JP4626542B2

JP4626542B2 - はんだめっき導体の製造方法

Info

Publication number: JP4626542B2
Application number: JP2006058202A
Authority: JP
Inventors: 隆之辻; 裕寿遠藤; 敦志大竹; 宙坂東
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP2007231407A

Description

本発明は、はんだ接続されたリード線を高温保持しても接続強度が落ちないはんだめっき導体の製造方法に関するものである。

車載用のフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）やマルチフレームジョイナー（ＭＦＪ）のはんだ接続部などの、高温使用環境における平角線のはんだ接続部において、従来はＳｎ−Ｐｂ系はんだが用いられていたが、Ｐｂ規制に伴って、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系等のＰｂフリーはんだ若しくは導電性接着剤が用いられつつある。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平５−１３６７号公報特許第２７９８５１２号公報特許第２８０１７９３号公報特開２００５−７２１１５号公報

車載用のＦＦＣやＭＦＪ等の高温使用環境における平角線のはんだ接続部においては、保持温度がはんだ材の融点以下であっても、はんだ材中のＳｎと平角導体のＣｕとの間に、固相拡散によってＣｕ₆Ｓｎ₅（η相）やＣｕ₃Ｓｎ（ε相）の金属間化合物が形成される。この時、保持温度が高ければ高いほど、固相拡散が進み、金属間化合物の層が厚く成長する。

金属間化合物は一般的に脆く、Ｃｕ₆Ｓｎ₅（η相）の破壊靭性値は１．４（ＭＰａ・ｍ^-1/2）、Ｃｕ₃Ｓｎ（ε相）の破壊靭性値は１．７（ＭＰａ・ｍ^-1/2）であり、はんだ材の破壊靭性値１０²〜１０³（ＭＰａ・ｍ^-1/2）と比較すると極端に小さい。したがって、はんだ材と平角導体の間に、これら金属間化合物層が厚く成長した場合、この化合物層中、若しくは化合物層とはんだ材（又は化合物層と平角導体）の界面で破断が起こりやすく、接続部の信頼性が著しく低下してしまうことが問題となっている。

そこで本発明の目的は、はんだと導体の界面に脆性の高い金属間化合物層が成長するのを抑制し、高温保持環境下においてもはんだ接続部の接合強度が低下することのないはんだめっき導体の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、Ｃｕ単体やＣｕを用いた複合材料からなる単線に電解Ｎｉめっきを行って０．５〜１０μｍ厚さのＮｉ層を形成し、次いで、その単線に圧延加工を行うことにより断面形状を平角状に成形し、最後に、平角状に成形した導体の周りに溶融はんだめっきを行ってはんだめっき層を形成することにより、導体とはんだめっき層の間に、内層側のＮｉ層と、外層側のはんだ材とＮｉの金属間化合物層とで構成される厚さ０．４〜３．０μｍの中間層を形成することを特徴とするはんだめっき導体の製造方法である。

請求項２の発明は、ＣｕやＣｕとの複合材料からなる単線に電解Ｎｉめっきを行って０．５〜１０μｍ厚さのＮｉ層を形成し、次いで、その単線を複数本撚り合わせて撚線を形成し、次いで、その撚線に圧延加工を行うことにより断面形状を平角状に成形し、最後に、平角状に成形した導体の周りに溶融はんだめっきを行ってはんだめっき層を形成することにより、導体とはんだめっき層の間に、内層側のＮｉ層と、外層側のはんだ材とＮｉの金属間化合物層とで構成される厚さ０．４〜３．０μｍの中間層を形成することを特徴とするはんだめっき導体の製造方法である。

本発明のはんだめっき導体は、高温使用環境下においても、はんだと導体の界面に金属間化合物層が成長するのを抑制することができ、はんだ接続部における長期信頼性が良好である。

以下本発明の実施の形態を添付図面により説明する。

図１に本発明の好適一実施の形態に係るはんだめっき導体の横断面図を示す。図１に示すはんだめっき導体は、平角状の導体１の周りにはんだめっき層４を有し、平角導体１とはんだめっき層４の間に、内層側のＮｉ層２と、外層側のはんだ材とＮｉの金属間化合物層３とで構成される厚さ０．４〜３．０μｍの中間層を備える。つまり、はんだめっき導体は、平角導体１の表面に、内層側から順に、Ｎｉ層２、ＮｉとＳｎ（又はＮｉとＳｎとＣｕ）の金属間化合物層３、はんだめっき層４を有する。

