JP2010126807A - Surface-treated metal material and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばアルミニウム(Al)またはアルミニウム合金、もしくはステンレス、チタン、インバー材などのような金属基材における、はんだに対する濡れ性を向上させるための表面処理を施してなる表面処理金属材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a surface-treated metal material obtained by performing a surface treatment for improving wettability with respect to solder in a metal substrate such as aluminum (Al) or an aluminum alloy, or stainless steel, titanium, or an invar material. It relates to a manufacturing method.
一般に、アルミニウム(Al)やステンレスなどのような、最表面に不動態被膜を有する材質からなる金属材は、はんだ付けが極めて困難な素材の典型的なものの一つであり、また難めっき材でもある。これは、例えばアルミニウム薄板などの最表面には、一般に、大気中の酸素と結びついて酸化被膜(自然酸化膜、自然酸化アルミニウム層などとも呼ばれる)のような不動態被膜が形成されるためである。
このような特質を有しているアルミニウム板などの表面に、良好なはんだ付け性(はんだ濡れ性)を付与するための手法として、その表面に酸洗処理を施した後、錫(Sn)層またはニッケル(Ni)層等をめっき法などにより形成する、という技術が提案されている。
これは、より具体的には、アルミニウム(Al)からなる金属基材の表面に、脱脂・酸洗を施した後、亜鉛(Zn)を主成分とする第1下地層を、亜鉛置換めっき法により形成する(5〜500mg/m2)。その上に、水洗を施した後、ニッケルを主成分とする第2下地層202を、めっき法により形成する(0.2〜50mg/m2)。そしてさらにその上に、錫(Sn)を主成分とするはんだ濡れ層203を、めっき法により形成する(0.2〜20mg/m2)、というものである(特許文献1,2)。
In general, a metal material made of a material having a passive film on the outermost surface, such as aluminum (Al) or stainless steel, is one of the typical materials that are extremely difficult to solder. is there. This is because, for example, a passive film such as an oxide film (also referred to as a natural oxide film or a natural aluminum oxide layer) is generally formed on the outermost surface of an aluminum thin plate in combination with oxygen in the atmosphere. .
As a method for imparting good solderability (solder wettability) to the surface of an aluminum plate or the like having such characteristics, a tin (Sn) layer is applied to the surface after pickling treatment. Alternatively, a technique of forming a nickel (Ni) layer or the like by a plating method or the like has been proposed.
More specifically, after the surface of a metal substrate made of aluminum (Al) is degreased and pickled, the first underlayer mainly composed of zinc (Zn) is subjected to a zinc substitution plating method. (5-500 mg / m 2 ). Then, after washing with water, a second underlayer 202 mainly composed of nickel is formed by a plating method (0.2 to 50 mg / m 2 ). Further, a solder wetting layer 203 mainly composed of tin (Sn) is formed thereon by plating (0.2 to 20 mg / m 2 ) (
また、電子部品における電極の表面におけるはんだ付け性の向上を目的として提案された技術の一つに、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)あるいはそれらの合金からなる層を形成し、その層の上にニッケル(Ni)、銅(Cu)、あるいはそれらの合金からなる層を蒸着により形成し、さらにその層の上に、はんだ層をコーティングする、というものがある。この技術では、セラミック部品の電極としてチタンからなる厚さ0.2μmの層を形成し、その上にニッケルからなる厚さ1μmの層を形成、さらにその上に、錫:鉛(Sn:Pb)=60:40の溶融はんだに浸漬することによりはんだコーティング層を形成するようにしている(特許文献3)。 In addition, as one of the technologies proposed for the purpose of improving the solderability on the surface of the electrode in an electronic component, a layer made of titanium (Ti), aluminum (Al), zinc (Zn) or an alloy thereof is formed. There is a method in which a layer made of nickel (Ni), copper (Cu), or an alloy thereof is formed on the layer by vapor deposition, and a solder layer is further coated on the layer. In this technique, a layer made of titanium having a thickness of 0.2 μm is formed as an electrode of a ceramic component, a layer having a thickness of 1 μm made of nickel is formed thereon, and further, tin: lead (Sn: Pb) is formed thereon. = A solder coating layer is formed by dipping in 60:40 molten solder (Patent Document 3).
また、半導体チップの配線材として、アルミニウム(Al)からなる電極の上に、チタン(Ti)、チタン/タングステン(Ti/W)合金を密着層として形成し、その上に、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ニッケル/バナジウム(Ni/V)合金、ニッケル/燐(Ni/P)合金からなる厚さ1〜5μm程度の密着層を形成し、その上にはんだ合金化層として、銅(Cu)または銅合金を形成する、という技術が提案されている。この積層構造を構成している各層の形成方法としては、スパッタ法やめっき法が適用可能とされている。この技術では、半導体チップ上に鉛フリーはんだボールを接合可能となるようにすることを目的としている(特許文献4)。 Further, as a wiring material for a semiconductor chip, titanium (Ti), a titanium / tungsten (Ti / W) alloy is formed as an adhesion layer on an electrode made of aluminum (Al), and nickel (Ni), An adhesion layer made of copper (Cu), nickel / vanadium (Ni / V) alloy, nickel / phosphorus (Ni / P) alloy and having a thickness of about 1 to 5 μm is formed, and copper ( A technique of forming Cu) or a copper alloy has been proposed. A sputtering method or a plating method can be applied as a method of forming each layer constituting this laminated structure. The purpose of this technique is to enable a lead-free solder ball to be bonded onto a semiconductor chip (Patent Document 4).
また、アルミニウム(Al)合金からチタンナイトライド(TiN)からなる接着層をスパッタ成膜し、かつそれらの膜における残留圧縮応力を小さくするために、それらのスパッタ成膜プロセスにおける成膜雰囲気を圧力3mTorr以下(約0.4Pa以下)にするという技術が提案されている(特許文献5)。 Also, in order to reduce the residual compressive stress in these films by sputtering, an adhesion layer made of titanium nitride (TiN) from aluminum (Al) alloy is formed by pressure. The technique of making it 3 mTorr or less (about 0.4 Pa or less) is proposed (patent document 5).
また、5×10−5〜5×10−6 Torrの酸素分圧を有する成膜雰囲気中または水蒸気雰囲気中における蒸着処理によって圧縮応力を有するチタン(Ti)膜を形成する
という技術が提案されている。この技術によれば、酸素(O)を含む環境中で成膜プロセスを行うことで、酸素(O)がチタン(Ti)層に侵入してその層に圧縮応力が残留することになる、ということが開示されている(特許文献6)。
Further, a technique has been proposed in which a titanium (Ti) film having a compressive stress is formed by vapor deposition in a film-forming atmosphere having an oxygen partial pressure of 5 × 10 −5 to 5 × 10 −6 Torr or in a water vapor atmosphere. Yes. According to this technology, by performing a film forming process in an environment containing oxygen (O), oxygen (O) enters the titanium (Ti) layer, and compressive stress remains in the layer. (Patent Document 6).
しかしながら、上記の特許文献1〜特許文献6に提案さている技術は、いずれも、アルミニウム基材のような不動態被膜を有する金属基材の表面に酸洗処理を施して、その表面上にめっき成膜やスパッタ成膜を施し易い状態にした後、表面処理構造を積層形成している。例えば特許文献1や特許文献2に提案されているように、アルミニウム基材の表面に、まず酸洗処理を施して、その最表面の自然酸化膜を除去した後、その表面上に、錫(Sn)めっき膜や亜鉛(Zn)めっき膜などを形成している。このように、従来の技術では、金属基材の表面に酸洗処理等を施すことが必須となっている。
このため、上記のような従来の技術では、金属基材の表面の不動態被膜を除去するために酸洗を行うという煩雑なプロセスを行わなければならず、かつ多種類のめっき液等の薬液を用いなければならないので、その酸洗処理プロセス自体の煩雑さは勿論のこと、その酸洗処理プロセスに用いられる各種薬液の品質管理や廃液の処理等に、多大な手間や時間ならびにコストが掛かってしまうという問題がある。
また、特に酸洗用の薬液をはじめ、その他各種めっき液は、使用後の廃液としては、いわゆる産業廃棄物となるので、環境工学的な観点からも、その使用は望ましくない。
また、良好なはんだ付けを実現するためには、金属基材の表面の酸化被膜のような不動態被膜を溶解させるほどに強力なフラックスを使用する、といった手法を用いることなども考えられるが、実際には、斯様に極めて強力なフラックスは、はんだ付け後の接合部分付近を著しく荒らして劣化させてしまう虞が極めて高くなるので、接合部位の耐久性や信頼性の観点から、望ましくないものと言わざるを得ない。
However, all of the techniques proposed in
For this reason, in the conventional techniques as described above, it is necessary to perform a complicated process of pickling in order to remove the passive film on the surface of the metal base material, and various chemical solutions such as plating solutions Therefore, not only is the pickling process itself complicated, but also the quality control of various chemicals used in the pickling process and the treatment of waste liquids are time-consuming, time-consuming, and costly. There is a problem that it ends up.
In addition, since various kinds of plating solutions including a chemical solution for pickling are used as industrial wastes as waste liquids after use, their use is not desirable from the viewpoint of environmental engineering.
Also, in order to achieve good soldering, it may be possible to use a technique such as using a flux that is strong enough to dissolve a passive film such as an oxide film on the surface of a metal substrate, Actually, such extremely strong flux is extremely undesired from the viewpoint of durability and reliability of the joint part because there is a very high possibility that the vicinity of the joint part after soldering will be significantly roughened and deteriorated. I must say.
また、特に特許文献3により提案された技術では、鉛(Pb)入りはんだによる接合を実現する手法とは成り得るが、いわゆる鉛フリーはんだによる接合は困難である。
また、特に特許文献4により提案された技術では、鉛フリーはんだによる接合を実現することは可能となるが、自然酸化膜を有するアルミニウム(Al)基材のような、最表面に不動態被膜を有する材質の金属基材に適用可能であるか否かは、定かではない。また、この場合、表面コート膜の厚さは1〜5μm程度が必要となるが、このような厚い表面コート膜は、実際上、コマーシャルベースでの製造技術として考えると、製膜に時間が掛かり過ぎて、生産性が著しく低くなってしまい、延いては製造コスト上が嵩むこととなる虞が高い。
また、特に特許文献5、特許文献6により提案された技術では、チタン膜に圧縮応力を残存させる手法が開示されているが、しかしそのような圧縮応力を残存させたとしても、この構造では鉛フリーはんだを用いた接合は、実際には接合強度不足となる虞が極めて高いことを、我々は種々の実験等を行った結果、確認している。
In particular, the technique proposed by
In particular, with the technique proposed by Patent Document 4, it is possible to realize the joining with lead-free solder, but a passive film is formed on the outermost surface such as an aluminum (Al) base material having a natural oxide film. It is not certain whether it can be applied to a metal base material having the material. In this case, the thickness of the surface coat film is required to be about 1 to 5 μm. However, such a thick surface coat film is actually a time-consuming process when considered as a commercial base manufacturing technique. Therefore, there is a high possibility that productivity will be remarkably lowered, and as a result, the manufacturing cost will increase.
In particular, the techniques proposed in
本発明は、このような問題に鑑みて成されたもので、その主な目的は、工程を煩雑なものとすることなく、かつ産業廃棄物として取扱いが煩雑なものとなる酸洗用の薬液等を使用することなく、本来は難めっき性の材質であり、かつ難はんだ付け性の材質である、例
えばアルミニウム(Al)またはアルミニウム合金もしくはステンレスなどのような、最表面に不動態被膜を有する金属基材の表面に、その不動態被膜の酸洗除去等を施さずとも、良好なはんだ濡れ性およびはんだ付けに対する接合強度を付与してなる、表面処理金属材およびその製造方法を提供することにある。
また、上記目的にさらに加えて、活性の弱いフラックス(フラックス分類でRMAもしくはR相当)を用いた、RoHs関連物資である鉛(Pb)が無添加の、いわゆる鉛フリーはんだによる接合を可能とした、表面処理金属材およびその製造方法を提供することにある。
また、上記目的にさらに加えて、実際上の生産性の確保および原材料コストの低減を達成可能な極薄の膜からなる表面処理構造を備えた、表面処理金属材およびその製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of such problems, and its main purpose is to make the chemical solution for pickling without making the process complicated and handling as industrial waste complicated. Without using a material such as aluminum (Al), aluminum alloy, stainless steel, etc., which are originally difficult-to-platable and hard-to-solder materials. To provide a surface-treated metal material and a method for producing the same, which imparts good solder wettability and bonding strength to soldering without performing pickling removal of the passive film on the surface of the metal substrate. It is in.
