JP5280957B2 - Conductive member and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気接続用コネクタ等に用いられ、Cu又はCu合金からなる基材の表面に複数のめっき層を形成した導電部材及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a conductive member used for an electrical connection connector or the like, in which a plurality of plating layers are formed on the surface of a base material made of Cu or Cu alloy, and a method for manufacturing the same.
自動車の電気接続用コネクタやプリント基板の接続端子等に用いられる導電部材として、電気接続特性の向上等のために、Cu又はCu合金からなるCu系基材の表面にSn系金属のめっきを施したものが多く使用されている。
そのような導電部材として、例えば特許文献1又は特許文献2記載のものがある。これら特許文献記載の導電部材は、Cu又はCu合金からなる基材の表面にNi、Cu、Snを順にめっきして3層のめっき層を形成した後に、加熱してリフロー処理することにより、最表面層にSn層が形成され、Ni層とSn層との間にCu−Sn金属間化合物層(例えばCu6Sn5)が形成された構成とされている。
As a conductive member used for automobile electrical connectors and printed circuit board connection terminals, Sn-based metal plating is applied to the surface of a Cu-based substrate made of Cu or a Cu alloy for the purpose of improving electrical connection characteristics. Many of them have been used.
Examples of such a conductive member include those described in Patent Document 1 or
ところで、このようなコネクタや端子が自動車のエンジン廻りのような例えば150℃程度にまで達する高温環境下で使用される場合、その高温に長時間さらされることにより、SnとCuとが互いに熱拡散して表面状態が経時変化し易く、接触抵抗が上昇する傾向がある。また、Cu系基材の表面にCuの拡散によってカーケンダルボイドが発生して、剥離が生じるおそれもあり、これらの解決が望まれている。
一方、コネクタに用いる場合には、回路の高密度化に伴いコネクタも多極化し、自動車配線の組み立て時の挿入力が大きくなってきているため、挿抜力を小さくすることができる導電部材が求められている。
By the way, when such a connector or terminal is used in a high temperature environment such as around an automobile engine, for example, reaching about 150 ° C., Sn and Cu are thermally diffused by being exposed to the high temperature for a long time. Thus, the surface state tends to change with time, and the contact resistance tends to increase. Further, Kirkendall voids are generated on the surface of the Cu-based substrate due to the diffusion of Cu, and peeling may occur. These solutions are desired.
On the other hand, when used for a connector, as the circuit density increases, the connector also becomes multipolar, and the insertion force at the time of assembling the automobile wiring has increased. Therefore, a conductive member that can reduce the insertion / extraction force is required. ing.
本出願人は、かかる課題解決のために、先に特願2009−9752号を出願し、安定した接触抵抗を有するとともに、剥離し難く、また、コネクタとして用いる場合に挿抜力を小さくかつ安定させることができる導電部材及びその製造方法を提供した。
本発明はこの出願に係る発明の改良であり、さらなる耐熱性を高めることを目的とする。
In order to solve such problems, the present applicant has previously filed Japanese Patent Application No. 2009-9752, having a stable contact resistance, being difficult to peel off, and making the insertion / extraction force small and stable when used as a connector. An electrically conductive member that can be manufactured and a method for manufacturing the same are provided.
The present invention is an improvement of the invention according to this application, and aims to further increase heat resistance.
本発明者は、従来のめっき表面を分析したところ、従来技術のめっき材の断面は下地銅合金、Ni層、Cu6Sn5層、Sn系めっき層の3層構造となっているが、Ni層の上のごく一部にCu3Sn層が存在することを確認した。そして、このCu6Sn5層とCu3Sn層とがNi層の上に所定の状態で混在していることが、高温時の接触抵抗、カーケンダルボイドの発生、コネクタでの使用時の挿抜力に影響することを見出した。
また、さらなる耐熱性向上のために、Sn系めっき層の上にAg3Sn合金層を形成することが好適であることがわかった。
The present inventor analyzed the conventional plating surface, and the cross section of the conventional plating material has a three-layer structure of a base copper alloy, a Ni layer, a Cu 6 Sn 5 layer, and a Sn-based plating layer. It was confirmed that a Cu 3 Sn layer was present in a very small part on the layer. The Cu 6 Sn 5 layer and the Cu 3 Sn layer are mixed in a predetermined state on the Ni layer, so that contact resistance at high temperatures, generation of Kirkendall voids, insertion / removal when used in connectors I found that it affects power.
Moreover, for further improving heat resistance, to form the
すなわち、本発明の導電部材は、Cu系基材の表面に、Ni系下地層を介して、Cu−Sn金属間化合物層、Sn系めっき層がこの順に形成されるとともに、Cu−Sn金属間化合物層はさらに、前記Ni系下地層の上に配置されるCu3Sn層と、該Cu3Sn層の上に配置されるCu6Sn5層とからなり、これらCu3Sn層及びCu6Sn5層を合わせた前記Cu−Sn金属間化合物層の前記Sn系めっき層と接する面に凹凸を有しており、その凹部の厚さが0.05〜1.5μmとされ、かつ、前記Ni系下地層に対するCu3Sn層の面積被覆率が60%以上であり、前記Cu−Sn金属間化合物層の前記凹部に対する凸部の厚さの比率が1.2〜5であり、前記Cu3Sn層の平均厚さは0.01〜0.5μmであり、さらに、前記Sn系めっき層に厚さ0.01〜0.5μmのAg3Sn合金層が形成されていることを特徴とする。 That is, in the conductive member of the present invention, a Cu-Sn intermetallic compound layer and an Sn-based plating layer are formed in this order on the surface of a Cu-based substrate via a Ni-based underlayer, and between the Cu-Sn intermetallic layers. compound layer further wherein the Cu 3 Sn layer disposed on the Ni-based base layer composed of a Cu 6 Sn 5 layer disposed on the said Cu 3 Sn layer, these Cu 3 Sn layer and Cu 6 The Cu-Sn intermetallic compound layer combined with the Sn 5 layer has irregularities on the surface in contact with the Sn-based plating layer, the thickness of the concave portion is 0.05 to 1.5 μm, and The area coverage of the Cu 3 Sn layer with respect to the Ni-based underlayer is 60% or more, the ratio of the thickness of the convex portion to the concave portion of the Cu—Sn intermetallic compound layer is 1.2 to 5, and the Cu 3 Sn The average thickness of the layer is 0.01 ~ 0.5μm Further characterized in that Ag 3 Sn alloy layer having a thickness of 0.01~0.5μm the Sn-based plating layer is formed.
この導電部材は、Ni系下地層とSn系めっき層との間のCu−Sn金属間化合物層が、Cu3Sn層とCu6Sn5層との二層構造とされ、その下層のCu3Sn層がNi系下地層を覆い、その上から被さるようにCu6Sn5層が存在している。このCu3Sn合金層とCu6Sn5層とを合わせたCu−Sn金属間化合物層は、その膜厚が必ずしも一様ではなく、凹凸を有しているが、その凹部の厚さが0.05〜1.5μmであることが重要である。0.05μm未満では、高温時に凹部からSnがNi系下地層へと拡散し、Ni系下地層に欠損が発生するおそれがあり、その欠損により、基材のCuが拡散してCu6Sn5層が表面まで達し、表面にCu酸化物が形成されることにより、接触抵抗が増大することになる。また、このとき、Ni系下地層の欠損部からのCuの拡散により、カーケンダルボイドが発生し易い。一方、凹部の厚さが1.5μmを超えると、Cu−Sn合金層がもろくなり、曲げ加工時にめっき皮膜の剥離が発生しやすくなる。したがって、Cu−Sn金属間化合物層の凹部の厚さは、0.05〜1.5μmが望ましい。
そして、このように所定の厚さのCu−Sn金属間化合物層がSn系めっき層の下層に配置されることにより、柔軟なSnの下地を硬くして、多極コネクタなどで使用したときの挿抜力の低減及びそのバラツキの抑制を図ることができる。
In this conductive member, the Cu—Sn intermetallic compound layer between the Ni-based underlayer and the Sn-based plating layer has a two-layer structure of a Cu 3 Sn layer and a Cu 6 Sn 5 layer, and the lower Cu 3 layer. The Cu 6 Sn 5 layer is present so that the Sn layer covers the Ni-based underlayer and covers it. The Cu—Sn intermetallic compound layer formed by combining the Cu 3 Sn alloy layer and the Cu 6 Sn 5 layer is not necessarily uniform in film thickness and has irregularities, but the thickness of the recesses is 0. It is important that the thickness is 0.05 to 1.5 μm. If it is less than 0.05 μm, Sn diffuses from the recesses to the Ni-based underlayer at high temperatures, and there is a risk of defects occurring in the Ni-based underlayer. Due to the defects, Cu of the base material diffuses to form Cu 6 Sn 5. When the layer reaches the surface and Cu oxide is formed on the surface, the contact resistance is increased. Further, at this time, Kirkendall voids are likely to be generated due to diffusion of Cu from the defect portion of the Ni-based underlayer. On the other hand, when the thickness of the recess exceeds 1.5 μm, the Cu—Sn alloy layer becomes brittle, and the plating film is easily peeled off during bending. Therefore, the thickness of the concave portion of the Cu—Sn intermetallic compound layer is desirably 0.05 to 1.5 μm.
