JP2010116603A - ＳｎまたはＳｎ合金めっき膜及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コネクタとの嵌合など大きな外部応力がかかる環境下においても、導体周囲のめっき膜表面やはんだからウィスカが発生するおそれの少ない、あるいはほとんど発生しないＰｂフリーのＳｎまたはＳｎ合金めっき膜を提供する。
【解決手段】基材１の表面に形成され、基材１とＳｎの金属間化合物からなる導電性を有する金属間化合物層２と、その金属間化合物層２の表面に形成され、ＳｎまたはＳｎ合金からなる網目状の構造１１とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明はウィスカを低減するためのめっき構造に係り、特にフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）やフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）などの端子部で嵌合により接圧する部分のＳｎまたはＳｎ合金めっき膜及びその製造方法に関する。

従来、配線材、特にＣｕやＣｕ合金の表面には、配線材の酸化を防ぐために、Ｓｎ、Ａｇ、ＡｕやＮｉのめっきが施される。例えば、図５に示すように、コネクタ（コネクタ部材）５１とＦＦＣ５２の端末接続部においては、コネクタ５１のコネクタピン（金属端子）５３や、ＦＦＣ５２の導体５４の表面などにめっきが施されている。なかでも、Ｓｎはコストが安価であり、軟らかいため嵌合の圧力で容易に変形して接触面積が増え、接触抵抗が低く抑えられることから、配線材の表面にＳｎめっきを施したものが広く一般的に使用されている。

しかしながらＳｎめっきをした導体は、図６に示すようなウィスカ６１と呼ばれる針状の結晶がコネクタピン５３と導体５４の接触部付近から成長し、他の導体と接触することにより短絡が起こるという問題がある。それを低減するためにＰｂを入れたＳｎ−Ｐｂめっきにより低減がなされてきた。しかし、昨今のＲｏＨＳ指令やＲＥＡＣＨ規則の施行によりＰｂをめっき中に入れることが不可能となり、他の方法によるウィスカ低減が求められている。

そこで考えられている方法として、Ｓｎめっきを１μｍ以下の厚さでつける薄めっきや、めっき後、封孔処理剤を塗布してからＳｎの融点以上の温度で熱処理をするリフロー（再加熱）めっき、それらを併せた方法（例えば、特許文献１参照）、また、めっき後に他の元素を薄く断続的につけるフラッシュめっきと呼ばれる方法（例えば、特許文献２参照）、内部導体のＣｕとＳｎめっきの間に下地めっきとしてＮｉをめっきすることにより拡散を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００６−１２７９３９号公報 特開２００７−１００１４８号公報 特許第３５１３７０９号公報 特開２００７−２５４８６０号公報 特開２００８−１０６２９０号公報 特開２００６−４９０８３号公報

ウィスカを低減するためにＳｎめっき中にＰｂを入れることは、昨今のＲｏＨＳ指令やＲＥＡＣＨ規則の施行により不可能である。薄めっきによる方法では内部導体であるＣｕが表面に現れやすく、腐食されてしまうという問題がある。また、リフローであってもＳｎが再結晶化するためにウィスカがより発生しやすくなるという問題がある。フラッシュめっきや下地めっきと呼ばれる方法ではウィスカの低減に効果が見られると考えられるが、工程数の増加によるコストアップの問題もある。

そもそもコネクタとの嵌合部に現れるウィスカは、外部からの応力を受けてウィスカ生成のエネルギーとする。このため、配線材の端子部はウィスカの発生しやすい過酷な状況になっている。

そこで、本発明の目的は、特にコネクタとの嵌合など大きな外部応力がかかる環境下においても、導体周囲のめっき膜表面やはんだからウィスカが発生するおそれの少ない、あるいはほとんど発生しないＰｂフリーのＳｎまたはＳｎ合金めっき膜及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために創案された本発明は、基材の表面に形成され、前記基材とＳｎの金属間化合物からなる導電性を有する金属間化合物層と、その金属間化合物層の表面に形成され、ＳｎまたはＳｎ合金からなる網目状の構造とを備えたＳｎまたはＳｎ合金めっき膜である。

