镀锡层的耐热剥离性优良的Cu-Ni-Si系合金镀锡条
技术领域
本发明涉及一种具有良好的耐热剥离性的Cu-Ni-Si系合金镀锡条,其适合用作连接器、端子、继电器、开关等的导电性弹簧材料。
背景技术
以往,作为连接器、端子等电子材料用铜合金,使用以磷青铜和黄铜为代表的固溶强化型铜合金。但是,近年来,随着端子、连接器等的小型化的发展,具有更高强度和更高导电性的沉淀硬化型铜合金的使用量逐渐增加,取代了以往的固溶强化型铜合金。沉淀硬化型铜合金中,通过对经固溶化处理的过饱和固溶体实施时效处理,微细的析出物均匀地分散,合金的强度提高,与此同时,铜中的固溶元素量减少,导电性提高。因此,沉淀硬化型铜合金的强度、导电性优良。
沉淀硬化型铜合金的代表性的例子有Cu-Ni-Si系合金,作为电子材料用铜合金正逐渐实用化。该铜合金中,微细的Ni-Si系金属互化物粒子在铜基质中析出,因而强度和导电率提高。Cu-Ni-Si系合金的常规制造工艺与普通的沉淀硬化型铜合金相同,首先进行大气熔化,铸造所需组成的铸锭。然后进行热轧、冷轧和时效热处理,制成具有所需厚度和特性的条或箔。
对如上所述制造的Cu-Ni-Si系合金条等实施镀Sn而得的Cu-Ni-Si系合金镀Sn条可以发挥Sn的优良的焊接浸润性和电连接性而用作汽车和民用的连接器、端子等。因此,对于Cu-Ni-Si系合金镀Sn条的特性,除了要求优良的强度、高电气和热传导性以外,还要求镀锡层的耐热剥离性等也优良。
Cu-Ni-Si系合金镀Sn条通常通过下述工序制造:在连续镀敷流水线上进行脱脂及酸洗后通过电镀法实施基底镀敷,接着通过电镀法实施镀Sn,最后实施回流(reflow)处理,使Sn镀层熔融。
作为Cu-Ni-Si系合金镀Sn条的基底镀层,通常采用Cu基底镀层,对于要求耐热性的用途,有时也实施Cu/Ni双层基底镀层。这里,Cu/Ni双层基底镀层是指按照Ni基底镀层、Cu基底镀层、Sn镀层的顺序进行电镀后实施回流处理而得的镀层。该技术在专利文献1~3(日本专利特开平6-196349、日本专利特开2003-293187、日本专利特开2004-68026号公报)等中揭示。
关于镀层剥离性,在专利文献4(日本专利特开平9-209062号公报)中,为了改善焊接浸润性和Ag镀层的耐加热膨胀性而限定了Si氧化物的大小。专利文献5(日本专利特开2007-39789号公报)中记载,有效的是抑制镀层与母材的界面的Si浓度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开平6-196349号公报
专利文献2:日本专利特开2003-293187号公报
专利文献3:日本专利特开2004-68026号公报
专利文献4:日本专利特开平9-209062号公报
专利文献5:日本专利特开2007-39789号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是,专利文献1~3的Cu-Ni-Si系合金镀Sn条存在长时间保持在高温下时镀层会从母材剥离的问题。
上述专利文献4不是涉及Sn镀层的发明,而是涉及Ag镀层的发明,在经济性方面不理想,即使将为了改善耐加热膨胀性而在该文献中采用的对Si氧化物大小的限定直接应用于Sn镀层,也由于镀层成分不同而无法期待优良的效果。
