(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種が合計で２〜５０質量％含有され、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金であって、前記Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種はアスペクト比が１０以上の第２相として含有されていることを特徴とする低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材。
【請求項２】
前記第２相として含有されている前記Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種のアスペクト比が１００以上である請求項１記載の低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材。
【請求項３】
熱膨張係数が、１４×１０−６以下である請求項１又は２に記載の低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材。
【請求項４】
熱膨張係数が、１３×１０−６以下である請求項１又は２に記載の低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載の銅合金板材が用いられている低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材製の電気電子機器部品。
【請求項６】
少なくとも一部がプラスチック材で覆われている請求項５記載の低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材製の電気電子機器部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低熱膨張係数高熱伝導性銅合金および前記銅合金を用いたヒートスプレッタ、スティフナー、プラスチックＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｌｌａｙ）、プラスチックＰＧＡ（Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｌｌａｙ）、ヒートシンク、半導体リードフレーム、端子、コネクタなどの電気電子機器部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートスプレッタ、スティフナー、プラスチックＢＧＡ、プラスチックＰＧＡ、ヒートシンク、半導体リードフレーム、端子、コネクタなどの電気電子機器部品（以下単に電気電子機器部品と称する）には電気電子機器の発熱を放散するために熱伝導性に優れる銅又は銅合金が放熱用材料として用いられている。また前記電気電子機器には、防塵、防湿などを目的にエポキシ樹脂などのプラスチック材がモールドされたり介在されたりする。しかし、前記プラスチック材が放熱用材料に接してモールドされたりしていると、放熱用材料は熱膨張係数が大きく、プラスチック材は熱膨張係数が小さいため、使用中の温度上昇で、両者の接触部に熱膨張差による歪みが生じてプラスチック材が破損することがある。
【０００３】
また、大型トランジスタ、高速コンピュータ用ＣＰＵ、大型コンデンサ、モーター、リードスイッチなどの大電流が流れ大量の熱が発生する電気電子機器部品は放熱基盤上に据付けて用いられるが、この場合も使用中の温度上昇で電気電子機器と放熱基盤（放熱用材料製）との接触部に熱歪みが生じて電気電子機器の機能が低下することがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような放熱用材料には、従来よりＣｕ−Ｃｒ合金などが用いられている。前記Ｃｕ−Ｃｒ合金はＣｒが凝固時に晶出し、母相（Ｃｕ）に殆ど固溶しないため高熱伝導性であり、しかもＣｒの含有量が増えるにつれ熱膨張係数が低下する性質がある。
【０００５】
ところで、前記Ｃｕ−Ｃｒ合金のように合金元素が晶出する銅合金の熱膨張係数σｃｏｍは下記（１）式で示される複合則が当てはまるとされている。
σｃｏｍ＝σｆ・Ｖｆ＋σｍ（１−Ｖｆ）・・・（１）
ここでσｆは第２相（Ｃｒ）の熱膨張係数、Ｖｆは第２相の体積分率（Ｃｒの含有量）、σｍは母相（Ｃｕ）の熱膨張係数である。
【０００６】
本発明者らは、Ｃｕ−Ｃｒ合金と、Ｃｕ−Ｃｒ合金と同じ性質を示すＣｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｎｂ合金を、それぞれ高周波真空溶解炉を用いて溶解鋳造し、得られた各々の鋳塊を熱間鍛造し、この熱間鍛造材について熱膨張係数を測定した。その結果、図１に示すように、測定値は複合則に合致することが判った。図１には純銅についてもプロットしてある。