And when the Cu—Sn intermetallic compound layer having a predetermined thickness is arranged in the lower layer of the Sn-based plating layer in this way, the flexible Sn base is hardened and used when used in a multipolar connector or the like. Reduction of insertion / extraction force and suppression of variation thereof can be achieved.
また、Ni系下地層に対するCu3Sn層の面積被覆率が60%以上としたのは、その被覆率が低いと、被覆されていない部分から高温時にNi系下地層のNi原子がCu6Sn5層に拡散して、Ni系下地層に欠損が発生し、その欠損部分から基材のCuが拡散することにより上記の場合と同様に接触抵抗の増大やカーケンダルボイドの発生を招くからである。この高温時の接触抵抗の増大やカーケンダルボイドの発生を防止して、従来技術以上の耐熱性を実現するためには、Ni系下地層が少なくとも60%以上被覆されていることが必要であり、さらに80%以上の面積被覆率とすることが望ましい。 The reason why the area coverage of the Cu 3 Sn layer with respect to the Ni-based underlayer is 60% or more is that when the coverage is low, the Ni atoms in the Ni-based underlayer are Cu 6 Sn at high temperatures from the uncoated portion. This is because the Ni-based underlayer is deficient in five layers and the Cu of the base material diffuses from the deficient portion, resulting in increased contact resistance and generation of Kirkendall voids as in the above case. is there. In order to prevent this increase in contact resistance at high temperatures and the generation of Kirkendall voids and to achieve heat resistance higher than that of the prior art, it is necessary that the Ni-based underlayer is coated at least 60% or more. Further, it is desirable that the area coverage is 80% or more.
また、Cu−Sn金属間化合物層の凹部に対する凸部の厚さの比率が小さくなってCu−Sn金属間化合物層の凹凸が少なくなると、コネクタ使用時の挿抜力が低減して好ましいが、これが1.2未満であると、Cu−Sn金属間化合物層の凹凸がほとんどなくなってCu−Sn金属間化合物層が著しく脆くなり、曲げ加工時に皮膜の剥離が発生し易くなるため好ましくない。また、5を超え、Cu−Sn金属間化合物層の凹凸が大きくなると、コネクタとして用いたときの挿抜時にCu−Sn金属間化合物層の凹凸が抵抗となるため、挿抜力を低減する効果が乏しい。 Moreover, when the ratio of the thickness of the convex portion to the concave portion of the Cu-Sn intermetallic compound layer is reduced and the unevenness of the Cu-Sn intermetallic compound layer is reduced, the insertion / extraction force during use of the connector is reduced, which is preferable. When the ratio is less than 1.2, the unevenness of the Cu—Sn intermetallic compound layer is almost eliminated, the Cu—Sn intermetallic compound layer becomes extremely brittle, and peeling of the film easily occurs during bending, which is not preferable. Moreover, when the unevenness of the Cu—Sn intermetallic compound layer exceeds 5, and the unevenness of the Cu—Sn intermetallic compound layer becomes resistance during insertion / extraction when used as a connector, the effect of reducing the insertion / extraction force is poor. .
また、Ni系下地層を被覆しているCu3Sn層の平均厚みが0.01μm未満であると、Ni系下地層の拡散を抑える効果が乏しい。また、Cu3Sn層の厚みが0.5μmを超えると、高温時にCu3Sn層がCu6Sn5層に変化し、Sn系めっき層を減少させ、接触抵抗が高くなるため好ましくない。
この平均厚さは、Cu3Sn層の部分で、その厚さを複数個所測定したときの平均値である。
Further, if the average thickness of the Cu 3 Sn layer covering the Ni-based underlayer is less than 0.01 μm, the effect of suppressing the diffusion of the Ni-based underlayer is poor. On the other hand, if the thickness of the Cu 3 Sn layer exceeds 0.5 μm, the Cu 3 Sn layer changes to a Cu 6 Sn 5 layer at a high temperature, which decreases the Sn-based plating layer and increases the contact resistance.
This average thickness is an average value when the thickness of the Cu 3 Sn layer portion is measured at a plurality of locations.
また、Sn系めっき層に厚さ0.01〜0.5μmのAg3Sn合金層が形成されていることにより、高温でも酸化被膜を形成することがないので、接触抵抗がより安定し、優れた耐熱性を発揮することができる。また、Agは硬いため表面硬度も高くなり、コネクタとして使用したときの挿抜性も向上する。
この場合、Ag3Sn合金層の厚さが0.01μm未満であると、その効果が得られず、0.5μmを超えると、高価な銀を無駄に使用することになるとともに、挿抜性も低下するので、Ag3Sn合金層の厚さとしては0.01〜0.5μmが好ましい。
In addition, since an Sn 3 Sn alloy layer having a thickness of 0.01 to 0.5 μm is formed on the Sn-based plating layer, an oxide film is not formed even at a high temperature, so that the contact resistance is more stable and excellent. Heat resistance can be exhibited. Further, since Ag is hard, the surface hardness is high, and the insertion / extraction property when used as a connector is improved.
In this case, if the thickness of the Ag 3 Sn alloy layer is less than 0.01 μm, the effect cannot be obtained, and if it exceeds 0.5 μm, expensive silver is wasted and insertion / removability is also achieved. since reduced, preferably 0.01~0.5μm as the thickness of the Ag 3 Sn alloy layer.
また、本発明の導電部材において、前記Ag3Sn合金層は前記Sn系めっき層に対する面積被覆率が50%以上であり、表面粗さが算術平均粗さRaで0.005〜0.5μmであるとよい。
Sn系めっき層に対する面積被覆率が50%以上あることにより、Ag3Sn合金層による耐熱性、挿抜性向上の効果が十分に発揮され、50%未満ではその効果が低減する。この場合、被覆されていない部分が特定箇所に集中せずに、被覆部分と分散して混在している状態が好ましい。また、Ag3Sn合金層の表面粗さは、0.005μm未満としても、さらなる効果の向上は期待できず、製造上も難しい。表面粗さが0.5μm以内であるとコネクタ使用時の挿抜性がより向上する。
In the conductive member of the present invention, the Ag 3 Sn alloy layer has an area coverage of 50% or more with respect to the Sn-based plating layer, and the surface roughness is 0.005 to 0.5 μm in terms of arithmetic average roughness Ra. There should be.
When the area coverage with respect to the Sn-based plating layer is 50% or more, the effect of improving heat resistance and insertion / removability by the Ag 3 Sn alloy layer is sufficiently exerted, and when it is less than 50%, the effect is reduced. In this case, it is preferable that an uncoated portion is not concentrated on a specific location but is dispersed and mixed with the coated portion. Further, even if the surface roughness of the Ag 3 Sn alloy layer is less than 0.005 μm, further improvement in the effect cannot be expected, and it is difficult to manufacture. When the surface roughness is within 0.5 μm, the insertion / extraction properties when using the connector are further improved.
