CN1733979A - 连接端子 - Google Patents

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Abstract

一种连接端子，在赋予机械压缩应力的部分有效地防止短路的产生及接触电阻的增大，在带焊锡的部分焊锡合金的濡湿性优良。该连接端子在被赋予机械压缩应力的部分具有镀敷层结构，该镀敷层结构是在母材上依次具有纯镍层、镍－锡金属间化合物层、由镍－锡金属间化合物及纯锡构成的混合层以及氧化锡层，混合层中的镍－锡金属间化合物的一部分与氧化锡层接触。

Description

连接端子
技术领域
本发明涉及构成连接器的端子，特别是涉及具有用于与挠性基板等其它部件电连接而赋予机械压缩应力的部分的连接端子。
背景技术
构成连接器的端子通常在整个面上实施镀敷处理。作为镀敷处理，从提高耐腐蚀性及滑动性的观点来看，可知在镍层上形成锡层后，进行回流(reflow)处理(例如专利文献1及专利文献2)。
但是，在由上述技术得到的现有的连接端子中，存在产生金属须(须)而与相邻的连接端子接触，造成短路的问题。另外，还存在对连接端子的焊锡合金的濡湿性降低，或端子的接触电阻增大的问题。
专利文献1：特开平6-73593号公报
专利文献2：特开2001-59197号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而开发的，其目的在于提供一种连接端子，在赋予机械压缩应力的部分有效地防止短路的产生及接触电阻的增大，在带焊锡的部分对焊锡合金的濡湿性优良。
本发明的连接端子，在赋予机械压缩应力的部分具有镀敷层结构，该镀敷层结构在母材上依次具有纯镍层、镍-锡金属间化合物层、由镍-锡金属间化合物及纯锡构成的混合层以及氧化锡层，其中，混合层中的镍-锡金属间化合物的一部分与氧化锡层接触。
虽然对现有的连接端子产生金属须的机理并不详细了解，但考虑有基于如下机理的解释。如图5所示，在母材50的镍层51上形成锡层52后进行回流处理，则在镍层51和锡层52之间生成镍-锡金属间化合物53，在表面形成氧化锡层54。此时，当处理条件较弱而回流处理不充分时，存在不含有镍-锡金属间化合物的锡层52。这样的锡层因为容易变形而一旦被赋予机械压缩应力55时，则该锡层中的内部应力增大。内部压力增大时，引起锡原子的移动(转移)，镀敷时形成的锡层的结晶状态破坏，锡层不稳定化。然后，在向稳定状态转移的过程中，进行再结晶化，结果形成金属须56或压出部分(ヨリ)57。
另一方面，考虑到回流处理条件较强时，促进镍-锡金属间化合物的生成，锡层变换成镍-锡金属间化合物层，因此，该镍-锡金属间化合物造成焊锡的濡湿性降低，接触电阻增大。
本发明的连接端子由于在赋予机械压缩应力的部分抑止金属须(须)的产生，故可有效地防止短路的产生。另外，赋予机械压缩应力的部分的接触电阻有效地降低。且本发明的连接端子在带焊锡的部分对焊锡合金的濡湿性优良。
附图说明
图1是本发明的连接端子的具有赋予机械压缩应力的部分的镀敷层结构的模式剖面图；
图2是用于说明本发明的连接端子防止金属须等产生的机理的模式剖面图；
图3是本发明的连接端子之一例的概略图；
图4是用于说明本发明连接端子的使用形态的概略剖面图；
图5是用于说明现有的连接端子产生金属须等的机理的模式剖面图。
具体实施方式
本发明的连接端子在赋予机械压缩应力的部分具有以下所示的镀敷层结构A。