Further, in addition to the above-mentioned purpose, it is possible to use a so-called lead-free solder which uses a flux with weak activity (equivalent to RMA or R in the flux classification) and does not contain lead (Pb) which is a RoHs related material. Another object is to provide a surface-treated metal material and a method for producing the same.
Further, in addition to the above object, to provide a surface-treated metal material having a surface treatment structure composed of an ultrathin film capable of achieving practical productivity securing and raw material cost reduction, and a method for producing the same. It is in.
本発明の発明者は、上記課題を解決するために、最表面に酸化被膜(自然酸化膜)のような不動態被膜を有していることから本来は難めっき性の材質でありかつ難はんだ付け性の材質であるアルミニウム(Al)やステンレスのような金属基材の表面上に、不動態被膜を残したままでも、従って酸洗処理を全く施さなくとも、下記のような材質からなる密着層および接着層を形成することにより、良好なはんだ濡れ性およびはんだ付けに対する接合強度を付与することが可能となることを見出した。そして種々の実験等を行って、その手段が正しく効果を獲得することができるものであることを確認し、本発明を成すに到った。 In order to solve the above problems, the inventor of the present invention originally has a passive film such as an oxide film (natural oxide film) on the outermost surface, so that it is originally a difficult-plating material and difficult to solder. Even with a passive film left on the surface of a metal base material such as aluminum (Al) or stainless steel, which is easy to attach, and thus without any pickling treatment, it is made of the following materials: It has been found that by forming a layer and an adhesive layer, it is possible to impart good solder wettability and bonding strength against soldering. And various experiments etc. were conducted and it was confirmed that the means can acquire an effect correctly, and it came to make this invention.
本発明の表面処理金属材は、最表層に不動態被膜を有する金属基材の表面上に、当該金属基材の表面側から順に、クロム(Cr)を主成分とするスパッタ膜からなり、当該膜の内部残留応力が圧縮応力または略ゼロである密着層と、銅(Cu)、銅とニッケル(Cu−Ni)の混合状態、銅と亜鉛(Cu−Zn)の混合状態、銅とニッケルと亜鉛(Cu−Ni−Zn)の混合状態のうちの少なくともいずれか一種類を主成分とするスパッタ膜からなる接着層とを形成してなることを特徴としている。
本発明の表面処理金属材の製造方法は、最表層に不動態被膜を有する金属基材の表面上に、当該金属基材の表面側から順に、クロム(Cr)を主成分とするスパッタ膜からなり、当該膜の内部残留応力が圧縮応力または略ゼロである密着層と、銅(Cu)、銅とニッケル(Cu−Ni)の混合状態、銅と亜鉛(Cu−Zn)の混合状態、銅とニッケルと亜鉛(Cu−Ni−Zn)の混合状態のうちの少なくともいずれか一種類を主成分とするスパッタ膜からなる接着層とを、成膜する層の材質を切り替える際にも酸素を意図的に排除したアルゴン(Ar)ガスのような不活性ガスの成膜雰囲気を維持した同一チャンバ内で連続してスパッタ成膜する工程を含むことを特徴としている。
The surface-treated metal material of the present invention comprises a sputtered film mainly composed of chromium (Cr) in order from the surface side of the metal base material on the surface of the metal base material having a passive film on the outermost layer. An adhesion layer in which the internal residual stress of the film is compressive stress or substantially zero, a mixed state of copper (Cu), copper and nickel (Cu—Ni), a mixed state of copper and zinc (Cu—Zn), copper and nickel, It is characterized in that an adhesive layer made of a sputtered film containing as a main component at least one of mixed states of zinc (Cu—Ni—Zn) is formed.
The method for producing a surface-treated metal material according to the present invention includes a sputtered film containing chromium (Cr) as a main component in order from the surface side of the metal substrate on the surface of the metal substrate having a passive film on the outermost layer. An adhesive layer in which the internal residual stress of the film is compressive stress or substantially zero, a mixed state of copper (Cu), copper and nickel (Cu—Ni), a mixed state of copper and zinc (Cu—Zn), copper Oxygen is also used when the material of the layer to be deposited is switched between a bonding layer made of a sputtered film mainly composed of at least one of a mixed state of nickel and zinc (Cu—Ni—Zn) It is characterized in that it includes a step of continuously performing sputter film formation in the same chamber while maintaining a film formation atmosphere of an inert gas such as argon (Ar) gas that has been excluded.
本発明によれば、最表層に不動態被膜を有する金属基材の表面上に、当該金属基材の表面側から順に、クロム(Cr)を主成分とするスパッタ膜からなり、当該膜の内部残留応力が圧縮応力または略ゼロである密着層と、銅(Cu)、銅とニッケル(Cu−Ni)の混合状態、銅と亜鉛(Cu−Zn)の混合状態、銅とニッケルと亜鉛(Cu−Ni−Zn)の混合状態のうちの少なくともいずれか一種類を主成分とするスパッタ膜からなる接着層とを形成するようにしたので、それら密着層および接着層の存在によって、本来は難めっき性の材質であり、かつ難はんだ付け性の材質である、アルミニウム(Al)またはアルミニウム合金もしくはステンレスなどのような、最表面に不動態被膜を有する金属基材の表面に、その不動態被膜の酸洗除去等を施さずとも、良好なはんだ濡れ性およびはんだ付けに対する接合強度を付与することが可能となる。 According to the present invention, on the surface of a metal base material having a passive film on the outermost layer, it is composed of a sputtered film mainly composed of chromium (Cr) in order from the surface side of the metal base material. Adhesive layer with residual stress of compressive stress or substantially zero, mixed state of copper (Cu), copper and nickel (Cu—Ni), mixed state of copper and zinc (Cu—Zn), copper, nickel and zinc (Cu -Ni-Zn) is formed with an adhesive layer composed of a sputtered film mainly composed of at least one of the mixed states. On the surface of a metal substrate having a passive film on the outermost surface, such as aluminum (Al), aluminum alloy, or stainless steel, which is a material that is difficult to solder. acid Without subjected to removal or the like, it is possible to impart bonding strength for good solder wettability and solderability.
以下、本実施の形態に係る表面処理金属材およびその製造方法について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る表面処理金属材の主要な積層構造を模式的に示す図、図2は、図1に示した表面処理金属材の接着層の上にスパッタ成膜してなる保護層をさらに設けた積層構造を模式的に示す図、図3は、図1に示した表面処理金属材の接着層の上にめっき成膜してなる保護層をさらに設けた積層構造を模式的に示す図である。
Hereinafter, the surface-treated metal material and the manufacturing method thereof according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows a main laminated structure of a surface-treated metal material according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a sputter film formation on the adhesive layer of the surface-treated metal material shown in FIG. FIG. 3 is a view schematically showing a laminated structure further provided with a protective layer, and FIG. 3 shows a laminated structure further provided with a protective layer formed by plating on the adhesive layer of the surface-treated metal material shown in FIG. It is a figure which shows a structure typically.
図1に示したように、この表面処理金属材は、基本的に、金属基材1の表面上に、密着層2と、接着層3とをこの順で形成してなる積層構造を主要な構成要素として備えたものである。そして、このような構成(積層構造)により、この表面処理金属材における表面処理が施された面側である、密着層2および接着層3が積層形成された側の表面は、良好なはんだ濡れ性およびはんだ付けに対する十分な接合強度が付与されたものとなっている。
As shown in FIG. 1, this surface-treated metal material basically has a laminated structure in which an
金属基材1は、最表層に不動態被膜を有する金属材料からなるものである。
具体的には、例えば、純アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、あるいはJIS規格で表現すると、1000系、2000系、3000系、5000系、6000系、7000系のアルミニウム合金板等が適用可能である。また、JIS規格外のアルミニウム合金、ダイカスト、もしくはこれらのアルミニウム材料を表層とするアルミクラッド板材、アルミニウム/SUS、アルミニウム/インバー、アルミニウム/銅(Cu)なども適用可能である。
また、その他にも、各種のステンレス材、インバー材なども実用材料として適用可能である。
また、さらにその他にも、表層が不動態被膜を形成する金属と云う点からすると、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)なども適用可能である。
The
Specifically, for example, pure aluminum (Al), aluminum alloy, or aluminum alloy plates of 1000 series, 2000 series, 3000 series, 5000 series, 6000 series, 7000 series, etc. are applicable when expressed in JIS standards. . Further, non-JIS standard aluminum alloys, die castings, or aluminum clad plate materials having these aluminum materials as the surface layer, aluminum / SUS, aluminum / invar, aluminum / copper (Cu), etc. are also applicable.
In addition, various stainless materials, invar materials, and the like are also applicable as practical materials.
In addition, chromium (Cr), tantalum (Ta), niobium (Nb), molybdenum (Mo), and the like are also applicable from the viewpoint that the surface layer is a metal that forms a passive film.
この金属基材1の形状としては、板材状、丸材状、パイプ材状、テープ状など、種々の形状のものが可能であり、特に制限はない。
この金属基材1の表面には、使用後に産業廃棄物となってその廃棄処理の煩雑さが伴うような酸洗薬液等を用いた酸洗処理は全く施されておらず、また表面処理プロセスに入る準備段階での前処理等としても、斯様な酸洗処理は敢えて全く施さない。従って、この金属基材1の最表面に自然酸化膜のような不動態被膜が存在したままとなっており、その上に密着層2や接着層3が積層形成されている。但し、この金属基材1の最表面に、密着層2等を成膜する前に、例えば各種洗剤や純水を用いた一般的ないわゆる脱脂や洗浄等を施しても構わないことは言うまでもない。
The shape of the
The surface of the
密着層2は、クロム(Cr)を主成分とするスパッタ膜からなるもので、その膜の内部残留応力が圧縮応力または略ゼロとなっている。これは、この密着層2のスパッタ膜の内部残留応力が引張の場合、はんだとの接合強度が低下する虞が高くなるからである。
この密着層2の平均厚さは、10nm以上500nm以下とすることが望ましい。これは、密着層2の厚さが下限値の10nm未満であると、はんだに対する濡れ性や接合強度が不足する虞が高くなるからである。また、上限値の500nmを超えると、却って、接合強度の低下の虞や、歪印加後のはんだ濡れ性の低下の虞、または水素環境下での悪影響が発現する虞などが高くなるからである。
The
The average thickness of the
接着層3は、純銅(Cu)、またはニッケル(Ni)濃度60wt%以下、亜鉛(Zn)濃度10%以下の、銅とニッケル(Cu−Ni)の混合状態、銅とニッケルと亜鉛(Cu−Ni−Zn)の混合状態、またはZn濃度5%以下の銅と亜鉛(Cu−Zn)の混合状態のうちの少なくともいずれか一種類を主成分とするスパッタ膜からなるものである。
この接着層3を構成するために用いられる金属材料である、上記のニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)という3種類の金属を用いた場合にそれぞれ得られる特質は、次のようなものである。
これら3種類の金属の材料コストは一般に、高価な順に並べると、ニッケル(Ni)>銅(Cu)>亜鉛(Zn)となっている。また、銅(Cu)にニッケル(Ni)添加の場合は、純銅(Cu)の場合と比べて濡れ性が向上するが、高コストなものとなる。銅(Cu)に亜鉛(Zn)添加の場合は、はんだに対する濡れ性が低下する場合もあり得るが、低コスト化に寄与する。また、亜鉛(Zn)添加の場合については、犠牲防食層として機能するといった効果等も得られる。このような各種の金属ごとの特質を考慮に入れた上で、最終的な合金組成は、使用環境や要求される機能・性能に応じて決定すればよい。但し、ニッケル(Ni)濃度が60%を超えるとCu−Ni合金が強磁性体として振舞うため、好ましくない。また、亜鉛(Zn)濃度が高くなると、はんだ濡れ性が低下するので、好ましくない。また、銅(Cu)にニッケル(Ni)を添加することで、亜鉛(Zn)を添加した場合のはんだ濡れ性を調節することができる。
The
The characteristics obtained when using the above three kinds of metals, nickel (Ni), copper (Cu), and zinc (Zn), which are metal materials used to form the
Generally, the material costs of these three kinds of metals are nickel (Ni)> copper (Cu)> zinc (Zn) when arranged in the order of price. Further, when nickel (Ni) is added to copper (Cu), the wettability is improved as compared with the case of pure copper (Cu), but the cost becomes high. In the case of adding zinc (Zn) to copper (Cu), the wettability with respect to solder may be reduced, but this contributes to cost reduction. In addition, in the case of adding zinc (Zn), an effect of functioning as a sacrificial anticorrosive layer can be obtained. The final alloy composition may be determined in accordance with the use environment and the required function / performance in consideration of such characteristics of each metal. However, if the nickel (Ni) concentration exceeds 60%, the Cu—Ni alloy behaves as a ferromagnetic material, which is not preferable. Moreover, since a solder wettability will fall when zinc (Zn) density | concentration becomes high, it is unpreferable. Moreover, the solder wettability at the time of adding zinc (Zn) can be adjusted by adding nickel (Ni) to copper (Cu).
