JP4986141B2 - Method for suppressing tin-plated needle whiskers - Google Patents
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本発明は、錫又は錫を主体とする金属メッキが施された電気・電子部品であるコネクタや端子から発生する錫メッキの針状ウィスカの発生を抑制する方法に関する。 The present invention relates to a method for suppressing the occurrence of tin-plated needle-like whiskers generated from a connector or a terminal, which is an electric / electronic component to which tin or a metal plating mainly composed of tin is applied.
電気・電子機器の実装部品等に鉛(特定有害物質)を含まない錫めっき(はんだメッキを含む)を施した場合、めっき部分から錫ウィスカが発生し、めっき初期に認められなくても時間経過と共に発生・成長するという現象が生じる。当該錫めっきをコネクタや端子に採用した場合、特に針状に成長するウィスカは、極間に接触することで電気回路の短絡という重大な障害を引き起こす心配があり、この予見が重要となっている。このような背景から、電子情報産業技術協会(JEITA)では、電子デバイスのウィスカ試験方法の標準化を行い、JIS原案の作成および国際電子技術委員会(IEC)国際提案が計画されている。
日米欧の研究機関・企業等では、この発生メカニズムの解明と抑制方法に取り組んでいるが、何れも抜本的な解決策が見出されていないという国際的緊急課題である。
When tin plating (including solder plating) that does not contain lead (specific hazardous substances) is applied to mounted parts of electrical and electronic equipment, tin whisker is generated from the plated part, and even if it is not recognized at the initial stage of plating, time passes The phenomenon that occurs and grows with it. When this tin plating is used for connectors and terminals, whiskers that grow in the shape of needles may cause a serious failure such as short circuit of the electric circuit due to contact between the electrodes, and this prediction is important. . Against this background, the Japan Electronics and Information Technology Association (JEITA) is standardizing electronic device whisker test methods, and drafting JIS drafts and international proposals for the International Electrotechnical Commission (IEC) are planned.
Research institutions and companies in Japan, the United States, and Europe are working on elucidation and suppression methods of this occurrence mechanism, but none of them are international urgent issues that no fundamental solution has been found.
これまで、鉛を含有する錫メッキが施された上述の部品からは針状ウィスカが発生し難いことが知られている。
しかし、昨今、地球環境問題に対する関心が高まる中、特に鉛の使用削減に対する要求が高くなってきている。
このような背景から鉛を含有しない錫メッキを施した部品の使用が急務になっているが、上述のウィスカ発生を完全に防止できる方法は未だ開示されていない。
Until now, it has been known that acicular whiskers are hardly generated from the above-described parts plated with tin containing lead.
However, in recent years, as interest in global environmental issues has increased, there has been an increasing demand for reducing the use of lead.
From such a background, it is an urgent need to use a tin-plated component that does not contain lead, but a method that can completely prevent the occurrence of the above whiskers has not yet been disclosed.
そこで、当該ウィスカを抑制する方法として、メッキ下地にニッケルめっきを施し、表層にビスマスを含有した錫メッキを使用する方法(特許文献1を参照)、メッキ膜の膜厚方向の錫合金成分含有率が増加するように合金成分に濃度勾配をもたせて錫合金めっき膜を形成する方法(特許文献2を参照)、表面処理剤ベンズイミダゾール化合物およびその塩を含むハンダ用の錫メッキ表面処理剤(特許文献3を参照)、錫又は錫合金メッキ膜を作成するためのメッキ液に、サッカリンナトリウムを含有させると共にメッキ時の電流密度を15mA/cm2以上、カソード電位を飽和カロメル電極(SCE)に対して900mV以上に制御する方法(特許文献4を参照)、 錫又は錫合金メッキ液の添加剤として、ビスフェノールAエチレンオキサイド付加物、ビスフェノールAプロピレンオキサイド付加物及びビスフェノールFプロピレンオキサイド付加物からの群から選ばれた少なくとも一種を含むものを使用する方法(特許文献5を参照)が開示されている。
また、銅等を導体パターンとするフィルムキャリアを製造するに際し、メッキ後にウィスカが発生したフィルムキャリアを精製水もしくはその加温中にて超音波を15秒間照射して、当該ウィスカを根本から切断除去し、更にフィルムキャリアを乾燥・焼鈍する方法(特許文献6を参照)が開示されている。
Therefore, as a method for suppressing the whisker, a method of using nickel plating on the plating base and using tin plating containing bismuth on the surface layer (see Patent Document 1), a tin alloy component content ratio in the film thickness direction of the plating film A method of forming a tin alloy plating film by giving a concentration gradient to the alloy component so that the amount of the alloy increases (refer to Patent Document 2), surface treatment agent for tin plating surface treatment agent containing benzimidazole compound and salt thereof (patent Reference 3), plating solution for producing tin or tin alloy plating film contains sodium saccharin, current density at the time of plating of 15 mA / cm 2 or more, and cathode potential with respect to saturated calomel electrode (SCE) A method of controlling to 900 mV or more (see Patent Document 4), as an additive for tin or tin alloy plating solution, bisphenol A ethylene oxide adduct, How to use those containing at least one selected from the group of phenol A propylene oxide adduct and bisphenol F propylene oxide adduct (see Patent Document 5) are disclosed.