【０００７】
しかし、図１から判るように、従来のＣｕ−Ｃｒ合金で、プラスチック材なみの熱膨張係数（１１〜１３×１０−６／Ｋ）を得るにはＣｒを４０質量％以上含有させる必要があり、このように多量のＣｒを含有させたのでは、熱伝導性が低下して放熱用材料としての用途が限られてしまうという問題がある。
そこで、本発明者らは、種々の銅合金材料について熱膨張係数を調べ、その中で、Ｃｕ−Ｃｒ合金などの銅合金は、晶出物（第２相）のアスペクト比（第２相の長さ／径（長さ方向に直角の断面が円であるとした場合の等価直径））が大きくなると熱膨張係数が著しく低下することを知見し、さらに研究を進めて本発明を完成させるに至った。
本発明は、樹脂モールドなどの低熱膨張係数材と接触して用いられる放熱用材料として有用な銅合金、および前記銅合金を用いたヒートスプレッタなどの電気電子機器部品の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種が合計で２〜５０質量％含有され、残部が銅および不可避不純物からなる銅合金であって、前記Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種はアスペクト比が１０以上の第２相として含有されていることを特徴とする低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記第２相として含有されている前記Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種のアスペクト比が１００以上である請求項１記載の低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材である。
【００１０】
請求項３記載の発明は、熱膨張係数が、１４×１０−６以下である請求項１又は２に記載の低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材である。
【００１１】
請求項４記載の発明は、熱膨張係数が、１３×１０−６以下である請求項１又は２までのいずれかに記載の低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材である。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の銅合金板材が用いられている低熱膨張係数高熱伝導性銅合金板材製の電気電子機器部品で、ヒートスプレッタ、スティフナー、プラスチックＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｌｌａｙ）、プラスチックＰＧＡ（Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｌｌａｙ）、ヒートシンク、半導体リードフレーム、端子、コネクタなどに用いられる。
【００１３】
請求項６記載の発明は、少なくとも一部がプラスチック材で覆われている請求項５記載の低熱膨張係数高熱伝導性銅合金製の電気電子機器部品で、ヒートスプレッタ、スティフナー、プラスチックＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｌｌａｙ）、プラスチックＰＧＡ（Ｐｉｎ  Ｇｒｉｄ  Ａｌｌａｙ）、ヒートシンク、半導体リードフレーム、端子、コネクタなどに用いられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の銅合金板材は、Ｃｕ母相中にＣｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種がアスペクト比１０以上の第２相として含有されたものである。
前記第２相となるＣｒ、Ｗ、Ｎｂは、いずれもＣｕと二相分離型の元素であり、凝固時にＣｕ母相中に第２相として晶出する。この晶出物はＣｕより熱膨張係数が小さいためＣｕの熱膨張係数を低下させるが、本発明の銅合金板材では、前記第２相のアスペクト比を大きくすることによりＣｕより著しく熱膨張係数を低下させたもので、アスペクト比が１程度の従来材に比べて、熱伝導率が同じなら熱膨張係数が著しく低く、熱膨張係数が同じなら熱伝導率が著しく高いものである。
【００１５】
本発明の銅合金板材はＣｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種を（複数含有させるときは合計で）２〜５０質量％含む他に、原料中または製造工程中に混入する不可避不純物が含有されていても差し支えない。
【００１６】