この接着層3の平均厚さは、15nm以上とすることが望ましい。これは、密着層2の厚さが下限値の15nm未満であると、はんだに対する濡れ性や接合強度が不足する虞が高くなるからである。
The average thickness of the
上記の密着層2と接着層3との界面付近(より具体的には、界面付近の5nmの厚さに亘る領域)における、光電子分光(XPS)またはオージェ分析のような分光分析法によって分解能2nmで計測される深さ方向での元素分光強度分析結果に基づいて、{酸素(O)の強度}を{酸素(O)の強度+密着層2のクロム(Cr)の強度+接着層3の成分元素(銅(Cu)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn))の強度}で除算した値=Xで定義される酸素強度比率Xを、(0≦)X≦0.02とすることは、望ましい数値的態様である。
但し、金属基材1が、例えばJIS規格で5000系のアルミニウム−マグネシウム(Al−Mg)合金のような、マグネシウム(Mg)を意図的に添加された材質からなるものである場合には、酸素強度比率Xを、(0≦)X≦0.04とすることが望ましい。
すなわち、この密着層2と接着層3との界面付近における酸素強度比率Xが0.02超(金属基材1がMg含有の場合は0.04超)であると、他の構成および数値を適切に設定したとしても、十分な接合強度を得ることが困難なものとなる虞が高くなるが、酸素強度比率Xが上記のような範囲の値となるように意図的に低酸素濃度にした成膜雰囲気中で密着層2をスパッタ成膜することによって、良好な接合強度を得ることが可能となるからである。
The resolution is 2 nm by a spectroscopic method such as photoelectron spectroscopy (XPS) or Auger analysis in the vicinity of the interface between the
However, when the
That is, when the oxygen strength ratio X in the vicinity of the interface between the
ここで、図2に示したように、接着層3の上に、ニッケル(Ni)、錫(Sn)、銅とニッケル(Cu−Ni)の混合状態、銅とニッケルと亜鉛(Cu−Ni−Zn)の混合状態、銅と亜鉛(Cu−Zn)の混合状態のうちの少なくともいずれか一種類を主成分とする、スパッタ膜からなる保護層4を、さらに備えた構造としてもよい。
この保護層4を銅とニッケル(Cu−Ni)からなるものとする場合には、ニッケル(Ni)濃度を10wt%以上60wt%以下とすることが望ましい。これは、ニッケル(Ni)濃度を60wt%以上にすると、そのニッケル(Ni)分の合金ターゲット材の使用量が嵩むことや、その成膜プロセスに要する時間が長くなることなどに起因して、スループットの悪化や製造コストの高額化などの不都合が生じるため、および形成される保護層4の材質が強磁性体になってしまうためである。強磁性体は一般に、スパッタリングによる成膜速度を低下させる傾向が強く、スループットをさらに悪化させる要因となる虞が高い。また、形成された保護層4全体が強磁性体であると、場合によってはその強磁性が阻害要因となって、この表面処理金属材が使用される際に、例えば電子部品用の部材や材料板等として使い難いといった不都合が生じる虞などもあるからである。
そこで、Ni単体のスパッタ膜でなく、Cu−Niのスパッタ膜からなるものとすることにより、得られる保護層4は、常磁性体となるので、スパッタ速度を低下させることなく成膜が可能となり、また磁性的に中立で使い易い材質とすることが可能となる。
また、銅とニッケル(Cu−Ni)に、さらに亜鉛(Zn)を40wt%程度添加するようにしてもよい。このようにすることにより、さらなる低コスト化を達成することが可能となり、またこの保護層4を、いわゆる犠牲防食層としての機能も備えたものとすることが可能となる。
Here, as shown in FIG. 2, nickel (Ni), tin (Sn), mixed state of copper and nickel (Cu—Ni), copper, nickel and zinc (Cu—Ni—) are formed on the
When the protective layer 4 is made of copper and nickel (Cu—Ni), it is desirable that the nickel (Ni) concentration be 10 wt% or more and 60 wt% or less. This is because when the nickel (Ni) concentration is 60 wt% or more, the amount of use of the alloy target material for the nickel (Ni) is increased, the time required for the film forming process is increased, and the like. This is because inconveniences such as a deterioration in throughput and an increase in manufacturing cost occur, and the material of the protective layer 4 to be formed becomes a ferromagnetic material. Ferromagnetic materials generally have a strong tendency to decrease the film formation rate by sputtering, and are likely to cause a further deterioration in throughput. Further, if the entire protective layer 4 formed is a ferromagnetic material, the ferromagnetism may be a hindrance in some cases, and when this surface-treated metal material is used, for example, a member or material for electronic parts This is because there is a possibility of inconvenience that it is difficult to use as a plate.
Therefore, by using a Cu—Ni sputtered film instead of a Ni single sputtered film, the resulting protective layer 4 is a paramagnetic material, and thus it is possible to form a film without reducing the sputtering rate. In addition, it is possible to make the material magnetically neutral and easy to use.
Further, about 40 wt% of zinc (Zn) may be added to copper and nickel (Cu—Ni). By doing in this way, it becomes possible to achieve further cost reduction, and this protective layer 4 can also be provided with a function as a so-called sacrificial anticorrosive layer.
あるいは、保護層4の代りに、接着層3の上に、銅(Cu)、またはニッケル(Ni)、もしくは亜鉛(Zn)を主成分とする、めっき膜からなるものとしてもよい。また、保護層4は、その他にも、例えば蒸着法で形成することなども可能である。
また、図3に示したように、接着層3の上(または、図示は省略するが保護層4の上も可能)に、錫(Sn)、錫−亜鉛(Sn−Zn)、錫−銀(Sn−Ag)などのような、はんだ用途対応の組成の錫合金をめっき成膜してなるはんだ層5を、さらに備えた構造としてもよい。このような、はんだ層5をさらに備えたものとすることにより、本発明の実施の形態に係る表面処理金属材の表面におけるはんだ濡れ性をさらに増強することが可能となる。
Alternatively, instead of the protective layer 4, the
In addition, as shown in FIG. 3, tin (Sn), tin-zinc (Sn—Zn), tin-silver is formed on the adhesive layer 3 (or on the protective layer 4 although not shown). It is good also as a structure further provided with the
図1に示した積層構造を有する表面処理金属材の製造方法の主要な流れは、まず、処理対象の金属基材1を、酸洗処理は敢えて施さないままの状態で(つまり表面に自然酸化アルミニウム(Al)層のような不動態被膜が形成されたままの状態で)、スパッタリング装置のような成膜装置のチャンバ内(図示省略;以下同様)に格納する。そして気相法により、クロム(Cr)を主成分とし、スパッタ膜の内部残留応力が圧縮応力または略ゼロとなるように密着層2を形成する。続いて、その密着層2の上に、銅(Cu)、銅とニッケル(Cu−Ni)の混合状態、銅と亜鉛(Cu−Zn)の混合状態、銅とニッケルと亜鉛(Cu−Ni−Zn)の混合状態のうちの少なくともいずれか一種類を主成分とする接着層3を形成する。そのスパッタ成膜における主要なプロセス条件としては、酸素を意図的に排除してその酸素濃度を0.001%以下とし、かつアルゴン(Ar)ガスのような不活性ガスを主成分とし、圧力を1.5Pa以下にした成膜雰囲気を保持しつつ、成膜する層の材質を密着層2から接着層3へと切り替える際にも、その成膜雰囲気を維持した同一チャンバ内で連続してスパッタ成膜する、ということである。ここで、成膜雰囲気の主成分として用いる不活性ガスは、上記のようなAr以外の不活性元素も適用可能であることは勿論である。但し、その場合でも、成膜雰囲気中の酸素濃度は上記同様に0.001%以下のような極めて低い濃度に保つことが必要である。
The main flow of the manufacturing method of the surface-treated metal material having the laminated structure shown in FIG. 1 is that the
このような、本発明の実施の形態に係る表面処理金属材およびその製造方法によれば、金属基材1の最表面に自然酸化膜のような不動態被膜を存在させたままの状態で、その上に密着層2、接着層3等を積層形成可能としているので、金属基材1の最表面に対して酸洗処理を施すことを、基本的に全く不要とすることができる。
また、金属基材1の表面上に、密着層2および接着層3をこの順で、またさらには接着層3の上に保護層4やはんだ層5を形成するようにしているので、それらを備えたことによって、はんだに対する濡れ性を大幅に向上させることができる。また、その結果、活性の弱いフラックスを用いるか、もしくはフラックス等は全く用いなくとも、RoHs規制物質である鉛(Pb)などを含有しない、いわゆる鉛フリーはんだによる、十分な接合強度を有するはんだ付けが可能となる。
According to such a surface-treated metal material and a manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention, in a state where a passive film such as a natural oxide film is present on the outermost surface of the
Further, since the
また、クロム(Cr)からなる密着層2の厚さを、10nm以上500nm以下とすると共に、接着層3の厚さを15nm以上の適切な厚さとしているが、これは、この種の金属材用の表面処理構造としては、従来の一般的な厚さと比較すると桁違いに薄いものとなっている。これにより、密着層2や接着層3の成膜を短時間で行うことが可能となり、そ
の結果、スループットの向上や製造コスト等の低廉化が達成される。
また、保護層4を形成することにより、接着層3の最表面に酸化膜が生成することを抑制することが可能となり、その結果、はんだに対する接合強度を増強することができる。また、その形成材料としてニッケル(Ni)に銅(Cu)を添加することにより、材料コスト等の低廉化やスパッタ効率の向上が見込める。または、銅(Cu)亜鉛(Zn)を添加することにより、材料コスト等の低廉化と犠牲防食効果とを得ることが可能となる。もしくは、Cu−Ni−Znの3元材料とすることにより、はんだ濡れ性、材料コスト等の低廉化、犠牲防食効果の、3つの効果を同時に達成することが可能となる。
また、接着層3を、銅とニッケル(Cu−Ni)の混合または合金、Cu−Ni−Znの混合または合金からなるものとすることにより、その接着層3の最表面の酸化抑制効果を得ることが可能となる。また、ニッケル(Ni)添加によって接着層3の拡散抑制も可能となる。その結果、はんだに対する接合強度の増強が期待できるものとなる。また、亜鉛(Zn)を添加することで、犠牲防食効果が得られ、それによってこの表面処理金属材の最表面の耐食性・耐久性のさらなる向上を達成することが可能となる。
In addition, the thickness of the
Further, by forming the protective layer 4, it is possible to suppress the formation of an oxide film on the outermost surface of the
In addition, the
以上を要するに、本発明の実施の形態に係る表面処理金属材およびその製造方法によれば、密着層2および接着層3をこの順で金属基材1の表面上に形成するようにしたので、本来は難めっき性の材質であり、かつ難はんだ付け性の材質である、アルミニウム(Al)またはアルミニウム合金もしくはステンレスなどのような、最表面に不動態被膜を有する金属基材1の表面に、その不動態被膜の酸洗除去等を施さずとも、密着層2および接着層3をこの順で形成して、良好なはんだ濡れ性およびはんだ付けに対する接合強度を付与することが可能となる。しかも、そのような良好な作用・効果を発揮する密着層2や接着層3は、短時間で低コストに形成することができるので、本発明の実施の形態に係る表面処理金属材のスループットの向上や低コスト化を達成することが可能となる。
In short, according to the surface-treated metal material and the manufacturing method thereof according to the embodiment of the present invention, the
なお、密着層2の材質としては、上記のようなクロム(Cr)の他にも、ここでは詳細な説明は省略するが、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)も適用可能であることを、本発明の発明者は、種々の実験およびそれについての考察等によって確認している。そこで、これらの材料(チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr))ごとに対応して得られる密着層2の性能の相違について、ここで簡潔に説明する。
これらの材料は、水素ガスから受ける影響の小さい順に並べると、クロム(Cr)<ニオブ(Nb)<チタン(Ti)の順となっている。水素ガスによって受ける悪影響が最も少なくて済むのは、クロム(Cr)である。よって、水素ガス環境に因る悪影響等が懸念される場合には、密着層2の材質としては、クロム(Cr)を選択することが望ましい。特に、クロム(Cr)で密着層2を形成した場合(つまり本発明の実施の形態に係る表面処理金属材およびその製造方法の場合)には、水素ガスに因る性能低下等はほとんど全くないことが想定される。
また、歪印加の影響の小さい順に並べると、ニオブ(Nb)<チタン(Ti)<クロム(Cr)の順である。よって、例えば金型を用いたプレス成型やプレス打ち抜きのような、被加工材に塑性変形を伴う加工が施されることに起因した、大きな歪印加の発生が懸念される場合には、密着層2の材質としては、ニオブ(Nb)を選択することが望ましい。
また、密着層2を形成した際に、その密着層2の材質が柔らかいものとなる順に並べると、ニオブ(Nb)<チタン(Ti)<クロム(Cr)となる。例えば金属基材1としてアルミニウム(Al)板を用いた場合などには、密着層2を硬い材質のクロム(Cr)やチタン(Ti)からなるものにすると、その密着層2を備えた表面処理金属材にプレス金型を用いてプレス加工等を施す場合、そのプレス金型の摩耗が早くなる虞が高い。斯様な観点からは、出来るだけ柔らかい材料を選択することが望まれる。よって、このような場合には、ニオブ(Nb)を選択することが望ましい。
また、材料コストについての考察に当たっての参考までに、現在の一般的な相場における鉱業製品としての材料価格の安価な順に並べると、クロム(Cr)<チタン(Ti)<
ニオブ(Nb)となっている。よって、例えば材料コストを出来るだけ安価なものにすることが要請される場合には、クロム(Cr)を選択することが望ましい。
このような、各材料の長所・短所を考え合わせて、そのときの目的に則した最良の選択を行うようにすればよい。
As the material of the
When these materials are arranged in ascending order of influence from hydrogen gas, they are in the order of chromium (Cr) <niobium (Nb) <titanium (Ti). It is chromium (Cr) that has the least adverse effect caused by hydrogen gas. Therefore, when there are concerns about adverse effects due to the hydrogen gas environment, it is desirable to select chromium (Cr) as the material of the
Further, when arranged in ascending order of influence of strain application, niobium (Nb) <titanium (Ti) <chromium (Cr). Therefore, if there is a concern about the occurrence of large strain applied due to processing with plastic deformation on the workpiece, such as press molding using a mold or press punching, the adhesion layer As the material of 2, it is desirable to select niobium (Nb).
