JP4739734B2 - 電子機械的構成要素用の複合材を製造するための連続層、その複合材及び使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、銅または銅をベースにした合金、或いはニッケルまたはニッケルをベースにした合金から成る基体、或いは銅鍍金した基体上に設けられる、複合材を製造するための連続層、および連続層から複合材を製造するための方法とその使用方法に関するものである。

溶融錫鍍金したＣｕ母材および電気錫鍍金したＮｉ母材ならびに銅鍍金した基体を長時間時効処理する場合、拡散プロセスによりＣｕ_３Ｓｎ，Ｃｕ_６Ｓｎ_５，或いはＮｉ_３Ｓｎのような金属間化合物（ＩＭＰ）が発生する。

時効時の錫鍍金部の層厚および連続プロセスにおける時間や温度変化によっては、合金組成に依存して母材と被覆部との境界面に孔が生じることがある。もっとも好ましくないケースでは、Ｓｎ層が剥げ落ちる。特に電子機械的構成要素に使用する場合には、Ｓｎ層が母材から剥げ落ちて部品が完全に破損する。

固体中での拡散過程による前記孔の形成はカーケンドール効果として知られており、ＳｎとＣｕおよびその合金要素の拡散速度が異なることによるものである。母材の中に含まれている合金要素はこの効果を促進させることがあり、他方制止させることもある。

基本的には、Ｓｎ層を被着させる前に、拡散を阻止する遮断層を母材上に直接付着させることが可能である。この遮断層は合金要素が母材からＳｎ層のなかへ拡散するのを阻止するためのものである。これによりＣｕＳｎ金属間化合物またはＮｉＳｎ金属間化合物の不具合な成長は阻止され、或いは少なくとも制止される。たとえば好適な蝋付けを可能にするうえで重要な層特性は得られるが、たとえば好適な可撓性のような他の層特性は選定した遮断層および厚さによっては悪化することがある。

従来の遮断層を使用することによりある程度の層特性が保証されるが、長時間温度時効（たとえば１５０℃／３０００時間）の場合の拡散による孔形成という基本的な問題が残る。また、Ｃｕ合金の場合、母材からの被覆部の剥離という危険はこの種の通常の遮断層によって阻止することはできない。

非特許文献１には、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物の成長速度に関してＦｅ遮断層の作用をＣｕ遮断層の作用と比較したものが記載されている。

使用される鉄遮断層は１７０℃でＦｅＳｎ_２金属間化合物を形成する。したがって厚さの成長は小さく、これによりＳｎの有効拡散防止は、Ｓｎに孔が形成されない間だけに限られている。Ｆｅ層に孔が存在すると、Ｆｅ層の下にＣｕ_６Ｓｎ_５金属間化合物が形成され、このためＦｅ遮断層は母材から剥離する。孔が密な層は層厚がほぼ２μｍ以上のもので達成される。特に比較的厚いＦｅ層はその磁気的特性のために電子産業で使用すると問題が生じるので、従来では実質上敬遠されていた。

さらに、特許文献１からは、銅を含んだ基体と錫表面層との間に配置される、Ｎｉを含んだ中間層が知られている。この中間層は銅が基体から錫層へ拡散するのを防止するためのものである。中間層は２０〜４０重量％のニッケル成分を含んだ銅から成っている。

しかしながら、記載された解決法は時間的に制限された耐久性を持っているにすぎない。Ｃｕ／Ｎｉ層が金属間（Ｃｕ−Ｎｉ）のＳｎ層の形成により消耗した後、空孔が集中するために、前記カーケンドール効果によりＣｕ基体の境界層に平面的な剥離部が形成され、望ましくない。

特許文献２には、２つの中間層と１つの表面層とから成る層構造が記載されている。この層構造を設ける目的は、Ｓｎ表面層が完全に金属間化合物に置換されるのを阻止するためであり、したがって高温でもＳｎ層が表面に残るように保証するためである。しかしながら、唯一の反応層としてＣｕ中間層を設けるこの解決法は高温でカーケンドール効果を促進させ、したがってＳｎ層がその下にある中間層から剥離する。

米国特許第５，９１６，６９５号明細書 米国特許第２００３／００９１８５５Ａ１号明細書 刊行物、Scott, B.C.およびWarwick, M. E.著 (Intern. Tin Res. Inst., Transact. of the Inst. of Met. Finishing, (1982) 第６１巻、第４４頁以降