Moreover, when manufacturing a film carrier having copper or the like as a conductor pattern, the film carrier in which whiskers are generated after plating is irradiated with ultrasonic waves for 15 seconds in purified water or while being heated, and the whiskers are cut and removed from the root. Furthermore, a method for drying and annealing the film carrier (see Patent Document 6) is disclosed.
以上のような方法が開示されているが、鉛が含有しない純錫メッキはもとより、ウィスカ発生を抑制するとされているビスマスや銀を含有した錫メッキにおいてもウィスカの発生は未だ完全に防止できていないことは、上述の電子情報産業技術協会(JEITA)・錫ウィスカ抑制技術研究委員会で周知されているとおりである。
また、この事実は、パナソニック四国エレクトロニクス株式会社が開発した銀含有量の最適化とメッキ膜厚(約1μm)の最適化による商品として公知となっているが、長さ10μm以下のウィスカは発生するものとしている。
Although the method as described above is disclosed, whisker generation has not been completely prevented even in tin plating containing bismuth or silver, which is supposed to suppress whisker generation, as well as pure tin plating not containing lead. The fact that there is nothing is as well known by the JEITA / Tin Whisker Control Technology Research Committee mentioned above.
This fact is known as a product developed by Panasonic Shikoku Electronics Co., Ltd. by optimizing the silver content and optimizing the plating film thickness (about 1 μm), but whiskers with a length of 10 μm or less are generated. It is supposed to be.
また、メッキ液の添加剤として種々の付加物を加える方法は、メッキ膜厚が2μmを超える部品では当該ウィスカの発生を完全に抑制できない等の課題がある。 Further, the method of adding various adducts as an additive for the plating solution has a problem that the generation of the whisker cannot be completely suppressed in a part having a plating film thickness exceeding 2 μm.
このように、上述の何れの方法も多品種の汎用電子部品であるコネクタや端子のメッキ部分に対する共通のウィスカ抑制方法としての採用が困難である。 As described above, any of the above-described methods is difficult to adopt as a common whisker suppressing method for plating parts of connectors and terminals, which are various types of general-purpose electronic components.
本発明に類似した方法として、特許文献6に示した「フィルムキャリアのウィスカー除去方法及びその装置」がある。
当該特許では開示されていないが、メッキ処理後に発生成長したウィスカを低周波数の超音波振動によって除去しようとしているものである。更にその後、成長の遅いウィスカの発生を抑制する補完方法として焼鈍熱処理を行っているものと推察する。
しかしながら、例え、成長したウィスカを他方法によって完全に除去しても長時間経過すると共に新たにウィスカが発生成長することは発明者によって確認されている。
また、焼鈍熱処理温度は開示されていないが、当該熱処理によって新たなウィスカの発生を完全に抑制できないことは、電子情報産業技術協会(JEITA)の「ウィスカ試験方法分科会」報告結果から予測される。
Although not disclosed in the patent, whiskers generated and grown after the plating process are to be removed by low-frequency ultrasonic vibration. Further, it is assumed that annealing heat treatment is subsequently performed as a supplementary method for suppressing the generation of slow-growing whiskers.