そして、本発明の導電部材の製造方法は、Cu系基材の表面に、Ni又はNi合金、Cu又はCu合金、Sn又はSn合金をこの順にめっきしてそれぞれのめっき層を形成した後、加熱してリフロー処理することにより、前記Cu系基材の上に、Ni系下地層、Cu−Sn金属間化合物層、Sn系めっき層を順に形成し、そのSn系めっき層にさらにAg3Sn合金層を形成した導電部材を製造する方法であって、前記Ni又はNi合金によるめっき層を電流密度が20〜50A/dm2の電解めっきにより形成し、前記Cu又はCu合金によるめっき層を電流密度が20〜60A/dm2の電解めっきにより形成し、前記Sn又はSn合金によるめっき層を電流密度が10〜30A/dm2の電解めっきにより形成し、前記リフロー処理は、前記めっき層を形成してから1〜15分経過した後に、めっき層を20〜75℃/秒の昇温速度で240〜300℃のピーク温度まで加熱する加熱工程と、前記ピーク温度に達した後、30℃/秒以下の冷却速度で2〜10秒間冷却する一次冷却工程と、一次冷却後に100〜250℃/秒の冷却速度で冷却する二次冷却工程とを有し、前記リフロー処理後のSn系めっき層に対して電気化学還元法にて表面の酸化膜を除去した後、その表面にシアン系化合物を使用した銀ストライクめっき法にてAgめっきを0.01〜0.5μmの厚さで形成し、その後、ベンゾチアゾール化合物を含む水溶液中にて合金化及び変色防止処理を施すことを特徴とする。 And the manufacturing method of the electrically-conductive member of this invention heats, after plating the surface of Cu base material, Ni or Ni alloy, Cu or Cu alloy, Sn or Sn alloy in this order, and forming each plating layer Then, a Ni-based underlayer, a Cu-Sn intermetallic compound layer, and a Sn-based plating layer are formed in order on the Cu-based substrate by reflow treatment, and an Ag 3 Sn alloy is further formed on the Sn-based plating layer. A method for producing a conductive member having a layer, wherein the plating layer made of Ni or Ni alloy is formed by electrolytic plating with a current density of 20 to 50 A / dm 2 , and the plating layer made of Cu or Cu alloy is formed by current density. There was formed by electrolytic plating 20~60A / dm 2, current density plating layer by the Sn or Sn alloy is formed by electroplating 10~30A / dm 2, the reflow treatment 1 to 15 minutes after the formation of the plating layer, the heating step of heating the plating layer to a peak temperature of 240 to 300 ° C. at a temperature rising rate of 20 to 75 ° C./second, and the peak temperature A primary cooling step of cooling for 2 to 10 seconds at a cooling rate of 30 ° C./second or less, and a secondary cooling step of cooling at a cooling rate of 100 to 250 ° C./second after the primary cooling. After removing the oxide film on the surface of the Sn-based plating layer after the treatment by an electrochemical reduction method, Ag plating is applied to the surface by a silver strike plating method using a cyanide compound in an amount of 0.01 to 0.5 μm. After that, alloying and discoloration prevention treatment are performed in an aqueous solution containing a benzothiazole compound.
高電流密度でのCuめっきは粒界密度を増加させ、均一な合金層形成を助けると同時に被覆率の高いCu3Sn層を形成することが可能となる。
Cuめっきの電流密度を20〜60A/dm2としたのは、電流密度が20A/dm2未満ではCuめっき結晶の反応活性が乏しいため、合金化する際に平滑な金属間化合物を形成する効果が乏しく、一方、電流密度が60A/dm2を超えると、Cuめっき層の平滑性が低くなるため、平滑なCu−Sn金属間化合物層を形成することができないからである。
また、Snめっきの電流密度を10〜30A/dm2としたのは、電流密度が10A/dm2未満ではSnの粒界密度が低くなって、合金化する際に平滑なCu−Sn金属間化合物層を形成する効果が乏しく、一方、電流密度が30A/dm2を超えると、電流効率が著しく低下するため望ましくないからである。
Cu plating at a high current density increases the grain boundary density, helps to form a uniform alloy layer, and at the same time forms a Cu 3 Sn layer with a high coverage.
The reason why the current density of Cu plating is set to 20 to 60 A / dm 2 is that when the current density is less than 20 A / dm 2 , the reaction activity of the Cu plating crystal is poor, and thus the effect of forming a smooth intermetallic compound when alloying is performed. On the other hand, when the current density exceeds 60 A / dm 2 , the smoothness of the Cu plating layer is lowered, and therefore, a smooth Cu—Sn intermetallic compound layer cannot be formed.
Also, to that the current density of the Sn-plated with 10~30A / dm 2, taken low grain boundary density of Sn is the current density is less than 10A / dm 2, between smooth Cu-Sn metal when alloyed This is because the effect of forming the compound layer is poor, and on the other hand, if the current density exceeds 30 A / dm 2 , the current efficiency is remarkably lowered, which is undesirable.
また、Niめっきの電流密度を20A/dm2以上とすることにより、結晶粒が微細化しリフローや製品化された後の加熱時にNi原子がSnや金属間化合物に拡散し難くなり、Niめっき欠損が減り、カーケンダルボイドの発生を防ぐことができる。一方、電流密度が50A/dm2を超えると、電解時のめっき表面での水素発生が激しくなり、気泡付着により皮膜にピンホールが発生し、これを起点として下地のCu系基材が拡散しカーケンダルボイドが発生し易くなる。このため、Niめっきの電流密度を20〜50A/dm2とするのが望ましい。 In addition, by setting the current density of Ni plating to 20 A / dm 2 or more, Ni atoms are difficult to diffuse into Sn and intermetallic compounds during heating after refining and commercializing crystal grains, and Ni plating defects Can be reduced and the occurrence of Kirkendall void can be prevented. On the other hand, when the current density exceeds 50 A / dm 2 , hydrogen generation on the plating surface during electrolysis becomes intense, and pinholes are generated in the film due to air bubbles adhering, and the underlying Cu-based substrate diffuses starting from this. Kirkendall void is likely to occur. For this reason, it is desirable that the current density of Ni plating be 20 to 50 A / dm 2 .
また、高電流密度で電析したCuとSnは安定性が低く、室温においても合金化や結晶粒肥大化が発生し、リフロー処理で所望の金属間化合物構造をつくることが困難になる。このため、めっき処理後、速やかにリフロー処理を行うことが望ましい。具体的には15分以内、望ましくは5分以内にリフロー処理を行うと良い。
従来技術よりも高電流密度でCu又はCu合金とSn又はSn合金のめっき処理を行い、なおかつ、めっき後、速やかにリフロー処理を行うことにより、リフロー時にCuとSnが活発に反応し、Cu3Sn層によりNi系下地層を多く被覆し、均一なCu6Sn5層が生成される。
Further, Cu and Sn electrodeposited at a high current density are low in stability, and alloying and grain enlargement occur even at room temperature, making it difficult to form a desired intermetallic compound structure by reflow treatment. For this reason, it is desirable to perform the reflow process immediately after the plating process. Specifically, the reflow process may be performed within 15 minutes, preferably within 5 minutes.
When Cu or Cu alloy is plated with Sn or Sn alloy at a higher current density than in the prior art, and reflow treatment is performed immediately after plating, Cu and Sn react actively during reflow, and Cu 3 A large amount of the Ni-based underlayer is covered with the Sn layer, and a uniform Cu 6 Sn 5 layer is generated.
また、リフロー処理においては、加熱工程における昇温速度が20℃/秒未満であると、Snめっきが溶融するまでの間にCu原子がSnの粒界中を優先的に拡散し粒界近傍で金属間化合物が異常成長するため、被覆率の高いCu3Sn層が形成され難い。一方、昇温速度が75℃/秒を超えると、金属間化合物の成長が不十分かつCuめっきが過剰に残存し、その後の冷却において所望の金属間化合物層を得ることができない。
また、加熱工程でのピーク温度が240℃未満であると、Snが均一に溶融せず、ピーク温度が300℃を超えると、金属間化合物が急激に成長しCu−Sn金属間化合物層の凹凸が大きくなるので好ましくない。
さらに、冷却工程においては、冷却速度の小さい一次冷却工程を設けることにより、Cu原子がSn粒内に穏やかに拡散し、所望の金属間化合物構造で成長する。この一次冷却工程の冷却速度が30℃/秒を超えると、急激に冷却される影響で金属間化合物は滑らかな形状に成長することができず、凹凸が大きくなる。冷却時間が2秒未満であっても同様に金属間化合物は滑らかな形状に成長することができない。冷却時間が10秒を超えると、Cu6Sn5層の成長が過度に進み、Cu3Sn層の被覆率が低下する。この一次冷却工程は空冷が適切である。
そして、この一次冷却工程の後、二次冷却工程によって急冷して金属間化合物層の成長を所望の構造で完了させる。この二次冷却工程の冷却速度が100℃/秒未満であると、金属間化合物がより進行し、所望の金属間化合物形状を得ることができない。
このようにめっきの電析条件とリフロー条件を緻密に制御することによって、二層構造で凹凸が少なくCu3Sn層による被覆率の高いCu−Sn金属間化合物層を得ることができる。
Further, in the reflow process, if the rate of temperature increase in the heating step is less than 20 ° C./second, Cu atoms preferentially diffuse in the Sn grain boundary until Sn plating melts, and in the vicinity of the grain boundary. Since the intermetallic compound grows abnormally, it is difficult to form a Cu 3 Sn layer having a high coverage. On the other hand, if the rate of temperature rise exceeds 75 ° C./second, the growth of the intermetallic compound is insufficient and the Cu plating remains excessively, and a desired intermetallic compound layer cannot be obtained in the subsequent cooling.