本発明の課題は、特に錫被膜に対し、長時間温度時効に対しても層の付着を持続的に改善させ、層特性を安定化させることである。

本発明は、複合材を製造するための連続層に関しては請求項１の構成を特徴とし、複合材を製造するための方法に関しては請求項９の構成を特徴とするものである。他の請求項は本発明の他の有利な構成を示している。

本発明は、銅または銅をベースにした合金、或いはニッケルまたはニッケルをベースにした合金から成る基体、或いは銅鍍金した基体上に設けられる、複合材を製造するための連続層に関する技術的教義に関わり、この場合錫または錫をベースにした合金から成り、基体の少なくとも一部分にわたって配置されている表面層と、基体と表面層との間にあって基体と直接に接触し、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｍｏ、またはＴａの少なくとも１つの元素から成っている遮断層と、遮断層と表面層との間にあって遮断層と直接に接触し、Ｃｕ族またはＮｉ族の少なくとも１つの元素から成っている中間層と、表面層と中間層との間にあり、ＡｇまたはＡｇ合金、或いはＰｔまたはＰｄ或いはその合金から成っている反応層とが設けられている。

本発明は、表面層と基体との間に他の層を挿入するという考えから出発している。層複合体の最も外側の層は純粋なＳｎまたはＳｎ合金である。ＳｎまたはＳｎ合金は使用目的に応じて選定される。たとえばＳｎをベースにした合金は、０〜５０重量％のＳｎと、Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｉｎ，Ｃｏ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｓｂといった元素のなかの１つまたはいくつかの元素とから組成されていてよい。この最も外側の層の下には、Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔまたはその合金から成る反応層があり、その下にはＣｕとＮｉから成る中間層があり、さらにその下には遮断層がある。遮断層の前記元素は合金の形態で使用してもよい。多層の連続層、たとえばＦｅとＣｏ、またはＴａとＣｏを組み合わせてもよい。これらの層は基体としての銅、またはＣｕ合金、または銅鍍金した部材の上に被着されている。遮断層は前記純粋元素またはその混合物から成っている。

Ａｇ，ＰｄまたはＰｔ或いはこれらの合金から成っている反応層は高温で表面層と反応し、厚さによっては中間層とも反応して金属間相を形成する。これは、たとえば反応層がＡｇから成り、表面層がＳｎまたはその合金から成っているような場合である。したがって反応層と表面層の厚さによっては、温度負荷のもとでの使用時の付着性が損なわれることなく、表面層の改質、硬化が生じる。

表面層の剥離（ピーリング）を阻止する層複合体の作用は、Ｓｎ合金と反応層との境界面に、層成分の更なる拡散を最小にとどめる金属間相が形成されることに依拠している。場合によっては、金属間相の形成により反応層が剥離してしまった後で、中間層との所望の反応を層厚に応じて行うことができる。拡散は遮断層で停止する。このような層の組み合わせにより、高光沢の、継続的に付着性のある錫鍍金を、最上部の表面層として難なく実現させることができる。

これにより、基体または中間層との境界面に、空孔が集中することによって生じる、望ましくない平面的な剥離部が形成されることがない。本発明による解決法により、基体と反応層との間にある別個の遮断層のブロック効果がＣｕ／Ｎｉ層との関連で従来では効果的に活用されていなかったという欠点が解消される。基本的には、たとえばタンタルから成っている遮断層の上にＳｎ層を被着させてもよいが、しかしこれは遮断層の厚さが厚い場合にのみ機能的であり、高光沢のＳｎ層の形成には限界がある。このような場合には複合体の可撓性がかなり限定される。さらに、たとえばＡｇによるＳｎ層の改質にはいたらず、よって境界抵抗および耐摩耗性の安定性にはいたらない。それ故このような場合にも遮断層とＳｎ層との間に少なくとも１つの比較的薄い反応層が挿入される。

反応層と中間層とを通じて拡散するＳｎは遮断層においてたとえばＦｅと反応することにより硬化して他の金属間相を形成し、反応の更なる進行を停止させる。これにより、３０００時間以内且つ２００℃以下の温度に対しては、ＣｕとＳｎから成る金属間相が基体への境界面において形成されるのを極めて効率的に阻止する。

所望の遮断効果はすでに層厚が薄いことによって得られる。本発明の有利な構成では、遮断層は０．２〜１．０μｍの厚さを有している。この範囲の層厚はいわゆる電気フラッシュ層であり、或いは、物理蒸着（ＰＶＤ）方法または化学蒸着（ＣＶＤ）方法により付着される層であってもよい。