虽然专利文献5中记载,为了获得良好的耐热剥离性,有效的是抑制镀层与母材的界面的Si浓度,但并没有关于促进耐热剥离性的其它元素的浓度的记载。
于是,本发明人从与上述现有技术完全不同的角度进行了Cu-Ni-Si系合金镀锡条的耐热剥离性的改善。
解决课题用的手段
本发明人着眼于实施回流处理后的Cu-Ni-Si系合金镀Sn条的母材与其正上方的镀层的界面的Si浓度和Zn浓度,考察界面的Si浓度和Zn浓度与镀层的耐热剥离性之间的关系,获得了以下见解。
Cu-Ni-Si系合金如上所述,通过对经固溶化处理的过饱和固溶体实施时效处理,微细的Ni-Si化合物粒子析出,有助于强度提高。但是,固溶Si并非全都以Ni-Si化合物的形式析出,而是有一部分固溶于Cu基质中而残存。该残存的固溶Si在镀敷后必然也会残存,在镀敷后迁移至母材与镀层的界面,在界面上生成Si浓化层。该生成于母材/镀层界面上的Si浓化层成为镀层剥离的原因。因此,为了获得良好的镀层的耐热剥离性,需要防止回流处理后的母材与镀层的界面下的Si浓度的升高。
以往,为了防止表面氧化,在还原气氛下进行时效处理,通过酸洗等除去时效后的母材表面上少量生成的Cu和/或Si氧化物后再进行镀敷。但是,即使在还原气氛下进行时效并在酸洗后进行镀敷,在长时间或加热条件下也容易在界面正下方形成Si浓化层,从而促使镀层剥离。
本发明人着眼于如果在镀敷处理前的母材合金表面在较短的时间内形成厚的Si浓化层、则会在Si浓化层的下侧形成Si缺乏层(参照图1)这一点,从而完成了本发明。即,如果在规定的条件下在母材表面刻意地形成厚的Si浓化层后,将该Si浓化层的大部分除去后再进行镀敷,则母材与镀层的界面下呈Si缺乏状态,即使在长期保存后和/或加热条件下也能防止母材/镀层界面下的Si浓化层的形成,因此能制造耐热剥离性优良的镀敷条。此外,因为镀层与母材的界面上的Zn的存在对镀层的耐热剥离性有效,所以通过规定上述Si缺乏层中的Zn浓度,能制造耐热剥离性更为优良的镀敷条。
如上所述,本发明是为了改善Sn镀层的耐热剥离性、着眼于铜母材/镀层界面下的Si浓度和Zn浓度而完成的发明,提供下述镀敷条。
(1)Cu-Ni-Si系合金镀锡条,其是一种铜合金镀锡条,含有1.0~4.5质量%的Ni,含有相对于Ni的质量%为1/6~1/4的Si,还含有总量在2.0质量%以下的Zn和根据需要添加的选自Sn、Mg、Co、Ag、Cr及Mn的至少一种元素,余分由铜及不可避免的杂质构成,其特征在于,铜合金与其正上方的镀层的界面上具有Si缺乏层,该Si缺乏层中的Si浓度低于铜合金组成的Si浓度的100%,该Si缺乏层中的Zn浓度为铜合金组成的Zn浓度的90%以上。
(2)(1)的Cu-Ni-Si系合金镀锡条,其特征在于,所述Si缺乏层中的Si浓度为铜合金组成的Si浓度的95%以下。
(3)(1)或(2)的Cu-Ni-Si系合金镀锡条,其特征在于,所述Si缺乏层中的Zn浓度为铜合金组成的Zn浓度的95%以上。
发明的效果
本发明提供镀锡层的耐热剥离性优良的Cu-Ni-Si系合金镀锡条。
附图说明
图1是本发明的时效处理后的母材的Si浓度剖视图。
图2是发明例1的Cu基底镀Sn铜合金中的Si和Zn相对于深度方向的浓度剖视图。
图3是发明例1的Cu基底镀Sn铜合金中的Sn和Cu相对于深度方向的浓度剖视图。
图4是发明例8的Cu/Ni基底镀Sn铜合金中的Si和Zn相对于深度方向的浓度剖视图。
