JP2014198889A - 銅条または銅合金条および、それを備える放熱部品 - Google Patents
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Abstract
Description
近年、スマートフォン、タブレットPCおよびパソコンの小型化に伴い、電気・電子機器内の液晶部品またはICチップ等に通電した際の蓄熱が大きくなる傾向がある。蓄熱が大きい状態はICチップ、半導体、基盤等への熱的損傷が大きいため、放熱部品の放熱性が問題になっている。
放熱部品には、放熱性に加えて、耐腐食性、電気的信頼性、半田濡れ性を有すること、さらに部品としての良好な外観を有することが求められている。
ところが、リフローSnめっきの表面の硬さはNiめっきおよびSUS304よりも軟らかく、放熱部品を製造する際に生じる傷、特にプレス加工後の洗浄や取り扱いによる傷が目立つ場合がある。必ずしも無傷である必要はないが、傷が目立つ場合は不良品となり、製品歩留が低下する。そのため、例え傷が入ったとしても外観上目立ちにくいこと、または傷付きにくいことが求められている。
一方、特許文献7に開示されたリフローSnめっき材も耐摩耗性に優れるものの、母材のビッカース硬さに併せてCu−Sn合金層厚みを制御する必要があり、製造条件の管理が難しいという課題があった。
本発明の銅条または銅合金条では、リフローSnめっき層と母材との間に、Ni/Cu下地めっき層又はCu下地めっき層を有することが好ましい。
本発明の銅条または銅合金条は、母材の表面側に直接的に、または、後述のNi/Cu下地めっき層又はCu下地めっき層を介して間接的に、表面の鏡面反射率が25〜65の範囲であるリフローSnめっき層を設けたものである。
Snめっき材の母材となる銅条としては、純度99.9%以上のタフピッチ銅、無酸素銅を用いることができ、又、銅合金条としては要求される強度や導電性に応じて公知の銅合金を用いることができる。公知の銅合金条としては、例えば、洋白、りん青銅、黄銅、チタン銅、丹銅、コルソン合金、ベリリウム銅等が挙げられる。
例えば次のような銅合金は、熱伝導性と強度に優れることから、本発明のSnめっき材の母材として特に好適に使用できる。
(1)0.05〜0.15質量%のSnを含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる銅合金。
(2)0.01〜0.15質量%のZrを含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる銅合金。
(3)0.01〜0.5質量%のFeを含有し、Feの質量%濃度に対し1/6倍〜1倍の質量%のPを含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる銅合金。
なお、銅条または銅合金条の組成は、用途に応じた要求特性に従い、適宜選択されるものであって、上記の具体例に制限されるものではない。
銅又は銅合金条の表面には、リフロー処理を施したSnめっき層が形成されている。Snめっき層は、銅又は銅合金条の表面に直接めっきされ、又は下地めっきを介してめっきされることにより形成されるものである。
本発明の実施形態に係るSnめっき材は、一般的には、連続めっきラインにおいて、母材である銅条又は銅合金条の表面を脱脂および酸洗の後、電気めっき法により下地めっき層を形成し、次に公知の電気めっき法によりSn層を形成し、最後にリフロー処理を施してSn層を溶融させることで製造することができる。Snめっきは公知の方法で行うことができ、例えば硫酸浴、スルホン酸浴、ハロゲン浴等を用いることができる。また、リフロー処理前のSn層の厚みは0.5μm〜2.0μmとすることができる。Sn層の厚みが0.5μm未満であれば、鏡面反射率が25未満となり半田濡れ性および耐食性が悪化する。Sn層の厚みが2.0μmより大きくなると、鏡面反射率が65以上となり、部品加工後に良好な外観が得られない。上記の理由から好ましくはリフロー前のSn層の厚みを0.6μm〜1.8μm、さらに好ましくは0.6μm〜1.5μmとする。
鏡面反射率の範囲は25〜65とする。鏡面反射率がこの範囲であれば、部品加工後に良好な外観が得られる。鏡面反射率が65を超えると部品加工後に良好な外観が得られなくなる。鏡面反射率が25未満になると、半田濡れ性や耐食性が劣化する。上記の理由から鏡面反射率は好ましくは30〜65、さらに好ましくは30〜60の範囲とする。なお、一般的なリフローSnめっきの鏡面反射率は75〜90程度である。なお、この鏡面反射率は、JIS Z8741に準拠して測定するものとする。
