JP4861151B2 - 銅合金板の冷間調質圧延方法 - Google Patents

Description

本発明は、銅合金板を所定の厚さに減厚する冷間圧延と平坦かつ平滑な表面を得る調質圧延とを組み合わせた圧延方法（以下、冷間調質圧延方法という）に関するものであり、特に電子機器に搭載される半導体素子等の発熱体から発生する熱を速やかに放散させるために用いられる放熱板（いわゆるヒートシンク材）の素材として好適な銅合金板の冷間調質圧延方法に関するものである。

半導体素子等の電子部品を搭載した電子機器を作動させる際には、電子回路への通電に伴い電子部品が発熱する。電子機器の高出力化が進み、作動時の発熱量はますます増加する傾向にあるが、温度が上昇し過ぎると半導体素子の特性が変化し、電子機器の動作が不安定になるという問題が生じる。また長時間にわたって使用することによって過剰な高温に曝されると、電子部品の接合材（たとえばハンダ等）や絶縁材（たとえば合成樹脂等）が変質して、電子機器の故障の原因になる。そのため、電子部品から発生する熱を速やかに放散させる必要がある。そこで、放熱板を介して熱を放散させる技術が種々検討されている。

半導体は、たとえば窒化アルミニウム（AlＮ）にAl電極をダイレクトボンディングした基板（いわゆるＤＢＡ基板）の上にハンダ付けあるいはロウ付けされた後、放熱板の上に同様の方法で固定される。その際、ＤＢＡ基板の熱膨張率は５〜７×10^-6Ｋ^-1であるから、接合される放熱板としてはこれに近い熱膨張率を有することが要求される。一般に使用されているＷ−Cu系複合材料の放熱板の熱膨張率は６〜９×10^-6Ｋ^-1であり、Mo−Cu系複合材料の放熱板の熱膨張率は７〜14×10^-6Ｋ^-1である。

様々な種類の基板と放熱板の中から熱膨張率の近いものを選択して接合すれば、半導体素子の発熱に起因する熱応力の影響を小さく抑制することができる。
つまり放熱板は、セラミックスを主体とする基板（たとえばＤＢＡ基板）と同等の低い熱膨張率を有する素材を使用する必要がある。さらに、熱を放散する機能を果たすために高い熱伝導率を有することが求められる。したがって放熱板の素材は、低熱膨張率と高熱伝導率とを両立させなければならない。

しかし単一の素材で低熱膨張率と高熱伝導率とを両立させることは困難であるから、現状では放熱板を製造するにあたって、低熱膨張率の素材と高熱伝導率の素材とを併用した合金板あるいは複合材料が使用されている。また放熱板は、半導体やＤＢＡ基板あるいは放熱板に取付けられることの多い冷却フィンや冷却装置とは、隙間なく接合する必要があるため、平面度の高い板が所望される。

たとえば特許文献１には、放熱板として使用するＷ−Cu，Mo−Cu等の合金板が開示されている。これらは熱膨張率が低いＷやMoと、熱伝導率が高いCuとを併用したものである。しかしながらＷ，Moは高価であるから、これら放熱板の製造コストの上昇は避けられない。しかもＷ，Moは硬度が高いので、放熱板を所定の形状に加工するのは容易ではない。
特許文献２には、SiＣ−Al，Cu₂Ｏ−Cu等のセラミックス−金属系複合材料が開示されている。これらは熱膨張率が低いセラミックスと、熱伝導率が高い金属とを併用したものである。しかしながらセラミックスは変形し難く切削加工も難しいので、放熱板を所定の形状に加工するのは困難である。

さらに特許文献３には、低熱膨張率と高熱伝導率とを両立させたCr−Cu合金板が開示されている。この技術は、２〜50質量％のCrを含有する銅合金にて第２相として存在するCr相のアスペクト比を10以上とすることによって、複合則から予想されるよりも低い熱膨張率を得るものである。しかしながら鋳造法ではCrの含有量が増加するとCrが偏析し、しかも銅合金の融点が高くなるので、均質な銅合金の製造は困難である。またCr相のアスペクト比を10以上とするためには、冷間圧延で90％以上の総圧下率となるような圧下を必要とするので、冷間圧延のパス回数が増加する。このような理由によって、特許文献３に開示されたCr−Cu合金板は製造コストが上昇するばかりでなく、製造可能な寸法が大幅な制約を受ける。
特公平5-38457号公報 特開2002-212651号公報 特開2000-239762号公報

本発明は、低熱膨張率と高熱伝導率とを両立させ、かつ優れた加工性を有する放熱板の素材として好適な平面度の良好な銅合金板を安価に製造する方法を提供することを目的とする。

