JP4889422B2

JP4889422B2 - 接続端子のリフロー処理方法

Info

Publication number: JP4889422B2
Application number: JP2006258249A
Authority: JP
Inventors: 文夫大下
Original assignee: 株式会社高松メッキ
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP2008075161A

Description

この発明は、コネクタ等の錫めっき接続端子のリフロー処理方法に関する。

例えば、自動車や各種電気・電子機器の電気配線のコネクタに使用される接続端子は、銅−亜鉛合金の基体に錫めっき（又は錫合金めっき）を施したものが使用される。錫めっきの主な目的は、端子の接続時に端子部の錫めっきの表面酸化皮膜が摩擦によって破壊されることにより、新鮮な錫が凝着して低い接触抵抗を安定して得られるためである。こうして得られる錫めっきの接触抵抗は、高価な銀めっきに匹敵するほど小さい。錫めっきには、その後に半だ付けする場合の半田濡れ性にも優れており、光沢めっきが可能で、外観も美麗であるという利点もある。

錫めっきの一般的な問題として、めっき後の環境変化によりウィスカーと呼ばれるヒゲ状の析出物が生成し、それが短絡等の原因となることは良く知られている。このウィスカーを経時ウィスカーと称することもある。経時ウィスカーは、錫めっき皮膜の応力発生構造に原因があると考えられており、めっき皮膜の応力を解決するために、錫めっき後にリフローと呼ばれる熱処理により一旦溶融し再結晶化が行われる。さらに、ウィスカーの抑制には銅または銅合金の基体の表面に下地ニッケルめっきを施すことが有効であることが知られている（非特許文献１参照）。いずれにしても、従来、リフロー処理に要する加熱には、遠赤外線の照射を行い、或いはガスバーナーや熱風の放射、オーブンによる加熱が行われていた。
電気鍍金研究会編「環境調和型めっき技術」２６頁

リフロー処理のための上記のような従来の加熱方式によれば、酸素濃度の比較的高い大気又は雰囲気中での加熱であること、また、加熱対象に与える単位時間の熱量（伝熱効率）に不足があること、また、異形状の物体に対しては加熱に均等性が得られないこと等が原因とする不都合な面が生じていた。次に、その問題点を考察する。

リフローする目的は、めっき皮膜の内部応力を緩和することにあるが、これの代償として膜全体が高温下に晒されるので、錫めっきの表面が熱酸化する。また、下地金属の拡散により皮膜内部への酸素の供給が進み、皮膜全体が酸化する。例えば、導電性基体が黄銅のような亜鉛含有銅合金である場合、基体から亜鉛が錫めっき皮膜中に拡散して、めっき皮膜の表面に酸化亜鉛の層が生じる。特にリフロー部中には亜鉛の拡散が起こりやすい。めっき表面に生成した酸化亜鉛の層は、めっき皮膜の耐食性の低下と変色を生ずる上、接触抵抗の著しい増大をもたらす。ところで、これらの問題は、低酸素雰囲気中でリフロー処理することで問題が解決できることである。また、加熱による溶融が基体や下地金属（下地めっき層）に及ばないよう加熱が表層にのみ瞬間的に及ぶことが酸化防止の問題の解決に資することにもなる。この発明はこれらの考えに基づくもので、これは次のような不都合な合金の生成問題とも関連する。

加熱が銅−亜鉛合金の基体に及ぶと、下地金属と錫の合金層が成長し、これらは錫に比べ硬度が高く、皮膜が脆くなり、また半田濡れ性も悪くなる。接点部は問題なく使用できたとしても、実装部は半田濡れ性が重視されるので、リフロー品はこの点で問題があった。この問題は、下地金属に溶融するまで加熱が及ばない表層限定加熱で防止できるが、接続端子の異形状のために加熱に均等性が得られないことから、特にバーナなどによる直接加熱では、加熱部分がその陰となる部分に比して過剰な加熱となることも原因して、基体にまで及ぶ深部過剰加熱となることは避けられなかった。

上記の問題としての下地金属と錫との不都合な合金層の成長防止のために、前記のように基体の表面に下地ニッケルめっきを施した場合には、下地ニッケルめっきは、亜鉛等の成分が基体から錫めっき中に拡散するのをのを防止するバリア層となるが、この場合であると、リフローによりニッケル錫金属間化合物が生じ、これが皮膜硬度上昇を招き、その結果、被接続部品を損傷させる不都合があった。このような問題も深部過剰加熱を防止することで防ぐことができると考えられる。

この発明は、上記のような実情に鑑みて、低酸素雰囲気中における加熱であるため、錫めっきの酸化を有効に防止でき、しかも、瞬間的かつ均等な加熱により表層のみの局部的溶融が可能であるために、たとえ異形の接続端子であっても、製品の表層において不都合な酸化や合金の生成を防止できる接続端子のリフロー処理方法を提供することを課題とした。

上記の課題を解決するために、この発明は、導電性基体の表面に直接または異種金属の下地めっき層を介して錫めっき又は錫合金めっきを施し、この表面錫めっき層が形成された接続端子について、加熱水蒸気の雰囲気中においてその熱により、錫めっき層のみを溶融してなすことを特徴とする接続端子のリフロー処理方法を提供するものである。