However, even if the grown whiskers are completely removed by other methods, for example, it has been confirmed by the inventors that a long time elapses and new whiskers are generated and grown.
In addition, although the annealing heat treatment temperature is not disclosed, it is predicted from the report result of the “Whisker Test Method Subcommittee” of the Japan Electronics and Information Technology Association (JEITA) that the generation of new whiskers cannot be completely suppressed by the heat treatment. .
本発明は、特に純錫メッキが施された電気・電子部品のコネクタや端子、半導体リードフレーム等において錫メッキの針状ウィスカの発生を抑制する方法を提供することを目的とするものである。 It is an object of the present invention to provide a method for suppressing the occurrence of tin-plated needle-like whiskers, particularly in connectors and terminals of electrical and electronic parts that have undergone pure tin plating, semiconductor lead frames, and the like.
本発明は、特に錫を主体とした鉛を含有しない金属メッキ、特に純錫メッキが施された電気・電子部品の後処理方法であって、錫メッキ・加工処理後の未だウィスカが出現していない段階(潜在期間)で、当該メッキ部を溶液中で超音波照射することによって錫メッキの針状ウィスカの発生を抑制することを特徴としている。換言すれば、ウィスカの発生する原因は、メッキ処理過程やその後の加工過程でメッキ膜に生じる応力の開放現象によって、酸化雰囲気中で錫原子がメッキ膜外に押し出されて単結晶として成長するとするものと考えられる。このメッキ膜外に押し出されるまでに一定の潜伏期間が存在するので、この潜伏期間中に超音波照射するものである。 The present invention is a post-treatment method for electrical / electronic parts, in particular, tin-based metal plating that does not contain lead, especially pure tin plating, and whisker after tin plating / processing is still present. It is characterized in that generation of tin-plated needle-like whiskers is suppressed by irradiating the plated part with ultrasonic waves in a solution at a non-existing stage (latent period). In other words, the cause of whiskers is that tin atoms are pushed out of the plating film in an oxidizing atmosphere and grow as a single crystal due to the release of stress generated in the plating film during the plating process and the subsequent processing process. It is considered a thing. Since there is a certain latent period before the metal is pushed out of the plating film, ultrasonic irradiation is performed during this latent period.
本発明は、前記超音波照射の反応場として、還元剤を溶解した溶液中や超音波照射による化学反応よって還元反応場を形成するポリオール(水酸基を2個以上含有する化合物)が含まれる液体中で超音波照射することを特徴としている。 In the present invention, as a reaction field for ultrasonic irradiation, in a solution containing a polyol (compound containing two or more hydroxyl groups) that forms a reduction reaction field in a solution in which a reducing agent is dissolved or a chemical reaction by ultrasonic irradiation. It is characterized by ultrasonic irradiation.
本発明は、特に錫を主体とした鉛を含まない金属メッキ膜表面からの錫メッキの針状ウィスカの発生を抑制する方法である。電気・電子部品の金属メッキ処理、切断・曲げ加工による外部応力が付与された直後に、還元剤としてクエン酸、シュウ酸又はその塩類、グリセリンの何れか一つまたはこれらを適量混合した溶液中で超音波を照射することで、メッキ膜表面から時間経過すると共に発生・成長するウィスカの発生を抑制することができる。
同様にメッキ膜の内部応力によって針状ウィスカが発生すると言われている半導体リードフレーム上からのウィスカの発生を抑制することができる。
この現象の全てが明らかになってはいないが、液体中に超音波を照射することによって、キャビテーションと呼ばれる気泡の発生、圧縮、崩壊過程がおこり、数千度、数千気圧の高温の反応場が形成される現象は公知の事実である。
この現象によって、メッキ膜に残留した応力集中の分散・緩和が還元反応場で行われて、針状のウィスカの成長が阻止されているものと推察している。
また、グリセリンによる還元反応場は、超音波照射によって、ポリオールが分解されて発生した水素で還元雰囲気が形成されているものと推察している。
尚、酸化雰囲気中では針状ウィスカの発生が助長されることが発明者によって確認されている。
従って還元反応場で超音波照射をことが必要条件である。
The present invention is a method for suppressing the occurrence of tin-plated needle-like whiskers from the surface of a metal-plated film mainly containing tin and not containing lead. Immediately after external stress due to metal plating treatment, cutting / bending processing of electrical / electronic parts is applied, any one of citric acid, oxalic acid or its salts, glycerin as a reducing agent, or a mixed solution of these in an appropriate amount By irradiating with ultrasonic waves, it is possible to suppress the generation of whiskers that are generated and grow with the passage of time from the surface of the plating film.