前記網目状の構造は、前記金属間化合物層の表面にＳｎまたはＳｎ合金めっきが網目状に一体形成された網目状めっきであるとよい。

前記基材はＣｕあるいはＣｕ合金からなり、前記Ｓｎ合金はＢｉを含むとよい。

また本発明は、基材の表面に、ＳｎまたはＳｎ合金のめっき層を形成した後、めっき融点以上の温度で加熱して前記基材の表面に、前記基材とＳｎの金属間化合物からなる金属間化合物層を生成させると共に、その金属間化合物層の表面に、ＳｎまたはＳｎ合金からなる網目状の構造を生成させるＳｎまたはＳｎ合金めっき膜の製造方法である。

本発明によれば、表面のＳｎまたはＳｎ合金めっきが網目状の構造を有することにより、コネクタとの接圧による応力をめっきの変形により低減することができる。その結果、めっきの応力により発生するＳｎの針状結晶であるウィスカを低減することが可能になり、隣接配線間の短絡といった不具合を解決することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。図１（ａ）は、本発明の好適な実施形態を示すＳｎ合金めっき膜の概略平面図、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係るＳｎ合金めっき膜１０は、導電材料からなる基材１の表面に、基材１とＳｎの金属間化合物からなる導電性を有する金属間化合物層２が形成され、その金属間化合物層２の表面に、Ｓｎ合金からなる網目状の構造１１が形成されたものである。

網目状の構造１１は、金属間化合物層２の表面にＳｎ合金めっき３が網目状に一体形成された網目状めっきである。網目状めっきの各編み目には、空間部Ｓ１が形成され、この部分において下地である金属間化合物層２が露出している。すなわち、Ｓｎ合金めっき膜１０は、基材１とＳｎの金属間化合物からなる金属間化合物層２上にＳｎ合金からなる網目状の構造１１が形成されたものであり、この金属間化合物層２の金属間化合物よりも網目状の構造１１のＳｎ合金の方が導電率が高い。したがって、Ｓｎ合金めっき膜１０は、金属間化合物よりもＳｎ合金めっき３が表層に存在しており、最表層がＳｎ合金なので、最表層が金属間化合物である場合に比べてより導通しやすい構造を有する。

基材１には、ＣｕあるいはＣｕ合金からなるものを用いるとよい。この場合、基材１とＳｎの金属間化合物は、Ｃｕ−Ｓｎ系の金属間化合物である。Ｓｎ合金としては、合金の融点を下げ、半田濡れ性を向上させるため、Ｂｉを含むＰｂフリーのＳｎ系合金を用いるとよい。

Ｓｎ合金めっき膜１０は、コネクタのコネクタピン、ＦＦＣやＦＰＣなどの電子機器用配線材の端子部（端末接続部）で嵌合により接圧する部分（例えば、基材１として、図５のコネクタピン５３やＦＦＣ５２の導体５４）のめっき膜として用いられる。

次に、Ｓｎ合金めっき膜１０の製造方法を説明する。

まず、基材１の周囲などの表面に、電気めっきによりＳｎ合金のめっき層を形成する。めっき層を形成した後、基材１とめっき層を熱処理（リフロー処理）する。熱処理は、めっき融点以上の温度で所定時間加熱して行う。熱処理後は、大気中で冷却する。

熱処理と冷却を行うことで、基材１からめっき層へ基材１の主成分を拡散させ、めっき層中に基材１の主成分とＳｎの金属間化合物を成長させる。熱処理の温度と時間は、基材１の全表面を金属間化合物層２で覆い、かつめっき層の表層付近まで基材１の主成分を拡散させるのに十分な温度と時間に設定する。

これにより、基材１の表面に、基材１とＳｎの金属間化合物からなる金属間化合物層２（めっき層では基材１に近かった部分）を生成させると共に（同時に）、その金属間化合物層２の表面に、Ｓｎ合金からなる網目状の構造１１（めっき層では基材１から遠かった部分）を生成させると、Ｓｎ合金めっき膜１０が得られる。

より詳細には、Ｂｉを添加することにより、ＳｎとＢｉとで合金を作り（Ｓｎ合金）、そのＳｎ合金とＣｕ−Ｓｎ系の金属間化合物との間で濡れ性に差が現れる。その濡れ性の差により金属の固まりやすさに場所的な違いが現れる結果、網目状の構造１１が作られる。

