JP2008156668A - 錫めっき厚さ設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】錫めっき端子において、種々の形状やめっきの種類に関わらず、所定期間保管した後でも、はんだ濡れ性を確実に確保することが可能な錫めっき厚さの設定方法を提供する。
【解決手段】母材に下地処理し錫めっきを施した試験片を準備して加熱老化処理を行うサンプル準備ステップ（Ｓ１１０）、試験片の純錫層及び合金層の厚さを求める厚さ測定ステップ（Ｓ１２０）、メニスコグラフ試験のゼロクロスタイムを測定するはんだ濡れ性評価ステップ（Ｓ１３０）、残存純錫層の厚さを求める許容残存純錫厚さ決定ステップ（Ｓ１４０）、Ｘ年後の合金層成長厚さ決定ステップ（Ｓ１５０）、及びＸ年後のはんだ濡れ性を確保できる錫めっきの厚さを決定する錫めっき厚さ決定ステップ（Ｓ１６０）からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、錫めっきが施された接続端子において、錫めっき端子がはんだ付けされる際に、確実なはんだ濡れ性を確保するための錫めっき厚さを設定する方法に関するものである。

従来、自動車に使用されるコネクタ端子等の接続端子は、銅や銅−亜鉛合金等の母材に銅又はニッケル等の下地処理を施した後、はんだ付けの為に錫めっきが施された状態で、コネクタとして成形される。この錫めっきが施された端子（以下、錫めっき端子ということもある。）が装着されているコネクタは、自動車ワイヤーハーネスに用いられ、自動車の組み立ての際に配線が行われ、錫めっき端子は他の端子や電線等とはんだ付けにより接続される。

錫めっき端子の製造方法として下記の方法が公知である（例えば、特許文献１参照）。母材の条を脱脂、酸洗した後、中間層として電気めっき法により銅やニッケルの下地めっきを形成し、表層の錫めっき層を形成する。また、リフロー錫めっきは、めっきの後に加熱・溶融（リフロー）処理することで形成される。

特開２００１−８９８９３号公報（０００２）

近年、はんだの鉛フリー化に伴い、はんだめっきから純錫めっきへの切り替えが進められている。錫めっき端子は、従来のはんだめっきを施した端子と比較して、はんだ濡れ性の低下が懸念されている。

またコネクタ部品は、端子が組み込まれて製造された後、直ぐに自動車に実装されずに、コネクタ部品として所定の期間、保管される場合がある。錫めっき端子は、保管中に錫と下地との金属が合金化して合金層が成長し、純錫めっき層が減少してしまうという問題がある。純錫めっき層が減少して合金層が増加すると、端子のはんだ濡れ性が低下して、所定のはんだ付け性能を発揮できなくなってしまう。従来、錫めっき層の厚さは、具体的な設定方法が存在せず、経験だけで決めていたのにすぎない。

しかしながら、錫めっき端子における錫めっき層と下地の合金化速度は、めっきの種類、保管温度等により種々異なるものである。錫めっき層の厚さを経験だけで決めていたのでは、種々の錫めっき端子において、所定期間保管した後のはんだ濡れ性を確実に保証することは極めて困難であるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、錫めっき端子において、錫めっきや下地めっきの種類に関わらず、所定期間保管した後でも、はんだ濡れ性を確実に確保することが可能な錫めっき厚さの設定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の錫めっき厚さ設定方法は、錫めっきが施された接続端子が所定期間経過した後でも確実なはんだ付け性能が得られる錫めっき厚さの設定方法であって、錫めっきを施した試験片を用いて加熱老化処理を行い、初期及び加熱老化処理後の純錫層及び合金層の厚さを求めると共に、初期及び加熱老化処理後のはんだ濡れ性を評価し、はんだ濡れ性の評価に基づいて許容される残存純錫層の厚さを求め、更にアレニウス則を用いて所定期間経過後の合金層の厚さを求め、前記結果を用いて所定時間経過後に確実なはんだ濡れ性が得られる錫めっきの厚さを決定することを要旨とするものである。

本発明の錫めっき厚さ設定方法において、はんだ濡れ性の評価を、鉛フリーはんだにより行うことや、メニスコグラフ試験のゼロクロスタイムにより行うことが好ましい。また、試験片の母材に下地処理がなされていることが好ましい。