Similarly, it is possible to suppress the generation of whiskers from the semiconductor lead frame, which is said to generate needle-like whiskers due to the internal stress of the plating film.
Although all of this phenomenon has not been clarified, by irradiating the liquid with ultrasonic waves, bubbles are generated, compressed, and collapsed, called cavitation, resulting in a high-temperature reaction field of several thousand degrees and several thousand atmospheres. The phenomenon that is formed is a known fact.
It is presumed that, due to this phenomenon, the stress concentration remaining on the plating film is dispersed / relaxed in the reduction reaction field, thereby preventing the growth of needle-like whiskers.
The reduction reaction field by glycerin is presumed that a reducing atmosphere is formed by hydrogen generated by decomposing a polyol by ultrasonic irradiation.
In addition, it has been confirmed by the inventors that the generation of acicular whiskers is promoted in an oxidizing atmosphere.
Therefore, it is a necessary condition to irradiate ultrasonic waves in the reduction reaction field.
本発明によれば、従来技術のようにビスマス等の希少金属を添加することなく、また複雑な生産工程を経ることなく当該ウィスカの発生源から絶って防止することが可能になる。
また、部品の外部応力に起因すると言われているコネクタ端子あるいはFPC(Flexible Printed Circuit/FFC(Flexible Flat Cable)から発生するウィスカ、内部応力に起因すると言われている半導体リードフレームから発生するウィスカ等々、種々の形態で発生するウィスカに対応できる。
According to the present invention, it becomes possible to prevent the whisker from being generated without adding a rare metal such as bismuth as in the prior art and without going through a complicated production process.
Also, connector terminals or FSC (Flexible Printed Circuit / FFC (Flexible Flat Cable)) that are said to be caused by external stress of parts, whiskers that are caused by semiconductor lead frame that is said to be caused by internal stress, etc. It is possible to deal with whiskers generated in various forms.
以下、本発明の錫メッキの針状ウィスカの発生を抑制する方法を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
本発明である電気・電子部品のメッキ膜表面から発生する針状ウィスカの発生を抑制する方法として、コネクタ端子を例にして、図1の超音波照射装置にて説明する。
1は超音波照射装置であって、2は電気・電子部品のコネクタ端子、3は水槽、4は超音波振動子、5は水、6は収納槽、7は還元剤が溶解した溶液又はポリオールが含まれる液体である。
まず、メッキ処理後に切断や曲げ加工が施された電気・電子部品のコネクタ端子2は、前記超音波照射装置1内に収納され、所定時間の超音波が照射される。この超音波照射装置1は、水槽3の下面に超音波振動子4が設置され、水槽3内は、水5で満たされており、コネクタ端子2を収納する収納槽6が前記超音波振動子4に隣接するように設置されている。
この収納槽内6には、還元剤が溶解した溶液7又はポリオールが含まれる液体7で満たされており、コネクタ端子2がこの収納槽6に収納される。
そして、この状態で前記超音波振動子4を作動させ、液体7中に超音波を照射することによって、キャビテーションと呼ばれる気泡の発生、圧縮、崩壊過程がおこり、数千度、数千気圧の高温の反応場が形成される現象は公知の事実である。
この現象によって、コネクタ端子2のメッキ膜に残留した応力集中の分散・緩和が還元反応場で行われて、針状のウィスカの成長が阻止されているものと推察している。
Hereinafter, the best mode for carrying out the method for suppressing the occurrence of tin-plated needle whiskers of the present invention will be described with reference to the drawings.