本発明は、圧延ロールのロール間隔を所定の値に設定して、Cr：30質量％超え80質量％以下を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる銅合金板に減厚を施す第１冷間圧延を１回行なった後、第１冷間圧延と同じロール間隔で第１調質圧延を１回以上行なう第１圧下スケジュールと、次にロール間隔を減少して銅合金板に減厚を施す第２冷間圧延を１回行なった後、第２冷間圧延と同じロール間隔で第２調質圧延を１回以上行なう第２圧下スケジュールとを行なう銅合金板の冷間調質圧延方法である。

本発明の冷間調質圧延方法においては、ロール間隔が同一である冷間圧延と調質圧延とを組み合わせた圧下スケジュールを、３組以上行なうことが好ましい。

本発明によれば、低熱膨張率と高熱伝導率とを両立させ、かつ優れた加工性を有する放熱板の素材として好適な平面度の良好な銅合金板を安価に製造できる。

本発明で使用する銅合金板は、熱膨張率の低い金属（たとえばCr等）と熱伝導率の高いCuとの合金からなる金属板である。ここではCr−Cu系の銅合金板について説明する。
Cr−Cu系の銅合金板の熱膨張率α_ALLOYは、下記の（１）式に示す複合則で算出される（特許文献３参照）。この（１）式によれば、Cr−Cu系の銅合金板にて放熱板として使用する際に要求される低い熱膨張率（すなわち13×10^-6Ｋ^-1以下）を得るためのCr含有量がＶ_CR値から算出でき、その計算値は40質量％以上となる。そのようなCrを40質量％以上含有する銅合金を製造するにあたって、従来のようなアーク溶解法を採用すると、銅合金板の製造コストの上昇を招く。

α_ALLOY＝α_CR×Ｖ_CR＋α_CU×（１−Ｖ_CR） ・・・（１）
α_ALLOY：銅合金板の熱膨張率
α_CR ：Crの熱膨張率
α_CU ：Cuの熱膨張率
Ｖ_CR ：Cr相の体積分率
そこで本発明では粉末冶金法を採用する。その粉末冶金法の原料粉は、
(a)Cr粉
(b)Cr粉とCu粉の混合粉
に大別される。いずれの原料粉も型枠に充填して成形するが、加圧成形は行なわなくても良い。

Cr粉を原料粉として銅合金板を製造する場合は、Cr粉を金型成形あるいは型枠に充填し、焼結する。得られた多孔質焼結体に溶解したCuを含浸させる。Cr粉は、ＪＩＳ規格Z2510:2004に準拠して篩分けした粒度250μｍ以下（ＪＩＳ規格Z8801-1:2006に規定される公称目開き寸法），純度99質量％以上のものを使用するのが好ましい。Cuは、工業的に生産されるタフピッチ銅，リン脱酸銅，無酸素銅等を使用する。

Cr粉とCu粉の混合粉を原料粉として銅合金板を製造する場合は、混合粉を金型成形あるいは型枠に充填し、さらに焼結する。必要に応じて、溶解したCuを含浸させても良い。Cr粉は、ＪＩＳ規格Z2510:2004に準拠して篩分けした粒度250μｍ以下（ＪＩＳ規格Z8801-1:2006に規定される公称目開き寸法），純度99質量％以上のものを使用するのが好ましい。Cu粉は、工業的に生産される電解銅粉，アトマイズ銅粉等を使用する。含浸させるCuは、工業的に生産されるタフピッチ銅，リン脱酸銅，無酸素銅等を使用する。

このようにして銅合金板におけるCr含有量を調整する。本発明の場合、Cr含有量が30質量％超えで、低熱膨張率を達成できる。一方、80質量％以下で高熱伝導率を達成できる。したがって、銅合金板のCr含有量は30質量％超え80質量％以下であり、残部はCuおよび不可避的不純物とする。
不可避的不純物は、銅合金板の加工性改善の観点から、可能な限り低減することが好ましい。特にＯが銅合金板の加工性に多大な影響を及ぼすので、Ｏ含有量は0.01質量％以下が好ましい。

このようにして得られた銅合金板に、その表面に残留した余分なCuを除去した後で、冷間圧延を施して所定の厚さに仕上げる。ただし、圧延ロールで圧下をかけて１回減厚する毎に圧延ロールのロール間隔を減少し、連続して圧下をかけると、銅合金板の波打ち現象（いわゆる腹伸び，耳伸び）による形状不良が発生する。このような波打ちは、銅合金板の幅方向中央部と幅方向端部の減厚量の違いが原因となって発生するものであり、銅合金板から放熱板を製造する際の切断加工やプレス加工にて様々なトラブルを引き起こす。