上記本発明に係る錫めっき厚さ設定方法によれば、錫めっきを施した接続端子において、所定期間（例えば１年間といった長期間）保管された後であっても、確実なはんだ濡れ性を確保して良好なはんだ付け性能を発揮できる。また、はんだ濡れ性の評価を鉛フリーはんだで行った場合には、はんだ付け性能の低下が懸念される鉛フリーはんだの場合でも、確実なはんだ濡れ性が得られ、良好ははんだ付け性能を発揮できる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。図１は錫めっき厚さ設定方法を示すフローチャートである。錫めっき厚さ設定方法は、図１に示すステップＳ１１０〜ステップＳ１６０により実行される。具体的には、母材に下地処理し錫めっきを施した試験片を準備して加熱老化処理を行うサンプル準備ステップ（Ｓ１１０）、初期及び加熱老化処理後の試験片の純錫層及び合金層の厚さを求める厚さ測定ステップ（Ｓ１２０）、初期及び加熱老化処理後の試験片を用いてメニスコグラフ試験を行いゼロクロスタイムを測定して鉛フリーはんだによるはんだ濡れ性を評価するはんだ濡れ性評価ステップ（Ｓ１３０）、前記の厚さ測定ステップ（Ｓ１２０）で求めた残存純錫厚さと前記はんだ濡れ性評価ステップ（Ｓ１３０）で求めたはんだ濡れ性から許容される残存純錫層の厚さを求める許容残存純錫厚さ決定ステップ（Ｓ１４０）、前記の結果からアレニウス則を用いて所定期間（Ｘ年）経過後の合金層の成長厚さを求めるＸ年後の合金層成長厚さ決定ステップ（Ｓ１５０）、及び前記の結果よりＸ年後でも良好なはんだ濡れ性が確保できる錫めっきの厚さを決定する錫めっき厚さ決定ステップ（Ｓ１６０）により構成される。以下、上記各ステップについて説明する。

サンプル準備ステップ（Ｓ１１０）では、錫めっきを施した接続端子の試験片を準備する。試験片は、板材の母材に下地処理を施した後、錫めっきを施したものであって、未処理（初期）のものと、所定の時間加熱して加熱老化処理を行ったものを準備する。本実施例では、母材に銅−亜鉛合金（Ｃｕ−Ｚｎ）を用い、下地処理として銅（Ｃｕ）を用いた。また加熱老化処理は１２０℃で２４時間、４８時間、１２０時間、１５０℃で４時間、１２時間、２４時間行った。

図２（ａ）は初期の試験片表面の断面図であり、（ｂ）は加熱処理後の試験片表面の断面図である。錫めっき試験片１は、図２（ａ）に示すように、銅−亜鉛母材２の表面に、銅下地処理を行い銅下地３を形成し、さらに錫めっきを施して錫めっき層４を形成したものである。初期の試験片の錫めっき層４は、実際には同図に示すように、最外表面に存在するＳｎＯｘからなる酸化物層４１とその下層の中間である純錫層４２と、下地と合金化した銅−錫合金層４３とから構成されている。同図（ｂ）に示す経時後の錫めっき試験片１は、同図（ａ）に示す初期の錫めっき試験片１と比較して、加熱処理によって合金層４３の厚さが増加し、純錫層４２の厚さ（以下、純錫厚さということもある。）が薄くなっている。

厚さ測定ステップ（Ｓ１２０）では、試験片の（１）錫めっき層４の厚さ（Ｓｎ厚さ：Ｄ１）、（２）合金層４３の厚さ（合金層厚さ：Ｄ２）、（３）加熱により成長した合金層の厚さ（Δ合金層厚さ：Ｄ３）、（４）残存純錫層４２の厚さ（残存純錫厚さ：Ｄ４）を実測と計算により求める。

図３（ａ）（ｂ）は、試験片の純錫層剥離前（ａ）と剥離後（ｂ）を示す断面図である。残存純錫厚さの測定方法は以下の通りである。まず、試験片１の錫めっき層４の厚さを蛍光Ｘ線膜厚計で測定する。尚、この時、蛍光Ｘ線膜厚計によって測定される厚さは、合金層４３も含めた錫めっき層４の厚さ（Ｓｎ厚さ：Ｄ１）である。次いで、剥離液に浸漬し、純錫層４２を溶解する。純錫層４２の溶解は、苛性ソーダ５０ｇ／Ｌ溶液＋ｐ−ニトロフェノール５ｇ／Ｌ溶液で３０分処理する。図３（ｂ）に示すように、剥離処理後の試験片１Ａは、酸化物層４１及び純錫層４２が剥離液中に溶解し、錫めっき層４の合金層４３のみが残存している。この剥離処理後の試験片１Ａを、再度、蛍光Ｘ線膜厚計で測定すると、合金層４３のみの厚さ（合金層厚さ：Ｄ２）が得られる。上記の操作を加熱処理後の試験片についても行い、そのＳｎ厚さ（Ｄ１）と合金層厚さ（Ｄ２）の測定結果より、（３）加熱により成長した合金層の厚さ（Δ合金層厚さ：Ｄ３）及び（４）残存純錫層４２の厚さ（残存純錫厚さ：Ｄ４）を計算により求める。

