JP4904810B2 - めっき皮膜及びその形成方法並びに電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、電気的な接続を必要とする電極部のめっき皮膜、特に、錫または錫合金からなる錫めっき層を含むめっき皮膜及びその形成方法並びにそのめっき皮膜を電極部に有する電子部品に関する。

電子部品の外部端子やコネクタ基材の表面には、はんだ接続を行うためのＳｎ（錫）またはＳｎを主成分とするＳｎ合金からなる金属薄膜がめっき皮膜として設けられている。このめっき皮膜は、従来ウィスカ（Whisker）対策でＳｎにＰｂ（鉛）を入れたＳｎ−Ｐｂめっきで形成されていたが、近年ではＰｂの弊害を考慮し、Ｐｂフリーの代替めっきとしてＳｎめっきや、Ｓｎ−Ｃｕ（銅）、Ｓｎ−Ｂｉ（ビスマス）、Ｓｎ−Ａｇ（銀）などのＳｎ合金めっきが採用されてきている。特に、Ｓｎめっきは価格やめっきの作業性などから、総合的にＰｂフリーめっきとして有力なものとなっている。

図５はこのようなＰｂフリーの従来のめっき皮膜の構造を示す断面図である。同図の（Ａ）は基材１０１上にＳｎＢｉ、ＳｎＡｇなどのＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎめっき層１０２を設けたものである。また、同図の（Ｂ）は基材１０１とＳｎめっき層１０２との間にＮｉ（ニッケル）などの下地層１０３を設けたものである。

上記のＰｂフリーのＳｎまたはＳｎ合金のめっき皮膜では、Ｓｎのウィスカが発生することがある。このウィスカは、金属めっき皮膜表面に発生するヒゲ状の結晶生成物であるが、電子部品の端子間距離などが狭くなっている現状では、電子部品の使用中にウィスカが発生、成長した場合に、隣接する電極間での電気的な短絡障害が発生する。また、ウィスカは直径が１μｍ程度で、長さは１ｍｍ以上も成長することがあり、電子部品を搭載した装置の内外でウィスカの飛散に伴う短絡障害も懸念される。

このＳｎウィスカの発生原因の一つとして、めっき皮膜の内部応力を駆動力とするＳｎの再結晶化が挙げられる。めっき皮膜の内部応力は、下地金属との格子不整合やめっき液の添加剤共析に伴う歪み、光沢剤によるめっき結晶粒の微細化による歪みなどによってめっき処理後にめっき皮膜内に蓄えられる応力である。Ｓｎウィスカの成長の原因であるＳｎの再結晶は、めっき皮膜の内部応力、つまりめっき皮膜中の歪みが大きい場合、短時間で再結晶する。

この対策として、めっき皮膜の内部歪みを極力抑えるために、添加する光沢剤の量を極端に減らしためっき液を使用する無光沢めっきが提案されている。また、約１５０℃での熱処理によりめっき皮膜の応力緩和（歪み開放）を行うことも知られている。更に、下地にＮｉめっきを施すことで、ある程度のＳｎウィスカの発生を抑制することも提案されている（図５の（Ｂ）参照）。

また、Ｎｉめっき層とＳｎめっき層との間に、ＣｕとＳｎを主成分とする拡散層やＮｉを主成分とする拡散層を設けることで、めっき材料としてのはんだ付け性、耐ウィスカ性及び耐熱性を保持させることも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２９３１８７号公報

しかしながら、上記のような従来のめっき皮膜にあっては、いずれにおいても、長期に亘ってＳｎウィスカの再結晶を抑制することはできず、ウィスカが発生するまでの時間を長くするだけに止まり、完全なウィスカレスには至っていない。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、ＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎめっき層を含むめっき皮膜において、ウィスカの発生及び成長を極力抑制することができるめっき皮膜及びその形成方法並びに電子部品を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、錫または錫合金を含むめっき皮膜であって、少なくとも、錫または錫合金からなる第１の錫めっき層と、前記第１の錫めっき層の表面に形成される錫より高い融点の金属からなる中間層と、前記中間層の表面に形成され、前記めっき皮膜の最表面に配置され、前記第１の錫めっき層よりも膜厚の小さい錫または錫合金からなる第２の錫めっき層と、の３つの層を有し、前記中間層を複数層有し、前記中間層間に錫または錫合金からなる１層または下層ほど膜厚が大きい複数の第３の錫めっき層を有し、前記第２の錫めっき層の膜厚が最も薄く形成され、前記第１の錫めっき層の膜厚が最も厚く形成されることを特徴とするめっき皮膜が提供される。