In addition, when the peak temperature in the heating process is less than 240 ° C., Sn does not melt uniformly, and when the peak temperature exceeds 300 ° C., the intermetallic compound grows rapidly and the unevenness of the Cu—Sn intermetallic compound layer Is unfavorable because of the increase.
Further, in the cooling step, by providing a primary cooling step with a low cooling rate, Cu atoms diffuse gently in the Sn grains and grow with a desired intermetallic compound structure. When the cooling rate in the primary cooling step exceeds 30 ° C./second, the intermetallic compound cannot grow into a smooth shape due to the effect of rapid cooling, and unevenness increases. Similarly, even when the cooling time is less than 2 seconds, the intermetallic compound cannot grow into a smooth shape. When the cooling time exceeds 10 seconds, the growth of the Cu 6 Sn 5 layer proceeds excessively and the coverage of the Cu 3 Sn layer decreases. Air cooling is appropriate for this primary cooling step.
Then, after the primary cooling step, the secondary cooling step is rapidly cooled to complete the growth of the intermetallic compound layer with a desired structure. When the cooling rate in the secondary cooling step is less than 100 ° C./second, the intermetallic compound further proceeds, and a desired intermetallic compound shape cannot be obtained.
Thus, by precisely controlling the electrodeposition conditions and the reflow conditions for plating, a Cu—Sn intermetallic compound layer having a two-layer structure with less unevenness and a high coverage with the Cu 3 Sn layer can be obtained.
そして、このリフロー処理した後のSn系めっき層に、酸化膜を除去した後、Agめっきを0.01〜0.5μmの厚さで形成し、その後、合金化及び変色防止処理を施すことにより、Sn系めっき層に厚さ0.01〜0.5μmのAg3Sn合金層が形成される。
また、本発明の製造方法において、前記合金化及び変色防止処理を施した後にリフロー処理を行うようにしてもよい。
Then, after removing the oxide film on the Sn-based plating layer after the reflow treatment, an Ag plating is formed with a thickness of 0.01 to 0.5 μm, and then subjected to alloying and anti-discoloration treatment. Then, an Ag 3 Sn alloy layer having a thickness of 0.01 to 0.5 μm is formed on the Sn-based plating layer.
Moreover, in the manufacturing method of this invention, you may make it perform a reflow process after performing the said alloying and discoloration prevention process.
本発明によれば、二層構造のCu−Sn金属間化合物層のうち、下層を構成するCu3Sn層がNi系下地層を適切に被覆するとともに、その上にさらにCu6Sn5層が形成されることにより、高温時のCuの拡散を防止し、表面状態を良好に維持して接触抵抗の増大を抑制することができるとともに、めっき皮膜の剥離やカーケンダルボイドの発生を防止し、さらに、コネクタ使用時の挿抜力を低減しそのバラツキを抑制することができる。また、Sn系めっき層に厚さ0.01〜0.5μmのAg3Sn合金層を形成したことにより、さらに高い耐熱性を有する。 According to the present invention, among the Cu-Sn intermetallic compound layers having a two-layer structure, the Cu 3 Sn layer constituting the lower layer appropriately covers the Ni-based underlayer, and a Cu 6 Sn 5 layer is further formed thereon. By being formed, Cu can be prevented from diffusing at high temperatures, the surface state can be maintained well and contact resistance can be prevented from increasing, and plating film peeling and generation of Kirkendall void can be prevented. Furthermore, the insertion / extraction force when using the connector can be reduced, and variations thereof can be suppressed. Moreover, it has still higher heat resistance by forming an Ag 3 Sn alloy layer having a thickness of 0.01 to 0.5 μm on the Sn-based plating layer.
以下、本発明の実施形態を説明する。
この実施形態の導電部材10は、例えば自動車の車載用コネクタの端子に用いられるものであり、図1に示すように、Cu系基材1の表面に、Ni系下地層2を介して、Cu−Sn金属間化合物層3、Sn系めっき層4、Ag3Sn合金層5がこの順に形成されるとともに、Cu−Sn金属間化合物層3はさらに、Cu3Sn層6とCu6Sn5層7とから構成されている。
Cu系基材1は、Cu又はCu合金から構成された例えば板状のものである。Cu合金としては、その材質は必ずしも限定されないが、Cu−Zn系合金、Cu−Ni−Si系(コルソン系)合金、Cu−Cr−Zr系合金、Cu−Mg−P系合金、Cu−Fe−P系合金、Cu−Sn−P系合金が好適であり、例えば、三菱伸銅株式会社製MSP1,MZC1,MAX251C,MAX375,MAX126が好適に用いられる。
Ni系下地層2は、Ni又はNi合金を電解めっきして形成されたものであり、Cu系基材1の表面に、例えば0.1〜0.5μmの厚さに形成される。このNi系下地層2が0.1μm未満と少ないと、Cu系基材1のCuの拡散防止機能が十分でなく、また、0.5μmを超えると、歪みが大きくなって剥離し易いとともに、曲げ加工時に割れが生じ易くなる。
Embodiments of the present invention will be described below.
The
The Cu-based substrate 1 is, for example, a plate-like one made of Cu or a Cu alloy. The material of the Cu alloy is not necessarily limited, but Cu—Zn alloy, Cu—Ni—Si (Corson) alloy, Cu—Cr—Zr alloy, Cu—Mg—P alloy, Cu—Fe -P-based alloy and Cu-Sn-P-based alloy are suitable, and for example, MSP1, MZC1, MAX251C, MAX375, MAX126 manufactured by Mitsubishi Shindoh Co., Ltd. are preferably used.
The Ni-based
Cu−Sn金属間化合物層3は、後述するようにNi系下地層2の上にめっきしたCuと表面のSnとがリフロー処理によって拡散して形成された合金層である。このCu−Sn金属間化合物層3は、さらに、Ni系下地層2の上に配置されるCu3Sn層6と、該Cu3Sn層6の上に配置されるCu6Sn5層7とから構成されている。この場合、Cu−Sn金属間化合物層3全体としては凹凸が形成されており、その凹部8におけるCu3Sn層6とCu6Sn5層7とを合わせた厚さXは、0.05〜1.5μmとされる。
この凹部8の厚さXが0.05μm未満では、高温時に凹部8からSnがNi系下地層2へと拡散し、Ni系下地層2に欠損が発生するおそれがある。Sn系めっき層4は、端子の接触抵抗を低く維持するものであるが、Ni系下地層2に欠損が生じると、Cu系基材1のCuが拡散してCu−Sn合金層3が成長し、そのCu6Sn5層7が導電部材10の表面まで達し、これにより、表面にCu酸化物が形成され、接触抵抗を増大させることになる。また、このとき、Ni系下地層2の欠損部からのCuの拡散により、これらの界面にカーケンダルボイドも発生し易い。したがって、凹部8の厚さXは最低0.05μm必要であり、より好ましくは0.1μmあるとよい。
一方、凹部8におけるCu3Sn層6とCu6Sn5合金層7とを合わせた厚さXが1.5μmを超えると、Cu−Sn金属間化合物層3がもろくなり、曲げ加工時にめっき皮膜の剥離が発生しやすくなる。
The Cu-Sn
If the thickness X of the
On the other hand, if the combined thickness X of the Cu 3 Sn layer 6 and the Cu 6 Sn 5 alloy layer 7 in the
また、このCu−Sn金属間化合物層3の凹部8に対する凸部9の厚さの比率は1.2〜5とされている。この比率が小さくなってCu−Sn金属間化合物層3の凹凸が少なくなると、コネクタ使用時の挿抜力が低減して好ましいが、これが1.2未満であると、Cu−Sn金属間化合物層3の凹凸がほとんどなくなってCu−Sn金属間化合物層3が著しく脆くなり、曲げ加工時に皮膜の剥離が発生し易くなる。また、凹部7に対する凸部8の厚さの比率が5を超えるほどに凹凸が大きくなると、コネクタとして用いたときの挿抜時にCu−Sn金属間化合物層3の凹凸が抵抗となるため、挿抜力を低減する効果が乏しい。
この凹部8に対する凸部9の比率は、例えば、凹部7の厚さXが0.3μmで、凸部9の厚さYが0.5μmであると、その比率(Y/X)は、1.67である。この場合、Cu3Sn層6とCu6Sn5層7とを合わせたCu−Sn金属間化合物層3の厚さは、最大で2μmとするのが望ましい。
Moreover, the ratio of the thickness of the
For example, when the thickness X of the
また、このCu−Sn金属間化合物層3のうちの下層に配置されるCu3Sn層6は、Ni系下地層2を覆っており、その面積被覆率が60〜100%とされている。この面積被覆率が60%未満となって低いと、被覆されていない部分から高温時にNi系下地層2のNi原子がCu6Sn5層7に拡散して、Ni系下地層2に欠損が発生するおそれがある。そして、その欠損部分からCu系基材1のCuが拡散することにより、Cu−Sn金属間化合物層3が成長して導電部材10の表面まで達し、これにより、表面にCu酸化物が形成され、接触抵抗が増大する。また、Ni系下地層2の欠損部からのCuの拡散により、カーケンダルボイドも発生し易い。
Ni系下地層2の少なくとも60%以上がCu3Sn層6によって被覆されていることにより、高温時の接触抵抗の増大やカーケンダルボイドの発生を防止することができる。より望ましくは80%以上が被覆されているとよい。
この面積被覆率は、皮膜を集束イオンビーム(FIB;Focused Ion Beam)により断面加工し、走査イオン顕微鏡(SIM;Scanning Ion Microscope)で観察した表面の走査イオン像(SIM像)から確認することができる。
このNi系下地層2に対する面積被覆率が60%以上ということは、面積被覆率が100%満たない場合に、Ni系下地層2の表面には局部的にCu3Sn層6が存在しない部分が生じることになるが、その場合でも、Cu−Sn金属間化合物層3の凹部8におけるCu3Sn層6とCu6Sn5層7とを合わせた厚さが0.05〜1.5μmとされているので、Cu6Sn5層7が0.05〜1.5μmの厚さでNi系下地層2を覆っていることになる。
Further, Cu 3
By covering at least 60% or more of the Ni-based
This area coverage can be confirmed from a surface scanning ion image (SIM image) obtained by observing a cross-section of the film with a focused ion beam (FIB) and observing with a scanning ion microscope (SIM). it can.