すなわちΔ合金層厚さ（Ｄ３）は、加熱処理後の試験片の合金層厚さ（Ｄ２）から、初期の試験片の合金層厚さ（Ｄ２）を引いたものである。残存純錫厚さ（Ｄ４）は、Ｓｎ厚さ（Ｄ１）から合金層厚さ（Ｄ２）を引いたものである。リフローめっきの試験片の厚さ測定の結果を表１に、また光沢めっきの試験片の厚さ測定の結果を表２に示す。

はんだ濡れ性評価ステップ（Ｓ１３０）では、前記厚さ測定ステップ（Ｓ１２０）で用いた試験片とは別の、同様の加熱老化処理をした試験片を用いて、メニスコグラフ試験を行い、ゼロクロスタイム測定し、はんだ濡れ性を測定する。メニスコグラフ試験方法は、市販のソルダーチェッカ（レスカ社製ＳＡＴ−５１００）を用いて行った。図４は、メニスコグラフ試験の試験片の状態と濡れ曲線を示すグラフである。ゼロクロスタイムは、図４に示す濡れ曲線Ｋにおいて、試験片Ｓをはんだ槽Ｂに浸漬開始（ｔ１）してから、ぬれ力が再びゼロになる（ｔ２）までの時間Ｔを測定することで得られるものである。

許容残存純錫厚さ決定ステップ（Ｓ１４０）では、まず残存純錫厚さとゼロクロスタイムの関係をプロットしたグラフより、ゼロクロスタイムが立ち上がる前の残存純錫厚さを求める。そして、この残存純錫厚さに厚さの測定誤差を加えて許容残存純錫厚さとする。純錫層の厚さとゼロクロスタイムとの関係をグラフにプロットすると、純錫層が薄くなって一定値以下になると、はんだ濡れ性が極端に低下して、ゼロクロスタイムが急に増大してプロットした曲線が立ち上がる点がある。純錫層の厚さが、この曲線が立ち上がらない範囲にあれば、十分なはんだ濡れ性が得られるはずである。図５は錫めっきの種類を変えた場合のゼロクロスタイムと残存純錫層厚さの関係を示すグラフであり、（ａ）はＣｕ下地の場合を示し、（ｂ）はＮｉ下地の場合を示す。実際に錫めっきの種類及び下地処理を変えた場合について、錫めっきの残存純錫厚さとメニスコグラフ試験のゼロクロスタイムとの関係を調べた。その結果を示したのが図５である。同図に示すように、残存純錫厚さが０．２μｍ程度であれば、良好な濡れ性を確保できることが判る。この良好な濡れ性を確保できる厚さは、下地めっきの種類及び錫めっきの種類に依存しないことが、図５（ａ）、（ｂ）の結果より明らかである。

許容残存純錫厚さは、上記で求めたゼロクロスタイムが立ち上がる残存純錫厚さの０．２μｍに、上記の膜厚測定方法の測定誤差０．２μｍを足して、０．４μｍとする。はんだ濡れ性試験において、メニスコグラフ試験のゼロクロスタイムの測定は、一般的に用いられる評価手法である。

Ｘ年後の合金層成長厚さ決定ステップ（Ｓ１５０）では、横軸に加熱老化時間の平方根、縦軸に加熱老化処理により成長した合金層の厚さ（Δ合金層厚さ：Ｄ３）をプロットしたグラフを作成し、このグラフの傾きより合金化速度を得ることができる。図６は加熱温度が１２０℃の場合の加熱老化時間とΔ合金層厚さの関係を示すグラフである。同図より、１２０℃のリフロー錫めっきの合金層の成長速度は、０．４１ｎｍ／√ｓであり、光沢錫めっきの合金層の成長速度は１．６６ｎｍ／√ｓである。図７は加熱温度が１５０℃の場合の加熱老化時間とΔ合金層厚さの関係を示すグラフである。同図より、１５０℃のリフロー錫めっきの合金層の成長速度は、１．４８ｎｍ／√ｓであり、光沢錫めっきの合金層の成長速度は４．４４ｎｍ／√ｓである。