上記Snめっきを行う前に、Cu下地めっきを行ってもよい。この場合、銅合金母材及びCu下地めっき層がSnめっき層と反応してCu−Sn化合物層(CuがSnめっき層へ拡散して形成されるため拡散層ともいう)が形成され、めっき層構造は、表面側から順に純Snめっき層、Cu−Sn化合物層、Cuめっき層、母材層となる。また、Cuめっき層はリフロー後にCu−Sn化合物へ完全に転換されてもよく、残存しても良い。なお、本発明ではCuめっき層の厚みによる耐食性、プレス時の外観への影響は殆ど認められず、リフロー処理前のCu下地めっき層の厚みは特に限定はされないが好ましくは0.05μm〜3.0μm、より好ましくは0.1μm〜1.0μmである。また、Cu下地めっきを行わなくてもよい。
耐食性および半田濡れ性、プレス時の外観にはリフロー後の純Snめっき層の厚みおよび鏡面反射率が関与するため、めっきの耐熱性を向上させる目的で、上記Cuめっきを行う前にNiめっきを施しても良い。
Ni/Cu下地リフローSnめっきは母材上に行うこととし、この場合、電気めっきによりNiめっき層、Cuめっき層及びSnめっき層を順次形成し、その後リフロー処理を行うことができる。このリフロー処理により、めっき層間のCuとSnが反応してCu−Sn化合物層が形成される。一方、Niめっき層は、ほぼ電気めっき上がりの状態(厚み)で残留する。リフロー処理後のめっき層の構造は、表面側よりSnめっき層、Cu−Sn化合物層、Niめっき層となる。Ni下地めっき層の厚みは特に限定はされないが好ましくは0.1〜0.8μm、より好ましくは0.1〜0.3μmである。その他のめっき条件は(Cu下地リフローSnめっき)と同等である。
リフロー処理後の純Snめっき厚み、すなわち、Snのみを含有する層の厚みは0.3μm〜1.5μmとすることが好ましい。この純Snめっき厚みが0.3〜1.5μmの範囲内であれば、主に耐食性が良好となり、付随的に半田濡れ性も良好となる。純Snめっき厚みが0.3μm未満の場合は、鏡面反射率が25未満となり半田濡れ性および耐食性が劣化する。純Snめっき厚みが1.5μm以上の場合は、鏡面反射率が65以上となる。上記の理由から純Snめっき厚みは、より好ましくは0.3μm〜1.2μm、さらに好ましくは0.3μm〜1.1μmの範囲とする。
母材(銅又は銅合金条)の表面にSnめっき後にリフロー処理を施すと、母材(銅又は銅合金)中のCuが表面のSnめっき層に拡散し、Snめっき層と母材との間にCu−Sn合金層が形成される。Cu−Sn合金層は、通常はCu6Sn5、及び/又はCu3Sn4の組成を有しているが、上記した下地めっきの成分や、母材を銅合金としたときの添加元素を含んでもよい。Cu−Sn合金層の厚みの制限は特にないが、0.4μm〜2μm程度である。
圧延直角方向の表面粗さは、Ra:0.02μm〜0.15μmかつRz:0.2μm〜0.6μmとすることが好ましい。圧延直角方向の表面粗さが、Ra :0.02μm〜0.15μmかつRz:0.2μm〜0.6μmであれば、部品加工後に良好な外観が得られ、且つ良好な耐食性が得られる。Raが0.02μm未満またはRzが0.2μm未満の場合は、鏡面反射率が65以上になり、部品加工後に良好な外観が得られない。Raが0.15μm以上またはRzが0.6μm以上であると耐食性が悪化する。上記の理由から好ましくはRaを0.03μm〜0.12μm、さらに好ましくは0.03μm〜0.1μmとする。また、Rzの好ましい範囲は0.2μm〜0.55μm、さらに好ましくは0.2μm〜0.5μmとする。表面粗さRa(算術平均粗さ)およびRz(最大高さ粗さ)、はJIS B0601に従って測定した値とする。
本発明の一実施形態の銅条または銅合金条は、銅条または銅合金条の母材に、必要に応じて、電解脱脂、Cu下地めっき(省略も可能)又はNi/Cu下地めっきを行った後、3〜13A/dm2の電流密度で目標とする電気Snめっき厚の1/5以上1/2未満にめっきを行い、その後残りの部分を18〜25A/dm2の電流密度でめっきを行い、リフロー処理として、温度を400〜600℃、雰囲気ガスを窒素(酸素1vol%以下)に調整した加熱炉中に、試料を5〜30秒間挿入し水冷して製造することができる。