The area coverage with respect to the Ni-based
また、Cu−Sn金属間化合物層3の下層を構成しているCu3Sn層6においては、その平均厚さは0.01〜0.5μmとされる。このCu3Sn層6は、Ni系下地層2を覆っている層であるので、その平均厚さが0.01μm未満と少ない場合には、Ni系下地層2の拡散を抑える効果が乏しくなる。また、0.5μmを超えると、高温時にCu3Sn層6がSnリッチのCu6Sn5層6に変化し、その分、Sn系めっき層4を減少させ、接触抵抗が高くなるため好ましくない。この平均厚さは、Cu3Sn層6が存在する部分で、その厚さを複数個所測定したときの平均値である。
なお、このCu−Sn金属間化合物層3は、Ni系下地層2の上にめっきしたCuと表面のSnとが拡散することにより合金化したものであるから、リフロー処理等の条件によっては下地となったCuめっき層の全部が拡散してCu−Sn金属間化合物層3となる場合もあるが、そのCuめっき層が残る場合もある。このCuめっき層が残る場合は、そのCuめっき層は例えば0.01〜0.1μmの厚さとされる。
In the Cu 3
In addition, since this Cu-Sn
Sn系めっき層4は、Sn又はSn合金を電解めっきした後にリフロー処理することによって形成されたものであり、例えば0.05〜2.5μmの厚さに形成される。このSn系めっき層4の厚さが0.05μm未満であると、高温時にCuが拡散して表面にCuの酸化物が形成され易くなることから接触抵抗が増加し、また、はんだ付け性や耐食性も低下する。一方、2.5μmを超えると、柔軟なSn系めっき層4の下層に存在するCu−Sn金属間化合物層3による表面の下地を硬くする効果が薄れ、コネクタとしての使用時の挿抜力が増大し、コネクタの多ピン化に伴う挿抜力の低減を図り難い。
The Sn-based plating layer 4 is formed by performing reflow treatment after electrolytic plating of Sn or an Sn alloy, and is formed to a thickness of 0.05 to 2.5 μm, for example. If the thickness of the Sn-based plating layer 4 is less than 0.05 μm, Cu diffuses at high temperatures and Cu oxide is easily formed on the surface, so that contact resistance increases, and solderability and Corrosion resistance also decreases. On the other hand, when the thickness exceeds 2.5 μm, the effect of hardening the surface base by the Cu—Sn
最表面のAg3Sn合金層5は、厚さが0.01〜0.5μmとされ、その下のSn系めっき層4を覆っており、その面積被覆率が50%以上とされる。このAg3Sn合金層は、硬度が高い層であり、柔軟なSn系めっき層4を覆うことにより、コネクタ使用時の挿抜性を向上させることができる。また、高温で酸化被膜を形成しないので、高温時の接触抵抗も安定している。この場合、Ag3Sn合金層5の厚さが0.01μm未満では、その効果が期待できず、0.5μmを超えても効果は飽和し、それ以上厚くするのは不経済であり、厚くし過ぎると挿抜性の低下を招く。また、このAg3Sn合金層5は必ずしもSn系めっき層4の全体を完全には覆っていなくてもよいが、50%以上の面積被覆率とすることにより、その効果を十分に発揮することができる。
また、このAg3Sn合金層5表面の表面粗さは算術平均粗さRaで0.005〜0.5μmとされる。コネクタ使用時の挿抜性を良好に維持するには、Raを0.5μm以下と知小さい方が良いが、Raが0.005μm未満としても意味はなく、製造も難しい。
The outermost Ag 3
The surface roughness of the surface of the Ag 3
次に、このような導電部材を製造する方法について説明する。
まず、Cu系基材として、Cu又はCu合金の板材を用意し、これを脱脂、酸洗等によって表面を清浄にした後、Niめっき、Cuめっき、Snめっきをこの順序で順次行う。また、各めっき処理の間には、酸洗又は水洗処理を行う。
Niめっきの条件としては、めっき浴に、硫酸ニッケル(NiSO4)、ホウ酸(H3BO3)を主成分としたワット浴、スルファミン酸ニッケル(Ni(NH2SO3)2)とホウ酸(H3BO3)を主成分としたスルファミン酸浴等が用いられる。酸化反応を起こし易くする塩類として塩化ニッケル(NiCl2)などが加えられる場合もある。また、めっき温度は45〜55℃、電流密度は20〜50A/dm2とされる。
Cuめっきの条件としては、めっき浴に硫酸銅(CuSO4)及び硫酸(H2SO4)を主成分とした硫酸銅浴が用いられ、レベリングのために塩素イオン(Cl−)が添加される。めっき温度は35〜55℃、電流密度は20〜60A/dm2とされる。
Snめっきの条件としては、めっき浴に硫酸(H2SO4)と硫酸第一錫(SnSO4)を主成分とした硫酸浴が用いられ、めっき温度は15〜35℃、電流密度は10〜30A/dm2とされる。
Next, a method for manufacturing such a conductive member will be described.
First, a Cu or Cu alloy plate material is prepared as a Cu-based substrate, and the surface is cleaned by degreasing, pickling, etc., and then Ni plating, Cu plating, and Sn plating are sequentially performed in this order. In addition, pickling or rinsing is performed between the plating processes.
As the conditions for Ni plating, the plating bath is a watt bath mainly composed of nickel sulfate (NiSO 4 ), boric acid (H 3 BO 3 ), nickel sulfamate (Ni (NH 2 SO 3 ) 2 ) and boric acid. A sulfamic acid bath or the like mainly composed of (H 3 BO 3 ) is used. In some cases, nickel chloride (NiCl 2 ) or the like is added as a salt that easily causes an oxidation reaction. The plating temperature is 45 to 55 ° C., and the current density is 20 to 50 A / dm 2 .
As the conditions for Cu plating, a copper sulfate bath containing copper sulfate (CuSO 4 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) as main components is used in the plating bath, and chlorine ions (Cl − ) are added for leveling. . The plating temperature is 35 to 55 ° C., and the current density is 20 to 60 A / dm 2 .
As the conditions for Sn plating, a sulfuric acid bath mainly composed of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and stannous sulfate (SnSO 4 ) is used as a plating bath, the plating temperature is 15 to 35 ° C., and the current density is 10 to 10. 30 A / dm 2 .