图5是发明例8的Cu/Ni基底镀Sn铜合金中的Sn、Cu和Ni相对于深度方向的浓度剖视图。
具体实施方式
(1)母材的成分
Ni和Si的作用是,通过进行时效处理,Ni和Si的化合物粒子在Cu基质中析出,可获得高强度和高导电率。
Ni在1.0~4.5质量%的范围内添加。Ni如果低于1.0,则无法获得足够的强度。Ni如果超过4.5质量%,则铸造和热轧中会发生开裂。
Si的添加浓度(质量%)为Ni的添加浓度(质量%)的1/6~1/4的范围,优选1/5~1/4的范围。Si如果超出该范围,则导电率降低。特别是Si的添加量如果超过Ni的1/4,则固溶Si增加,铜合金与镀层的界面的Si浓度升高,铜合金与其正上方的镀层的界面上无法伴随着Si浓化处理而形成Si缺乏层,耐热剥离性下降。
本发明中,“Si缺乏层”是指与铜合金组成的Si浓度相比连续地较低的部分,具体是指Si浓度低于铜合金组成的Si浓度的100%的部分,特别是指Si浓度为铜合金组成的Si浓度的95%以下的部分。
此外,为了改善耐热剥离性和强度等特性,母材中含有Zn和根据需要添加的选自Sn、Mg、Co、Ag、Cr及Mn的至少一种元素。这些元素的添加量如果增加,则导电率降低,因此总计含量在2.0质量%以下。
(2)母材与镀层的界面的Si和Zn浓度
本发明中,“铜合金与镀层的界面”是采用GDS(辉光放电发射分光分析装置),根据回流后的镀Sn条的Sn、Cu、Ni、Si的深度方向的浓度剖视图如下所述求得。
(一)Cu基底上残存有Cu镀层的情况下,将Cu的浓度剖视图中Cu浓度处于母材的Cu浓度和Cu的浓度剖视图的最大值的中间的位置作为界面。
(二)Cu基底上未残存Cu镀层的情况下,母材正上方的镀层为Cu6Sn5。因此,将Cu的浓度剖视图中Cu浓度处于母材的Cu浓度和Cu6Sn5的Cu浓度(39.1wt%)的中间的位置作为界面。
(三)为Cu/Ni基底的情况下,将Ni的浓度剖视图中Ni浓度处于母材的Ni浓度和Ni的浓度剖视图的最大值的中间的位置作为界面。
本发明中,“铜合金与镀层的界面的Si浓度”是指自上述界面起0.5μm深度范围内的Si浓度的最大值。为了获得优良的镀锡层的耐热剥离性,该最大值、即铜合金与镀层的界面的Si浓度必须低于铜合金组成的Si浓度的100%。如果在100%以上,则长期保存后和/或加热条件下可能会发生镀层剥离。
本发明中,“铜合金与镀层的界面的(Si缺乏层中的)Zn浓度”是指自上述界面起0.5μm深度范围内的Zn浓度的最大值。Zn在镀层与母材的界面上有助于实现镀层的良好的耐热剥离性。因此,为了获得优良的镀锡层的耐热剥离性,重点在于该最大值、即铜合金与镀层的界面的Zn浓度为铜合金组成的Zn浓度的90%以上、优选为95%以上。
本发明的Cu-Ni-Si系合金例如可将“熔化、铸造→均质化→热轧→冷轧1→固溶化→冷轧2→时效”的工序进行适当的改变和调整来制造。本发明的合金镀锡条的制造中,在母材表面刻意地形成厚的Si浓化层,并同时形成Si缺乏层。如果不是在以往的还原性气氛下、而是在氧或其它容易与Si结合的化合物的存在下进行时效处理,则可形成图1所示的伴有Si缺乏层的Si浓化层。图1的Si浓度剖视图中,自表面起朝深度方向在Si浓化层的峰之后紧接着可观察到Si缺乏层的谷部,然后为恒定的铜合金组成的Si浓度。