As a method for suppressing the occurrence of needle-like whiskers generated from the surface of the plating film of the electric / electronic component according to the present invention, a connector terminal will be described as an example with reference to the ultrasonic irradiation apparatus of FIG.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 is an ultrasonic irradiation apparatus, 2 is a connector terminal of an electrical / electronic component, 3 is a water tank, 4 is an ultrasonic vibrator, 5 is water, 6 is a storage tank, 7 is a solution or polyol in which a reducing agent is dissolved It is a liquid containing.
First, the
The
In this state, the ultrasonic transducer 4 is operated, and ultrasonic waves are irradiated into the liquid 7 to generate, compress, and collapse bubbles called cavitation, resulting in a high temperature of several thousand degrees and several thousand atmospheres. The phenomenon that the reaction field is formed is a known fact.
It is presumed that, due to this phenomenon, the stress concentration remaining on the plating film of the
短時間の加熱・冷却過程で残留応力を付与された錫メッキ電子部品をグリセリン中で超音波周波数40kHz、合計90分間断続的に照射、その後に酸化雰囲気である大気中に40時間放置した場合の錫メッキ表面を走査型電子顕微鏡で観察した状態を図2に示す。写真のとおり、塊状の錫ウィスカが検出されているが、針状のウィスカの発生が抑制されて目的を達成していることが明らかになっている。
一方、本発明の超音波照射を行わないで、上記と同様に大気中に放置した場合は、図3に示すように大量の針状ウィスカが発生している。
因みに、従来使用されていた鉛入り金属メッキは、ウィスカが発生しないのではなく、ウィスカ形状が塊状であることに起因して短絡による障害が生じていなかったのである。
When tin-plated electronic components to which residual stress has been applied in a short heating / cooling process are intermittently irradiated in glycerin at an ultrasonic frequency of 40 kHz for a total of 90 minutes and then left in an oxidizing atmosphere for 40 hours FIG. 2 shows a state where the tin plating surface is observed with a scanning electron microscope. As shown in the photograph, massive tin whiskers are detected, but it is clear that the generation of needle-like whiskers is suppressed and the object is achieved.
On the other hand, when the ultrasonic wave irradiation of the present invention is not performed and left in the atmosphere in the same manner as described above, a large amount of needle whiskers are generated as shown in FIG.
Incidentally, the lead-containing metal plating that has been conventionally used does not generate whiskers, but does not cause a short-circuit failure due to the whisker shape being massive.
銅メッキ下地に純錫メッキを施した直径0.45mmの線材試料に曲げ応力を付与した直後にグリセリン中で周波数40kHz、60分間連続超音波照射、その後大気中に24時間放置した試料を光学顕微鏡で観察した結果を図4に示す。
また、同様に、0.4重量パーセントのクエン酸水溶液中(精製水)で周波数40kHz、60分間連続超音波照射、その後に24時間放置した試料を光学顕微鏡で観察した結果を図5に示す。何れの場合も針状のウィスカの発生が抑制されて目的を達成していることが明らかになっている。
一方、本発明の超音波照射を行わないで、上記と同様に大気中に放置した場合は、図6に示すように針状の長いウィスカが発生している。
Immediately after applying a bending stress to a 0.45 mm diameter wire sample with a pure tin plating on a copper plating base, the sample was left in the atmosphere for 24 hours after irradiating with ultrasonic waves in glycerin at a frequency of 40 kHz for 60 minutes. The results observed with are shown in FIG.
Similarly, FIG. 5 shows the result of observation with a light microscope of a sample that was continuously irradiated with ultrasonic waves in a 0.4 weight percent citric acid aqueous solution (purified water) at a frequency of 40 kHz for 60 minutes and then left for 24 hours. In any case, it has been clarified that the generation of needle-like whiskers is suppressed and the object is achieved.
On the other hand, when the ultrasonic wave irradiation of the present invention is not performed and the apparatus is left in the atmosphere in the same manner as described above, a long needle-like whisker is generated as shown in FIG.
1 超音波照射装置
2 コネクタ端子
3 水槽
4 超音波振動子
5 水
6 収納槽
7 溶液
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