如图1所示，镀敷层结构A的特征在于，在母材1上依次具有由纯镍构成的镍层2、由镍-锡金属间化合物6构成的Ni-Si层3、由镍-锡金属间化合物6及纯锡7构成的混合层4以及氧化锡层5，混合层4中的镍-锡金属间化合物6的一部分与氧化锡层5接触。即，在依次形成纯镍层及纯锡层后，通过适度地进行回流处理，在纯镍层和纯锡层间生成的镍-锡金属间化合物(简单称为“Ni-Sn”)生长直至其一部分到达氧化锡层。因此，镀敷层结构A不存在由不含镍-锡金属间化合物的纯锡构成的锡层。
在本说明书中，纯锡与构成镍-锡金属间化合物的锡区别使用，意思是指未构成该金属间化合物的锡(单体)，本发明不排除纯锡含有铜、镁、磷等杂质。
另外，纯镍也同样与构成镍-锡金属间化合物的镍区别使用，意思是指未构成金属间化合物的镍(单体)，本发明不排除纯镍含有铜、镁、磷等杂质。
在本发明中，通过使连接端子的赋予机械压缩应力的部分构成上述镀敷层结构A，即使一边继续赋予机械压缩应力一边通电，也可以防止经过长时间而产生的金属须或压出部分(ヨリ)。详细地说，如图2所示，即使继续对镀敷结构A(8)赋予机械压缩应力9，存在于混合层4中并与氧化锡层5接触的镍-锡金属间化合物6a也可以承受该应力，作为支承柱起作用。因此，在混合层4的纯锡部分7，内部压力未增大，纯锡部分7也没有不稳定化。其结果可抑制再结晶化，有效地防止金属须或压出部分(ヨリ)的产生。
与混合层4的氧化锡层5接触的镍-锡金属间化合物6a的存在比例只要能够通过使该镍-锡金属间化合物6a支承外部应力而可有效地防止金属须等的产生即可，没有特别地限制。例如，在剥离氧化锡层5后的混合层表面的纯锡(Sn)和镍-锡金属间化合物(Ni-Sn)的占有面积比例(Sn∶Ni-Sn)优选99∶1～20∶80，特别优选80∶20～50∶50。
占有面积比例可通过以下的方法测定。但是，并不是必须利用该方法进行测定，只要可测定混合层表面的Sn和Ni-Sn的占有面积比例，也可以利用任何方法进行测定。
对试样表面(氧化锡层表面)反复进行奥格电子分光法的测定和氩离子蚀刻(蚀刻深度约1nm)，预知与氧化锡层接触的层(存在于氧化锡层正下方的层)的出现。与氧化锡层接触的层的出现可通过奥格电子分光法的氧的深度方向分布状态及锡光谱的化学偏移状态来反映。然后，通过反映与氧化锡层接触的层的出现的奥格电子分光法的测定数据求出Sn和Ni-Sn的原子比例，形成Sn和Ni-Sn的占有面积比例。
另外，从更有效地防止金属须等产生并维持电气特性的观点出发，混合层4中的纯锡的含有量为20～80％，特别优选40～60重量％。
纯锡的含有量可通过以下方法测定。但是，并不是必须利用该方法进行测定，只要可测定混合层的纯锡的含有量，也可以利用任何方法进行测定。
与占有面积比例的测定方法相同，反复进行奥格电子分光法的测定和氩离子蚀刻(蚀刻深度约1nm)，预知混合层的出现和混合层的完成。混合层的出现可通过与氧化锡层接触的层中的锡与镍的原子比例来反映。由于镍-锡金属间化合物中的锡与镍原子比例为3∶2，故锡的比例比该原子比例高，且由于镍存在，可预知混合层的存在。另外，混合层的完成可通过锡和镍的原子比例达到3∶2来反映。其次，从混合层中的奥格电子分光法的全测定数据中作为平均值求出纯锡的含有量。
镍层2、Ni-Si层3、混合层4及氧化锡层5的厚度只要是混合层4的表面具有上述占有面积比例(Sn∶Ni-Sn)，则没有特别限制，但通常从抑制金属须及维持良好的电气特性的观点出发，优选具有以下所示的厚度。
镍层：1～5μm，特别优选2～3μm；
Ni-Sn层：0.5～2μm，特别优选0.5～1μm；