本実施形態の作用を説明する。

Ｓｎ合金めっき膜１０は、基材１の表面に形成され、基材１とＳｎの金属間化合物からなる導電性を有する金属間化合物層２と、その金属間化合物層２の表面に形成され、Ｓｎ合金からなる網目状の構造１１とを備える。

このＳｎ合金めっき膜１０を、例えば、コネクタのコネクタピン、ＦＦＣやＦＰＣなどの電子機器用配線材の端子部で嵌合により接圧する部分のめっき膜として用いれば、コネクタとの嵌合により圧接したときに、その接圧によって網目状の構造１１が応力を受けて変形し、配線材同士で電気的な接触状態を保つので、導通が保たれる。

ここで、ウィスカを低減するメカニズムの詳細は以下のとおりである。

コネクタとの嵌合によるウィスカを低減させるためには、めっきがコネクタピンから受ける外部応力を低減する必要がある。そのためにＳｎ合金めっき膜１０では、めっき膜が網目状の構造１１を有することにより、コネクタとの嵌合によって網目状の構造１１の空間部Ｓ１が変形する。この変形により外部応力が吸収されて低減され、結果としてウィスカの成長が低減されることになる。

また、ウィスカが発生したとしても、その原料となるめっき膜が網目状の構造１１となっていると、空間部Ｓ１ではウィスカの成長に必要なＳｎ合金が供給されないため、結果としてウィスカの成長が低減されることになる。

さらに、ウィスカが発生したとしても、網目状の構造１１を有することにより、ウィスカの成長方向を隙間のある部分（空間部Ｓ１）に限定することができるため、隣接する導体と接触することによる短絡を防ぐことができる。

Ｓｎ合金めっき膜１０では、基材１と網目状の構造１１間に導電性を有する金属間化合物層２が形成されているため、この金属間化合物層２により、基材１と網目状の構造１１間の導通を保ちつつ、網目状の構造１１を裏面から支えてめっき膜全体の強度を高めることができる。

Ｓｎ合金めっき膜１０の網目状の構造１１は、Ｓｎ合金めっき３が網目状に一体形成された網目状めっきであるため、弾性に優れる。このため、網目状の構造１１は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すようなＳｎ合金めっき３が独立した島状に形成された不連続島状めっきである島状の構造３１や、島状の構造３１のＳｎ合金めっき３同士が部分的に連結された図４（ａ）および図４（ｂ）に示すような連続島状めっきである島状の構造４１に比べ、変形しやすく、かつ復元しやすい。

このように、Ｓｎ合金めっき膜１０によれば、表面のＳｎ合金めっきが網目状の構造１１を有することにより、コネクタとの接圧による応力をめっきの変形により低減することができる。その結果、めっきの応力により発生するＳｎの針状結晶であるウィスカを低減することが可能になり、隣接配線間の短絡といった不具合を解決することができる。したがって、Ｓｎ合金めっき膜１０は、ウィスカの発生を低減したＳｎ合金めっき膜である。

また、本実施形態に係る製造方法によれば、基材１の表面に、Ｓｎ合金めっきを施してめっき層を形成した後、めっき融点以上の温度で加熱する熱処理を行うことで、Ｓｎ合金めっき膜１０が簡単に得られる。

本実施形態に係る製造方法においては、熱処理を行った後の追加めっき工程を必要としていない。また、電気めっきを行う際のめっき溶液を種々のＳｎ合金めっき組成にすることで添加元素による効果を付加することも可能である。

本実施形態に係る製造方法では、熱処理によって網目状の構造１１を生成するため、はじめに行われるめっきの方法についても電気めっきに限定するものではなく、溶融めっきでもよい。

また、熱処理後の冷却方法として、好ましい例として大気中での冷却をあげているが、水中に投入することによる急速な冷却や、熱湯中に投入し、徐々に冷却する方法であっても網目状の構造１１が生成できるため、冷却方法は限定されるものではない。

