JP2011195927A - 電子材料用銅合金及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明はめっき膜の均一性に優れた電子材料用銅合金を提供する。
【解決手段】圧延平行方向の断面をSIMで観察したときに、表層からの深さが0.5μm以下の範囲において非晶質組織及び粒径が0.1μm未満の結晶粒の占める面積率が1%以下であり、表層からの深さが0.2〜0.5μmの範囲において粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒の占める面積率が50%以上である電子材料用銅合金。
【選択図】図1

Description

本発明は優れためっき性が要求される電子材料として適した銅合金及びその製造方法に関する。
電子機器に使用される銅合金おいては、電気的性質や磁気的性質などのめっき膜自身の物性を利用した機能材料めっきのほか、ワイヤボンディングやプリント基板実装のための接合めっきが施される。例えば、端子、コネクタ、スイッチ、リレー等の導電性ばね材には接触抵抗、半田付け性及び挿抜性などの改善を目的としてNiめっき、Cuめっき及びSnめっきなどが施され、リードフレームにはワイヤボンディングのためのAgめっき及びCuめっき、基板実装のための半田めっきなどが施される。
コルソン合金やリン青銅などのいくつかの種類の銅合金においては、表面にめっきを施したときにめっき膜が不均一に形成されることがある(図2)。このようなめっき膜表面を高倍率の顕微鏡で観察すると、めっき膜が薄い箇所において島状の窪み(以下、「島状めっき」という。)が見える(図3)。めっき膜が不均一だと外観上の問題の他、めっき膜によって与えられる各種機能が十分に発揮できないという問題が生じる。
ところで、一般に鋳造後、熱処理、熱間圧延、冷間圧延及びバフ研磨を適宜組み合わせて製造する銅合金においては表層に加工変質層と呼ばれる内部とは異なる層が存在する。加工変質層は最外部にある非晶質組織のペルビー層と、その内側にある微細結晶層とで構成される。結晶粒は内部に行くに従い徐々に大きくなり、やがて母相の結晶粒と同等の大きさとなる。
従来、加工変質層がめっき性に悪影響を及ぼすことが知られており、めっき前に予め加工変質層を除去することが行われてきた。
例えば、特開平11−29894号公報(特許文献1)においては、加工変質層がめっき膜と母材の密着性を阻害することから、苛性ソーダ水などのアルカリ水溶液での電解エッチング処理によって表面の加工変質層(30〜40μm程度の厚み)を除去した後にニッケルめっきを行うべきことが記載されている。
特開2006−2233号公報(特許文献2)には、曲げ加工などでめっき層に割れが生じない、成形加工性に優れた被めっき物を提供することを目的として、加工変質層を除去することが記載されており、加工変質層を除去する方法として硫酸、硝酸、塩酸、過酸化水素水、フッ酸などの酸による溶解法、電解液中での通電溶解法、スパッタリング法、エッチング法などが記載されている。
特開2007−39804号公報(特許文献3)には、めっきの異常析出や酸化膜密着性の低下を生じない、めっき性に優れた電子機器用銅合金の提供を目的として、表層の加工変質層(非晶質〜結晶粒径0.2μm未満の組織)の厚さを0.2μm以下に制御した電子機器用銅合金が記載されている。ここでの加工変質層の厚さは、拡大観察の視野内において加工変質層が最も厚い位置の厚さを計測し、5ヶ所の観察箇所における計測値の平均である。加工変質層は化学的な溶解処理や電気化学的な溶解処理、スパッタリングなどの物理的処理によって除去されることが記載されており、その実施例では硫酸と過酸化水素水の混酸への浸漬、水素還元雰囲気の加熱炉における熱処理、リン酸を含有する水溶液中での電解溶解によって加工変質層を除去したことが記載されている。
特開平11−29894号公報 特開2006−2233号公報 特開2007−39804号公報
先行技術文献には、めっき膜と母材の密着性やめっきの異常析出を抑制する目的で加工変質層を除去することが記載されているが、めっき膜の均一性については未だ改善の余地がある。そこで、本発明はめっき膜の均一性に優れた電子材料用銅合金を提供することを課題とする。また、本発明はそのような電子材料用銅合金の製造方法を提供することを別の課題とする。
本発明者は上記課題を解決するべく鋭意研究したところ、加工変質層を完全に除去するよりもむしろ加工変質層の内、ベルビー層だけを除去し、微細結晶層は所定厚さだけ残存させる方がめっき膜の均一性が向上することを見出した。具体的には、粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒がめっき膜の均一性向上に寄与することから、この範囲の粒径を有する結晶粒を一定の比率以上有する層を所定の厚さだけ残存させることが重要であることを見出した。