有利な実施形態では、中間層はＣｕ・Ｎｉ合金から成り、或いはＮｉ層とＣｕ層との連続層から成っている。中間層が０．２〜２．０μｍの厚さを有しているのが有利である。層厚がこれよりも薄ければ、元素が遮断層から表面へ拡散して、導電性に劣る望ましくない腐食生成物が形成される。

このような基礎被覆部の上には、望ましいＳｎ層を電気的に付着させることができる。１つの実施形態では、表面層は反応層よりも大きな厚さを有している。次の熱処理によりＳｎ層の一部が被着されるので、いかなる場合も、Ｓｎ表面層の残っている厚さが表面を完全に覆うために十分であるように配慮しなければならない。反応層は表面層の厚さの１／３と１／１の間に相当する厚さを有しているのが有利である。たとえば１：３の比率であれば、２００℃で１０００時間後に表面に遊離性Ｓｎがまだ残存し、１：１の比率では、Ｓｎ層全体が反応層との金属間化合物に改質される。厚さが上記の範囲にあれば層複合体全体の同調性が得られる。上記の範囲以上の厚さは、遮断層との関連で所望の効果を得るうえで必要ない。層厚を１：１で実施することにより、電気的および機械的に優れた特性を有するＳｎＡｇ表面またはＳｎＡｇＣｕ表面をリフローイング処理により簡単に低コストで製造することが可能になる。

他方、反応層は遮断層および中間層よりも厚い厚さを有していてよい。選定した材料においては、遮断効果を得るために、基本的には、被着される反応層よりも薄い層厚が必要である。中間層は反応層とともに母材へのＳｎ拡散をかなり阻止するので、遮断層の厚さが薄くても、遮断層に対する割り当て分は基体への錫の更なる拡散を阻止するのに十分である。

基体上の全層厚が１２μｍ以下、有利には３μｍ以下であるのが好ましい。全層厚をこのように選定するだけでも、銅または銅合金からなる基体或いは銅鍍金した基体の、持続性があって信頼性のあるＳｎ被覆部が得られる。少なくとも１つの層は電気鍍金層、或いはＰＶＤ層またはＣＶＤ層であるのが有利である。

本発明の他の観点によれば、本発明による連続層から複合材を製造するための方法において、表面層の溶融温度以上で連続層を熱処理する（リフローイング処理）することが提案される。

遮断層と中間層と反応層とを備えた基体とＳｎ層とを通常のリフローイング処理にさらして、個々の層相互の拡散結合を達成させる。処理の間、形成される複合体の連続層を十分長い時間をかけて表面層の溶融温度以上で加熱し、次に冷却する。リフローイング処理に成功した後、Ｓｎ層と反応層との間に相互拡散が発生し、ある程度望ましいＡｇＳｎ金属間相の形成にいたった。中間層と反応層との間、および、遮断層と中間層との間にも同様に相互拡散が発生し、基体上での遮断層の付着性および層複合体内部での付着性が改善された。このようにして製造された複合材は、２００℃以下で且つ３０００時間以内で空孔集中によるピーリング効果が観察されない点で傑出したものである。

本発明の有利な実施形態では、熱処理をオイル内で行なうことができる。特にパラフィンオイルまたはエステルオイル内で熱処理を行なうと、流動媒体の対流により合目的な熱搬送が生じるので、リフローイング処理を均一に且つ目的に応じて制御することができる。さらに、同じプロセスで、自ら潤滑特性を備えた錫層が生じる。本発明による方法によって製造される複合材は特に電子機械的構成要素、リードフレーム、堅牢なフレキシブルプリント基板に適している。

長時間温度時効によりＳｎ層に対し効果的な遮断層を提供することを課題とした本発明により得られる利点は、特に、層全体が剥離しないこと、さらに磨耗が効果的に防止されることにある。本発明による層の他の有利な特性は、境界抵抗が小さいこと、耐食性があること、蝋付け性に優れていることである。さらに、特にリフローイング処理により、耐摩耗性に優れた高光沢のＳｎ層が得られる。

実施例として示すように構成することで実現した。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。なお、全図において互いに対応する部材には同じ符号を付した。