いずれのめっき処理も、一般的なめっき技術よりも高い電流密度で行われる。その場合に、めっき液の攪拌技術が重要となるが、めっき液を処理板に向けて高速で噴きつける方法やめっき液を処理板と平行に流す方法などとすることにより、処理板の表面に新鮮なめっき液を速やかに供給し、高電流密度によって均質なめっき層を短時間で形成することができる。そのめっき液の流速としては、処理板の表面において0.5m/秒以上とすることが望ましい。また、この従来技術よりも一桁高い電流密度でのめっき処理を可能とするために、陽極には、アノード限界電流密度の高い酸化イリジウム(IrO2)を被覆したTi板等の不溶性陽極を用いることが望ましい。
これらの各めっき条件をまとめると、以下の表1〜表3に示す通りとなる。
All the plating processes are performed at a higher current density than a general plating technique. In this case, the plating solution agitation technology is important. However, by using a method of spraying the plating solution at a high speed toward the processing plate or a method of flowing the plating solution in parallel with the processing plate, A fresh plating solution can be supplied quickly, and a uniform plating layer can be formed in a short time with a high current density. The flow rate of the plating solution is desirably 0.5 m / second or more on the surface of the treatment plate. In addition, in order to enable the plating process at a current density that is an order of magnitude higher than that of the prior art, an insoluble anode such as a Ti plate coated with iridium oxide (IrO 2 ) having a high anode limit current density is used as the anode. It is desirable.
These plating conditions are summarized as shown in Tables 1 to 3 below.
そして、この三種類のめっき処理を施した後、加熱してリフロー処理を行う。そのリフロー処理としては、図2に示す温度プロファイルとする条件が望ましい。
すなわち、リフロー処理はCO還元性雰囲気にした加熱炉内でめっき後の処理材を20〜75℃/秒の昇温速度で240〜300℃のピーク温度まで2.9〜11秒間加熱する加熱工程と、そのピーク温度に達した後、30℃/秒以下の冷却速度で2〜10秒間冷却する一次冷却工程と、一次冷却後に100〜250℃/秒の冷却速度で0.5〜5秒間冷却する二次冷却工程とを有する処理とする。一次冷却工程は空冷により、二次冷却工程は10〜90℃の水を用いた水冷により行われる。
このリフロー処理を還元性雰囲気で行うことによりSnめっき表面に溶融温度の高いすず酸化物皮膜が生成するのを防ぎ、より低い温度かつより短い時間でリフロー処理を行うことが可能となり、所望の金属間化合物構造を作製することが容易となる。また、冷却工程を二段階とし、冷却速度の小さい一次冷却工程を設けることにより、Cu原子がSn粒内に穏やかに拡散し、所望の金属間化合物構造で成長する。そして、その後に急冷を行うことにより金属間化合物層の成長を止め、所望の構造で固定化することができる。
ところで、高電流密度で電析したCuとSnは安定性が低く室温においても合金化や結晶粒肥大化が発生し、リフロー処理で所望の金属間化合物構造を作ることが困難になる。このため、めっき処理後速やかにリフロー処理を行うことが望ましい。具体的には15分以内、望ましくは5分以内にリフローを行う必要がある。めっき後の放置時間が短いことは問題とならないが、通常の処理ラインでは構成上1分後程度となる。
And after giving these three types of plating processes, it heats and performs a reflow process. As the reflow process, the temperature profile shown in FIG. 2 is desirable.
In other words, the reflow treatment is a heating step in which the treated material after plating is heated to a peak temperature of 240 to 300 ° C. for 2.9 to 11 seconds at a temperature rising rate of 20 to 75 ° C. in a heating furnace having a CO reducing atmosphere. And a primary cooling step of cooling for 2 to 10 seconds at a cooling rate of 30 ° C./second or less after reaching the peak temperature, and cooling for 0.5 to 5 seconds at a cooling rate of 100 to 250 ° C./second after the primary cooling. And a secondary cooling step. The primary cooling step is performed by air cooling, and the secondary cooling step is performed by water cooling using 10 to 90 ° C. water.
By performing this reflow treatment in a reducing atmosphere, it is possible to prevent the formation of a tin oxide film having a high melting temperature on the surface of the Sn plating, and to perform the reflow treatment at a lower temperature and in a shorter time. It becomes easy to produce an intermetallic compound structure. Further, by providing a cooling process in two stages and providing a primary cooling process with a low cooling rate, Cu atoms diffuse gently in the Sn grains and grow with a desired intermetallic compound structure. Then, by performing rapid cooling after that, the growth of the intermetallic compound layer can be stopped and fixed in a desired structure.
By the way, Cu and Sn electrodeposited at a high current density are low in stability, and alloying and crystal grain enlargement occur at room temperature, making it difficult to produce a desired intermetallic compound structure by reflow treatment. For this reason, it is desirable to perform the reflow process immediately after the plating process. Specifically, it is necessary to perform reflow within 15 minutes, preferably within 5 minutes. A short standing time after plating does not cause a problem, but in a normal processing line, it is about one minute after construction.
以上のように、Cu系基材1の表面に表1〜表3に示すめっき条件により三層のめっきを施した後、図2に示す温度プロファイル条件でリフロー処理することにより、図1に示すように、Cu系基材1の表面に形成したNi系下地層2がCu3Sn層6によって覆われ、その上にさらにCu6Sn5層7が形成され、最表面にSn系めっき層4が形成される。
As described above, after three-layer plating is performed on the surface of the Cu-based substrate 1 under the plating conditions shown in Tables 1 to 3, reflow treatment is performed under the temperature profile conditions shown in FIG. Thus, the Ni-based
そして、このリフロー処理の後に、Sn系めっき層4に対して電気化学還元法にて表面の酸化膜を除去した後、その表面にシアン系化合物を使用した銀ストライクめっき法にてAgめっきを形成する。
電気化学還元法にて電解液中でSn系めっき層4の酸化膜を還元して完全に除去することにより、Sn系めっき層4のSn金属面を露出させ、次の銀めっきを密着させることができ、これにより、合金化処理においてAgとSnとの相互拡散を確実にすることができる。電解処理液としては弱アルカリ電解脱脂液が用いられる。
また、銀ストライクめっきの条件は、次の表4に示す通りである。
After this reflow treatment, the surface oxide film is removed from the Sn plating layer 4 by an electrochemical reduction method, and then Ag plating is formed on the surface by a silver strike plating method using a cyan compound. To do.
The Sn metal surface of the Sn-based plating layer 4 is exposed by reducing and completely removing the oxide film of the Sn-based plating layer 4 in the electrolytic solution by an electrochemical reduction method, and the next silver plating is adhered. Thereby, mutual diffusion of Ag and Sn can be ensured in the alloying process. A weak alkaline electrolytic degreasing solution is used as the electrolytic treatment solution.
The conditions for silver strike plating are as shown in Table 4 below.
ここで、シアン化銀の濃度は1g/L未満であると、Sn系めっき層4に対して所望の面積被覆率が得られず、また8g/Lを超えると、Agめっき表面が粗くなるので、1〜8g/Lが好ましい。そして、この銀ストライクめっきにより形成されるAgめっきの厚さは0.01〜0.5μmとする。この範囲のAgめっき層とすることにより、最終的なAg3Sn合金層を所望の膜厚とすることができる。
次に、このAgめっきした処理材に、ベンゾチアゾール化合物を含む水溶液中にて合金化及び変色防止処理を施す。その合金化及び変色防止処理の条件を次の表5に示す。
Here, if the concentration of silver cyanide is less than 1 g / L, a desired area coverage cannot be obtained for the Sn-based plating layer 4, and if it exceeds 8 g / L, the Ag plating surface becomes rough. 1-8 g / L is preferable. And the thickness of Ag plating formed by this silver strike plating shall be 0.01-0.5 micrometer. With Ag plating layer in this range, the
Next, this Ag-plated treatment material is subjected to alloying and discoloration prevention treatment in an aqueous solution containing a benzothiazole compound. The alloying and discoloration prevention treatment conditions are shown in Table 5 below.