上記知見を基礎として完成した本発明は一側面において、圧延平行方向の断面をSIMで観察したときに、表層からの深さが0.5μm以下の範囲において非晶質組織及び粒径が0.1μm未満の結晶粒の占める面積率が1%以下であり、表層からの深さが0.2〜0.5μmの範囲において粒径が0.1μm以上の結晶粒全体に対して粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒が占める個数割合が50%以上である電子材料用銅合金である。
本発明に係る電子材料用銅合金の一実施形態においては、圧延平行方向の断面をSIMで観察したときに、表層からの深さが0.2μm未満の範囲において粒径が0.1μm以上の結晶粒全体に対して粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒が占める個数割合が60%以上である。
本発明に係る電子材料用銅合金の別の一実施形態においては、銅合金はりん青銅、チタン銅又はコルソン合金である。
本発明は別の一側面において、銅合金基材の表面に対して、#600〜8000の番手を有する研磨材で研磨を実施する工程1と、次いで、0.01〜0.5μmの粒度(d50)をもつ研磨材で研磨を実施する工程2とを含む電子材料用銅合金の製造方法である。
本発明に係る電子材料用銅合金の製造方法の一実施形態においては、工程1で使用する研磨材がシリコンカーバイド製であり、工程2で使用する研磨材が酸化アルミ又はコロイダルシリカ製である。
本発明に係る電子材料用銅合金の製造方法の一実施形態においては、工程1及び工程2の研磨をバフ研磨により実施する。
本発明は更に別の一側面において、本発明に係る銅合金の表面にめっき膜を設けた被めっき物である。
本発明に係る被めっき物の一実施形態においては、めっき膜はNi、Sn及びAgの何れか一種以上を含有する。
本発明によれば、銅合金表面に施しためっき膜の均一性が向上し、島状めっきが低減される。
本発明に係る銅合金表面に施された均一なめっき膜のSEM写真の例である。 銅合金表面に施された不均一なめっき膜のSEM写真の例である。 図1中の島状めっきの一部を拡大したSEM写真である。 本発明に係る銅合金断面の模式図である(出典:「金属表面技術便覧」、金属表面技術協会編 改訂新版)。
<1.銅合金の組成>
本発明は各種の組成を有する銅合金に対して適用でき、特に制限はないが、島状めっきが問題となりやすいりん青銅、コルソン合金、黄銅、洋白及びチタン銅に対して好適に適用できる。
本発明においては、リン青銅とは銅を主成分としてSn及びこれよりも少ない質量のPを含有する銅合金のことをいう。一例として、りん青銅はSnを3.5〜11質量%、Pを0.03〜0.35質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。
本発明においては、コルソン合金とはSiと化合物を形成する元素(例えば、Ni,Co及びCrの何れか一種以上)が添加され、母相中に第二相粒子として析出する銅合金のことをいう。一例として、コルソン合金はNiを1.0〜4.0質量%、Siを0.2〜1.3質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。別の一例として、コルソン合金はNiを1.0〜4.0質量%、Siを0.2〜1.3質量%、Crを0.03〜0.5質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。更に別の一例として、コルソン合金はNiを1.0〜4.0質量%、Siを0.2〜1.3質量%、Coを0.5〜2.5質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。更に別の一例として、コルソン合金はNiを1.0〜4.0質量%、Siを0.2〜1.3質量%、Coを0.5〜2.5質量%、Crを0.03〜0.5質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。更に別の一例として、コルソン合金はSiを0.2〜1.3質量%、Coを0.5〜2.5質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。
コルソン合金には随意にその他の元素(例えば、Mg、Sn、B、Ti、Mn、Ag、P、Zn、As、Sb、Be、Zr、Al及びFe)が添加されてもよい。これらその他の元素は総計で2.0質量%程度まで添加するのが一般的である。例えば、更に別の一例として、コルソン合金はNiを1.0〜4.0質量%、Siを0.2〜1.3質量%、Snを0.01〜2.0質量%、Znを0.01〜2.0質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。
本発明においては、黄銅とは、銅と亜鉛との合金で、特に亜鉛が20質量%以上含有する銅合金のことをいう。
本発明においては、洋白とは銅を主成分として、銅を60質量%から75質量%、ニッケルを8.5質量%から19.5質量%、亜鉛を10質量%から30質量%含有する銅合金のことをいう。