接続端子のリフロー処理方法を上記のように構成したから、加熱水蒸気の雰囲気中では、酸素濃度が０．５％以下の低酸素状態となっているので、錫めっきが溶融する温度においてもその酸化が防止され、下地めっき層があっても、その層の酸化も防止される。

また、加熱水蒸気は、大気と比較して熱伝導率が高く、しかも、高い潜熱を保有するために、単位時間当たりにおいて加熱水蒸気から接続端子に伝達される熱量が多く、加熱水蒸気の温度が低くても、瞬間的に多量の熱が製品内部に投入されるという点で加熱効率が高く、加熱水蒸気が低温溶融点においても錫めっき層のみが短時間に溶融する。そのため、接続端子基体金属や下地めっき層に溶融が及ばないように制御しやすい。このことから、錫めっき層が基体金属又は下地めっき層との間に新たに合金を合成するということはなくなる。

この点に関しては、錫試験片（接続端子の錫めっきではない）を溶融する場合について、溶融伝熱媒体が加熱水蒸気では３５０°Ｃで溶融するとすると、同じ時間で溶融するには、ガスバーナでは１０００°Ｃ、熱風では４００°Ｃであった。このことは、加熱水蒸気が潜熱と伝熱性で非常に優れた性質を有していることを示している。

さらに、加熱水蒸気は、気体の特性として、製品としての接続端子に対する熱分布が均一となり、異形状であってもそれにリフロー処理の熱を均一に及ばせ溶融できる。このことは、入り込んだ言わば異形の陰となる部分をリフロー処理するために、直接加熱となる部分を過剰に加熱しないで済むことになる。このため、その部分の酸化および不都合な合金の発生を防止できることになる。

以上説明したように、この発明によれば、加熱水蒸気による低酸素雰囲気中における加熱であるため、錫めっきの酸化を防止でき、しかも、加熱水蒸気の熱伝導率および潜熱としての性質が伴って、瞬間的かつ均等な加熱により、表層のみの局部的溶融が可能であるために、異形の電子部品であっても、錫めっきとその下層の金属とが同時に溶融することによる不都合な合金の発生が防止されるよう制御しやすく、また、熱効率が良好であるので、省エネにも適するなどの優れた効果がある。

また、請求項２によれば、溶融が錫めっき層のみに止まるよう制御しやすい。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。ただし、以下の説明は例示にすぎず、本発明方法はこれによって制限されるものではない。

接続端子１としては、コネクタの他、例えば、リードフレーム、チップコンデンサ、半導体パッケージ、スイッチ、リレー等が挙げられ、およそ電気的接続のための嵌合部や接続部を有する接続端子に有効に実施され得る。

加熱水蒸気を得るには、不純物を含まない純粋ないし蒸留水を使用し、これを加熱することにより飽和水蒸気を発生させ、加熱管の中を通し再過熱することによりリフロー処理に必要な熱量をその蒸気に蓄積させる。なお、加熱水蒸気を発生させるための加熱方式を燃料等で大別すると、（イ）液体燃料燃焼方式、（ロ）ガス燃焼方式、（ハ）電気加熱方式（ヒータ、誘導加熱）とがある。そのうち、誘導加熱を利用した加熱水蒸気発生装置については、加熱管の束に電流を通すコイルを巻いた装置が開発されている（第一高周波工業株式会社：ＤＨＦＳｕｐｅｒ−Ｈｉ「スーパーハイ」）。これによれば、従来のバーナや電気ヒータ式に比べ、急速な昇温・正確な温度制御などができる特徴を有しており、また、手軽に使用できる等の利点もある。

加熱水蒸気を用いるリフロー処理については、次のような形態をとることができる。
（１）加熱水蒸気が噴射するノズルまたは接続端子のいずれかを移動させ、この相対的移動により加熱水蒸気を接続端子に全面的に又は必要な箇所に限って走査させる。
（２）加熱水蒸気が噴射により充満されたトンネル内の雰囲気中に接続端子をくぐらせる（トンネル通過方式）。
（３）加熱水蒸気が噴射により充満されるケース内の雰囲気に接続端子を入れ出しする。これは浸漬方法とも言える。
（４）接続端子を予め冷却しておいてから、上記の（１）、（２）、（３）のいずれかにリフロー処理温度に達した加熱水蒸気を当てる。
（５）上記いずれか（（１）〜（４））によりリフロー処理の加熱溶融を行った直後に、溶融が深く進行しないように止めるために冷却する。
（６）その他

前記（１）の走査の方法としては、一個のノズルによる走査でも良いが、多数のノズルが配列された加熱水蒸気の噴射装置を用い、リフローの能率化を図ることもできる。なお、加熱時間については、加熱水蒸気の温度はもちろんのこと、接続端子の材質、大きさ、形状、さらに接続端子の表層の構造、錫めっきの厚みなど、様々な条件によって異なるが、例えば、（１）の噴射方式によれば、走査速度を５０ｃｍ／ｓとする。