Agめっきした処理材をこの処理液に浸漬することにより、表面のAgとその下のSnとが相互拡散して合金化し、表面にAg3Sn合金層5が形成される。また、このベンゾチアゾール処理液中に浸漬されることで、Ag3Sn合金層5の表面に疎水性保護膜が形成され、酸化及び変色が防止される。
このようにして得られた導電部材10は、表面のAg3Sn合金層5により、耐熱性が向上し、高温時でも接触抵抗が低く安定しており、また、硬いAg3Sn合金層5により、コネクタ使用時の挿抜力も低減する。
By immersing the Ag-plated treatment material in this treatment solution, Ag on the surface and Sn underneath are mutually diffused and alloyed, and an Ag 3
The
次に本発明の実施例を説明する。
Cu合金板(Cu系基材)として、厚さ0.25mmの三菱伸銅株式会社製MAX251C材を用い、これにNi、Cu、Snの各めっき処理を順次行った。この場合、表4に示すように、各めっき処理の電流密度を変えて複数の試料を作成した。各めっき層の目標厚さについては、Niめっき層の厚さは0.3μm、Cuめっき層の厚さは0.3μm、Snめっき層の厚さは1.5μmとした。また、これら三種類の各めっき工程間には、処理材表面からめっき液を洗い流すための水洗工程を入れた。
本実施例におけるめっき処理では、Cu合金板にめっき液を高速で噴きつけ、なおかつ酸化イリジウムを被覆したTi板の不溶性陽極を用いた。
上記の三種類のめっき処理を行った後、その処理材に対してリフロー処理を行った。このリフロー処理は、最後のSnめっき処理をしてから1分後に行い、加熱工程、一次冷却工程、二次冷却工程について種々の条件で行った。
以上の試験条件を表6にまとめた。
Next, examples of the present invention will be described.
As the Cu alloy plate (Cu-based substrate), a MAX251C material manufactured by Mitsubishi Shindoh Co., Ltd. having a thickness of 0.25 mm was used, and Ni, Cu, and Sn plating treatments were sequentially performed thereon. In this case, as shown in Table 4, a plurality of samples were prepared by changing the current density of each plating treatment. Regarding the target thickness of each plating layer, the thickness of the Ni plating layer was 0.3 μm, the thickness of the Cu plating layer was 0.3 μm, and the thickness of the Sn plating layer was 1.5 μm. Further, a water washing step for washing the plating solution from the surface of the treatment material was inserted between these three types of plating steps.
In the plating treatment in this example, an insoluble anode of a Ti plate coated with iridium oxide was sprayed on the Cu alloy plate at a high speed.
After performing the above three types of plating treatments, a reflow treatment was performed on the treated material. This reflow process was performed 1 minute after the last Sn plating process, and the heating process, the primary cooling process, and the secondary cooling process were performed under various conditions.
The above test conditions are summarized in Table 6.
本実施例の処理材断面は、透過電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型X線分光分析(TEM−EDS分析)の結果、Cu系基材、Ni系下地層、Cu3Sn層、Cu6Sn5層、Sn系めっき層の4層構造となっており、なおかつCu6Sn5層の表面には凹凸があり、その凹部の厚さが0.05μm以上であった。またCu6Sn5層とNi系下地層の界面には不連続なCu3Sn層があり、集束イオンビームによる断面の走査イオン顕微鏡(FIB−SIM像)から観察されるCu3Sn層のNi系下地層に対する表面被覆率は60%以上であった。
表6の各試料の断面観察結果を表7に示す。
As a result of energy dispersive X-ray spectroscopic analysis (TEM-EDS analysis) using a transmission electron microscope, the cross section of the treatment material of this example is based on Cu-based substrate, Ni-based underlayer, Cu 3 Sn layer, and Cu 6 Sn 5. The surface of the Cu 6 Sn 5 layer was uneven, and the thickness of the recess was 0.05 μm or more. The Cu 6 at the interface Sn 5 layer and the Ni-based base layer has discontinuous Cu 3 Sn layer, Ni of Cu 3 Sn layer observed from a scanning ion microscope of a cross section by focused ion beam (FIB-SIM image) The surface coverage with respect to the system underlayer was 60% or more.
Table 7 shows the cross-sectional observation results for each sample in Table 6.
また、表6のように作製した試料について、剥離の有無、カーケンダルボイドの有無を測定した。
剥離試験は、9.8kNの荷重にて90°曲げ(曲率半径R:0.7mm)を行った後、大気中で160℃×250時間保持し、曲げ戻して、曲げ部の剥離状況の確認を行った。また、断面観察により、剥離の原因となるNi系下地層とその下のCu系基材界面におけるカーケンダルボイドの有無を確認した。
その結果を表8に示す。
Moreover, the presence or absence of peeling and the presence or absence of Kirkendall void were measured for the samples prepared as shown in Table 6.
In the peel test, 90 ° bending (curvature radius R: 0.7 mm) was performed with a load of 9.8 kN, then held in the atmosphere at 160 ° C. for 250 hours, bent back, and the peeled state of the bent portion was confirmed. Went. In addition, cross-sectional observation confirmed the presence or absence of Kirkendall voids at the Ni-based underlayer that causes peeling and the Cu-based substrate interface therebelow.
The results are shown in Table 8.
この表8から明らかなように、試料1〜6においては、剥離やカーケンダルボイドの発生がないが、試料7〜11では剥離又はカーケンダルボイドが認められた。
As apparent from Table 8, in Samples 1 to 6, there was no peeling or generation of Kirkendall voids, but in
次に、めっき処理後リフロー処理するまでの間の放置時間によるめっき剥離性について実験した。剥離試験は前述と同じように、9.8kNの荷重にて90°曲げ(曲率半径R:0.7mm)を行った後、大気中で160℃、250時間保持し、曲げ戻して、曲げ部の剥離状況の確認を行った。また、断面観察により、剥離の原因となるNi系下地層とその下のCu系基材界面におけるカーケンダルボイドの有無を確認した。その結果を表9に示す。 Next, an experiment was conducted on the plating peelability depending on the standing time between the plating treatment and the reflow treatment. As described above, the peel test was performed by bending 90 ° with a load of 9.8 kN (curvature radius R: 0.7 mm), holding in the atmosphere at 160 ° C. for 250 hours, bending back, The peeling state of was confirmed. In addition, cross-sectional observation confirmed the presence or absence of Kirkendall voids at the Ni-based underlayer that causes peeling and the Cu-based substrate interface therebelow. The results are shown in Table 9.
この表9からわかるように、めっき後の放置時間が長くなると剥離やカーケンダルボイドが発生する。これは、放置時間が長いことにより、高電流密度で析出したCu結晶粒が肥大化すると共に自然にCuとSnが反応することによりCu6Sn5を生成し、リフロー時の平滑なCu6Sn5とCu3Snとの合金化を妨げるからと考えられる。平滑なCu−Sn金属間化合物層が存在しないと、加熱時にNi系下地層に欠損が生じ、そこから基材のCu原子が流出しカーケンダルボイドを発生しやすくなるのである。 As can be seen from Table 9, peeling and Kirkendall voids occur when the standing time after plating becomes long. This is because Cu crystal grains precipitated at a high current density are enlarged due to a long standing time, and Cu and Sn react spontaneously to form Cu 6 Sn 5, and smooth Cu 6 Sn during reflowing. This is thought to be because the alloying between 5 and Cu 3 Sn is hindered. If a smooth Cu—Sn intermetallic compound layer does not exist, defects occur in the Ni-based underlayer during heating, and Cu atoms in the base material flow out from the Ni base layer, thereby making it easy to generate Kirkendall voids.
以上の研究の結果、Cu6Sn5層とCu3Sn層には、Ni系下地層とSn系めっき層との反応を防ぐ効果があり、その中でもCu3Sn合金層の方がその効果がより高い。また、Cu6Sn5層の凹部からSn原子がNiに拡散しSnとNiが反応するため、Cu6Sn5層に凹凸が比較的少なく、なおかつCu3Sn層がよりNi系下地層の表面を多く被覆することにより、剥離やカーケンダルボイドの発生を防止できることがわかった。 As a result of the above research, the Cu 6 Sn 5 layer and the Cu 3 Sn layer have an effect of preventing the reaction between the Ni-based underlayer and the Sn-based plating layer, and among these, the Cu 3 Sn alloy layer is more effective. taller than. In addition, Sn atoms diffuse into Ni from the concave portion of the Cu 6 Sn 5 layer and Sn and Ni react with each other. Therefore, the Cu 6 Sn 5 layer has relatively few irregularities, and the Cu 3 Sn layer has a surface of the Ni-based underlayer. It was found that peeling and generation of Kirkendall voids can be prevented by coating a large amount of.