本発明においては、チタン銅とは銅を主成分としてTiを1.0質量%〜4.0質量%含有する銅合金のことをいう。一例として、チタン銅はTiを1.0〜4.0質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。別の一例として、チタン銅はTiを1.0〜4.0質量%、Feを0.01〜1.0質量%含有し、残部銅及び不可避的不純物から構成される組成を有する。
<2.断面組織>
本発明に係る銅合金の圧延平行方向の断面をSIMで観察すると以下の特徴的な組織形態を有する。
まず、非晶質組織及び粒径が0.1μm未満の微細結晶粒は除去すべきである。このような組織は「島状めっき」の原因となり、めっき膜の均一性に悪影響を与えるからである。
具体的には、表層からの深さが0.5μm以下の範囲において非晶質組織及び粒径が0.1μm未満の結晶粒の占める面積率が1%以下であり、0.5%以下が好ましく、0%がより好ましい。表層から0.5μmまでの深さについて規定したのは、それよりも深い箇所ではめっき膜の均一性に対する影響が少ないからである。当該面積率は、以下の方法で測定する。具体的には、表層から深さ方向に0.5μm、幅方向に15μmの測定領域を設定し、粒径0.1μm以上の結晶粒にマーキングを行い、マーキングを行った結晶粒とそれ以外の組織、すなわち非晶質組織及び粒径0.1μm未満の結晶粒とを画像処理により2値化して区別する。これにより、測定視野面積全体に対する非晶質組織及び0.1μm未満の結晶粒が占める面積率を算出する。5視野の平均値を測定値とする。
一方、粒径が0.1μm以上0.2μm未満である結晶粒はめっき膜の均一性の向上に寄与するので積極的に残存させるべきである。当該範囲の粒径は従来の知見では微細結晶層を構成する結晶粒に属することから、除去することが望ましいとされていたが、本発明者の研究によれば、むしろめっき膜の均一性を高めるために積極的に形成させることが望ましい。また、このサイズの結晶粒まで除去してしまうと、残存するのは更に大きなサイズの結晶粒となるが、このような大きなサイズの結晶粒もやはりめっき膜の均一性にほとんど寄与しない。
そこで、本発明に係る銅合金の一実施形態においては、表層からの深さが0.2〜0.5μmの範囲において粒径が0.1μm以上の結晶粒全体に対して粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒の占める個数割合が50%以上であり、この個数割合は更に高いことが望ましく、例えば50〜90%とすることができる。しかしながら、当該粒径範囲の結晶粒の残存割合を高めようとすると非晶質組織及び粒径が0.1μm未満の微細結晶粒の割合も徐々に高くなってしまい、めっき膜の均一性向上効果が薄れてくる。そこで、好ましい個数割合は80%以下であり、より好ましくは70%以下である。
また、本発明に係る銅合金の別の一実施形態においては、表層からの深さが0.2μm未満の範囲において粒径が0.1μm以上の結晶粒全体に対して粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶の占める個数割合が60%以上であり、この個数割合は更に高いことが望ましく、例えば60〜90%とすることができる。しかしながら、上記と同様の理由により、あまり高くするとめっき膜の均一性向上効果が薄れてくるので、好ましい個数割合は90%以下であり、より好ましくは80%以下である。
本発明においては、各深さ範囲において粒径が0.1μm以上の結晶粒全体に対して粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶の占める個数割合を以下の方法で測定する。まず、測定対象となる銅合金の圧延平行断面をFIBにて切断することで、断面を露出した後、倍率を8000〜15000倍として断面をSIM観察する。次いで、表層から0.2μm未満の深さ範囲と、表層から0.2〜0.5μmの深さ範囲とに分けて、視野中に存在するすべての結晶粒の粒径を1個ずつ測定し、粒径が0.1μm以上の結晶粒全体に対して粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶の占める個数割合を算出する。これを合計で5視野について行う。視野の枠を横切って一部しか見えない粒子はカウントしない。5視野の平均値を測定値とする。
本発明において、結晶粒の個々の粒径は、結晶粒内を横断することのできる深さ方向に最も長い線分と、深さ方向に直角な方向に最も長い線分の平均値として定義する。
また、本発明においては、上記個数割合は得られた測定値を端数処理し、5%刻みで表示することとする。例えば、測定値が47.5%以上52.5%未満のときは50%と表示する。従って、下限値が50%と設定されている場合に、測定値が48.2%、50.0%、51.2%であれば何れも本発明の範囲に入る。
<3.製造方法>