Further, when the
In addition, for reference in consideration of material costs, chromium (Cr) <titanium (Ti) <
Niobium (Nb). Therefore, for example, when it is required to make the material cost as low as possible, it is desirable to select chromium (Cr).
Considering the advantages and disadvantages of each material, the best selection may be made according to the purpose at that time.
上記の実施の形態で説明したような表面処理金属材を、上記の製造方法によって、各種仕様を変更して多種類作製し、これを実施例に係る試料とした。また、それらとの比較のために、敢えて上記の実施の形態とは異なった仕様・製造方法による表面処理金属材も別途に作製し、これを比較例に係る試料とした。そしてそれらの試料を用いて、それら各々についての、はんだ濡れ性および接合強度を、それぞれ評価した。 Various types of surface-treated metal materials as described in the above embodiment were produced by changing the various specifications by the above manufacturing method, and this was used as a sample according to the example. In addition, for comparison with them, a surface-treated metal material with a specification / manufacturing method different from the above embodiment was also prepared separately, and this was used as a sample according to a comparative example. Then, using these samples, the solder wettability and the bonding strength of each of them were evaluated.
(試料の作製)
金属基材1は、アルミニウム(Al)系、ステンレス系の2種類を用意し、そのそれぞれについて、上記の実施の形態で説明した構造および製造方法によって密着層2や接着層3を形成して表面処理金属材を作製し、その各性能等を評価した。
アルミニウム(Al)系は、その代表的なものとして、純アルミニウム(Al)であるA1050とした。また、そのバリエーションとして、Mgを含有するA5052も、同様の実験を行うために用意した(このA5052については後述する)。
ステンレス系材料はSUS301とした。その各種類ごとに、厚さ0.15mmの板状材のものを用意した。これらの金属基材1の表面には酸洗処理を施さず、その最表面に不動態被膜を残したままの状態で、その後のスパッタ成膜等を行った。
(Sample preparation)
The
A representative aluminum (Al) system is A1050 which is pure aluminum (Al). As a variation, A5052 containing Mg was also prepared for the same experiment (this A5052 will be described later).
The stainless steel material was SUS301. A plate-shaped material having a thickness of 0.15 mm was prepared for each type. The surface of these
スパッタ成膜プロセスは、直流マグネトロンスパッタ装置(株式会社アルバック、型式:SH−350)を用いて行った。各膜を形成する際の雰囲気(成膜雰囲気)は、圧力0.3Pa以上9Pa以下のアルゴン(Ar)ガスとした。ターゲット材に投入した直流電力(投入エネルギー)は金属の種類に応じて適宜調整した。各膜の厚み制御は、金属種ごとに、予め平均成膜速度を測量した上で成膜時間を調整することで行った。金属基材1の表面上に、密着層2、接着層3、そしてさらに、場合によっては保護層4やはんだ層5、の順番で成膜を行い、またその金属種の変更の際にも酸素(または室内雰囲気のような空気等)が混入することのないように、それら一連の成膜工程を同一のチャンバ内で連続的に行った。その成膜中のアルゴン(Ar)ガスの純度は99.999%以上の純度とし、その純度を保ちつつ一定流量を継続的に流しながら各成膜工程を実施した。その際の成膜雰囲気における酸素濃度は0.001%以下とした。
また、比較例に係る試料の作製の際に用いた成膜雰囲気は、アルゴン(Ar)+酸素混合ガス、純アルゴン(Ar)ガスの、2種類のガスとした。それらの成膜雰囲気における酸素含有量の調節は、流量比率を調整することによって行った。
The sputter film formation process was performed using a DC magnetron sputtering apparatus (ULVAC, Inc., model: SH-350). The atmosphere (film formation atmosphere) for forming each film was argon (Ar) gas having a pressure of 0.3 Pa or more and 9 Pa or less. The direct current power (input energy) input to the target material was appropriately adjusted according to the type of metal. The thickness of each film was controlled by measuring the average film formation speed in advance for each metal species and adjusting the film formation time. On the surface of the
In addition, the film formation atmosphere used in the preparation of the sample according to the comparative example was two kinds of gases, argon (Ar) + oxygen mixed gas and pure argon (Ar) gas. Adjustment of the oxygen content in these film-forming atmospheres was performed by adjusting the flow rate ratio.
(試料の実験方法および評価方法)
(1)はんだ濡れ性の評価;
はんだ材として、Pbフリーはんだである、錫−0.7wt%銅(Sn−0.7wt%Cu)合金を使用し、メニスコグラフ法により、タムラ製作所(型式:製造番号2015)を用いて、各試料から切り出した幅10mmの試片をフラックス(HOZANの型式H−728)に浸漬し、それを220℃の温度に保持したはんだ浴槽中に浸漬速度2mm/秒で2mmに亘って浸漬し、試片の表面がはんだで濡れて、いわゆるはんだコーティングが施された状態となるまでの時間(ゼロクロスタイム)を測定した。そしてその時間に基づいて、下記に示した基準に則して各試料のはんだ濡れ性を評価した。この評価方法では、短時間であるほど、はんだ濡れ性が良好であることを示している。
◎ : 5秒未満
○ : 5〜7秒未満
△ : 7〜10秒未満
× : 10秒以上
(上記の記号◎、○、△、×は、各表の該当欄に記載してある)
(Sample experiment method and evaluation method)
(1) Evaluation of solder wettability;
As a solder material, a tin-0.7 wt% copper (Sn-0.7 wt% Cu) alloy, which is a Pb-free solder, is used, and each sample is manufactured by using a Tamura Seisakusho (model: serial number 2015) by a meniscograph method. A specimen with a width of 10 mm cut out from the specimen was immersed in a flux (HOZAN model H-728) and immersed in a solder bath maintained at a temperature of 220 ° C. for 2 mm at an immersion speed of 2 mm / second. The time (zero crossing time) until the surface of the film became wet with solder and was in a state where a so-called solder coating was applied was measured. Based on the time, the solder wettability of each sample was evaluated according to the criteria shown below. This evaluation method shows that the shorter the time, the better the solder wettability.
: Less than 5 seconds
○: Less than 5-7 seconds
Δ: Less than 7 to 10 seconds
×: 10 seconds or more
(The above symbols ◎, ○, △, × are listed in the corresponding column of each table)
(2)初期はんだ接合強度の評価(成膜直後の初期評価);
上記の(1)で説明した方法によって表面にはんだコーティングが施された各試片に、曲げ径10mmで繰り返し曲げを行って、はんだコート膜が試片の表面から剥離するまでの回数を数えることにより、接合強度を評価した。この評価方法では、繰り返し曲げを5回まで行い、下記のような基準に則して接合強度を評価した。
◎ : 5回でも剥離なし
○ : 3〜4回で剥離
△ : 1回曲げまでは剥離なしであるが2回目に剥離
× : 曲げ前から剥離またははんだ接合不良状態のため評価不能
(上記の記号◎、○、△、×は、各表の該当欄に記載してある)
(2) Evaluation of initial solder joint strength (initial evaluation immediately after film formation);
Each test piece having a surface coated with a solder coating by the method described in (1) above is repeatedly bent at a bending diameter of 10 mm, and the number of times until the solder coat film peels off from the surface of the test piece is counted. Thus, the bonding strength was evaluated. In this evaluation method, repeated bending was performed up to 5 times, and the bonding strength was evaluated according to the following criteria.
◎: No peeling even 5 times
○: peeled 3-4 times
Δ: No peeling until the first bending, but peeling the second time
×: Cannot be evaluated due to peeling or soldering failure before bending
(The above symbols ◎, ○, △, × are listed in the corresponding column of each table)
(3)歪印加後のはんだ濡れ性の評価;
各試料に、曲げ歪および引張り歪を印加した。まず、曲げ歪を印加した。具体的には、直径15mmのパイプに試料を巻きつけるという手法で、曲げ歪を4回印加した(歪換算で板厚/直径=0.15/15=0.01→1%相当)。2回目の印加では、最初の(1回目の)曲げ印加後、試料を裏返すことにより、パイプ巻きつけ時の引っ張り印加面(板材の外面)と圧縮印加面(板材の内面)が入れ替わるようにした。そして3回目も同様に試料を裏返して、1回目と同じ試料のポジションで曲げを行うものとした。4回目は、3回目の曲げ後に試料を裏返して、2回目と同じ試料のポジションで曲げを行った。4回目の曲げ後、張力を印加して、試料の伸び量が約10%相当となった後、その張力から試料を開放して歪印加を完了した。その後、上記の(2)と同様の手法および基準に則して各試料のはんだ濡れ性の試験を実施し、その評価を行った。
(3) Evaluation of solder wettability after strain application;
Bending strain and tensile strain were applied to each sample. First, bending strain was applied. Specifically, bending strain was applied four times by a method of winding a sample around a pipe having a diameter of 15 mm (equivalent to plate thickness / diameter = 0.15 / 15 = 0.01 → 1% in terms of strain). In the second application, after the first (first) bending application, the sample is turned over so that the tension application surface (outer surface of the plate material) and the compression application surface (inner surface of the plate material) are switched. . Similarly, the sample was turned upside down for the third time and bent at the same sample position as the first time. The fourth time, the sample was turned over after the third bending, and bent at the same sample position as the second time. After the fourth bending, a tension was applied and the elongation of the sample was about 10%, and then the sample was released from the tension to complete the strain application. Then, the test of the solder wettability of each sample was performed according to the same method and standard as the above (2), and the evaluation was performed.
(4)水素試験後(水素加圧試験を施した後)のはんだ接合強度の評価;
各試料の水素脆化特性を調べるために、はんだコーティングを施した各試料を、で1MPa・80℃の水素(H)ガス雰囲気環境に24時間封入した後、上記の(2)等で説明したものと同様の手法および基準に則して各試料のはんだ接合強度を評価した。
(4) Evaluation of solder joint strength after hydrogen test (after hydrogen pressure test);
In order to investigate the hydrogen embrittlement characteristics of each sample, each sample subjected to solder coating was sealed in a hydrogen (H) gas atmosphere environment of 1 MPa and 80 ° C. for 24 hours, and then described in (2) above. The solder joint strength of each sample was evaluated according to the same method and standard as those.