めっき(II)での初期めっき厚みが目標の20%未満であると、めっき(I)の効果が発揮できないため、Raが0.15μm、Rzが0.6μm以上となり耐食性が悪化する。めっき(I)での初期めっき厚みが50%以上である場合、鏡面反射率が65より高くなり、部品加工後に良好な外観が得られない。上記の理由から好ましくはめっき(I)でのめっき厚の割合は25〜45%、さらに好ましくは25〜40%の範囲とする。
めっき(II)の電流密度が15A/dm2未満である場合、めっき(I)と差異が小さく鏡面反射率が65より高くなり、部品加工後に良好な外観が得られない。めっき(II)の電流密度A/dm2が25以上であると、めっきに焼けが生じ、鏡面反射率が低下する。
なお、通常の製造現場では複数の電極板の間を連続的に通板し電気めっきを行うため、上記の電流制御は比較的容易である。また、ラボ試験で上記めっきを行う場合、電流値を切り替える間に生じるインターバルはめっき特性に影響しない。
このような観点から、材料の最高到達温度は250〜290℃とすることが好ましく、また冷却速度は50℃/sec以上とすることが好ましい。
(1)鏡面反射率が25〜65のためには
a.電着Snのめっき厚を0.5〜2.0μmの範囲とし、
b.電気Snめっきで目標とするめっき厚の1/5以上1/2未満を3〜13A/dm2の電流密度でめっきを行う。
c.上記b.のめっきの後、15〜25A/dm2の電流密度でめっきを行う。
d.リフロー処理時の雰囲気中の酸素濃度を0.1vol%未満にし、材料の最高到達温度を240〜300℃に且つ冷却速度を40℃/sec以上にする。
(2)リフロー後の純Snめっき厚を0.3μm〜1.5μmとするためには
a.電着Snのめっき厚を0.5〜2.0μmの範囲とし、
b.リフロー処理時の材料の最高到達温度を240〜300℃且つ冷却速度を40℃/sec以上にする。
(3)圧延直角方向の表面粗さを、Ra :0.02μm〜0.15μmかつRz:0.2μm〜0.6μmとするためには、
a.電気Snめっきでは、3〜13A/dm2の電流密度で目標とするめっき厚の1/5以上1/2未満までめっき(めっき(I))を行い、その後、残りのめっき厚分は15〜25A/dm2の電流密度でめっき(めっき(II))を行う。
b.リフロー処理時の材料の最高到達温度を240〜300℃の範囲にする。
溶銅に合金元素を添加した後、厚みが200mmのインゴットに鋳造した。インゴットを950℃で3時間加熱し、熱間圧延により厚み15mmの板にした。熱間圧延板表面の酸化スケールをグラインダーで研削、除去した後、400〜600℃の焼鈍と冷間圧延を繰り返し、最終の冷間圧延で板厚0.2mmに仕上げた。
溶銅に合金元素を添加した後、厚みが20mmのインゴットに鋳造した。インゴットをグラインダーでスケールを研削、除去した後、400〜600℃の中間焼鈍と冷間圧延を繰り返し、最終の冷間圧延で板厚0.2mmの厚みに仕上げ、200〜400℃の温度で歪取焼鈍を行った。
溶銅に合金元素を添加した後、厚みが200mmのインゴットに鋳造した。インゴットを800〜950℃で3時間加熱し、熱間圧延により厚み15mmの板にした。熱間圧延板表面の酸化スケールをグラインダーで研削、除去した後、冷間圧延で0.285mmの板厚まで圧延後、700〜900℃×1h加熱後、水冷を行う溶体化処理を行い、30%の冷間圧延を行い板厚0.2mmに仕上げ、450℃×3hの時効処理を行った。
(工程1)アルカリ水溶液中で試料をカソードとして次の条件で電解脱脂を行う。
電流密度:3A/dm2 脱脂剤:ユケン工業(株)製商標「パクナP105」 脱脂剤濃度:40g/L 温度:50℃ 時間30秒 電流密度:3A/dm2
(工程2)10質量%硫酸水溶液を用いて酸洗する。
(工程3)特定の実施例に次の条件でNi下地めっきを施す。
・めっき浴組成:硫酸ニッケル250g/L、塩化ニッケル45g/L、ホウ酸30g/L
・めっき浴温度:50℃
・電流密度:5A/dm2
・Niめっき厚みは、電着時間により調整
・めっき浴組成:硫酸銅200g/L 硫酸60g/L
・めっき浴温度:25℃
・電流密度:5A/dm2
・Cuめっき厚みは、電着時間により調整
(工程5)次の条件でSnめっきを施す。
・めっき浴組成:酸化第1錫41g/L、フェノールスルホン酸268g/L、界面活性剤5g/L
・めっき浴温度:50℃
・電流密度:5〜30A/dm2
