＰａを超える高強度を併せ持っており、薄型パッケージのリードフレームとして十分な導電性と強度を有する銅合金が得られた。また、はんだとの界面における金属間化合物層も薄くなり、クラックやボイドなどの欠陥も見られず、実施例２〜１４のいずれも、本発明の目的に適合した良好な特性を兼備していることが確認できた。
【００４２】
［比較例］
次に、上記実施の形態に係る銅合金の組成の限定理由を、比較例を挙げて説明する。
【００４３】
表１に示す組成を有する比較例１〜１５（試料Ｎｏ．１〜１５）の銅合金を溶解鋳造し、上記実施例１と同じ工程で加工熱処理を行い、厚さ０．２５ｍｍの試料Ｎｏ．１〜１５を製作した。
【００４４】
得られた比較例の試料Ｎｏ．１〜１５について、上記実施例１と同様の方法で引張強さ、伸び、および導電率の各特性値を測定するとともに、はんだを塗布して加熱した時の金属間化合物層の厚みと欠陥の有無を調査した。比較例１〜１５における銅合金の特性を表２にまとめて示す。
【００４５】
［比較例１〜４］
比較例の試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は、表１に示すように、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＰの添加量が上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れたものである。比較例の試料Ｎｏ．１は、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＰ成分の添加量が低すぎる一例である。この場合は、表２から明らかなように、上記実施例に比べて引張強さが低く、十分な強度が得られない結果となった。
【００４６】
一方、比較例の試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４は、表１に示すように、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＰの添加量が多すぎる一例である。この場合は、表２から明らかなように、上記実施例に比べて導電率が低くなるとともに、伸びの値が低くなった。伸びの低い材料は、リードフレームの曲げ加工で割れが発生しやすくなることから、本発明の目的を満足させることはできない。
【００４７】
［比較例５〜８］
比較例の試料Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８は、表１に示すように、（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐの質量比が上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れた一例である。表２から明らかなように、ＦｅとＣｏが過剰になった場合も、Ｐが過剰になった場合も、上記実施例に比べて導電率が低下する結果となった。また、引張強さについてみても、上記実施例に比べて低い値となった。
【００４８】
［比較例９および１０］
比較例の試料Ｎｏ．９およびＮｏ．１０は、表１に示すように、Ｚｎの添加量、またはＺｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比のいずれかが上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れた一例である。Ｚｎの添加量が少なく、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比が不足する比較例の試料Ｎｏ．９は、表２から明らかなように、Ｚｎによる金属間化合物層の成長抑制効果が不十分であり、金属間化合物層が厚く成長した。また、材料と金属間化合物層の界面にボイドが観察されており、はんだ接合の信頼性が不十分であった。Ｚｎの添加量が多すぎる比較例の試料Ｎｏ．１０は、上記実施例に比べて導電率が悪化した。
【００４９】
［比較例１１および１２］
比較例の試料Ｎｏ．１１およびＮｏ．１２は、表１に示すように、Ｓｎの添加量、またはＳｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）の質量比のいずれかが上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れ、Ｓｎが過剰に添加された一例である。表２から明らかなように、試料Ｎｏ．１１およびＮｏ．１２のいずれも、上記実施例に比べて導電率が低下するとともに、はんだ界面の金属間化合物層が厚く成長した。また、材料と金属間化合物層の界面にボイドが観察され、はんだ接合の信頼性が不十分であった。
【００５０】
［比較例１３〜１５］
比較例の試料Ｎｏ．１３〜１５は、表１に示すように、副成分として添加したＺｒ、Ｃｒ、およびＴｉの添加量が上記実施の形態に係る銅合金成分の規定範囲から外れ、過剰になった一例である。この場合は、表２から明らかなように、上記実施例に比べて導電率が悪化するとともに、伸びも大きく低下しており、曲げ加工などの加工性が悪化する問題が生じる。
【００５１】
以上より、上記実施の形態に係る銅合金で規定した組成範囲、および質量比を外れた上記比較例のいずれもが、上記各実施例に比べて不十分な特性しか得られないということが分かった。
【００５２】
上記実施例に係る銅合金によると、従来の銅合金に比べて良好な強度、導電率を維持しつつ、鉛フリーはんだを使用した接合において安定した接合品質を保持することができた。こうした特性は、小型化が進む電気・電子機器に有効に活用できるものであり、設計の自由度を大幅に広げることができる。また、製造コストの面でも、上記実施例に係る銅合金は、従来の銅合金と同等のコストで製造することが可能であり、実用上の問題とはならない。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、それらの成分の質量比が（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係にあり、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする電気・電子部品用銅合金材。
【請求項２】
Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、それらの成分の質量比が（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係にあり、さらにＺｒ、Ｃｒ、Ｔｉから選択された１種以上の成分を合計０．０３〜１質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする電気・電子部品用銅合金材。
【請求項１】
Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、それらの成分の質量比が（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係にあり、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする電気・電子部品用銅合金材。
【請求項２】
Ｆｅ、Ｃｏの一方もしくは両方を合計で０．３〜１質量％含有するとともに、０．１〜０．３質量％のＰ、０．１５〜３質量％のＺｎ、０．０２〜０．３質量％のＳｎを含有し、それらの成分の質量比が（Ｆｅ＋Ｃｏ）／Ｐ＝３〜１０、Ｚｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≧０．５、Ｓｎ／（Ｆｅ＋Ｃｏ）≦０．５の関係にあり、さらにＺｒ、Ｃｒ、Ｔｉから選択された１種以上の成分を合計０．０３〜１質量％含有し、残部がＣｕおよび不可避的不純物からなることを特徴とする電気・電子部品用銅合金材。
【公開番号】特開２０１２−１２２０９４（Ｐ２０１２−１２２０９４Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７３４５３（Ｐ２０１０−２７３４５３）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]