図１の連続層は、銅または銅をベースにした合金から成っている基体１の上に付着されている。表面層５は錫または錫をベースにした合金から成っており、表面の一部を覆い、或いは図面に図示したように全面を覆うように配置されている。遮断層２は基体１と直接接触している。遮断層２の材料はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｍｏ、またはＴａから成っている。表面層５と遮断層２との間には中間層３と反応層４とがあり、中間層３はたとえば４０重量％以下のＮｉを成分としたＣｕ／Ｎｉ合金から成っている。反応層は表面層（５）の厚さのほぼ１／３に相当する厚さを有している。

図２は基体１上の実質的に同じ連続層を示すものであるが、中間層３がニッケルと銅の２層で形成されている点が異なっている。特に有利な実施形態では、ニッケル層３１は遮断層２と直接接触し、他方銅層３２はＡｇから成っている反応層４と接触している。

実施例
本発明の説明をさらに進めるために、以下の実施例を用いる。

Ｃｕ合金Ｃ７０２５（ＣｕＮｉ３Ｓｉ１Ｍｇ）から成る０．２×３２ｍｍの帯材を本発明による連続層で被覆する。さらに、帯材上に電気鍍金装置を用いて０．５μｍの厚さのＦｅフラッシュを被着させる。いわゆるフラッシュ層は比較的薄い層厚の付着物である。次に、０．６μｍのニッケル層とその上に０．２μｍのＣｕフラッシュとを付着させる。反応層としては０．５μｍのＡｇ層を用い、最後の層として１．０μｍの厚さの純粋なＳｎ層を付着させ、層複合体をリフローイング処理する。

得られた帯状の複合材を１２５℃および１５０℃で保管し、ある程度の時間間隔で検査を行なう。
その際確認されたところによると、従来の技術の公知の方法とは異なり、１５０℃では１０００時間後、ピーリングによる剥離は観察されなかった。３０００時間まで時効を継続させたが、ピーリングの兆候は認められなかった。

３０００時間以上の十分な時間では、１７０℃以下の温度の場合、本発明による層構造により錫鍍金の望ましい耐久性が得られることが明らかになった。さらに、ＳｎＡｇ_３金属間化合物の形成により、安定した低レベルの境界抵抗が得られる。

基体上の連続層を示す図である。 ２層の中間層を備えた本発明による連続層を示す図である。

符号の説明

１ 基体
２ 遮断層
３ 中間層、合金
３１ 中間層、第１の層
３２ 中間層、第２の層
４ 反応層
５ 表面層

Claims (6)

1. 銅または銅をベースにした合金、或いはニッケルまたはニッケルをベースにした合金から成る基体（１）、或いは銅鍍金した基体（１）上に設けられる、複合材を製造するための連続層であって、錫または錫をベースにした合金から成り、基体（１）の少なくとも一部分にわたって配置されている表面層（５）と、基体（１）と表面層（５）との間にあって基体（１）と直接に接触し、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｍｏ、またはＴａの少なくとも１つの元素から成っており、０．２〜１．０μｍの厚さを有している遮断層（２）と、その遮断層（２）と表面層（５）との間にあって遮断層（２）と直接に接触し、ＣｕまたはＮｉの少なくとも１つの元素から成っており、０．２〜２．０μｍの厚さを有している中間層とを有し、前記表面層（５）と中間層（３）との間にあり、ＡｇまたはＡｇ合金から成っている反応層（４）を有し、その反応層（４）が表面層（５）の厚さの１／３と１／１の間に相当する厚さを有している電子機械的構成要素用の複合材を製造するための連続層において、中間層がＮｉ層とＣｕ層との２層連続層であり、前記Ｎｉ層（３１）が遮断層（２）と直接接触し、Ｃｕ層（３２）は反応層４と接触していることを特徴とする電子機械的構成要素用の複合材を製造するための連続層。
2. 反応層（４）が遮断層（２）および中間層よりも厚い厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の電子機械的構成要素用の複合材を製造するための連続層。
3. 基体（１）上の全層厚が３μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の電子機械的構成要素用の複合材を製造するための連続層。
4. 少なくとも１つの層が電気鍍金層、或いはＰＶＤ層またはＣＶＤ層であることを特徴とする請求項３に記載の電子機械的構成要素用の複合材を製造するための連続層。
5. 請求項１から４に記載の連続層を用いて製造された複合材。
6. 電子機械的構成要素、リードフレーム、又は、堅牢なフレキシブルプリント基板に使用することを特徴とする請求項５に記載の複合材の使用方法。

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