例如,如果将时效处理的周围气氛的氧浓度调整为5~50ppm以促进合金表面上的Si氧化物层的形成,则生成作为目标的Si浓化层。上述氧浓度可以根据时效温度、时间、表面层除去程度而适当改变。
通过研磨、抛光研磨、酸洗等将通过上述时效处理而得的母材铜合金表面的Si浓化层除去。
除去上述Si浓化层后,进行镀敷处理,得到本发明的合金镀锡条。镀敷处理在镀敷浴温度20~80℃、镀敷时间3~120秒的范围内进行。镀敷后,以两个阶段进行回流处理。第一阶段的回流处理用于使Zn扩散至镀层与母材的界面,于250℃进行3~10秒。第二阶段的回流处理用于获得所需的镀敷被膜结构,于550℃进行3~10秒。
通过上述处理,制得本发明的镀敷条。
(3)镀层的厚度
(3-1)Cu基底回流镀Sn
自表面起到母材为止,由Sn相、Cu-Sn合金相以及根据情况残存的Cu相等各层构成镀敷被膜。在母材上依次进行Cu基底镀层、Sn镀层的电镀,并实施回流处理,由此获得该镀敷被膜结构。Sn相及Cu-Sn相的厚度通过电解式膜厚计求得。
回流处理后的Sn相的厚度为0.1~1.5μm。厚度如果不足0.1μm,则会显著促进高温环境下的焊接浸润性和接触电阻的劣化,如果超过1.5μm,则加热时镀层内部产生的热应力升高,促使镀层剥离。
回流处理后的Cu-Sn合金相的厚度为0.1~1.5μm。因为Cu-Sn合金相质地坚硬,所以如果以0.1μm以上的厚度存在,则有助于减小插入力。另一方面,Cu-Sn合金相的厚度如果超过1.5μm,则加热时镀层内部产生的热应力升高,促使镀层剥离。
通过电镀形成的Cu镀层的厚度为0~0.8μm,如果超过0.8μm,则加热时镀层内部产生的热应力升高,促使镀层剥离。优选的Cu镀层厚度为0.4μm以下,但更好的是在回流处理时该Cu镀层在Cu-Sn合金相形成过程中被消耗,使其厚度变为零。
各层的电镀时,进行适当调制,使得所形成的Sn镀层厚度在0.5~2.0μm的范围内,所形成的Cu镀层厚度在0.1~1.5μm的范围内。然后,在适当的条件下进行回流处理,由此获得上述镀层结构。
(3-2)Cu/Ni基底回流镀Sn
自表面起到母材为止,由Sn相、Cu-Sn合金相、Ni相等各层构成镀敷被膜。在母材上依次进行Ni基底镀层、Cu基底镀层、Sn镀层的电镀,并实施回流处理,由此获得该镀敷被膜结构。通过回流处理,镀层间的Cu与Sn反应,形成Cu-Sn合金层。另一方面,Ni镀层以接近于刚电镀完的状态(厚度)残留。Ni相的厚度通过截面的SEM观察求得。
回流处理后的Sn相的厚度及Cu-Sn合金相的厚度与上述Cu基底回流镀Sn相同。
回流处理后的Ni相的厚度为0.1~1.0μm。Ni相的厚度如果不足0.1μm,则镀层的耐腐蚀性和耐热性下降。另一方面,回流处理后的Ni相的厚度如果超过1.0μm,则加热时镀层内部产生的热应力升高,促使镀层剥离。
各层的电镀时,进行适当调整,使得所形成的Sn镀层厚度在0.5~2.0μm的范围内,所形成的Cu镀层厚度在0.1~1.0μm的范围内,所形成的Ni镀层厚度在0.1~0.8μm的范围内。然后,在适当的条件下进行回流处理,由此获得上述镀层结构。
本发明中,“耐热剥离性优良”是指加热后进行弯曲半径0.5mm的90°弯曲和弯曲恢复后不发生镀层剥离。
实施例
下文所示为使用作为母端子材料(メス端子材)具有优良的强度和导电率的Cu-Ni-Si系合金作为镀层母材的实施例。