(5)酸素強度比率Xの計測;
密着層2と接着層3との界面(厚さにして5nm程度)における材質の酸素含有濃度を、分光分析法により、酸素強度比率Xとして計測した。但し、金属基材1と密着層2との界面(厚さにして5nm程度)、および接着層3の最表面(厚さにして5nm程度)の部分については計測から除外するものとした。具体的には、光電子分光装置を用いて分解能2nmで、アルゴンエンッチングを行い、次式で定義される酸素強度比率X値が密着層2と接着層3との界面付近でピークとなる値を求めた。
酸素強度比率X=酸素強度/{酸素(O)の強度+密着層2を構成するクロム(Cr)の強度+銅(Cu)の強度+ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)の強度}
そして、その分光分析による酸素含有濃度の結果の酸素強度比率Xの値がX≦0.02のものは○、X>0.02のものは×と表記した(上記の記号○、×は、各表の該当欄に記載してある)。
(5) Measurement of oxygen intensity ratio X;
The oxygen content concentration of the material at the interface (about 5 nm in thickness) between the
Oxygen strength ratio X = oxygen strength / {strength of oxygen (O) + strength of chromium (Cr) constituting
And when the value of the oxygen intensity ratio X as a result of the oxygen content concentration by the spectroscopic analysis is X ≦ 0.02, “O” is indicated, and X> 0.02 is indicated as “X” (the symbols “O” and “ It is described in the corresponding column of each table).
(6)密着層の内部残留応力の評価;
密着層2の成膜後の内部残留応力は、一般に、その密着層2の材質、膜厚、成膜時のガス圧、ガス成分中の酸素濃度など、種々のプロセス条件等に応じて、引張りから圧縮まで幅広く変化する。
成膜された密着層2の膜内の内部残留応力の評価は、カンチレバー法によって行った。
カンチレバー法(参考文献、添付:雑誌真空 J.VAC.Soc.JPN Vol.50,No6.2007,P432)とは、機械特性が既知であるシートに成膜処理を施し、片端を固定、片端を開放(自由)とし、シートの変形方向と変形量から、膜の内部応力を求めるものである。ここでは、膜内部の応力が圧縮なのか引っ張りなのかを判定する程度の評価を行なった。成膜された密着層2の内部残留応力は、主に成膜時のガス圧力と膜厚さとに依存する。このため、予め試料作製と同一条件のガス圧と膜厚の設定で、その膜の応力が圧縮となるのか引っ張りとなるのかを評価する実験を行い、そのデータに基づいて、種々異なるプロセス条件で作製された各試料における密着層2の内部残留応力が、圧縮であるか、引張りであるか、もしくはほぼゼロであるかを判定(評価)した。
(6) Evaluation of internal residual stress of the adhesion layer;
The internal residual stress after deposition of the
Evaluation of the internal residual stress in the film | membrane of the
The cantilever method (reference, attached: magazine vacuum J.VAC.Soc.JPN Vol.50, No6.2007, P432) is a method of applying film formation to a sheet with known mechanical properties, fixing one end, The internal stress of the film is obtained based on the deformation direction and the deformation amount of the sheet. Here, evaluation was performed so as to determine whether the stress inside the film was compression or tension. The internal residual stress of the deposited
表1は、そのような判定方法に則して、異なったプロセス条件で作製された代表的な複数種類の試料について、その各々の密着層2における内部残留応力の評価結果を整理し纏めて示したものである。この表1に示した評価結果を基準にして、各試料における密着層2の内部残留応力が、引張り、ゼロ、圧縮の、いずれのタイプであるかを判定した。例えば、表1の第2行に示されている場合を一例として挙げると、スパッタ工程における成膜雰囲気中のガスを1.2Paのアルゴン(Ar)ガスとした場合、そのスパッタ工程によって成膜されたクロム(Cr)からなる密着層2における内部残留応力は、その膜厚が15nm、20nm、60nmのときにはゼロとなり、120nm、300nm、500nmのときには圧縮となる、というように判定するものとした。
Table 1 summarizes and summarizes the evaluation results of the internal residual stress in each
(各試料を用いた実験結果および評価結果)
(1)金属基材が純アルミニウム(Al)材の場合;
表2は、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、密着層2の内部残留応力を引張り応力とした試料101〜107の場合の評価結果を、第1群として纏めて示したものである。ここで、各試料に付した試料番号は、各試料の識別のために便宜上、付与したものであって、その順列や番号の数字自体等には、例えば優先順位等の何らかの意味を付与しているわけではないことは言うまでもない。但し、各実験で意図した目的に着目して、同じ目的のために作製されて評価された各試料については一つの群に纏めるものとし、その試料番号の接頭数字には、その群の番号を付与してある。例えば、第1群の各試料(試料番号101〜107のもの;以降、これを試料101〜107とも呼ぶ)の場合、第1群であるから、その試料番号の三桁目の数字は1であり、二桁目以降の数字としてはその配列順を示す数字を01、02、03・・・のように付与してある。つまり、例えば試料番号が103であれば、それは第1群の第3番目の試料であるということを意味している(これは表3以降も同様とする)。
(Experimental results and evaluation results using each sample)
(1) When the metal substrate is a pure aluminum (Al) material;
Table 2 shows the internal residual stress of the
この表2に示した結果によれば、密着層2の内部残留応力が引張りである場合には、その密着層2の膜厚に関係なく、はんだ接合強度が不足(×印で表記)するものとなることが確認された。また、密着層2を設けない場合(試料101)も、接合強度が不足(×印で表記)するものとなった。
この結果から、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材の場合、密着層2の内部残留応力が引張り応力であると、密着層2の厚さを10nm以上にする、といった他の設定には関係なく、はんだ接合強度が不足するということが確認された。
According to the results shown in Table 2, when the internal residual stress of the
From this result, in the case of a surface-treated metal material having a structure in which the
表3は、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の膜厚を20nmに統一すると共に密着層2の内部残留応力をゼロに統一し、密着層2の膜厚を種々変更した場合の試料201〜205の評価結果を、第2群として纏めて示したものである。
Table 3 shows that the film thickness of the
この表3に示した結果から、密着層2の膜厚が5nmのように薄い場合、および250nmのように厚い場合には、初期はんだ接合強度が不足することが確認された。また、歪印加後の濡れ性は、密着層2の膜厚が厚くなると、膜厚500nmを境として低下傾向を示すことが確認された。また、水素試験後の接合強度は、密着層2の膜厚が増大するほど低下傾向を示すことが確認された。
From the results shown in Table 3, it was confirmed that the initial solder joint strength is insufficient when the thickness of the
表4は、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、密着層2の内部残留応力をゼロとすると共に、密着層2の膜厚を10nm(第3群)、120nm(第4群)、500nm(第5群)とし、接着層3の膜厚を10〜500nmの範囲で種々変更(10nm、15nm、60nm、120nm、500nm)した場合の評価結果を纏めて示したものである。
Table 4 shows zero internal residual stress in the
この表4に示した結果から、接着層3が15nm未満であると、密着層2の膜厚を10〜500nmの範囲内で変更しても、はんだ接合強度が不足し、接着層3の膜厚が15nm以上である場合に、良好なはんだ接合強度およびはんだ濡れ性を達成できることが確認された。
また、特に第4群および第5群の試料の結果によれば、密着層2の膜厚が500nm以下ならば、水素試験後のはんだ接合強度低下は発生しないことが確認された。
From the results shown in Table 4, when the
In particular, according to the results of the samples of the fourth group and the fifth group, it was confirmed that when the film thickness of the
表5は、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、密着層2の内部残留応力を圧縮応力に統一すると共に、密着層2の膜厚を10nm(第6群)、120nm(第7群)、500nmとし、接着層3の膜厚を10〜200nmの範囲で種々変更(10nm、15nm、60nm、120nm、200nm)した場合の評価結果を纏めて示したものである。
Table 5 shows compression of the internal residual stress of the
この表5に示した結果から、密着層2の内部残留応力を圧縮とし、かつ接着層3を15nm以上とした場合に、はんだ濡れ性およびはんだ接合強度が△以上(〜○、◎)となることが確認された。また、歪印加後の濡れ性も良好なものとなることが確認された。
また、密着層2の厚さが10〜500nmの範囲内であれば、はんだ濡れ性は良好なものとなることが確認された。また、密着層2がその厚さの範囲内のときには、初期接合強度もほぼ良好である。
また、水素試験後のはんだ接合強度は、初期とほぼ変化なしであることが確認された。
From the results shown in Table 5, when the internal residual stress of the
Moreover, it was confirmed that if the thickness of the
In addition, it was confirmed that the solder joint strength after the hydrogen test was almost unchanged from the initial stage.
表6は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の材質を銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)で統一し、保護層4の材質をニッケル(Ni)スパッタ膜とした場合(第9群)、錫(Sn)スパッタ膜とした場合(第10群)、銅−60wt%ニッケル(Cu−60wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第11群)、銅−20wt%ニッケル(Cu−20wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第12群)の評価結果を纏めて示したものである。
Table 6 shows the material of the
この表6に示した結果から、密着層2の膜厚を10nm以上500nm以下の範囲内の厚さにすると共に、銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)からなる接着層3の膜厚を15nm以上とし、密着層2の内部残留応力をゼロまたは圧縮とし、かつ上記のような材質(組成)の保護層4を設けることで、全ての性能項目について、その性能のさらなる向上を達成できることが確認された。
From the results shown in Table 6, the thickness of the
表7は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の材質を純銅(Cu)で統一し、保護層4を設けなかった場合、および保護層4の材質を銅−20wt%ニッケル(Cu−20wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第13群)、銅−5wt%ニッケル(Cu−5wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第14群)、銅−5wt%ニッケル−10wt%亜鉛(Cu−5wt%Ni−10wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第15群)、銅−10wt%ニッケル−20wt%亜鉛(Cu−10wt%Ni−20wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第16群)、銅−20wt%亜鉛(Cu−20wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第17群)の、各試料の評価結果を纏めて示したものである。
Table 7 shows the material of the
この表7に示した結果から、純銅(Cu)からなる密着層2の膜厚を10nm以上500nm以下の範囲内の厚さにすると共に、接着層3の膜厚を15nm以上とし、密着層2の内部残留応力をゼロまたは圧縮とし、かつ上記のような材質(組成)の保護層4を設けることで、全ての性能項目について、良好な性能を達成できることが確認された。
また、銅−ニッケル(Cu−Ni)系よりも材料コストが低廉な純銅(Cu)を接着層3の材料として用いることにより、性能の低下を生じることなく、材料コストも含めた製造コスト全体の低廉化を達成することなども期待できる。
From the results shown in Table 7, the thickness of the
In addition, by using pure copper (Cu), which is lower in material cost than the copper-nickel (Cu—Ni) system, as the material of the
表8は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の材質を銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)で統一し、保護層4を設けなかった場合(試料1801、1802)および保護層4の材質を銅−10wt%ニッケル−40wt%亜鉛(Cu−10wt%Ni−40wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第18群)、銅−20wt%亜鉛(Zn)(Cu−20wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第19群)の評価結果を纏めて示したものである。
Table 8 shows the material of the
この表8に示した結果から、密着層2の膜厚を10nm以上500nm以下の範囲内の厚さにすると共に、上記のような材質からなる接着層3の膜厚を15nm以上とし、密着層2の内部残留応力をゼロまたは圧縮とし、かつ上記のような各材質(組成)からなる保護層4を設けることで、ほぼ全ての性能項目について、良好な性能を達成できることが確認された。
また、接着層3の材質を銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)とすることにより、純銅(Cu)を用いる場合と比べると材料コストが高価なものとなるが、はんだ濡れ性のさらなる向上を達成することが可能となる。
また、銅−ニッケル(Cu−Ni)系よりも材料コストが低廉な亜鉛(Zn)を含んだ銅−亜鉛(Cu−Ni−Zn)系合金を保護層4の材料として用いることにより、性能の低下を生じることなく、材料コストも含めた製造コスト全体の低廉化を達成することなども期待できる。
From the results shown in Table 8, the thickness of the
Further, by using copper-40 wt% nickel (Cu-40 wt% Ni) as the material of the
Further, by using a copper-zinc (Cu-Ni-Zn) alloy containing zinc (Zn), which is lower in material cost than a copper-nickel (Cu-Ni) system, as a material for the protective layer 4, performance can be improved. It can be expected that the manufacturing cost including the material cost can be reduced without causing a decrease.