本発明において、第２相となるＣｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種の合計の含有量を２〜５０質量％に規定し、且つ前記第２相のアスペクト比を１０以上に規定する理由は、含有量が２質量％未満でもまたアスペクト比が１０未満でも十分な低熱膨張係数が得られず、含有量が５０質量％を超えると融点が高くなり溶解鋳造が困難になるためである。前記アスペクト比は１００以上が特に望ましい。
【００１７】
本発明の銅合金板材は、例えば、母相となる純銅（無酸素銅、タフピッチ銅、リン脱酸銅など）にＣｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種を添加し、溶製、鋳造して得られる鋳塊に熱間加工、冷間加工、必要に応じて熱処理を施して製造される。前記冷間加工には平ロール圧延、ダイス引抜き、スエージング、鍛造などの任意の加工法が適用できる。
ここで冷間加工とは加工時の材料温度が３００℃以下の加工である。
【００１８】
本発明の銅合金板材に含まれる合金元素のＣｒ、Ｗ、Ｎｂは、いずれも凝固時に晶出し、熱間加工後は略球状（アスペクト比が１前後）の第２相（晶出物）として母相（Ｃｕ）に均一に分散し、次の冷間加工で前記第２相はアスペクト比が次第に大きくなり、それにつれて熱膨張係数が低下する。
アスペクト比が１０以上で熱膨張係数は前記複合則から求められる熱膨張係数よりも低くなり、アスペクト比が１００以上で複合則から求められる熱膨張係数より約１０％低下し、さらに５００以上になると３０％以上低下する。この時、第２相の含有量は同じなので熱伝導性は変化せず、熱膨張係数のみが低下する。
【００１９】
具体的に説明すると、１４×１０−６／Ｋの熱膨張係数を得るためには、従来のＣｕ−Ｃｒ合金（アスペクト比が１程度）ではＣｒを３０質量％含有させる必要があり、その導電率（熱伝導性）は約７０％ＩＡＣＳと低い。
これに対し、本発明の銅合金では、アスペクト比を１０としたときでもＣｒは１５質量％含有させれば良く、その導電率は約８３％ＩＡＣＳと高い。純金属および第２相（晶出物）を含まない合金では冷間加工しても熱膨張係数は変化しない。
【００２０】
請求項５及び請求項６の電気電子機器部品のうち、ヒートスプレッタ、スティフナー、プラスチックＢＧＡ、プラスチックＰＧＡは、いずれもＩＣチップが搭載される電子機器の部品である。例えば、プラスチックＢＧＡは、図２に示すように、積層基板などのビルドアップサブストレート１上にＩＣチップ２が載置され、ＩＣチップ２の両側にはプラスチック材３を介在させてスティフナー４が配置され、ＩＣチップ２上にはヒートスプレッタ５が配置されたものである。図２で、６は配線基板（図示せず）に半田付けするためのソルダーバンプである。なお、図２において、プラスチック材３を介在させないで、その部分が空洞の場合もある。また５の上面と６部分のみが露出して残り部分がプラスチック材で覆われることもある。
【００２１】
スティフナー４とヒートスプレッタ５はＩＣチップ２の発熱を吸収し、ヒートスプレッタ５上に取付けられる放熱板（図示せず、例えばフィン）に熱を伝達するためのヒートシンクの役割を担っている。従ってスティフナー４やヒートスプレッタ５などには良好な熱伝導性が要求される。
【００２２】
一方、プラスチックＰＧＡは、前述のようにプラスチック材３が介在したり、全体または一部がプラスチック材でモールドされたりするが、このプラスチック材はヒートスプレッタ５などと接触するため熱膨張係数の違いから破損する恐れがあり、ヒートスプレッタ５などを構成する放熱用材料にはプラスチック材なみの低熱膨張係数（１１〜１３×１０−６／Ｋ）が要求される。なお、特にプラスチックＢＧＡの全体（図２でソルダーバンプおよびヒートスプレッタ５の上面を除く部分）が樹脂モールドされる場合は、ヒートスプレッタ５の上部に放熱フィン（図示せず）を取付けて放熱すると良い。
【００２３】
本発明の銅合金板材は、例えば、第２相となる合金元素を２〜３０質量％程度含有させることにより前記プラスチック材と同等の低熱膨張係数となり、３０〜５０質量％含有させることにより、熱膨張係数をさらに低下させることができ、Ｓｉチップを搭載するリードフレームなどに適用できる。このように、本発明の銅合金は、Ｃｒなどの合金元素を多量に含有させて熱伝導性が低下しても、同じ熱伝導性で比較すると従来材に比べて熱膨張係数を大幅に低下させることができるので、用途が限定されることがない。
【００２４】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