次に、リフロー処理後の処理材を弱アルカリ電解脱脂液中に浸漬して、表面の酸化膜を除去した後、Sn系めっき層にAgめっきを施した。そのときのめっき液中のシアン化銀濃度、Agめっき層の厚さについて複数種類のものを作成した。そして、これらAgめっきした処理材について、合金化及び変色防止処理を施した結果、表面に表10に示すようにAg3Sn合金層が形成された。これらについて接触抵抗及び動摩擦係数を測定した結果、同表に示す通りであった。
接触抵抗は、試料を175℃×1000時間放置した後、山崎精機株式会社製電気接点シミュレーターを用い荷重0.49N(50gf)摺動有りの条件で測定した。
動摩擦係数については、嵌合型のコネクタのオス端子とメス端子の接点部を模擬するように、各試料によって板状のオス試験片と内径1.5mmの半球状としたメス試験片とを作成し、アイコーエンジニアリング株式会社製の横型荷重測定器(Model−2152NRE)を用い、両試験片間の摩擦力を測定して動摩擦係数を求めた。図4により説明すると、水平な台21上にオス試験片22を固定し、その上にメス試験片23の半球凸面を置いてめっき面どうしを接触させ、メス試験片23に錘24によって4.9N(500gf)の荷重Pをかけてオス試験片22を押さえた状態とする。この荷重Pをかけた状態で、オス試験片22を摺動速度80mm/分で矢印で示す水平方向に10mm引っ張ったときの摩擦力Fをロードセル25によって測定した。その摩擦力Fの平均値Favと荷重Pより動摩擦係数(=Fav/P)を求めた。
Next, the treated material after the reflow treatment was immersed in a weak alkaline electrolytic degreasing solution to remove the surface oxide film, and then the Sn-based plating layer was subjected to Ag plating. A plurality of types of silver cyanide concentrations in the plating solution and the thickness of the Ag plating layer were prepared. Then, as a result of alloying and anti-discoloration treatment on these Ag-plated treatment materials, an Ag 3 Sn alloy layer was formed on the surface as shown in Table 10. As a result of measuring the contact resistance and the dynamic friction coefficient of these, they were as shown in the same table.
The contact resistance was measured under the condition of sliding with a load of 0.49 N (50 gf) using an electrical contact simulator manufactured by Yamazaki Seiki Co., Ltd. after the sample was left at 175 ° C. for 1000 hours.
As for the dynamic friction coefficient, a plate-shaped male test piece and a hemispherical female test piece having an inner diameter of 1.5 mm are prepared for each sample so as to simulate the contact portion of the male terminal and female terminal of the fitting type connector. Then, using a horizontal load measuring device (Model-2152NRE) manufactured by Aiko Engineering Co., Ltd., the frictional force between the two test pieces was measured to obtain the dynamic friction coefficient. Referring to FIG. 4, a
この表10の結果から、最表面に適切な厚さのAg3Sn合金層を形成して、Sn系めっき層を覆うことにより、加熱時の接触抵抗の劣化を防ぐとともに、コネクタ使用時の挿抜力を低減することが可能となることがわかった。 From the results shown in Table 10, an Ag 3 Sn alloy layer having an appropriate thickness is formed on the outermost surface, and the Sn-based plating layer is covered to prevent deterioration of contact resistance during heating, and insertion / removal when using the connector It has been found that the force can be reduced.
なお、前述のTEM−EDS分析により、Cu6Sn5層内に0.76〜5.32重量%のNiの混入が認められており、本発明においては、Cu−Sn金属間化合物層内にわずかな量のNiが混入しているものも含むものとする。
また、以上のようにして最表面にAg3Sn層を形成した後にリフロー処理してもよい。このリフロー処理を行うことにより、Ag3Sn合金粒子が分散した状態となり、耐熱性及びコネクタ使用時の挿抜性に有利となる。ただし、このリフロー処理を行うことにより、Cu−Sn金属間化合物層におけるCu3Sn層のNi系下地層に対する面積被覆率は若干小さくなる。
In addition, according to the above-mentioned TEM-EDS analysis, 0.76 to 5.32% by weight of Ni was recognized in the Cu 6 Sn 5 layer. In the present invention, in the Cu—Sn intermetallic compound layer. It shall also include those in which a slight amount of Ni is mixed.
It may also be reflow process after forming the
1 Cu系基材
2 Ni系下地層
3 Cu−Sn金属間化合物層
4 Sn系めっき層
5 Ag3Sn層
6 Cu3Sn層
7 Cu6Sn5層
8 凹部
9 凸部
10 導電部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cu-
Claims (5)
前記Cu−Sn金属間化合物層の前記凹部に対する凸部の厚さの比率が1.2〜5であり、
前記Cu3Sn層の平均厚さは0.01〜0.5μmであり、
さらに、前記Sn系めっき層に厚さ0.01〜0.5μmのAg3Sn合金層が形成されていることを特徴とする導電部材。 A Cu-Sn intermetallic compound layer and a Sn-based plating layer are formed in this order on the surface of the Cu-based substrate via a Ni-based underlayer, and the Cu-Sn intermetallic compound layer further includes the Ni-based underlayer. and Cu 3 Sn layer disposed over the formation consists of a Cu 6 Sn 5 layer disposed on the said Cu 3 Sn layer, the the combined these Cu 3 Sn layer and Cu 6 Sn 5 layer Cu- The surface of the Sn intermetallic compound layer in contact with the Sn-based plating layer has irregularities, the thickness of the concave portion is 0.05 to 1.5 μm, and the Cu 3 Sn layer with respect to the Ni-based underlayer The area coverage is 60% or more,
The ratio of the thickness of the convex portion to the concave portion of the Cu-Sn intermetallic compound layer is 1.2 to 5,
The Cu 3 Sn layer has an average thickness of 0.01 to 0.5 μm,
Furthermore, an Ag 3 Sn alloy layer having a thickness of 0.01 to 0.5 μm is formed on the Sn-based plating layer.
前記Ni又はNi合金によるめっき層を電流密度が20〜50A/dm2の電解めっきにより形成し、
前記Cu又はCu合金によるめっき層を電流密度が20〜60A/dm2の電解めっきにより形成し、前記Sn又はSn合金によるめっき層を電流密度が10〜30A/dm2の電解めっきにより形成し、前記リフロー処理は、前記めっき層を形成してから1〜15分経過した後に、めっき層を20〜75℃/秒の昇温速度で240〜300℃のピーク温度まで加熱する加熱工程と、前記ピーク温度に達した後、30℃/秒以下の冷却速度で2〜10秒間冷却する一次冷却工程と、一次冷却後に100〜250℃/秒の冷却速度で冷却する二次冷却工程とを有し、
前記リフロー処理後のSn系めっき層に対して電気化学還元法にて表面の酸化膜を除去した後、その表面にシアン系化合物を使用した銀ストライクめっき法にてAgめっきを0.01〜0.5μmの厚さで形成し、その後、ベンゾチアゾール化合物を含む水溶液中にて合金化及び変色防止処理を施すことを特徴とする導電部材の製造方法。 The surface of the Cu-based substrate is plated with Ni or Ni alloy, Cu or Cu alloy, Sn or Sn alloy in this order to form each plating layer, and then heated and reflowed, whereby the Cu-based substrate is obtained. In this method, a Ni-based underlayer, a Cu—Sn intermetallic compound layer, and a Sn-based plating layer are formed in this order on a material, and an Ag 3 Sn alloy layer is further formed on the Sn-based plating layer. And
Forming a plating layer of the Ni or Ni alloy by electrolytic plating with a current density of 20 to 50 A / dm 2 ;
Forming a plated layer of Cu or Cu alloy by electrolytic plating with a current density of 20 to 60 A / dm 2 ; forming a plated layer of Sn or Sn alloy by electrolytic plating with a current density of 10 to 30 A / dm 2 ; The reflow treatment is performed by heating the plating layer to a peak temperature of 240 to 300 ° C. at a temperature rising rate of 20 to 75 ° C./second after 1 to 15 minutes have elapsed since the formation of the plating layer, After reaching the peak temperature, it has a primary cooling step of cooling at a cooling rate of 30 ° C./second or less for 2 to 10 seconds, and a secondary cooling step of cooling at a cooling rate of 100 to 250 ° C./second after the primary cooling. ,
After removing the oxide film on the surface of the Sn-based plating layer after the reflow treatment by an electrochemical reduction method, 0.01 to 0 Ag plating is performed on the surface by a silver strike plating method using a cyan compound. A method for producing a conductive member, characterized in that the conductive member is formed with a thickness of 5 μm, and thereafter subjected to alloying and discoloration prevention treatment in an aqueous solution containing a benzothiazole compound.
The electrically-conductive member manufactured by the manufacturing method of Claim 3 or 4.
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