本発明のめっき皮膜及びその形成方法並びに電子部品は、めっき皮膜の最表面のＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎめっき層が薄膜であるとともに、中間層によって下層のＳｎめっき層からのＳｎ原子の供給を断つことができるので、ウィスカの発生及び成長を極力抑制することができるという利点がある。

図１は第１の実施の形態のめっき皮膜の構造を示す断面図である。第１の実施の形態のめっき皮膜は、ＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎめっき層を含むめっき皮膜であって、そのＳｎめっきから発生するウィスカの成長源となるＳｎ原子の供給を抑制し、ウィスカが発生しないか発生しても成長しにくい構造を有している。

すなわち、電子部品の電極部などの基材１上にＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎめっき層２を有し、このＳｎめっき層２の表面にＳｎより高い融点のＮｉなどの金属からなる略０．５μｍ〜１μｍの膜厚の中間層３を有するとともに、その中間層３の表面で、めっき皮膜の最表面にＳｎめっき層２よりも薄いＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎめっき層４を有している。このような構造のめっき皮膜においては、最表面のＳｎめっき層４が薄膜化されるので、ウィスカの成長源となるＳｎ原子の供給が抑制され、ウィスカの発生及び成長が極力抑制されることになる。したがって、ウィスカの発生に起因する短絡障害を防ぐことができる。特に、Ｓｎめっき層４を１μｍ以下とすることが好ましい。

また、Ｓｎめっき層４の下側の中間層３は略０．５μｍ〜１μｍの膜厚であるので、全体として十分な柔軟さを確保することができ、電気的に必要な接触面積が得られ、接触抵抗の増大を招くことはない。このため、コネクタや電極に必要な諸特性を損なわずに、ウィスカの発生を抑制することができる。

ウィスカは再結晶による生成物として成長するものであり、再結晶は内部歪みのない新しい結晶核の成長と粒成長によって元の結晶粒と置き換わる現象である。この再結晶と相まって、周辺からのＳｎ原子の供給も同時に起こり、針状の長いウィスカに成長する。しかし、本実施の形態のように、Ｎｉなどの中間層３が存在することにより、下層からのＳｎ原子の供給が断たれ、ウィスカの成長が停止する。

また、Ｎｉ層は引張応力を形成しやすいため、再結晶の駆動力となるＳｎ層の圧縮応力を抑制することができ、それらの相乗効果により、Ｓｎウィスカの成長をより一層抑制することができる。このように、ＳｎまたはＳｎ合金からなるＳｎめっき層を含むめっき皮膜において、ウィスカの発生及び成長を極力抑制することができる。

以下、第１の実施の形態のめっき皮膜の形成方法の具体例を説明する。
基材１となるリン青銅の試料に対し、前処理により表面を清浄化し、水洗する。ここでは、１０％の硫酸に３０秒間浸漬する。その後、この基材１上に膜厚４μｍのＳｎめっきを施してＳｎめっき層２を形成し、水洗後、膜厚１μｍのＮｉめっきを施して中間層３を形成する。そして、その表面に膜厚１μｍのＳｎめっきを施してＳｎめっき層４を形成する。これにより、図１に示すような構造のめっき皮膜が得られる。

次に、第２の実施の形態のめっき皮膜を説明する。
図２は第２の実施の形態のめっき皮膜の構造を示す断面図である。
第１の実施の形態のめっき皮膜と同一の構成要素については同一符号とする。

第２の実施の形態のめっき皮膜は、中間層３ａ，３ｂを２層設けている。これは、めっき皮膜の損傷を防止するためである。すなわち、コネクタは挟んだり押し当てたりするので、外部からの力がかかる。その際の膜の損傷は通常最表面だけであるが、万一中間層のＮｉ層を突き破った場合、下層からＳｎ原子が供給される危険性がある。そこで、中間層を２層ないし複数層にすることで、上記の危険性を回避することができる。また、通常引張応力を有するＮｉ層を複数層にすることで、ウィスカ発生の主要因であるＳｎ層の圧縮応力は更に減少し、ウィスカ抑制効果が増大する。なお、複数の中間層の間のＳｎめっき層２ａは下層ほど膜厚が大きいようにする。そして、最表面のＳｎめっき層４の膜厚が最も薄く形成され、基材１上のＳｎめっき層が最も厚く形成される。