本発明に係る銅合金は、鋳造後、熱処理、熱間圧延及び冷間圧延等の慣例の手段を組み合わせて所望の組成を有する銅合金基材を製造した後、所定の表面処理を実施することで製造することができる。
表面処理の前には、素材表面に付着している油脂性の汚れを除去して清浄する理由により、脱脂及び酸洗を行うことが望ましい。脱脂方法としては、特に制限はないが、アルカリ脱脂、溶剤脱脂、電解脱脂の方法が挙げられる。酸洗の方法としては、特に制限はないが、硫酸を含有する酸洗槽に一定時間浸漬させる。
表面処理は、銅合金基材の表面に対して、#600〜8000の番手を有する研磨材で研磨を実施する工程1と、次いで、0.01〜0.2μmの粒度を有する研磨材で研磨を実施する工程2とを含む。
工程1は加工変質層を形成することを目的としている。加工変質層は慣例の手段によって銅合金を製造する過程でも多少は形成されるが、工程1によって十分な厚みの加工変質層を形成することが望ましい。粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒を十分な深さ範囲で存在させるためである。加工変質層を形成するのに有効な研磨材の番手は、JIS6001(1998)に規定する#600〜#8000の範囲であり、#1200〜#4000の範囲が好ましく、#1500〜#3000の範囲がより好ましい。工程1で使用する研磨材の材質としては限定的ではないが、例えばシリコンカーバイド、酸化アルミ、ダイヤモンド等が挙げられ、上記番手の規定内であれば特に限定されない。
工程2では工程1で作り込んだ加工変質層から最外部のベルビー層(本発明では非晶質組織及び粒径が0.1μm未満の微細結晶粒に相当する)を除去することを目的としている。加工変質層からベルビー層を選択的に除去するのに有効な研磨材の粒度は、レーザ回折散乱法により測定して、d50が0.01〜0.5μmの範囲であり、0.05〜0.4μmの範囲が好ましく、0.1〜0.3μmの範囲がより好ましい。0.1μmよりも大きな粒度では粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒まで容易に除去されてしまう。工程2で使用する研磨材の材質としては限定的ではないが、小さい粒度を有することから酸化アルミニウム又はコロイダルシリカが好ましい。
工程1及び工程2の研磨はバフ研磨により実施することが好ましい。本発明において、バフ研磨とは、研磨材をペースト状や懸濁液(スラリー)にして研磨布にしみ込ませて行う研磨のことを指し、バフの回転動作の有無を問わないが、研磨精度を高めて粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒の分布を均一化する上ではバフを高速回転させながら銅合金基板に一定圧力で押し当てて行うことが望ましい。
工程1及び工程2の間には、第2の研磨でベルビー層のみを除去しやすくするために酸洗を実施してもよい。ただし、この時点での酸洗は硫酸、好ましくは濃度10〜200g/Lの硫酸を使用することが望ましい。硫酸と過酸化水素の混酸だと、粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒まで容易に除去してしまうからである。
<4.めっきの種類>
本発明に係る銅合金に対しては各種のめっきを施すことができ、その種類に特に制限はない。例えば、Ni、Sn、Ag等のめっきを施すことができる。中でも、Niは島状めっきが形成されやすいため、本発明を特に好適使用することができる。従って、本発明の一実施形態においては、めっき膜はNi、Sn及びAgの何れか一種以上を含有する。
めっき方法としては、特に制限はないが、例えば電気めっきや無電解めっきのような湿式めっき、或いはCVDやPVDのような乾式めっきにより得ることができる。生産性、コストの観点から電気めっきが好ましい。
<5.用途>
本発明に係る銅合金は種々の伸銅品、例えば板、条、管、棒及び線に加工された形態で提供されることができ、リードフレーム、コネクタ、ピン、端子、リレー、スイッチ、二次電池用箔材等の電子部品等に好適に使用することができる。
以下に本発明の実施例を比較例と共に示すが、これらの実施例は本発明及びその利点をよりよく理解するために提供するものであり、発明が限定されることを意図するものではない。
表1に示す組成の銅合金を鋳造後、熱処理、熱間圧延及び冷間圧延を適宜繰り返して厚さ0.1mmの銅合金板をそれぞれ製造した。これらの銅合金板に対してアルカリ脱脂により脱脂し、次いで100g/Lの硫酸を含有する酸洗槽に浸漬することにより酸洗した後、表1に記載の手順で表面処理を行った。表1中、「バフ研磨(1)」では、研磨材としてシリコンカーバイドを使用した。「酸洗」における「硫酸」は濃度100g/Lの硫酸に試験板を10秒間浸漬させる処理であり、「混酸」は硫酸を100g/L、過酸化水素を10g/L含む水溶液に試験版を10秒間浸漬させる処理である。「バフ研磨(2)」の「#3000」は研磨材としてシリコンカーバイドを使用した。バフ研磨(2)で使用した研磨材の粒度(d50)は、(株)島津製作所製レーザ回折式粒度分布測定装置SALD−2100を用いて測定した。