本実施の形態に係るはんだめっき導体は、以下の手順で製造される。

先ず、Ｃｕ製の単線（横断面丸型）に電解Ｎｉめっきを施し、その周りに電解Ｎｉめっき層（Ｎｉ層）２を形成する。次に、Ｎｉ層２を有する平角導体１に圧延加工を施して平角状に加工し、その後、溶融はんだめっきを行う。この場合、電解Ｎｉめっき後に圧延加工を行うため、電解Ｎｉめっき層の層厚はやや厚めの０．５〜１０μｍとする。平角導体１に溶融はんだめっきを行うと、はんだの主成分であるＳｎ（又はＳｎ及びＣｕ）が、Ｎｉ層２のＮｉの一部と反応して金属間化合物を生成し、Ｎｉ層２上に金属間化合物層３、はんだめっき層４が形成される。Ｎｉ層２及び金属間化合物層３が中間層となる。この中間層は、平角導体１のＣｕがはんだめっき層４へ拡散するのを防ぐバリア層として働くため、平角導体１とはんだめっき層４の界面にＳｎとＣｕの金属間化合物が生成するのを抑制することができる。

はんだめっき層４を構成するはんだ材（溶融はんだめっき浴）が、Ｓｎ−Ｐｂ系やＳｎ−Ａｇ系等のようにＣｕを含まない場合は、Ｎｉ₃Ｓｎ₄、Ｎｉ₃Ｓｎ₂、Ｎｉ₃Ｓｎ等のＳｎとＮｉの金属間化合物が生成される。また、はんだめっき層４を構成するはんだ材がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系やＳｎ−Ｃｕ系等のようにＣｕを含む場合は、（Ｎｉ，Ｃｕ）₆Ｓｎ₅、（Ｎｉ，Ｃｕ）₃Ｓｎ等のＳｎとＮｉとＣｕの金属間化合物が生成される。

これらのＮｉとＳｎ（又はＮｉとＳｎとＣｕ）の金属間化合物層３も脆性が高く、この金属間化合物層３が厚く成長した場合は破断・剥離の原因となるが、ＮｉはＣｕよりもＳｎとの反応性が低いため、ＮｉとＳｎ（又はＮｉとＳｎとＣｕ）の金属間化合物層３の層厚は薄く抑えることができる。Ｎｉ層２及び金属間化合物層３で構成される中間層の厚さを０．４〜３．０μｍとしたのは、０．４μｍ未満では平角導体１からはんだめっき層４へのＣｕ拡散を抑制するのに不十分であり、また、３．０μｍ超では上述したように破断・剥離の原因となるためである。中間層の層厚は、溶融はんだめっき前（電解Ｎｉめっき後）のＮｉ層２の層厚とほぼ一致するため、中間層の層厚は電解Ｎｉめっきのめっき条件を調整することによって調整可能である。

ここで、Ｎｉ層２を、電解Ｎｉめっきにより形成する理由は、無電解ＮｉめっきによるＮｉめっき層はＰを含んでいることから、高温保持環境下ではＳｎとＮｉの金属間化合物の生成により、Ｎｉめっき層中のＮｉが消費され、Ｎｉ層と金属間化合物層の間にＰの濃縮層が形成されてしまい、このＰ濃縮層が破断・剥離の原因となるという問題があるためである。したがって、Ｎｉめっきとしては、Ｐを含まない電解Ｎｉめっきが望ましい。

図２に、１３０℃での高温保持時における本実施の形態に係るはんだめっき導体と従来のＮｉ層の無いはんだめっき導体の、保持時間と金属間化合物層の厚さとの関係を示す。○印を結んだ破線が本実施の形態に係るはんだめっき導体を、□印を結んだ破線が従来のはんだめっき導体を示している。

従来のはんだめっき導体では、保持時間が長くなると、急激に金属間化合物（Ｃｕ₆Ｓｎ₅、Ｃｕ₃Ｓｎ）層の厚さが厚くなり、１０００ｈｒ保持後では金属間化合物層の層厚は６μｍ弱となった。これに対して、本実施の形態に係るはんだめっき導体では、保持時間が長くなっても金属間化合物（Ｎｉ₃Ｓｎ₄、（Ｎｉ，Ｃｕ）₆Ｓｎ₅等）層の厚さの変化が少なく、１０００ｈｒ保持後でも金属間化合物層の層厚は３μｍ前後であった。本実施の形態に係るはんだめっき導体は、１３０℃×１０００ｈｒ保持後における金属間化合物層の厚さを、従来のはんだめっき導体の約１／２に抑えることができた。