さらに具体的に説明するために、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、この発明方法を説明するためのリフロー処理装置の一例を示したものであるが、このような装置に限られないことは言うまでもなく、方法としての実施形態は様々となることは前述の通りである。

図２は、異なる接続端子１，１の表層断面を拡大した２例（ａ），（ｂ）を示し、（ａ）の接続端子１では、基体２の表面に錫めっき層４（錫めっき皮膜）が形成される。他方（ｂ）の接続端子１では、基体２の表面に下地めっき層３を介してその上に錫めっき層４が形成されている。基体２は銅−亜鉛合金であり、下地めっき層３は、ニッケルめっきである。前述の如く、下地ニッケルめっきは、基体２の亜鉛等の成分が基体から錫めっき中に拡散するのをのを防止するバリア層として利用される。

図示のリフロー処理装置は、錫めっきが施された製品としての接続端子１の加熱について、前記（２）のトンネル通過方式をとったものであるが、加熱トンネル５と、冷却トンネル６とを直列に列設し、両方に無端の循環型のワイヤーコンベア７を通し、加熱トンネル５に加熱水蒸気の発生装置１１を、冷却トンネル６には不活性ガス発生装置１２をそれぞれ備えている。

加熱トンネル５は、周壁が加熱水蒸気を通す空洞１３となっており、空洞１３から加熱水蒸気が噴出される多数のノズル１５，１５，・・が突設され、これらが中心に向かっているが、方向を自在に変向できるようにもなっている。また、加熱トンネル５の内部は３００°Ｃ〜５００°Ｃに温度調整可能であって、その温度が安定して得られるように両端はエアーカーテン１７，１７で封じられる。

冷却トンネル６は、同じように周壁が空洞１８となっており、内面には同じように、チッ素ガスが噴出するノズル１９，１９，・・が突設され、ここでも両端にエアーカーテン２０，２０で封じる装置が具備されている。

ワイヤーコンベア７は、駆動プーリ２１と従動プーリ２３とに掛けられ、それには取付具２５，２５，・・が装着されているので、それに接続端子１を吊り下げて加熱トンネル５と冷却トンネル６とに通過させる。そうすれば、加熱トンネル５の中が酸素濃度が５％程度に極めて低いために、加熱トンネル５の内部温度が高くても錫めっき層４が酸化しない。また、加熱トンネル５から出されても、直後に冷却トンネル６でチッ素ガスの噴射を受けてその雰囲気の中で冷却されるので、大気により酸化されるということもなく、ここでは深部過剰加熱が止められる。

加熱トンネル５は、例えば３５０°Ｃに温度設定する。これは、錫めっき層４を溶融させるのに、比較的低い温度であるが、リフロー処理に必要な表層Ａのみが瞬時に溶融する。それは、比較的低温であっても、加熱水蒸気が熱伝導性が良好であるとともに、高い潜熱を保有しているので、錫めっき層４の表面に接触すると一瞬に表層部Ａへその部分を溶解する大量の熱が投入されるからである。ちなみに、バーナ等で高温で溶解させるとすると、Ａに限定した瞬間的な溶解状態が得られない。

瞬間的な表層部Ａのみの溶解は、接続端子１が異形の複雑な形状であっても、その全面に均等に及ぶので、この状態において、冷却トンネル６に位置変換されると、溶解が固化するとともに、溶解が深部に及ばない。そのため、（ａ）の場合であると、基体２の亜鉛と錫との合金が生じる不都合が防止され、また、基体から亜鉛が錫めっき皮膜中に拡散して、めっき皮膜の表面に酸化亜鉛の層が生じる不都合が防止される。また、（ｂ）の場合であると、硬度の高いニッケル錫金属間化合物が生じるということがない。

以上のような方法の実施においては、接続端子１が酸素にさらされないというだけでなく、深部に過剰加熱が及ばないので、必要最小限の溶融によりウイスカーの発生の原因となる内部応力を有効に解消できた。そして、接続端子１には、錫めっき層４の表層ばかりでなく、下地めっき層３や基体２に及ぶような酸化が防止でき、また、これら金属間の化合物が生じるような不都合がなく、また、熱効率が良好であるために省エネに適することも分かった。

この発明の接続端子のリフロー処理方法を実施するためのリフロー処理装置の一例を示す説明図である。異なる２個の接続端子にこの発明のリフロー処理方法を施した（ａ），（ｂ）２例の拡大断面図である。

符号の説明

１接続端子
２接続端子の基体
３下地めっき層
４錫めっき層
５加熱工程となる加熱トンネル
６冷却工程となる冷却トンネル

Claims

導電性基体の表面に直接または異種金属の下地めっき層を介して錫めっき又は錫合金めっきを施し、この表面錫めっき層が形成された接続端子について、加熱水蒸気の雰囲気中においてその熱により、錫めっき層のみを溶融してなすことを特徴とする接続端子のリフロー処理方法。
リフロー処理のための前記加熱水蒸気の雰囲気による加熱工程の直後に、不活性ガスの雰囲気により錫めっき層のみに溶融を止める冷却工程を設けることを特徴とする請求項１記載の接続端子のリフロー処理方法。