前記実施形態では、基材１の表面にＳｎ合金のめっき層を形成した後、熱処理してめっき層を金属間化合物層２とＳｎ合金からなる網目状の構造１１とにしたＳｎ合金めっき膜１０を説明した。これと同様にして、基材１の表面にＳｎのめっき層を形成した後、熱処理してめっき層を金属間化合物層とＳｎからなる網目状の構造とにしたＳｎめっき膜にしてもよい。このＳｎめっき膜によっても、Ｓｎ合金めっき膜１０と同様の作用、効果が得られる。

（実施例１）
電気めっきにより、基材１としてのＣｕの導体に０．８〜１．５μｍの厚さでＳｎ−Ｂｉ合金めっきを施した。そのめっきされた導体をめっきの融点よりも高い２８０℃の熱源の上に１０秒間載せ、導体とめっきの間に金属間化合物層２を生成させると共に、めっき層が網目状の構造１１を有するように熱を加える。その後大気中で冷却することにより、図２に示すようなＳｎ合金めっき膜（Ｓｎ−Ｂｉ合金めっき膜）１０を作製した。本実施例ではＢｉが３重量％になるように調整して合金を作製した。

（比較例１、２）
実施例１の導体を用い、２５０℃の溶融Ｓｎ−Ｂｉ合金中を通過させることで生成した溶融めっきによるＳｎ−Ｂｉめっき膜を作製した後、熱処理を加えていない試料を比較例１とし、電気めっきでＳｎ−Ｂｉめっき膜を作製した後、熱処理を加えていない試料を比較例２とした。

実施例１のＳｎ合金めっき膜１０を作製した導体と、比較例１、２のＳｎ−Ｂｉめっき膜を作製した導体とを、それぞれ１００ピンのコネクタに嵌合させて、２週間室温で保持したものについて、各ピンにおける１０μｍ以上のウィスカの発生本数と最大長さを電子顕微鏡により観察することで、ウィスカ性を評価した結果を表１に示す。

この結果から実施例１は、比較例１、２に比べ、１０μｍ以上ウィスカ発生本数が約１／５と少なく、最大ウィスカ長さが約１／３と短く、ウィスカの発生本数と最大長さとも良好な結果が得られることが明らかである。Ｓｎめっきでも同様の結果であった。

図１（ａ）は、本発明の好適な実施形態を示す網目状の構造を有するＳｎ合金めっき膜の概略平面図、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図である。 図１に示したＳｎ合金めっき膜の一例を導体表面から電子顕微鏡にて示した図である。 図３（ａ）は、本発明の比較として島状の構造（不連続島状めっき）を有するＳｎ合金めっき膜の概略平面図、図３（ｂ）はその３Ｂ−３Ｂ線断面図である。 図４（ａ）は、本発明の比較として島状の構造（連続島状めっき）を有するＳｎ合金めっき膜の概略平面図、図４（ｂ）はその４Ｂ−４Ｂ線断面図である。 コネクタとＦＦＣの嵌合例を示す図である。 嵌合部の拡大とウィスカの発生・隣接配線間の短絡の様子を示す図である。

符号の説明

１ 基材
２ 金属間化合物層
３ Ｓｎ合金めっき
１０ Ｓｎ合金めっき膜
１１ 網目状の構造

Claims (4)

1. 基材の表面に形成され、前記基材とＳｎの金属間化合物からなる導電性を有する金属間化合物層と、その金属間化合物層の表面に形成され、ＳｎまたはＳｎ合金からなる網目状の構造とを備えたことを特徴とするＳｎまたはＳｎ合金めっき膜。
2. 前記網目状の構造は、前記金属間化合物層の表面にＳｎまたはＳｎ合金めっきが網目状に一体形成された網目状めっきである請求項１記載のＳｎまたはＳｎ合金めっき膜。
3. 前記基材はＣｕあるいはＣｕ合金からなり、前記Ｓｎ合金はＢｉを含む請求項１または２記載のＳｎまたはＳｎ合金めっき膜。
4. 基材の表面に、ＳｎまたはＳｎ合金のめっき層を形成した後、めっき融点以上の温度で加熱して前記基材の表面に、前記基材とＳｎの金属間化合物からなる金属間化合物層を生成させると共に、その金属間化合物層の表面に、ＳｎまたはＳｎ合金からなる網目状の構造を生成させることを特徴とするＳｎまたはＳｎ合金めっき膜の製造方法。

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