混合层：0.1～2μm、特别优选0.3～1.0μm；
氧化锡层：0.001～0.05μm，特别优选0.001～0.015μm。
作为上述这样的镀敷层结构A的形成方法，在母材1上依次形成镍层及锡层后，进行适度的回流处理(加热熔融处理)。当回流处理条件较弱时，如上所述，存在不含镍-锡金属间化合物的锡层。即，在镍层和锡层之间生成的镍-锡金属间化合物不会生长到达氧化锡层。因此，镍-锡金属间化合物不能作为支承柱起作用，由于内部应力而使锡层不稳定化，结果形成金属须或压出部分(ヨリ)。另一方面，当回流处理条件较强时，镍-锡金属间化合物容易过度生成，和混合层4中的氧化锡层5的界面仅由镍-锡金属间化合物构成，接触电阻增大。
镍层的形成方法没有特别限制，只要采用例如硫酸镍300～380g/l、氯化镍40～50g/l、硼酸45～50g/l及添加剂(含有阴离子系界面活性剂的添加剂)20～40ml/l的电镀液成份、以及40～55℃和20～40A/dm2的条件即可。镍层的厚度通常为1～4μm，优选2～3μm。
锡层的形成方法也没有特别限制，只要采用例如酸70～140ml/l、锡160～600ml/l及添加剂(含有非离子系界面活性剂的添加剂)20～80ml/l的电镀液成份、以及40～60℃和20～40A/dm2的条件即可。锡层的厚度通常为1～4μm，优选2～3μm。
回流处理通过加热熔融已形成的镍层-锡层进行。加热方式只要可实现规定的镀敷结构即可，没有特别限制，通常采用热风加热方式。热风加热方式是通过以规定的压力及时间吹附规定温度的热风实现加热的方式。通过热风加热方式，容易地仅对连接端子的赋予机械压缩应力的部分进行回流处理，进而可较严格地控制处理条件，可较容易地形成上述镀敷层结构A，因此是理想的。作为其它加热方式，公知有通过在规定温度的炉内放置规定时间来实现加热的炉内加热方式，但根据该方式，不能仅对连接端子的赋予机械压缩应力的部分进行回流处理。进而由于不能严格地控制处理条件，故很难形成上述镀敷层结构A。
用于形成镀敷层结构A的回流处理条件依存于锡层的厚度、加热方式、连接端子形状、材质等，因此，不能一概而定。
例如，锡层的厚度约为2μm，在采用风量0.8m3/min的热风加热方式时，优选热风温度为340～440℃、特别是380～400℃，处理时间为2～3秒。
另外，例如，锡层的厚度约为4μm，在采用风量0.8m3/min的热风加热方式时，优选热风温度为380～400℃，处理时间为2～3秒。
在进行回流处理后，通常进行后处理。后处理只要实现冷却即可，例如也可以通过自然冷却进行冷却。
作为母材，也可以使用以往使用作为连接端子的母材的任何金属材料，例如铜、铜与锡、铁、磷等的合金等。
在母材上通常首先形成镍层，然后进行电解脱脂处理及酸活性处理。
本发明的连接端子还在带焊锡的部分具有其它的镀敷层结构B。镀敷层结构B只要表面由纯锡层构成即可，没有特别限制，但从与连接端子中具有上述镀敷层结构A的部分同时进行处理的工序简化的观点出发，优选在母材上依次具有纯镍层及纯锡层。母材与上述母材相同。
这样的理想镀敷层结构B不进行回流处理及后处理，除此之外，可利用与镀敷层结构A的形成方法相同的方法形成。镍层的厚度通常为1～4μm，特别优选2～3μm。锡层的厚度通常为1～4μm，特别优选2～3μm。
在本发明的连接端子焊接在连接基板上时使用的焊锡合金优选Sn3Ag0.5Cu。
本发明的连接端子的赋予机械压缩应力的部分及带焊锡的部分之外的部分可以具有任何结构的镀敷层，或也可以不具有镀敷层。从防腐蚀的观点出发，优选在母材上仅具有纯镍层。母材是与上述母材相同的材料。