以市售的电解铜作为阳极在硝酸铜浴中进行电解,使高纯度铜在阴极析出。该高纯度铜中的P、As、Sb、Bi、Ca、Mg及S浓度均低于1质量ppm。下面将该高纯度铜用作下述铸锭制造材料。
用高频感应炉将2kg的高纯度铜在内径60mm、深200mm的石墨坩埚中熔化。用木炭片覆盖熔液表面后,投入规定量的Ni、Si、Zn及其它添加元素,将熔液温度调整至1200℃。
然后将熔液倒入模具,制成宽60mm、厚30mm的铸锭,通过以下工序加工成Cu基底回流镀Sn材料和Cu/Ni基底回流镀Sn材料。
(工序1)于950℃加热3小时后,热轧至8mm厚。
(工序2)用研磨机将热轧板表面的氧化皮研磨、除去。
(工序3)冷轧至板厚0.3mm。
(工序4)作为固溶化处理,于800℃加热1分钟,在水中急剧冷却。
(工序5)将电炉抽真空至真空度达到10-4Pa以下,用纯度99.9998%的氮气置换。重复该操作2次以上。然后注入纯度99.9999%的氧气,控制在规定的氧浓度。作为时效处理,在该控制在规定的氧浓度的气氛的电炉中于460℃保持6小时,然后以原状态冷却。
(工序6)冷轧至板厚0.25mm。
(工序7)在氮气气氛的电炉中于500℃保持10秒后,在10vol%硫酸-1vol%过氧化水溶液中进行抛光研磨,除去铜合金表面的Si浓化层。
(工序8)在下述条件下实施Ni基底镀敷(仅Cu/Ni基底回流镀Sn)。
·镀敷浴组成:硫酸镍250g/L、氯化镍45g/L、硼酸:30g/L。
·镀敷浴温度:50℃。
·电流密度:5A/dm2。
(工序9)在下述条件下实施Cu基底镀敷。
·镀敷浴组成:硫酸铜200g/L、硫酸60g/L。
镀敷浴温度:25℃。
·电流密度:5A/dm2。
(工序10)在下述条件下实施镀Sn。
·镀敷浴组成:氧化亚锡41g/L、苯酚磺酸268g/L、表面活性剂5g/L。
镀敷浴温度:50℃。
·电流密度:9A/dm2。
(工序11)作为第一阶段回流处理,在调整至氮气气氛、温度250℃的加热炉中保持10秒钟。
(工序12)作为第二阶段回流处理,在调整至氮气气氛、温度550℃的加热炉中保持5秒钟,然后水冷。
上述工序11仅对发明例进行,不对比较例进行。
对如上所述制得的样品进行下述评价。
(a)母材的成分分析
通过机械研磨和化学蚀刻完全除去镀层后,用ICP-发射分光法测定Cu以外的添加元素。
(b)酸洗研磨量
用测微计测定进行酸洗研磨前后的样品的板厚,根据酸洗研磨前后的板厚之差求出酸洗研磨量。
(c)Si和Zn浓度剖视图及界面Si和Zn浓度
将试样在丙酮中超声波脱脂后,通过从表面的GDS(辉光放电发射分光分析装置)分析求出Si和Zn的深度方向的浓度剖视图。测定条件如下所述。
装置:JOBIN YBON公司制JY5000RF-PSS型
电流法程序:CNBinteel-12aa-0
模式:设定功率=40W
气压:775Pa
电流值:40mA(700V)
闪光时间:20s
预加热(Preburn)时间:2s
测定(分析)时间=30s、采样时间=0.020s/点
根据浓度剖视图数据求出母材与镀层的界面的Si和Zn浓度。