図３に、１３０℃での高温保持時における本実施の形態に係るはんだめっき導体と従来のＮｉ層の無いはんだめっき導体の、保持時間とピール強度との関係を示す。○印を結んだ破線が本実施の形態に係るはんだめっき導体を、□印を結んだ破線が従来のはんだめっき導体を示している。

高温保持初期におけるはんだ接続部の破壊形態は、従来のはんだめっき導体及び本実施の形態に係るはんだめっき導体ともに、はんだ材の延性破壊であり、ピール強度は高く、良好であった。従来のはんだめっき導体では、保持時間が長くなると、はんだ接続部の、Ｃｕ₆Ｓｎ₅やＣｕ₃Ｓｎで構成される金属間化合物層中や界面で脆性破壊が生じる割合が増え、１０００ｈｒ保持後のピール強度は初期の１／４程度（約１０Ｎ）に低下した。これに対して、本実施の形態に係るはんだめっき導体では、保持時間が長くなっても、はんだ接続部の、金属間化合物層中や界面での脆性破壊は見られず、１０００ｈｒ保持後のピール強度は初期の３／４程度（約３０Ｎ強）と良好であった。

次に、本実施の形態に係るはんだめっき導体の変形例を添付図面により説明する。

図４に、導体として平角状の複合材を用いたはんだめっき導体の横断面図を示す。図４に一変形例として示すはんだめっき導体は、平角状の導体５の構成を除き、図１に示したはんだめっき導体と構成が同じである。図１に示した平角導体１は、Ｃｕ（又はＣｕ合金）の単体からなるものであったのに対して、図４に示した平角導体５は、コア材６をＣｕ（又はＣｕ合金）の外皮材１ａ，１ｂで挟持し、クラッドしてなる。コア材６の構成材は特に限定するものではないが、例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどが挙げられる。

平角導体５としては、コア材６と外皮材１ａ（又は１ｂ）の複合線に電解Ｎｉめっきを行い、その複合線に圧延加工を行って平角状に加工したものであってもよい。

また、図５に、導体として撚り線を圧延してなる平角導体を用いたはんだめっき導体の横断面図を示す。図５に他の変形例として示すはんだめっき導体は、ほぼ平角状の導体７の周りにはんだめっき層４を有し、平角導体７とはんだめっき層４の間に、内層側のＮｉ層２と、外層側のＮｉとＳｎ（又はＮｉとＳｎとＣｕ）の金属間化合物層３とで構成される厚さ０．４〜３．０μｍの中間層を備える。この平角導体７は、Ｃｕ（又はＣｕ合金、Ｃｕを用いた複合材）で構成される単線８に電解Ｎｉめっきを行い、単線８を複数本撚り合わせて撚り線を形成し、その撚り線に圧延加工を行ってほぼ平角状に加工してなるものである。

本発明の好適一実施の形態に係るはんだめっき導体の横断面図である。図１のはんだめっき導体及び従来のはんだめっき導体における高温保持時間と金属間化合物層の厚さとの関係を示す図である。図１のはんだめっき導体及び従来のはんだめっき導体における高温保持時間とピール強度との関係を示す図である。図１のはんだめっき導体の一変形例を示す図である。図１のはんだめっき導体の他の変形例を示す図である。

１平角導体（導体）
２Ｎｉ層
３金属間化合物層
４はんだめっき層

Claims

Ｃｕ単体やＣｕを用いた複合材料からなる単線に電解Ｎｉめっきを行って０．５〜１０μｍ厚さのＮｉ層を形成し、次いで、その単線に圧延加工を行うことにより断面形状を平角状に成形し、最後に、平角状に成形した導体の周りに溶融はんだめっきを行ってはんだめっき層を形成することにより、導体とはんだめっき層の間に、内層側のＮｉ層と、外層側のはんだ材とＮｉの金属間化合物層とで構成される厚さ０．４〜３．０μｍの中間層を形成することを特徴とするはんだめっき導体の製造方法。
ＣｕやＣｕとの複合材料からなる単線に電解Ｎｉめっきを行って０．５〜１０μｍ厚さのＮｉ層を形成し、次いで、その単線を複数本撚り合わせて撚線を形成し、次いで、その撚線に圧延加工を行うことにより断面形状を平角状に成形し、最後に、平角状に成形した導体の周りに溶融はんだめっきを行ってはんだめっき層を形成することにより、導体とはんだめっき層の間に、内層側のＮｉ層と、外層側のはんだ材とＮｉの金属間化合物層とで構成される厚さ０．４〜３．０μｍの中間層を形成することを特徴とするはんだめっき導体の製造方法。