镍层可利用与形成镀敷层结构A时的镍层相同的方法形成。镍层的厚度通常为1～4μm，特别优选2～3μm。
本发明的连接端子具有例如图3所示的形状。在图3所示的连接端子10中，附图标记11是赋予机械压缩应力的部分，具有上述镀敷层结构A。在图3中，附图标记12是带焊锡的部分，具有上述镀敷层结构B。另外，从连接端子10容易进行镀敷处理，且更可靠地得到本发明的效果的观点出发，通常如图3所示，进行处理以使整个X区域具有镀敷层结构A，整个Y区域具有镀敷层结构B。
图3所示的连接端子10在例如图4所示的形态下使用。详细地说，连接端子10在带焊锡的部分12，通过焊锡合金15良好地固定在连接基板16上。另一方面，在端子10内插入用于与该端子电连接的其它部件(例如挠性基板17等)。然后，通过进一步插入滑块18，部分11介由挠性基板17等被赋予机械压缩应力，从而实现部分11和挠性基板17等的电连接。
实施例
实施例1
对具有图3所示的形状的铜制母材(全长(图3的L)约4mm)依次进行以下所示的处理，得到连接端子。
电解脱脂处理
将母材整个面在浓度5％的碱性清洗剂中浸渍10秒，干燥。
酸活性处理
将电解脱脂处理后的母材整个面在浓度5％的硫酸水溶液中浸渍10秒，干燥。
镀镍处理
对酸活性处理后的母材整个面以表1的条件进行镀镍处理(镍层厚度：2μm)。
镀锡处理
对镀镍处理后的母材两端(详细地说是图3的X区域及Y区域)依次以表1的条件进行镀锡处理(镀锡厚度：2μm)。
表1
  工序   电镀液组成   温度   电流密度
  镀镍处理   硫酸镍：300～380g/l氯化镍：40～50g/l硼酸：45～50g/l添加剂(含有阴离子系界面活性剂的添加剂)：20～40ml/l   50℃   34A/dm2
  镀锡处理   酸：75ml/l锡：400ml/l添加剂(含有非离子系界面活性剂的添加剂)：60ml/l   50℃   31A/dm2
回流处理
对镀锡处理后的母材的X区域(材质图3)以表2的条件进行回流处理。
表2
  工序   实施例/比较例   处理条件
  回流处理   实施例1   热风加热方式风量：0.8m3/min温度：340～360℃时间：2～3秒
后处理
将回流处理后的母材整个面在浓度10％的水溶性润滑剂中浸渍5秒，干燥。
实施例2及实施例3、比较例1及2
除将回流处理条件变更为表3中记载的条件之外，利用与实施例1相同的方法得到连接端子。
表3
  工序   实施例/比较例   处理条件
  回流处理   实施例2   热风加热方式风量：0.8m3/min温度：380～400℃时间：2～3秒
  实施例3   热风加热方式风量：0.8m3/min温度：420～440℃时间：2～3秒
  比较例1   热风加热方式风量：0.8m3/min温度：300～320℃时间：2～3秒
  比较例2   热风加热方式风量：0.8m3/min温度：460～480℃时间：2～3秒
物性评价
分析得到的连接端子中的X区域(参照图3)的镀敷层结构。
占有面积比例
测定剥离表面氧化锡层得到的表面的占有面积比例(Sn∶Ni-Sn)。
纯锡含有量
测定表面氧化锡层正下的层的纯锡含有量。
层结构及厚度
利用扫描型奥格电子分光法(日本电子社制)测定(分析换算)层结构及各层的厚度。即，反复进行奥格电子分光法的测定和氩离子蚀刻(蚀刻深度约1nm)，基于测定数据查看层结构及厚度。由于在相邻的各层上基于固有原子的有无或/及构成原子的比例及其变化等掌握各层的分界，故可求出层结构及各层的厚度。