以下、第２の実施の形態のめっき皮膜の形成方法を具体的に説明する。
第１の実施の形態のめっき皮膜の形成の際と同様に、基材１となるリン青銅の試料に対し、１０％の硫酸に３０秒間浸漬処理して表面を清浄化し、水洗する。その後、この基材１上に電解めっきにより膜厚３μｍのＳｎ皮膜を形成してＳｎめっき層２を形成し、水洗後、連続してスルファミン酸浴を用いて０．５μｍのＮｉ皮膜を形成し中間層３ａを形成する。水洗後、引き続いて膜厚２μｍのＳｎ皮膜を形成してＳｎめっき層２ａを形成し、更に、水洗後、連続して０．５μｍのＮｉ皮膜を形成し中間層３ｂを形成する。続いて水洗後、膜厚１μｍのＳｎ皮膜を形成してＳｎめっき層４を形成する。これにより、図２に示すような構造のめっき皮膜が得られる。

次に、第３の実施の形態のめっき皮膜を説明する。
図３は第３の実施の形態のめっき皮膜の構造を示す断面図である。
第１の実施の形態のめっき皮膜と同一の構成要素については同一符号とする。

第３の実施の形態のめっき皮膜は、基材１とＳｎめっき層２間にＮｉなどの下地層５を設けている。これは、基材１からのＣｕの拡散を抑制して、応力発生源となる化合物層の発生を抑えるためである。これに加えて、表面側に中間層３を設けることで、より確実にウィスカの発生を抑制することができる。

以下、第３の実施の形態のめっき皮膜の形成方法を具体的に説明する。
第１の実施の形態のめっき皮膜の形成の際と同様に、基材１となるリン青銅の試料に足し、１０％の硫酸に３０秒間浸漬処理して表面を清浄化し、水洗する。その後、この基材１上にスルファミン酸浴を用いて１μｍのＮｉ皮膜を形成し下地層５を形成する。水洗後、引き続いて膜厚４μｍのＳｎ皮膜を形成してＳｎめっき層２を形成し、更に、水洗後、連続して０．５μｍのＮｉ皮膜を形成し中間層３を形成する。更に水洗後、最表面に膜厚１μｍのＳｎ皮膜を形成してＳｎめっき層４を形成する。これにより、図３に示すような構造のめっき皮膜が得られる。

図１〜図３で示したような本実施の形態のめっき皮膜を上記の条件で形成した試料と、リファレンスとして５μｍのＳｎ単層の試料について、ウィスカ発生評価を行った。評価方法として、上記のめっき皮膜を作製した試験片を常温及び５０℃、５０％の条件下で２０００時間放置し、ウィスカ発生の有無を観察した。観察には１００倍の顕微鏡を用い、ウィスカ発生を確認した時点で、適時より高倍の顕微鏡で詳細な長さを観察した。その結果、Ｓｎ単層の試料では常温放置で５００μｍ以上、５０℃、５０％で２００μｍ程度のウィスカの発生が確認されたのに対し、図１〜図３で示したような、本実施の形態のめっき皮膜を形成した試料では２０μｍ以上に成長したウィスカは皆無であった。

以上のようなめっき皮膜を電子部品の電極部に設けることで、短絡障害のない信頼性の高い電子部品を実現することができる。
図４は、本実施の形態のめっき皮膜を適用可能な電子部品の例を示す図である。

本実施の形態のめっき皮膜は、例えばＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）（またはＦＦＣ（Flexible Flat Cable））１０の電極部１１など、コネクタなどとの結合部（パット部）の表面に適用することができる。

その他にも、電気的な接続を必要とする電極部として、ケーブル配線の圧着部材など様々な形状のものに適用可能である。
（付記１） 錫または錫合金を含むめっき皮膜であって、少なくとも、
錫または錫合金からなる第１の錫めっき層と、
前記第１の錫めっき層の表面に形成される錫より高い融点の金属からなる中間層と、
前記中間層の表面に形成され、前記めっき皮膜の最表面に配置され、前記第１の錫めっき層よりも膜厚の小さい錫または錫合金からなる第２の錫めっき層と、
の３つの層を有することを特徴とするめっき皮膜。

（付記２） 前記第２の錫めっき層は、略１μｍ以下の膜厚であることを特徴とする付記１記載のめっき皮膜。
（付記３） 前記中間層は、略０．５μｍ〜１μｍの膜厚であることを特徴とする付記１記載のめっき皮膜。