表9は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、保護層4を、銅−10wt%ニッケル−40wt%亜鉛(Cu−10wt%Ni−40wt%Zn)合金からなるものとし、接着層3の材質を、銅−5wt%亜鉛(Cu−5wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第20群)、銅−5wt%亜鉛−10wt%ニッケル(Cu−5wt%Zn−10wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第21群)、銅−10wt%亜鉛−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Zn−10wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第22群)、および接着層3をニッケル無しの銅−10wt%亜鉛(Cu−10wt%Zn)スパッタ膜にすると共に保護層4を設けなかった場合(試料2301)ならびにニッケル(Ni)スパッタ膜とした場合(第23群)の、各試料の評価結果を纏めて示したものである。
Table 9 shows that the protective layer 4 in the surface-treated metal material having a structure in which the
この表9に示した結果から、接着層3および保護層4の形成材料として亜鉛(Zn)を含有した材料を用いることで、各種の性能は、歪印加後の濡れ性を除いて、上記の表2〜8に基づいて説明した、他の構造および材料設定の場合よりも若干低下する場合もあるが、概ね良好なものとなることが確認された。また、材料コストについては、上記の各場合よりも安価なものとすることができる。
また、特に、試料2301、2302の結果から、接着層3の材質を、ニッケル(Ni)無しで亜鉛(Zn)を10wt%以上含んだものにすると、はんだ濡れ性については概ね良好なものとなるが、保護層4がない場合(試料2301の場合)、はんだ接合強度が不足し、かつ保護層4を設けてもなお(試料2302の場合)、はんだ接合強度は不足するということが確認された。
この第23群の試料の結果および第20群、第21群、第22群の試料の結果に基づいて考察すると、10wt%程度のニッケル(Ni)を添加することで、ニッケル(Ni)無しの場合よりもはんだ接合強度を向上させることができ、また亜鉛(Zn)を10wt%程度までは添加可能となることが分かった。
From the results shown in Table 9, by using a material containing zinc (Zn) as a material for forming the
In particular, from the results of the samples 2301 and 2302, when the material of the
Considering based on the results of the samples of the 23rd group and the samples of the 20th group, the 21st group, and the 22nd group, by adding about 10 wt% of nickel (Ni), there is no nickel (Ni). It has been found that the solder joint strength can be improved more than the case, and zinc (Zn) can be added up to about 10 wt%.
表10は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の材質を銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)とし、保護層4の材質を、ニッケル(Ni)スパッタ膜または銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)スパッタ膜のいずれかとし、かつそのスパッタ成膜時に雰囲気ガスとして用いたアルゴン(Ar)ガス中の酸素濃度を、0.001%超である0.05%とした場合および0.005%とした場合(どちらも出来上がりの試料の酸素強度比率Xが0.02超となる)の評価結果を纏めて示したものである。
Table 10 shows the material of the
この表10に示した結果から、スパッタ成膜時の不活性雰囲気ガス中に含まれる酸素濃度が0.001%超であると、出来上がりの試料の酸素強度比率Xが0.02超となって、それ以外の構造や膜厚や各種プロセス条件等の設定には関係なく、初期はんだ接合強度が不足するということが確認された。 From the results shown in Table 10, when the oxygen concentration contained in the inert atmosphere gas at the time of sputtering film formation is more than 0.001%, the oxygen intensity ratio X of the finished sample becomes more than 0.02. It was confirmed that the initial solder joint strength was insufficient regardless of the settings of other structures, film thicknesses and various process conditions.
(2)金属基材がステンレス(SUS)材の場合;
表11は、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、密着層2の内部残留応力を引張り応力とした試料2501〜2507の場合の評価結果を、第25群として纏めて示したものである。
(2) When the metal substrate is a stainless steel (SUS) material;
Table 11 shows the internal residual stress of the
この表11に示した結果によれば、密着層2の内部残留応力が引張りである場合には、その密着層2の膜厚に関係なく、はんだ接合強度が不足(×印で表記)するものとなることが確認された。また、密着層2を設けない場合(試料2501)も、接合強度が不足するものとなることが確認された。
この結果から、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材の場合、密着層2が全く存在していないとき、または密着層2の内部残留応力が引張り応力であるときには、金属基材1の材質も含めて他の設定には関係なく、はんだ接合強度が不足するということが確認された。
According to the results shown in Table 11, when the internal residual stress of the
From this result, in the case of a surface-treated metal material having a structure in which the
表12は、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の膜厚を20nmに統一すると共に密着層2の内部残留応力をゼロに統一し、密着層2の膜厚を種々変更した場合の評価結果
を纏めて示したものである。
Table 12 shows that the film thickness of the
この表12に示した結果から、密着層2の膜厚が5nmのように薄い場合、および550nmのように厚い場合には、初期はんだ接合強度が不足することが確認された。また、歪印加後の濡れ性は、密着層2の膜厚が、500nmを境としてそれよりも厚くなると低下傾向を示すことが確認された。また、水素試験後の接合強度は、密着層2の膜厚が増大するほど低下傾向を示すことが確認された。
From the results shown in Table 12, it was confirmed that the initial solder joint strength is insufficient when the thickness of the
表13は、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、密着層2の内部残留応力をゼロとすると共に、密着層2の膜厚を10nm(第27群)、120nm(第28群)、500nm(第29群)とし、接着層3の膜厚を10〜200nmの範囲で種々変更(10nm、15nm、60nm、120nm、200nm)した場合の評価結果を纏めて示したものである。
Table 13 shows zero internal residual stress in the
この表13に示した結果から、接着層3が15nm未満であると、密着層2の膜厚を10〜500nmの範囲内で変更しても、はんだ接合強度が不足し、接着層3の膜厚が15nm以上である場合に、良好なはんだ接合強度およびはんだ濡れ性を達成できることが確認された。しかし、特に接着層3を500nmとした第29群の結果によれば、歪印加後の濡れ性については、大幅に低下した。
また、水素試験後のはんだ接合強度の低下は発生せず、初期のはんだ接合強度がほぼ維持されることが確認された。
From the results shown in Table 13, when the
Further, it was confirmed that the solder joint strength did not decrease after the hydrogen test, and the initial solder joint strength was substantially maintained.
表14は、図1に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3とを積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、密着層2の内部残留応力を圧縮応力に統一すると共に、密着層2の膜厚を10nm(第30群)、120nm(第31群)、500nm(第32群)とし、接着層3の膜厚を10〜200nmの範囲で種々変更(10nm、15nm、60nm、120nm、200nm)した場合の評価結果を纏めて示したものである。
Table 14 shows compression of the internal residual stress of the
この表14に示した結果から、密着層2の内部残留応力を圧縮とし、かつ接着層3を15nm以上とした場合に、はんだ濡れ性およびはんだ接合強度が△以上(〜○、◎)となることが確認された。
また、水素試験後のはんだ接合強度の低下は発生しなかった。
From the results shown in Table 14, when the internal residual stress of the
In addition, no decrease in solder joint strength after the hydrogen test occurred.
また、特に第32群の比較例に係る試料の結果では、密着層2の膜厚を500nmと厚くしたことに起因するものと推定される、歪印加後の濡れ性の低下が生じた。このことからも、密着層2の膜厚は、500nm以下とすることが望ましいものと考えられる。
In particular, in the results of the samples according to the comparative example of the thirty-second group, the wettability after applying the strain, which is estimated to be caused by increasing the thickness of the
表15は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の材質を銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)で統一し、保護層4の材質をニッケル(Ni)スパッタ膜とした場合(第33群)、錫(Sn)スパッタ膜とした場合(第34群)、銅−60wt%ニッケル(Cu−60wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第35群)、銅−20wt%ニッケル(Cu−20wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第36群)の評価結果を纏めて示したものである。
Table 15 shows the material of the
この表15に示した結果から、密着層2の膜厚を10nm以上500nm以下の範囲内の厚さにすると共に、銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)からなる接着層3の膜厚を15nm以上とし、密着層2の内部残留応力をゼロまたは圧縮とし、かつ上記のような材質(組成)の保護層4を設けることで、全ての性能項目について、その性能のさらなる向上を達成できることが確認された。
From the results shown in Table 15, the thickness of the
表16は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の材質を純銅(Cu)で統一し、保護層4を設けなかった場合、および保護層4の材質を銅−20wt%ニッケル(Cu−20wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第37群)、銅−5wt%ニッケル(Cu−5wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第38群)、銅−5wt%ニッケル−10wt%亜鉛(Cu−5wt%Ni−10wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第39群)、銅−10wt%ニッケル−20wt%亜鉛(Cu−10wt%Ni−20wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第40群)、銅−20wt%亜鉛(Cu−20wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第41群)の、各試料の評価結果を纏めて示したものである。
Table 16 shows the material of the
この表16に示した結果から、純銅(Cu)からなる密着層2の膜厚を10nm以上500nm以下の範囲内の厚さにすると共に、接着層3の膜厚を15nm以上とし、密着層2の内部残留応力をゼロまたは圧縮とし、かつ上記のような材質(組成)の保護層4を設けることで、全ての性能項目について、良好な性能を達成できることが確認された。
また、銅−ニッケル(Cu−Ni)系よりも材料コストが低廉な純銅(Cu)を接着層3の材料として用いることにより、性能の低下を生じることなく、材料コストも含めた製造コスト全体の低廉化を達成することなども期待できる。
From the results shown in Table 16, the thickness of the
In addition, by using pure copper (Cu), which is lower in material cost than the copper-nickel (Cu—Ni) system, as the material of the
表17は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の材質を銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)で統一し、保護層4を設けなかった場合(試料4201、4202)および保護層4の材質を銅−40wt%亜鉛(Cu−40wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第42群)、保護層4の材質を銅−20wt%亜鉛(Zn)(Cu−20wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第43群)の評価結果を纏めて示したものである。
Table 17 shows the material of the
この表17に示した結果から、密着層2の膜厚を10nm以上500nm以下の範囲内の厚さにすると共に、上記のような材質からなる接着層3の膜厚を15nm以上とし、密着層2の内部残留応力をゼロまたは圧縮とし、かつ上記のような各材質(組成)からなる保護層4を設けることで、全ての性能項目について、良好な性能を達成できることが確認された。
また、接着層3の材質を銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)とすることにより、純銅(Cu)を用いる場合と比べると材料コストが高価なものとなるが、はんだ濡れ性のさらなる向上を達成することが可能となる。
また、銅−ニッケル(Cu−Ni)系よりも材料コストが低廉な亜鉛(Zn)を含んだ銅−亜鉛(Cu−Zn)系合金を保護層4の材料として用いることにより、性能の低下を生じることなく、材料コストも含めた製造コスト全体の低廉化を達成することなども期待できる。
From the results shown in Table 17, the
Further, by using copper-40 wt% nickel (Cu-40 wt% Ni) as the material of the
Further, the use of a copper-zinc (Cu-Zn) alloy containing zinc (Zn), which has a lower material cost than that of the copper-nickel (Cu-Ni) system, as the material of the protective layer 4 reduces the performance. It can be expected that the entire manufacturing cost including the material cost will be reduced without being generated.
表18は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、保護層4を、銅−10wt%ニッケル−40wt%亜鉛(Cu−10wt%Ni−40wt%Zn)合金からなるものとし、接着層3の材質を、銅−5wt%亜鉛(Cu−5wt%Zn)スパッタ膜とした場合(第44群)、銅−5wt%亜鉛−10wt%ニッケル(Cu−5wt%Zn−10wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第45群)、銅−10wt%亜鉛−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Zn−10wt%Ni)スパッタ膜とした場合(第46群)、および接着層3をニッケル無しの銅−10wt%亜鉛(Cu−10wt%Zn)スパッタ膜にすると共に保護層4を設けなかった場合ならびにニッケル(Ni)スパッタ膜とした場合(第47群)の、各試料の評価結果を纏めて示したものである。
Table 18 shows the protective layer 4 in the surface-treated metal material having a structure in which the
この表18に示した結果から、接着層3および保護層4の形成材料として亜鉛(Zn)を含有した材料を用いることで、各種の性能は、歪印加後のはんだ濡れ性を除いて、上記の表11〜17に基づいて説明した他の構造および材料設定の場合よりも、若干低下する場合もあるが、概ね良好なものとなることが確認された。また、材料コストについては、上記の各場合よりも安価なものとすることができることが期待される。
また、特に、試料4701、4702の結果から、接着層3の材質を、ニッケル(Ni)無しで亜鉛(Zn)を10wt%以上含んだものにすると、はんだ濡れ性については概ね良好なものとなるが、保護層4がない場合(試料4701の場合)、はんだ接合強度が不足し、かつ保護層4を設けてもなお(試料4702の場合)、はんだ接合強度は不足するということが確認された。
そして、第47群の試料の結果および第44群、第45群、第46群の試料の結果に基づいて考察すると、接着層3の材質に10wt%程度のニッケル(Ni)を添加することで、ニッケル(Ni)無しの場合よりもはんだ接合強度を向上させることができ、また亜鉛(Zn)を10wt%程度までは添加可能となることが分かった。
From the results shown in Table 18, by using a material containing zinc (Zn) as the forming material of the
In particular, from the results of samples 4701 and 4702, when the material of the
Then, considering the results of the samples of the 47th group and the results of the samples of the 44th, 45th, and 46th groups, by adding about 10 wt% nickel (Ni) to the material of the
表19は、図2に示したような金属基材1の表面上に密着層2と接着層3と保護層4を積層形成した構造を備えた表面処理金属材における、接着層3の材質を銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)とし、保護層4の材質を、ニッケル(Ni)スパッタ膜または銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)スパッタ膜のいずれかとし、かつそのスパッタ成膜時に雰囲気ガスとして用いたアルゴン(Ar)ガス中の酸素濃度を、0.001%超の0.05%とした場合および0.005%とした場合(どちらも出来上がりの試料の酸素強度比率Xが0.02超)の評価結果を纏めて示したものである。
Table 19 shows the material of the
この表19に示した結果から、スパッタ成膜時の不活性雰囲気ガス中に含まれる酸素濃度が0.001%超であると、出来上がりの試料の酸素強度比率Xが0.02超となって、それ以外の構造や膜厚や各種プロセス条件等の設定には関係なく、初期はんだ接合強度が不足するということが確認された。 From the results shown in Table 19, when the oxygen concentration contained in the inert atmosphere gas at the time of sputtering film formation is more than 0.001%, the oxygen intensity ratio X of the finished sample becomes more than 0.02. It was confirmed that the initial solder joint strength was insufficient regardless of the settings of other structures, film thicknesses and various process conditions.