・Snめっき厚みは、電着時間により調整
上述した各製造条件を表1及び2に示す。
(成分)
めっき前の材料の合金元素濃度をICP−質量分析法で分析した。材料の元素濃度を表1及び2に示す。
CT−1型電解式膜厚計(株式会社電測製)を用い、各工程の試料に対し、JIS H8501に従い、Snめっき層、Cu−Sn合金層及びNiめっき層の厚みを測定した。Snめっき層及びCu−Sn合金層に対する電解液は、コクール社製電解液 R−50(商品名)を使用した。また、Niめっき層に対しては、コクール社製電解液 R−54(商品名)を使用した。
鏡面反射率は、JIS Z8741に準拠した測定方法に基づき、日本電色工業株式会社製の光沢度計を用いて、入射角30°による鏡面反射率を測定した。圧延直角方向を2回測定し、それらの平均値を測定値とした。
表面粗さRa(算術平均粗さ)およびRz(最大高さ粗さ)、はJIS B0601に規定され、本発明においては圧延平行方向に長さ4mmで、かつ圧延直角方向にそれぞれ50μm以上離間する3本の直線上で測定した値の平均値とする。又、本発明において、表面粗さは接触表面粗さ計(小坂研究所製 SE−3400)を用いて測定することができる。
試料表面に、直径が0.7mmの球状の圧子(ステンレス製)を150gの荷重で負荷したまま室温で7日間放置し、めっき表面の圧子接点部にウィスカーを発生させた。発生したウィスカーを電子顕微鏡で観察し、各試料で最も長く成長したウィスカーの長さが、5μm以下に収まった場合を◎、5μm以上10μm以下に○と評価し、10μmを超えた場合を×と評価した。
鉛フリー半田との濡れ性を評価した。具体的には、試料をアセトンで脱脂後、フラックスとして25質量%ロジン−75質量%エタノールを塗布後、260℃のSn−3.0質量%Ag−0.5質量%Cu半田浴に10秒間浸漬した。浸漬部の表面積は10mm×10mmとし、半田浴から引き上げ後、半田が付着した部分の面積率を測定した。半田の付着面積率が80%以上90%未満の場合を○、90%以上110%未満を◎と評価し、付着面積率が80%未満の場合を×と評価した。
耐食性の試験ではJIS Z2371に準じてスガ試験機製の塩水噴霧試験気(ST−JR型)を用いて、塩水噴霧試験(35℃、5wt%−NaCl〕を行った。試験片形状は幅60mm×80mmであり、96時間暴露後の外観を観察した。この耐食性試験後、めっき表面を水洗、アセトンによる超音波洗浄を行ったのち、腐食面積をレイティングナンバによって評価した。レイティングナンバが9.5以上であれば耐食性は良好とした。
板厚0.2mmの黄銅−Snめっき材を準備した。Snめっきは電着時の厚みがそれぞれSn=1.2μm、Cu=0.6μmのリフローSnめっき材である。この黄銅−Snめっき材に対し、高さ0.2mm、半径0.6mmの張り出し(エンボス)加工を行い、半球状の突起を施した端子を作成する。張り出し加工された端子を本発明のSnめっき材の上に固定し、さらに荷重25gを負荷しながら、速度5mm/secの速さで本発明のSnめっき材を1回摺動させる。摺動後の本発明Snめっき材の外観を観察するとともに、生じた傷の幅の最大値(μm)をFE-SEMにて観察した。摺動痕の最大幅が20μm以下の場合に、部品加工後に良好な外観が得られると判断した。
上記の各特性及び評価結果を表3に示す。
発明例1〜45の、リフローSnめっきを施した銅板ないし銅合金板では、鏡面反射率を25〜65となったことにより、耐食性、半田濡れ性が目標特性を満たし、さらに部品加工後に良好な外観が得られた。
Claims (5)
- 表面の鏡面反射率が25〜65の範囲であるリフローSnめっき層を有する銅条または銅合金条。
- リフローSnめっき層と母材との間に、Ni/Cu下地めっき層又はCu下地めっき層を有する、請求項1に記載の銅条または銅合金条。
- リフロー処理後の純Snめっき厚みが0.3μm〜1.5μmである請求項1または2に記載の銅条または銅合金条。
- 圧延直角方向の表面粗さが、Ra:0.02μm〜0.15μmかつRz:0.2μm〜0.6μmである請求項1〜3のいずれかに記載の銅条または銅合金条。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の銅条または銅合金条を備える放熱部品。
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