そこで本発明では、圧延ロールのロール間隔を所定の値に設定して銅合金板に圧下をかけて減厚する冷間圧延を１回行なった後、ロール間隔を変更せず、銅合金板の表層部に軽度の圧下をかける調質圧延を１回行なう。この冷間圧延を第１冷間圧延と記し、調質圧延を第１調質圧延と記す。第１調質圧延は２回以上繰り返しても良い。ただし第１調質圧延を２回以上繰り返す場合は、ロール間隔を変更せず、第１冷間圧延と同じロール間隔で行なう。

このように、一定のロール間隔で行なう第１冷間圧延と第１調質圧延の組み合わせを第１圧下スケジュールと記す。
第１圧下スケジュールに引き続き、圧延ロールのロール間隔を第１圧下スケジュールより減少して銅合金板に圧下をかけて減厚する冷間圧延を１回行なう。これを第２冷間圧延と記す。第２冷間圧延が終了した後、ロール間隔を変更せず、銅合金板の表層部に軽度の圧下をかける調質圧延を１回行なう。これを第２調質圧延と記す。第２調質圧延は２回以上繰り返しても良い。ただし第２調質圧延を２回以上繰り返す場合は、ロール間隔を変更せず、第２冷間圧延と同じロール間隔で行なう。

このように、一定のロール間隔で行なう第２冷間圧延と第２調質圧延の組み合わせを第２圧下スケジュールと記す。
これらの第１圧下スケジュールと第２圧下スケジュールを行なった後、さらに第３圧下スケジュールを行なっても良い。
第３圧下スケジュールを行なう場合は、第２圧下スケジュールに引き続き、圧延ロールのロール間隔を第２圧下スケジュールより減少して銅合金板に圧下をかけて減厚する冷間圧延を１回行なう。これを第３冷間圧延と記す。第３冷間圧延が終了した後、ロール間隔を変更せず、銅合金板の表層部に軽度の圧下をかける調質圧延を１回行なう。これを第３調質圧延と記す。第３調質圧延は２回以上繰り返しても良い。ただし第３調質圧延を２回以上繰り返す場合は、ロール間隔を変更せず、第３冷間圧延と同じロール間隔で行なう。

以上は一定のロール間隔で冷間圧延と調質圧延を行なう圧下スケジュールを３組連続して行なう例であるが、本発明ではそのような圧下スケジュールを４組以上行なっても良い。その場合は、第３圧下スケジュールに引き続き、第４圧下スケジュール以降を行なう。第４圧下スケジュール以降は上記した圧下スケジュールと同じであるから説明を省略する。

このようにして、銅合金板の板厚が大きい圧延初期の段階（すなわち第１圧下スケジュール）から調質圧延を行なうことによって、平坦かつ平滑な平面度の良好な銅合金板が得られる。その銅合金板は、熱膨張率の低い金属（たとえばCr等）と熱伝導率の高いCuとの合金からなる金属板であるから、低熱膨張率と高熱伝導率とを両立させ、かつ優れた加工性を有する。しかもＷ，Mo等の高価な金属を使用しないので、安価に製造できる。さらに、潤滑油を使用しなくても良いので、冷間調質圧延が終了した後、銅合金板の洗浄工程を省略でき、生産性の向上，製造コストの削減の効果も得られる。しかしながら、潤滑油を使用することで形状がさらに改善される。また、表面のキズ等を防止できる。したがって上記した効果を得るためには、潤滑油を圧延ロールおよび／または銅合金板に塗布することが好ましい。

なお銅合金板の板厚が小さくなる（すなわち第２圧下スケジュール以降）につれて、調質圧延の回数を増加することによって、銅合金板の表面が著しく改善される。一方で調質圧延の回数を増加すれば、銅合金板の生産効率が低下する。したがって、銅合金板に要求される表面性状や成分等に応じて、各圧下スケジュールにおける調質圧延の回数を設定することが好ましい。

本発明を適用する銅合金板の板厚が0.2mm未満では、各圧下スケジュールにおける冷間圧延の減厚を十分に付与できないので、調質圧延の効果が十分に得られなくなる。これは圧下率が増加するのに伴い銅合金板の加工硬化が著しくなることが原因の一つと考えられる。板厚が0.2mm未満となる場合には、小径のロールを用いたり、圧延油の使用や張力圧延の適用を併用することが好ましい。

一方、本発明を適用できる板厚に上限はないが、総圧下率｛（Ｔ₀−Ｔ）／Ｔ₀×100；Ｔ₀は初期板厚，Ｔは圧下後の板厚を示す｝を90％未満とすることが形状改善の観点から好ましい。

Cr粉を型枠（180mm×200mmの大きさ）に充填し、加圧成形を行なわず、水素雰囲気中1300℃で焼結して多孔質焼結体（180mm×200mm）を作製し、型枠から取り出した。その多孔質焼結体の上にCu板を載置し、真空中1200℃でCuを溶解して、多孔質焼結体にCuを含浸させた。次いで、熱処理（600℃，１hr）を施して焼きなましを行なった。その後、フライス盤を用いて余分なCuを除去し、さらに切削加工して銅合金板（板厚５mm）とした。得られた銅合金板のCr含有量は50質量％であった。