(3)保護層の代りにめっき膜からなるはんだ層とした場合;
図1に示したような構造を有する表面処理金属材を作製した後、電解めっき法により、はんだ層5を形成した。
表20は、はんだ層5をめっき法により形成してなる表面処理金属材の試料の各種性能の評価結果を整理し纏めて示すものである。
金属基材1としては、純アルミニウム(Al)、ステンレス(SUS)、チタン(Ti)の3種類を用意した。
そして、その金属基材1の表面上に密着層2と、その表面上に接着層3とを、スパッタ法により形成し、さらにその接着層3の表面上に、上記のスパッタ膜からなる保護層4の代りに、電解めっき法によりはんだ層5を形成した。
その結果を整理し纏めて表20に示す。
(3) When a solder layer made of a plating film is used instead of the protective layer;
After producing a surface-treated metal material having a structure as shown in FIG. 1, a
Table 20 summarizes and summarizes the evaluation results of various performances of the sample of the surface-treated metal material obtained by forming the
As the
Then, an
The results are summarized and shown in Table 20.
第49群の試料は、接着層3の材質を銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)とし、はんだ層5の材質を錫(Sn)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は1μmまたは5μmとした。密着層2は圧縮応力を有するものとした。
第50群の試料は、接着層3の材質を銅−10wt%ニッケル−20wt%亜鉛(Cu
−10wt%Ni−20wt%Zn)とし、はんだ層5の材質を錫(Sn)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は1μmまたは5μmとした。密着層2は圧縮応力を有するものとした。
第51群の試料は、接着層3の材質を銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)とし、はんだ層5の材質を錫(Sn)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は5μmとした。密着層2は応力ゼロとした。
第52群の試料は、接着層3の材質を銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)とし、はんだ層5の材質を錫−9wt%亜鉛(Sn−9wt%Zn)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は5μmとした。密着層2は応力ゼロとした。
第53群の試料は、接着層3の材質を銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)とし、はんだ層5の材質を錫−5wt%ビスマス(Sn−5wt%Bi)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は5μmとした。密着層2は応力ゼロとした。
第54群の試料は、接着層3の材質を銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)とし、はんだ層5の材質を錫−1wt%銀(Sn−1wt%Ag)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は5μmとした。密着層2は応力ゼロとした。
第55群の試料は、金属基材1はアルミニウム合金(A5052)の一種類のみとし、接着層3の材質を銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)とし、はんだ層5の材質を錫−9wt%亜鉛(Sn−9wt%Zn)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は1μmまたは5μmとした。密着層2は圧縮応力を有するものとした。
第56群の試料は、接着層3の材質を銅(Cu)とし、はんだ層5の材質をニッケル(Ni)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は0.3μmまたは5μmとした。密着層2は圧縮応力を有するものとした。
第57群の試料は、接着層3の材質を銅−10wt%ニッケル−20wt%亜鉛(Cu−10wt%Ni−20wt%Zn)とし、はんだ層5の材質をニッケル(Ni)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は0.3μmまたは5μmとした。密着層2は圧縮応力を有するものとした。
第58群の試料は、接着層3の材質を銅(Cu)とし、はんだ層5の材質を亜鉛(Zn)としたものである。密着層2の膜厚は20nmまたは60nm、接着層3の膜厚は15nmまたは60nm、はんだ層5の膜厚は0.3μmとした。密着層2は応力ゼロとした。
第59群の試料は、接着層3の材質を銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)とし、はんだ層5の材質を銅(Cu)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は0.3μmとした。密着層2は応力ゼロとした。
第60群の試料は、金属基材1はアルミニウム合金(A5052)の一種類のみとし、接着層3の材質を銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)とし、はんだ層5の材質をニッケル(Ni)としたものである。密着層2の膜厚は20nm、接着層3の膜厚は60nm、はんだ層5の膜厚は0.3μmまたは5μmとした。密着層2は圧縮応力を有するものとした。
In the 49th group, the material of the
In the sample of the 50th group, the material of the
−10 wt% Ni-20 wt% Zn), and the
In the 51st group, the
In the 52nd group, the material of the
In the 53rd group, the material of the
In the 54th group, the material of the
In the 55th group, the
In the 56th group, the material of the
In the sample of the 57th group, the material of the
In the sample of the 58th group, the material of the
In the 59th group, the
In the 60th group, the
このような試料による実験結果から、スパッタ膜からなる保護層4の代りに、電解めっきのようなめっき法によるはんだ層5を形成することで、はんだ濡れ性および初期はんだ接合強度がさらに安定的に極めて良好なものとなることが確認できた。また、歪印加後のはんだ濡れ性も良好なものとなることが確認できた。
すなわち、電解めっき法のようなめっき法によってはんだ層5を形成することにより、保護膜として膜厚がμm単位の極めて厚いはんだ層5を、良好なスループットで形成することができるので、製造コストの高額化を招くことなく、はんだ接合強度のさらなる向上を達成することができる。また、はんだ濡れ性および初期接合強度ならびに歪印加後の濡れ性を良好なものとすることができる。
ここで、はんだ層5の形成材料としては、上記の他にも、錫−銀(Sn−Ag)、錫−亜鉛(Sn−亜鉛)、亜鉛(Zn)等もめっき材料として用いることが可能である。
From the experimental results of such a sample, solder wettability and initial solder joint strength are further stabilized by forming a
That is, by forming the
Here, as a material for forming the
以上の結果から、主要な事項を抽出して纏めると、次のようになる。
密着層2の膜厚は、10nm以上500nm以下とすることが望ましい。10nmよりも薄いと、はんだ濡れ性が不足する虞が高くなる。また逆に、500nmよりも厚いと、歪印加後のはんだ濡れ性が低下する虞がある。しかし、500nmよりも厚くても、水素による悪影響(水素脆性)は問題ない。
接着層3の膜厚は、15nm以上とすることが望ましい。15nmよりも薄いと、はんだ濡れ性およびはんだ接合強度の両方が不十分なものとなってしまう虞が高くなる。また、200nmよりも厚いと、歪印加に対して弱くなる傾向がある。
また、接着層3の材質としては、銅−10wt%ニッケル(Cu−10wt%Ni)がもっとも代表的なものとして挙げられるが、特に、ニッケル(Ni)を添加することで、はんだ濡れ性が向上する傾向にある。しかし、純銅(Cu)とし、ニッケル(Ni)無しでも良好なはんだ濡れ性およびはんだ接合強度が得られる。また、銅−40wt%ニッケル(Cu−40wt%Ni)は、ニッケル(Ni)含有度の上限と言える。
また、銅−5wt%亜鉛(Cu−5wt%Zn)とすることで、はんだ濡れ性を確保することができる。また、銅−5wt%ニッケル−10wt%Zn(Cu−5wt%Ni−10wt%Zn)の3元組成とすることで、亜鉛(Zn)の添加による犠牲防食効果と、ニッケル(Ni)の添加によるはんだ濡れ性の向上効果とを両立することができる。
From the above results, the main items are extracted and summarized as follows.
The film thickness of the
The film thickness of the
Moreover, as a material of the
Moreover, solder wettability can be ensured by using copper-5 wt% zinc (Cu-5 wt% Zn). Further, by using a ternary composition of copper-5 wt% nickel-10 wt% Zn (Cu-5 wt% Ni-10 wt% Zn), sacrificial anticorrosive effect by adding zinc (Zn) and by adding nickel (Ni) It is possible to achieve both the improvement of solder wettability.
保護層4の膜厚およびはんだ層5の膜厚は、5μmよりも厚くしても、材料コストを含めた製造コストの高額化以外には、保護層4自体としての性能面での実質的なデメリットは、ないものと考えられる。
保護層4の材質としては、ニッケル(Ni)単体を用いる場合、その成膜工程および材料コストは高額化する虞もあるが、その性能面では問題なく使用できる。
また、銅−60wt%ニッケル(Cu−60wt%Ni)を用いる場合、性能面では問題なく、ニッケル(Ni)単体よりも若干、安価になるというメリットがある。
あるいは、銅−20wt%ニッケル(Cu−20wt%Ni)を用いる場合、性能面では問題なく、ニッケル(Ni)単体よりも安価になるというメリットがある。
また、銅−5wt%ニッケル(Cu−5wt%Ni)を用いる場合、および錫(Sn)を用いる場合、性能面では問題なく、ニッケル(Ni)単体よりも大幅に安価になるというメリットがある。
また、銅−5wt%ニッケル−10wt%Zn(Cu−5wt%Ni−10wt%Zn)を用いる場合、および銅−10wt%ニッケル−20wt%Zn(Cu−10wt%Ni−20wt%Zn)を用いる場合には、亜鉛(Zn)成分が、犠牲防食材として機能するというメリットがあり、またそれ以外にも、はんだ濡れ性の増強にも寄与するというメリットがある。
また、銅−20wt%亜鉛(Cu−20wt%Zn)を用いる場合、亜鉛(Zn)成分が、犠牲防食材として機能するというメリットがあり、また材料コストも含めた製造コストの低廉化に寄与できるというメリットがある。但し、場合によっては、はんだ濡れ性が低下する虞もある。
また、銅−10wt%ニッケル−40wt%亜鉛(Cu−10wt%Ni−40wt%Zn)は、接着層3に犠牲防食材としての十分な機能が要求される場合などに、多量の亜鉛(Zn)成分の添加を行うことができるというメリットがある。
Even if the film thickness of the protective layer 4 and the film thickness of the
When nickel (Ni) alone is used as the material of the protective layer 4, the film forming process and material cost may increase, but the performance can be used without problems.
Further, when copper-60 wt% nickel (Cu-60 wt% Ni) is used, there is no problem in terms of performance, and there is an advantage that it is slightly cheaper than nickel (Ni) alone.
Alternatively, when copper-20 wt% nickel (Cu-20 wt% Ni) is used, there is no problem in terms of performance, and there is an advantage that it is cheaper than nickel (Ni) alone.
Further, when copper-5 wt% nickel (Cu-5 wt% Ni) is used and when tin (Sn) is used, there is no problem in terms of performance, and there is an advantage that the cost is significantly lower than that of nickel (Ni) alone.
Also, when using copper-5 wt% nickel-10 wt% Zn (Cu-5 wt% Ni-10 wt% Zn) and using copper-10 wt% nickel-20 wt% Zn (Cu-10 wt% Ni-20 wt% Zn) Has the merit that the zinc (Zn) component functions as a sacrificial anticorrosive material, and also has the merit that it contributes to the enhancement of solder wettability.
In addition, when copper-20 wt% zinc (Cu-20 wt% Zn) is used, there is a merit that the zinc (Zn) component functions as a sacrificial anticorrosive material, and it can contribute to the reduction of the manufacturing cost including the material cost. There is a merit. However, depending on the case, solder wettability may be reduced.
Copper-10 wt% nickel-40 wt% zinc (Cu-10 wt% Ni-40 wt% Zn) is a large amount of zinc (Zn) when the
本発明に係る表面処理金属材では、密着層2をクロム(Cr)からなるものとしているが、水素環境下での、いわゆる水素脆性等に因る悪影響が生じる虞のない点が、この点がクロム(Cr)を密着層2に用いることの第1に挙げられるメリットである。
また、有意な歪印加が行われない場合には、密着層2の膜厚は500nm以下なら問題ない。但し、例えば金型プレス法による機械加工が施されるなど、歪印加が行われる場合には、膜厚は500nm未満、望ましくは120nm以下のような薄くしなければ適用不可となる虞が高くなり、またプレス金型の摩耗等が助長されてしまう虞もある。
また、クロム(Cr)は上記の金属材料のうちでは、材料コスト的に最も安価であり、従って、左様な材料コストを主とする製造コスト低減化の点で、最も有利な特質を有するものである。
In the surface-treated metal material according to the present invention, the
If no significant strain is applied, there is no problem if the thickness of the
Chromium (Cr) has the most advantageous characteristics in terms of the reduction in manufacturing cost, mainly the material cost on the left, among the above metal materials, and is therefore the cheapest in terms of material cost. is there.