由GDS测得的浓度剖视图数据的代表性的例子示于图2~5。图2是发明例1的Cu基底镀Sn铜合金中的Si和Zn相对于深度方向的浓度剖视图。图3是发明例1的Cu基底镀Sn铜合金中的Sn和Cu相对于深度方向的浓度剖视图。图4是发明例8的Cu/Ni基底镀Sn铜合金中的Si和Zn相对于深度方向的浓度剖视图。图5是发明例8的Cu/Ni基底镀Sn铜合金中的Sn、Cu和Ni相对于深度方向的浓度剖视图。
图3所示的发明例1的铜合金是Cu基底中未残存有Cu镀层的铜合金,因此根据上述定义,“Cu的浓度剖视图中Cu浓度处于母材的Cu浓度和Cu6Sn5的Cu浓度(39.1wt%)的中间的位置”成为界面。因此,镀层与铜合金的界面定为存在于深度1.4μm处。另一方面,图2是同一试样的相对于深度方向的Si和Zn的浓度剖视图。自上述确定好的深度1.4μm的界面起到0.5μm深度为止(即自表面起深度1.4~1.9μm)的范围内的Si浓度的最大值为0.29质量%。因此,该铜合金与镀层的界面的Si浓度为该铜合金的93%,低于铜合金组成的Si浓度的100%。
自上述确定好的深度1.4μm的界面起到0.5μm深度为止之间(即自表面起深度1.4~1.9μm)的范围内的Zn浓度的最大值为0.36质量%。因此,该铜合金与镀层的界面的Zn浓度为该铜合金的100%。
图5所示的发明例8的铜合金在深度1.3~1.8μm的范围内检出Ni的浓度峰,该峰浓度与铜合金的Ni浓度的中间值为47%,此时的深度为1.65μm。即,镀层与铜合金的界面定为存在于深度1.65μm处。另一方面,图4是同一试样的相对于深度方向的Si和Zn的浓度剖视图。自上述确定好的深度1.65μm的界面起到0.5μm深度为止之间(即自表面起深度1.65~2.15μm)的范围内的Si浓度的最大值为0.32质量%。因此,该铜合金与镀层的界面的Si浓度为该铜合金的92%,低于铜合金组成的Si浓度的100%。
自上述确定好的深度1.5μm的界面起到0.5μm深度为止之间(即自表面起深度1.65~2.15μm)的范围内的Zn浓度的最大值为0.52质量%。因此,该铜合金与镀层的界面的Zn浓度为该铜合金的95%。
(d)耐热剥离性
采集宽10mm的长方形试验片,于150℃的温度下在大气中加热2000小时(Cu基底的发明例及比较例)或3000小时(Cu/Ni基底的发明例及比较例)。在此期间,每隔50小时将样品从加热炉取出,进行弯曲半径0.5mm的90°弯曲和弯曲恢复。然后,用光学显微镜(倍率50倍)观察弯曲内周部表面,考察有无镀层剥离。
上述试验条件及试验结果示于表1。
[表1]
发明例1~14的母材与镀层的界面的Si浓度比例在刚镀敷后以及于150℃加热2000小时或3000小时的耐热试验后均低于母材的Si浓度的100%,而且母材与镀层的界面的Zn浓度比例在90%以上,无论是Cu基底还是Cu/Ni基底,于150℃加热2000小时或3000小时后均未发生镀层剥离。
比较例1~9及13~21中,母材与镀层的界面的Si浓度比例在刚镀敷后以及于150℃加热2000小时或3000小时的耐热试验后均低于母材的Si浓度的100%,但未进行第一阶段回流处理,所述界面上的Zn浓度比例低于90%,发生了镀层剥离。
比较例10~12及22~24中,母材与镀层的界面的Si浓度比例在刚镀敷后以及于150℃加热2000小时或3000小时的耐热试验后均在母材的Si浓度的100%以上,而且未进行第一阶段回流处理,所述界面上的Zn浓度比例低于90%,发生了镀层剥离。而且其镀层剥离时间短于比较例1~9及13~21。