表面処理後の銅合金板に対して、先述した方法により、
A)表層からの深さが0.5μm以下の範囲における非晶質組織及び粒径が0.1μm未満の結晶粒の面積率、
B)表層からの深さが0.2〜0.5μmの範囲において粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒が占める面積率、及び
C)表層からの深さが0.2μm未満の範囲において粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒が占める面積率
を求めた。
表中、BとCの値に関しては、測定値を端数処理し、5%刻みとした値を記載してある。例えば、62.5%以上67.5%未満は65%として記載した。
その後、以下の条件でNiめっきを行った。
<Niめっき条件>
浴組成: NiSO4−6H2O 280g/L
めっき条件: 電流密度:5A/dm2
めっき時間:15s
その後、各めっき表面の光学顕微鏡写真(倍率:×100、視野面積0.15mm2)を撮影し、島状めっきの面積率を測定観察した。評価は下記の通りである。
S:島状めっきなし
A:島状めっきの面積率が10%以下
B:島状めっきの面積率が10%を超えて20%以下
C:島状めっきの面積率が20%を超えて50%以下
D:島状めっきの面積率が50%を越える
健全部と島状めっき部とを画像解析装置により2値化し、島状めっきの面積率を算出する。
結果を表1に記載する。図1はNo.14のめっき表面のSEM写真である。
表1より、本発明に係る銅合金No.1〜27は島状めっきが低減され、均一めっき性に優れていることが分かる。
一方、比較例No.28、33、35、37、39、41、43、45、47、49、51及び53では、バフ研磨を行っていないため、加工変質層自体が形成されなかった。そのため、優れためっき性が得られなかった。
比較例No.29、34、36、38、40、42、44、46、48、50、52及び54では、一回目のバフ研磨は行ったため、加工変質層は形成されたものの、それを除去しなかったため、ベルビー層が残存した。その結果、優れためっき性が得られなかった。
比較例No.30は一回目のバフ研磨で形成した加工変質層を強力な酸洗で除去してしまったため、ベルビー層のみならず、粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒までも過剰に除去されてしまった。その結果、発明例と比較してめっき性が劣った。
比較例No.31は一回目のバフ研磨で形成した加工変質層を強力な酸洗で除去した上、2回目のバフ研磨も行ったことから、ベルビー層のみならず、粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒までも完全に除去されてしまった。その結果、発明例と比較してめっき性が劣った。
比較例No.32は一回目のバフ研磨で形成した加工変質層を強力な酸洗で除去し、改めて一回目と同様のバフ研磨を行った。その結果、比較例29と同様の特性となった。

Claims (8)

  1. 圧延平行方向の断面をSIMで観察したときに、表層からの深さが0.5μm以下の範囲において非晶質組織及び粒径が0.1μm未満の結晶粒の占める面積率が1%以下であり、表層からの深さが0.2〜0.5μmの範囲において粒径が0.1μm以上の結晶粒全体に対して粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒が占める個数割合が50%以上である電子材料用銅合金。
  2. 圧延平行方向の断面をSIMで観察したときに、表層からの深さが0.2μm未満の範囲において粒径が0.1μm以上の結晶粒全体に対して粒径が0.1μm以上0.2μm未満の結晶粒が占める個数割合が60%以上である請求項1記載の電子材料用銅合金。
  3. 銅合金はりん青銅、チタン銅又はコルソン合金である請求項1又は2記載の電子材料用銅合金。
  4. 銅合金基材の表面に対して、#600〜8000の番手を有する研磨材で研磨を実施する工程1と、次いで、0.01〜0.5μmの粒度(d50)をもつ研磨材で研磨を実施する工程2とを含む電子材料用銅合金の製造方法。
  5. 工程1で使用する研磨材がシリコンカーバイド製であり、工程2で使用する研磨材が酸化アルミ又はコロイダルシリカ製である請求項4記載の製造方法。
  6. 工程1及び工程2の研磨をバフ研磨により実施する請求項4又は5記載の製造方法。
  7. 請求項1〜3何れか一項記載の銅合金の表面にめっき膜を設けた被めっき物。
  8. めっき膜がNi、Sn及びAgの何れか一種以上を含有する請求項7記載の被めっき物。
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