密着層2の成膜雰囲気中の酸素濃度は、0.001%以下のような意図的に酸素濃度を低減せしめたものとすることが望ましい。これが例えば0.001%超であると、出来上がりの密着層2の酸素強度比率Xが0.02超となって、はんだ濡れ性もはんだ接合強度も低下する虞が高くなるからである。
It is desirable that the oxygen concentration in the deposition atmosphere of the
そして、そのような低酸素濃度の成膜雰囲気中でスパッタ成膜することにより、金属基材1が純アルミニウム(Al)の場合、またはステンレス(SUS)の場合、もしくはチタン(Ti)の場合には、スパッタ成膜による出来上がりの密着層2の酸素強度比率Xが0.02以下となるようにすることが望ましい。
この酸素強度比率Xが0.02超であると、それ以外の構造や膜厚や各種プロセス条件等の設定には関係なく、初期はんだ接合強度が不足する虞が高くなるからである。
Then, by performing sputter deposition in such a low oxygen concentration deposition atmosphere, when the
This is because if the oxygen strength ratio X is more than 0.02, there is a high possibility that the initial solder joint strength will be insufficient, regardless of other settings such as the structure, film thickness, and various process conditions.
但しここで、金属基材1がアルミニウム合金の一種類であるA5052のような、マグネシウム(Mg)を含有する合金からなるものの場合には、スパッタ成膜による出来上がりの密着層2の酸素強度比率Xが0.04以下となるようにすることが望ましい。
すなわち、金属基材1を純アルミニウム(Al)の代りにマグネシウム(Mg)含有のアルミニウム合金(A5052)とし、他の構成・実験の条件等は全て、上記の金属基材1を純アルミニウム(Al)からなるものとした場合と同一の設定として試料を作製した。そしてその試料を用いて、酸素強度比率Xを0.04以下とした場合と、0.04超とした場合とについての実験を行い、その結果を検討した。但し、水素処理後のはんだ接合強度については省略した。表21、表22、表23は、その結果を整理し纏めて示すものである。
However, here, when the
That is, the
表21、表22、表23に示したような実験結果から、金属基材1をマグネシウム(Mg)含有のアルミニウム合金(A5052)とした場合には、出来上がりの密着層2における酸素強度比率Xを0.04以下とすることにより、金属基材1が純アルミニウム(Al)の場合に酸素強度比率Xを0.02以下としたときと同様に、はんだ濡れ性も初期はんだ接合性も良好なものとすることができるということが確認された。また、それとは対照的に、酸素強度比率Xを0.04超にすると、やはり金属基材1が純アルミニウム(Al)の場合と同様に、それ以外の構造や膜厚や各種プロセス条件等の設定には関係なく、
初期はんだ接合強度が不足するということが確認された。
このような結果から、金属基材1がアルミニウム合金の一種類であるA5052のような、マグネシウム(Mg)を含有する合金からなるものである場合には、スパッタ成膜による出来上がりの密着層2の酸素強度比率Xが0.04以下となるようにすることが望ましいということが確認された。
From the experimental results shown in Table 21, Table 22, and Table 23, when the
It was confirmed that the initial solder joint strength was insufficient.
From these results, when the
なお、本発明に係る表面処理金属材およびその製造方法では、最表面に不動態被膜を有する金属基材1の表面に、少なくとも密着層2および接着層3を設けることで、その表面上に、鉛(Pb)フリーはんだを、弱い活性力のフラックスを用いて接合することができるようにしたので、発明に係る表面処理金属材およびその製造方法は、下記に例示したような製品分野への利用に好適なものであることが想定される。
(1)アルミニウム(Al)材同士を鉛(Pb)フリーはんだで加熱接合することが必要とされる、例えば熱交換器、ヒートシンク、放熱材等。
(2)アルミニウム(Al)製のフィンと銅製のチューブ材とを鉛(Pb)フリーはんだで加熱接合することが必要とされる、クロスフィンチューブ型の熱交換器、ヒートシンク、放熱材等。
(3)ステンレス(SUS)材やチタン(Ti)材を鉛(Pb)フリーはんだで加熱接合することが必要とされる、熱交換器、ヒートシンク、放熱材等。
(4)アルミニウム(Al)線材の外層に、本発明に係る少なくとも密着層2および接着層3を備えた積層構造を形成することにより、鉛(Pb)フリーはんだによる端子接続のような接合も可能な表面処理アルミ線とすることができる。
(5)本発明に係る少なくとも密着層2および接着層3を設けるという表面処理を施したアルミニウム(Al)材、ステンレス(SUS)材、チタン(Ti)材に、銅(Cu)線をはんだ接合した配線材、アンテナ材等。
(6)本発明に係る少なくとも密着層2および接着層3を設けるという表面処理を施してなる、アルミニウム(Al)製のブスバー材、平板状導体、チタン導体材、ステンレス導体材等。
(7)本発明に係る少なくとも密着層2および接着層3を設けるという表面処理を施したアルミニウム(Al)材を加工して作製される、各種電線接続用の圧着端子用板材等。
但し、上記は例示であって、本発明の適用範囲は、上記のみには限定されないことは勿論である。
In the surface-treated metal material and the method for producing the same according to the present invention, by providing at least the
(1) It is necessary to heat-join aluminum (Al) materials with lead (Pb) -free solder, for example, a heat exchanger, a heat sink, a heat dissipation material, or the like.
(2) A cross fin tube type heat exchanger, a heat sink, a heat radiating material, etc., which require heat bonding of aluminum (Al) fins and copper tube material with lead (Pb) free solder.
(3) A heat exchanger, a heat sink, a heat radiating material, etc., which requires heat bonding of stainless steel (SUS) or titanium (Ti) with lead (Pb) free solder.
(4) By forming a laminated structure including at least the
(5) Copper (Cu) wire is soldered to an aluminum (Al) material, a stainless steel (SUS) material, or a titanium (Ti) material that has been subjected to surface treatment to provide at least the
(6) An aluminum (Al) bus bar material, a flat conductor, a titanium conductor material, a stainless steel conductor material, etc., which are subjected to a surface treatment of providing at least the
(7) A plate material for crimping terminals for connecting various electric wires and the like produced by processing an aluminum (Al) material that has been subjected to a surface treatment of providing at least the
However, the above is an example, and it is needless to say that the scope of application of the present invention is not limited to the above.
1 金属基材
2 密着層
3 接着層
4 保護層
5 はんだ層
1
Claims (10)
クロム(Cr)を主成分とするスパッタ膜からなり、当該膜の内部残留応力が圧縮応力または略ゼロである密着層と、
銅(Cu)、銅とニッケル(Cu−Ni)の混合状態、銅と亜鉛(Cu−Zn)の混合状態、銅とニッケルと亜鉛(Cu−Ni−Zn)の混合状態のうちの少なくともいずれか一種類を主成分とするスパッタ膜からなる接着層と
を形成してなることを特徴とする表面処理金属材。 On the surface of the metal substrate having a passive film on the outermost layer, in order from the surface side of the metal substrate,
An adhesion layer comprising a sputtered film mainly composed of chromium (Cr), and the internal residual stress of the film is a compressive stress or substantially zero;
At least one of copper (Cu), a mixed state of copper and nickel (Cu—Ni), a mixed state of copper and zinc (Cu—Zn), and a mixed state of copper, nickel and zinc (Cu—Ni—Zn) A surface-treated metal material formed by forming an adhesive layer made of a sputtered film having one kind as a main component.
前記密着層と前記接着層との界面における、XPSまたはオージェ分析による分光分析法によって2nmの分解能で計測される、酸素(O)の強度/(酸素(O)の強度+前記密着層のクロム(Cr)の強度+前記接着層の成分元素の強度)=Xで定義される酸素強度比率Xが、X≦0.02である
ことを特徴とする表面処理金属材。 The surface-treated metal material according to claim 1,
Oxygen (O) strength / (oxygen (O) strength + chromium of the adhesion layer (measured at a resolution of 2 nm by XPS or Auger analysis spectroscopic method at the interface between the adhesion layer and the adhesion layer) (Cr) strength + strength of component elements of the adhesive layer) = oxygen strength ratio X defined by X is X ≦ 0.02.
前記金属基材が、マグネシウム(Mg)を意図的に添加された材質からなるものであり、
前記密着層と前記接着層との界面における、XPSまたはオージェ分析による分光分析法によって2nmの分解能で計測される、酸素(O)の強度/(酸素(O)の強度+前記密着層のクロム(Cr)の強度+前記接着層の成分元素の強度)=Xで定義される酸素強度比率Xが、X≦0.04である
ことを特徴とする表面処理金属材。 The surface-treated metal material according to claim 1,
The metal substrate is made of a material intentionally added with magnesium (Mg),
Oxygen (O) strength / (oxygen (O) strength + chromium of the adhesion layer (measured at a resolution of 2 nm by XPS or Auger analysis spectroscopic method at the interface between the adhesion layer and the adhesion layer) (Cr) strength + strength of component elements of the adhesive layer) = oxygen strength ratio X defined by X is X ≦ 0.04.
前記密着層の平均厚さが、10nm以上500nm以下である
ことを特徴とする表面処理金属材。 In the surface-treated metal material according to any one of claims 1 to 3,
A surface-treated metal material, wherein the adhesion layer has an average thickness of 10 nm to 500 nm.
前記接着層の平均厚さが、15nm以上である
ことを特徴とする表面処理金属材。 In the surface-treated metal material according to any one of claims 1 to 4,
The surface-treated metal material characterized in that an average thickness of the adhesive layer is 15 nm or more.
前記接着層の上に、ニッケル(Ni)、錫(Sn)、銅とニッケル(Cu−Ni)の混合状態、銅とニッケルと亜鉛(Cu−Ni−Zn)の混合状態、銅と亜鉛(Cu−Zn)の混合状態のうちの少なくともいずれか一種類を主成分とするスパッタ膜からなる保護層を、さらに備えた
ことを特徴とする表面処理金属材。 In the surface-treated metal material according to any one of claims 1 to 5,
On the adhesive layer, nickel (Ni), tin (Sn), mixed state of copper and nickel (Cu—Ni), mixed state of copper, nickel and zinc (Cu—Ni—Zn), copper and zinc (Cu A surface-treated metal material, further comprising a protective layer made of a sputtered film containing as a main component at least one of the mixed state of -Zn).
前記接着層の上に、銅(Cu)またはニッケル(Ni)もしくは亜鉛(Zn)を主成分とするめっき膜からなる保護層を、さらに備えた
ことを特徴とする表面処理金属材。 In the surface-treated metal material according to any one of claims 1 to 5,
A surface-treated metal material further comprising a protective layer made of a plating film containing copper (Cu), nickel (Ni), or zinc (Zn) as a main component on the adhesive layer.
前記接着層の上または前記保護層の上に、錫(Sn)またははんだ用途対応の組成の錫合金をめっき成膜してなるはんだ層を、さらに備えた
ことを特徴とする表面処理金属材。 In the surface-treated metal material according to any one of claims 1 to 7,
A surface-treated metal material, further comprising a solder layer formed by plating tin (Sn) or a tin alloy having a composition suitable for a solder application on the adhesive layer or the protective layer.
ことを特徴とする表面処理金属材の製造方法。 On the surface of the metal substrate having a passive film on the outermost layer, it is composed of a sputtered film containing chromium (Cr) as a main component in order from the surface side of the metal substrate, and the internal residual stress of the film is a compressive stress or Adhesion layer which is substantially zero, mixed state of copper (Cu), copper and nickel (Cu—Ni), mixed state of copper and zinc (Cu—Zn), copper, nickel and zinc (Cu—Ni—Zn) An inert gas deposition atmosphere in which oxygen is intentionally excluded even when the material of the layer to be deposited is switched between the adhesive layer made of a sputtered film whose main component is at least one of the mixed states. A method for producing a surface-treated metal material, comprising a step of continuously performing sputter deposition in the same chamber maintained.
前記成膜雰囲気の不活性ガスとしてアルゴン(Ar)ガスを用いて、当該成膜雰囲気における、前記酸素の濃度を0.001%以下とし、かつ当該成膜雰囲気の圧力を1.5Pa以下とする
ことを特徴とする表面処理金属材の製造方法。 In the manufacturing method of the surface treatment metal material of Claim 9,
Argon (Ar) gas is used as an inert gas in the film formation atmosphere, the oxygen concentration in the film formation atmosphere is 0.001% or less, and the pressure in the film formation atmosphere is 1.5 Pa or less. A method for producing a surface-treated metal material.
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