（付記４） 前記中間層はニッケルにより構成されていることを特徴とする付記１記載のめっき皮膜。
（付記５） 前記中間層を複数層有し、前記中間層間に錫または錫合金からなる第３の錫めっき層を有し、前記第３の錫めっき層は下層ほど膜厚が大きく、かつ、前記第２の錫めっき層よりも膜厚が大きいことを特徴とする付記１記載のめっき皮膜。

（付記６） 前記基材と前記第１の錫めっき層との間にニッケルにより構成される下地層を有することを特徴とする付記１記載のめっき皮膜。
（付記７） 錫または錫合金を含むめっき皮膜の形成方法において、
錫または錫合金からなる第１の錫めっき層を形成し、
前記第１の錫めっき層の表面に、錫より高い融点の金属からなる中間層を形成し、
前記中間層の表面に、前記めっき皮膜の最表面に配置され、前記第１の錫めっき層よりも膜厚の小さい錫または錫合金からなる第２の錫めっき層を形成する工程を含むことを特徴とするめっき皮膜の形成方法。

（付記８） 基材表面または基材に施された下地層表面に形成される錫または錫合金からなる第１の錫めっき層と、
前記第１の錫めっき層の表面に形成される錫より高い融点の金属からなる中間層と、
前記中間層の表面に形成され、めっき皮膜の最表面に配置され、前記第１の錫めっき層よりも膜厚の小さい錫または錫合金からなる第２の錫めっき層と、
を有するめっき皮膜を電極部に有することを特徴とする電子部品。

第１の実施の形態のめっき皮膜の構造を示す断面図である。 第２の実施の形態のめっき皮膜の構造を示す断面図である。 第３の実施の形態のめっき皮膜の構造を示す断面図である。 本実施の形態のめっき皮膜を適用可能な電子部品の例を示す図である。 従来のめっき皮膜の構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 基材
２，２ａ，４ Ｓｎめっき層
３，３ａ，３ｂ 中間層
５ 下地層

Claims (4)

1. 錫または錫合金を含むめっき皮膜であって、少なくとも、
   錫または錫合金からなる第１の錫めっき層と、
   前記第１の錫めっき層の表面に形成される錫より高い融点の金属からなる中間層と、
   前記中間層の表面に形成され、前記めっき皮膜の最表面に配置され、前記第１の錫めっき層よりも膜厚の小さい錫または錫合金からなる第２の錫めっき層と、
   の３つの層を有し、
   前記中間層を複数層有し、前記中間層間に錫または錫合金からなる１層または下層ほど膜厚が大きい複数の第３の錫めっき層を有し、
   前記第２の錫めっき層の膜厚が最も薄く形成され、前記第１の錫めっき層の膜厚が最も厚く形成されることを特徴とするめっき皮膜。
2. 前記第２の錫めっき層は、１μｍ以下の膜厚であることを特徴とする請求項１記載のめっき皮膜。
3. 錫または錫合金を含むめっき皮膜の形成方法において、
   錫または錫合金からなる第１の錫めっき層を形成し、
   前記第１の錫めっき層の表面に、錫より高い融点の金属からなる複数層の中間層を形成し、
   前記中間層の表面に、前記めっき皮膜の最表面に配置され、前記第１の錫めっき層よりも膜厚の小さい錫または錫合金からなる第２の錫めっき層を形成し、
   前記中間層間に錫または錫合金からなる１層または下層ほど膜厚が大きい複数の第３の錫めっき層を形成し、
   前記第２の錫めっき層の膜厚を最も薄く形成し、前記第１の錫めっき層の膜厚を最も厚く形成する工程を含むことを特徴とするめっき皮膜の形成方法。
4. 基材表面または基材に施された下地層表面に形成される錫または錫合金からなる第１の錫めっき層と、
   前記第１の錫めっき層の表面に形成される錫より高い融点の金属からなる中間層と、
   前記中間層の表面に形成され、めっき皮膜の最表面に配置され、前記第１の錫めっき層よりも膜厚の小さい錫または錫合金からなる第２の錫めっき層と、
   を有し、
   前記中間層を複数層有し、前記中間層間に錫または錫合金からなる１層または下層ほど膜厚が大きい複数の第３の錫めっき層を有し、
   前記第２の錫めっき層の膜厚が最も薄く形成され、前記第１の錫めっき層の膜厚が最も厚く形成されるめっき皮膜を電極部に有することを特徴とする電子部品。
   

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