２ロール圧延機を用いて、この銅合金板に第１圧下スケジュールの冷間圧延と調質圧延を施した。使用した２ロール圧延機は、上下１対のロール（直径200mm）を有するものである。
第１圧下スケジュールでは、ロール間隔を4.8mmに設定して第１冷間圧延（１回）を行ない、さらにロール間隔を変更せず第１調質圧延（１回）を行なった。引き続き、ロール間隔を4.6mmに変更して第２冷間圧延（１回）と第２調質圧延（１回）を行なった（すなわち第２圧下スケジュール）。

その後、ロール間隔が２mmになるまで、ロール間隔を0.2mmずつ減少して第３圧下スケジュール以降の冷間圧延と調質圧延を行なった。いずれの圧下スケジュールにおいても、冷間圧延と調質圧延は１回ずつ行なった。ロール間隔を２mmとした圧下スケジュールを終了した後の銅合金板の板厚は2.5mmであった。
次に、ロール間隔を1.9mmに設定して第Ｎ冷間圧延（１回）を行ない、さらにロール間隔を変更せず第Ｎ調質圧延（２回）を行なった（すなわち第Ｎ圧下スケジュール）。引き続き、ロール間隔を1.8mmに変更して第Ｎ＋１冷間圧延（１回）と第Ｎ＋１調質圧延（２回）を行なった（すなわち第Ｎ＋１圧下スケジュール）。なお、Ｎは整数である。

その後、銅合金板の板厚が0.8mmになるまで、ロール間隔を0.1mmずつ減少して第Ｎ＋２圧下スケジュール以降の冷間圧延と調質圧延を行なった。いずれの圧下スケジュールにおいても、冷間圧延は１回，調質圧延は２回ずつ行なった。
以上を発明例とする。
一方、比較例として、発明例と同じ方法で銅合金板を作製し、発明例と同じ２ロール圧延機を用いて冷間圧延のみを行なった。すなわち、ロール間隔を4.8mmに設定して第１冷間圧延（１回）を行ない、引き続きロール間隔を4.6mmに変更して第２冷間圧延（１回）を行なった。その後、ロール間隔が２mmになるまで、ロール間隔を0.2mmずつ減少して第３冷間圧延以降の冷間圧延を１回ずつ行なった。ロール間隔を２mmとした圧下スケジュールを終了した後の銅合金板の板厚は2.5mmであった。

次に、ロール間隔を1.9mmに設定して第Ｎ冷間圧延（１回）を行ない、引き続きロール間隔を1.8mmに変更して第Ｎ＋１冷間圧延（１回）を行なった。その後、銅合金板の板厚が0.8mmになるまで、ロール間隔を0.1mmずつ減少して第Ｎ＋２冷間圧延以降の冷間圧延を１回ずつ行なった。
発明例で得られた銅合金板（板厚0.8mm）の写真を図１に示し、比較例で得られた銅合金板（板厚0.8mm）の写真を図２に示す。図１から明らかなように、発明例では平坦かつ平滑な表面を有する銅合金板が得られた。図１は冷間調質圧延が終了した状態を撮影したものであり、そのまま放熱板の製造工程へ供給して切断加工やプレス加工を支障なく行なうことが可能である。

一方、図２に示すように、比較例では波打ちが発生した。そこで比較例の銅合金板（すなわち図２）の長手方向両端部を切断除去し、レベラーに供して矯正を行なった。得られた銅合金板の写真を図３に示す。
図１と図３を比べて見ると、発明例（すなわち図１）の表面性状は、比較例（すなわち図３）より優れている。

発明例で得られた銅合金板の写真である。 比較例で得られた銅合金板の写真である。 図２の銅合金板を矯正した写真である。

Claims (2)

1. 圧延ロールのロール間隔を所定の値に設定して、Cr：30質量％超え80質量％以下を含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる銅合金板に減厚を施す第１冷間圧延を１回行なった後、前記第１冷間圧延と同じロール間隔で第１調質圧延を１回以上行なう第１圧下スケジュールと、次にロール間隔を減少して前記銅合金板に減厚を施す第２冷間圧延を１回行なった後、前記第２冷間圧延と同じロール間隔で第２調質圧延を１回以上行なう第２圧下スケジュールとを行なうことを特徴とする銅合金板の冷間調質圧延方法。
2. 前記ロール間隔が同一である冷間圧延と調質圧延とを組み合わせた圧下スケジュールを、３組以上行なうことを特徴とする請求項１に記載の銅合金板の冷間調質圧延方法。