電気銅に高純度のＣｒ、ＷまたはＮｂを添加して高周波真空溶解炉にて溶製し、これを金型に鋳造して４５ｍｍ×４５ｍｍ×１２０ｍｍの鋳塊とし、この鋳塊を熱間圧延（圧延温度９００℃、減面率７５％）し、次いで１０００℃で１時間溶体化処理したのち、面削して２０ｍｍ×２０ｍｍ×４００ｍｍの角材とし、この角材に冷間加工（溝ロール圧延→ダイス引抜き→カセットローラーダイス引抜き）を施し、次いで固溶元素を析出させて熱伝導性を高めるために、Ａｒガス中で５００℃、１時間熱処理し、その後水焼入れして厚み２．０ｍｍまたは０．２ｍｍの板材を製造した。冷間加工方向は、圧延加工および引抜き（ダイス、ローラー）加工とも同じにした。
【００２５】
（比較例１）
実施例１の溶体化処理後面削した角材から直径３ｍｍ、長さ２０ｍｍの断面円形のサンプルを切出した。
【００２６】
実施例１で製造した各板材から切出した長さ２０ｍｍのサンプルと比較例１のサンプルについて、（１）アスペクト比、（２）熱膨張係数、（３）導電率（熱伝導性の代用値）を下記方法により測定した。
【００２７】
（１）アスペクト比：
各サンプルを加工面に平行に鏡面研磨し、研磨面を２０質量％硝酸水溶液で腐食して表層のＣｕを除去した後、走査型電子顕微鏡により第２相を観察し写真撮影した。この写真から第２相のアスペクト比（第２相の長さ（縦方向）／径（横方向長さ））を求めた。前記縦方向長さはサンプルの長さ方向（冷間加工材の場合は冷間加工方向）の長さである。横方向長さは等間隔に５箇所測定した値の平均値である。
【００２８】
（２）熱膨張係数：
熱膨張測定機の電気炉内に、各サンプルを、上部にアルミナ製おもり（荷重１０ｇ）を載せてセットし、電気炉内温度が常温から３００℃まで１℃／ｓｅｃの速度で上昇する間の前記おもりの変位を測定した。
【００２９】
（３）導電率：
厚み２ｍｍおよび０．２ｍｍの板材、並びに直径３ｍｍの線材から長さ１５０ｍｍのサンプルを切出し、２０℃の恒温槽中で四端子法により比抵抗値を測定して求めた。端子間距離は１００ｍｍとした。
【００３０】
溶体化処理しないこと以外は、実施例１、比較例１と同じ方法により製造した純銅と黄銅（Ｃｕ−３０質量％Ｚｎ）の各板材または線材についても同様の測定を行った。
結果を表１に示す。アスペクト比は、第２相１０個の平均値、熱膨張係数と導電率は各３本の平均値を示した。表１には用いた銅合金板材の成分組成も併記した。
【００３１】
【表１】
0004346142.tif 000002
【００３２】
表１より明らかなように、本発明例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２０は、いずれも、熱膨張係数がプラスチック材なみに小さい。また導電率（熱伝導性）が放熱用材料として十分使用できる値であることも本発明例Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．２０の測定値から明らかである。これは銅合金に含まれる第２相のアスペクト比が１０以上と大きいため、少量の第２相で熱膨張係数を低くすることができたためである。
【００３３】
これに対し、比較例Ｎｏ．２１〜Ｎｏ３０は、略同程度の導電率で比較すると、いずれも本発明例に比べて熱膨張係数が大きく放熱用材料としては不適当なものであった。これは銅合金に含まれる第２相のアスペクト比が小さいためである。
一方、純銅線材（Ｎｏ．３１〜Ｎｏ．３３）は熱膨張係数が大きく、黄銅線材（Ｎｏ．３４〜Ｎｏ．３６）は熱膨張係数が大きいうえ導電率（熱伝導性）も低く、いずれも実用性に劣るものであった。
【００３４】
実施例１で製造した本発明例の各銅合金線材について耐熱性を調べたが、いずれも優れており、耐熱性が要求される用途にも十分使用可能なことが判った。
【００３５】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の銅合金板材は母相（Ｃｕ）にＣｒ、Ｗ、Ｎｂのうちの少なくとも１種がアスペクト比１０以上の第２相（晶出物）として含有され、従来よりも少量の第２相、即ち、従来のように熱伝導性を低下させることなく、熱膨張係数を著しく低下させるものであり、このため樹脂モールドなどの低熱膨張係数材と接触させて用いても樹脂モールドなどが損傷することがなく放熱用材料として極めて有用である。
更に、本発明の銅合金板材は、ヒートスプレッタ、スティフナー、プラスチックＢＧＡ、プラスチックＰＧＡ、ヒートシンク、半導体リードフレーム、端子、コネクタ、リードスイッチなどの電気電子機器部品に好適に使用でき、依って、工業上顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱膨張係数に関する複合則の説明図である。
【図２】プラスチックＢＧＡの説明図である。
【符号の説明】
１    ビルドアップサブストレート（積層基板など）
２    ＩＣチップ
３    プラスチック材（空洞の場合もある）
４    スティフナー
５    ヒートスプレッタ
６    ソルダーバンプ
【図１】
0004346142.tif 000003
【図２】
0004346142.tif 000004