図８は上記で求めた１２０℃の場合と１５０℃の場合の合金加速度を縦軸に、温度の逆数を横軸にプロットしたグラフである。このグラフはアレニウス則によって直線関係が得られることが経験的に判っているので、各温度の点を結ぶ直線が常温（２５）℃の温度の逆数となる点の合金化速度を求める。その結果、リフローめっきの合金化速度は、０．００１ｎｍ／√ｓであり、光沢めっきの場合０．０６５ｎｍ／√ｓである。合金化速度が判れば、この速度に時間を掛ければＸ年保管後といった所望の期間に応じた合金層成長厚さが算出できる。例えば、１年常温で保管した後の合金層成長厚さは、リフローめっきの場合、０．０１μｍであり、光沢めっきの場合は０．３６μｍであると算出できる。

錫めっき厚さ決定ステップ（Ｓ１６０）では、以上で得られた結果より、良好なはんだ濡れ性を確保できる錫めっき層の厚さは、初期合金層厚さに許容残存純錫厚さ及びＸ年後の合金層成長厚さを加えた厚さとなる。例えば上記リフローめっきの場合、常温で１年間保存後に、確実にはんだ濡れ性を確保するためには、初期合金層厚さ：０．５４μｍ＋許容残存純錫厚さ：０．４μｍ＋１年後の合金層成長厚さ：０．０１μｍ＝０．９５μｍである。また上記光沢めっきの常温で１年間保存後に確実にはんだ濡れ性を確保するための錫めっき厚さは、同様に計算
して、１．３０μｍとすることができる。

上記実施例では鉛フリーはんだを用いてメニスコグラフ試験のゼロクロスタイムではんだ濡れ性を評価したが、本発明は鉛フリーはんだ以外のはんだ濡れ性を評価したり、ゼロクロスタイム以外ではんだ濡れ性を評価しても良い。また試験片として母材に銅−亜鉛合金を用い銅の下地処理を行ったものを用いたが、母材に銅または、銅合金を用いたり、ニッケル等の他の下地処理を行っても良い。つまり本発明方法は、これらの材料等を変更することで各種のはんだや錫めっきに適用することが可能である。

本発明の錫めっき厚さ設定方法は、自動車のワイヤーハーネス用コネクタに用いられる接続端子において、保存条件や保存期間等に応じて錫めっき厚さをきめ細かく設定することができ、必要最小限の錫めっき厚さで確実なはんだ付け性能を保証するのに最適に利用することができる。

錫めっき厚さ設定方法を示すフローチャートである。 （ａ）は初期の試験片表面の断面図であり、（ｂ）は加熱老化処理後の試験片表面の断面図である。 （ａ）は剥離前の試験片表面の断面図であり、（ｂ）は純錫層剥離後の試験片表面の断面図である。 メニスコグラフ試験の濡れ曲線を示すグラフである。 錫めっきの種類を変えた場合のゼロクロスタイムと残存純錫層厚さの関係を示すグラフであり、（ａ）はＣｕ下地の場合を示し、（ｂ）はＮｉ下地の場合を示す。 加熱温度が１２０℃の場合の加熱老化時間とΔ合金層厚さの関係を示すグラフである。 加熱温度が１５０℃の場合の加熱老化時間とΔ合金層厚さの関係を示すグラフである。 １２０℃の場合と１５０℃の場合の合金化速度を縦軸に、温度の逆数を横軸にプロットしたグラフである。

符号の説明

１ 錫めっき試験片
１Ａ 剥離処理後の錫めっき試験片
２ 銅−亜鉛母材
３ 銅下地処理層
４ 錫めっき層
４１ 酸化物層
４２ 純錫層
４３ 合金層

Claims (4)

1. 錫めっきが施された接続端子が所定期間経過した後でも確実なはんだ付け性能が得られる錫めっき厚さの設定方法であって、錫めっきを施した試験片を用いて加熱老化処理を行い、初期及び加熱老化処理後の純錫層及び合金層の厚さを求めると共に、初期及び加熱老化処理後のはんだ濡れ性を評価し、はんだ濡れ性の評価に基づいて許容される残存純錫層の厚さを求め、更にアレニウス則を用いて所定期間経過後の合金層の厚さを求め、前記結果を用いて所定時間経過後に確実なはんだ濡れ性が得られる錫めっきの厚さを決定することを特徴とする錫めっき厚さ設定方法。
2. はんだ濡れ性の評価を鉛フリーはんだにより行うことを特徴とする請求項１記載の錫めっき厚さ設定方法。
3. はんだ濡れ性の評価をメニスコグラフ試験のゼロクロスタイムにより行うことを特徴とする請求項１又は２記載の錫めっき厚さ設定方法。
4. 試験片の母材に下地処理がなされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の錫めっき厚さ設定方法。
   

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