表4表示总结这些的结果。
表4
  实施例/比较例   实施例1   实施例2   实施例3   比较例1   比较例2
  占有面积比例(％)(Sn∶Ni-Sn)   85∶15   65∶35   23∶77   100∶0   0∶100
  纯锡含有量(重量％)   62   52   21   70   0
  氧化锡层正下的层   混合层   混合层   混合层   纯Sn层   Ni-Sn层
  层结构(厚度(μm))   氧化锡层(0.005)   氧化锡层(0.013)   氧化锡层(0.009)   氧化锡层(0.010)   氧化锡层(0.013)
  混合层(0.26)   混合层(0.46)   混合层(0.12)   纯Sn层(0.69)   Ni-Sn层(1.5)
  Ni-Sn层(0.71)   Ni-Sn层(0.62)   Ni-Sn层(1.45)   混合层(0.51)   Ni层(2.1)
  Ni层(1.9)   Ni层(2.1)   Ni层(2.2)   Ni-Sn层(0.47)   母材
  母材   母材   母材   Ni层(2.5)   -
  -   -   -   母材   -
  金属须   ○   ○   ○   ×   ○
  接触电阻   ○   ○   ○   ○   ×
  焊锡的濡湿性   ○   ○   ○   ○   ○
从这些结果可知，在实施例1～3中具有混合层。
在比较例1中，可知在混合层和氧化锡层之间存在纯锡层。
在比较例2中，可知不存在混合层，而在氧化锡层的正下存在Ni-Sn层。
性能评价
赋予机械压缩应力的部分短路
在组装有连接端子的连接器上核对FPC，在室温下放置500小时后，利用电子显微镜确认金属须。下面表示评价基准。
○：金属须全长为0μm(完全不产生金属须)；
△：金属须全长小于或等于30μm(实用上没有问题)；
×：金属须全长超过30μm。
赋予机械压缩应力的部分的接触电阻
在组装有连接端子的连接器上核对FPC，由电路元件测定器以四端子法进行测定。下面表示评价基准。
○：接触电阻小于或等于21mΩ；
△：接触电阻小于或等于40mΩ(实用上没有问题)；
×：接触电阻超过40mΩ。
以下面的条件将组装有50针的连接端子的连接器安装在印刷线路板上，确认是否形成圆角(フイレツト)。(安装条件、焊锡种类：Sn3Ag0.5Cu、掩膜厚度：0.12、安装温度峰值235℃。)
实施例和比较例都具有良好的濡湿性，可在全部的针上确认圆角形状。
○：在全部的针上确认圆角；
×：未形成圆角。

Claims (4)

1、一种连接端子，其在被赋予机械压缩应力的部分具有镀敷层结构，该镀敷层结构是在母材上依次具有纯镍层、镍-锡金属间化合物层、由镍-锡金属间化合物及纯锡构成的混合层以及氧化锡层，其特征在于，混合层中的镍-锡金属间化合物的一部分与氧化锡层接触。
2、如权利要求1所述的连接端子，其特征在于，混合层与氧化锡层的界面中的混合层表面的纯锡(Sn)与镍-锡金属间化合物(Ni-Sn)的占有面积比例(Sn∶Ni-Sn)为99∶1～20∶80。
3、如权利要求1或2所述的连接端子，其特征在于，混合层的纯锡的含有量为20～80重量％。
4、如权利要求1～3中任一项所述的连接端子，其特征在于，连接端子还在带焊锡的部分具有表面有纯锡层的镀敷层结构。
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