JP5419275B2 - リフローSnめっき部材 - Google Patents
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Description
一方、Snめっき材には、ウィスカが発生せず、高温環境下で半田濡れ性や接触抵抗が劣化しにくいことも必要とされている。特に、コネクタメーカーの製造工場の海外移転に伴い、めっき後の部材が海外の高温多湿地域で長期保管されたり、はんだ付け時に実装炉内部で加熱されて、はんだ濡れ性、接触抵抗が劣化する事が報告されている。さらに、自動車のエンジンルーム等の高温にSnめっき材が曝されることで、Snめっき層に銅基材から銅が拡散したり、Snめっき層が酸化され、接触抵抗が劣化することがある。
又、コネクタ嵌合時の挿抜力を低減する方法として、Snめっき厚みを薄くする方法があるが、Snめっき厚みを薄くすると、加熱後の半田濡れ性が劣化するため、Snめっき厚みの減少による挿抜力低減には限界があり、新たな手法による挿抜力の低減が求められている。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ウィスカ発生を抑制すると共に、挿抜力を低減させたリフローSnめっき部材の提供を目的とする。
すなわち、本発明のリフローSnめっき部材は、Cu又はCu基合金からなる基材の表面にリフローSn層が形成され、該リフローSn層の表面の(101)面の配向指数が2.0以上5.0以下であって、前記リフローSn層は、前記基材の表面にCuめっき層を形成し、該Cuめっき層の表面に形成されたSnめっき層又はSn合金層をリフローして形成されたものである。
前記リフローSn層と前記基材との間にNi層が形成されていることが好ましい。
(1)Cu−Ni−Si系合金
Cu−Ni−Si系合金としては、C70250(CDA番号、以下同様;Cu−3%Ni−0.5%Si−0.1Mg),C64745(Cu−1.6%Ni−0.4%Si−0.5%Sn−0.4%Zn)を挙げることができる。
(2)黄銅
黄銅としては、C26000(Cu−30%Zn),C26800(Cu−35%Zn)を挙げることができる。
(3)丹銅
丹銅としては、C21000、C22000、C23000を挙げることができる。
(4)チタン銅
チタン銅としては、C19900(Cu−3%Ti)を挙げることができる。
(5)りん青銅
りん青銅としては、C51020、C51910、C52100、C52400を挙げる事ができる。
リフローSn層の表面の(101)面の配向指数を2.0以上5.0以下にすることにより、コネクタ等に用いたときの挿抜性が改善される。リフローSn層表面の(101)面の配向指数が2.0未満の場合、所望の挿抜性が得られず、5.0を超えると挿抜性は良好となるが、加熱後の半田濡れ性が劣化する。
リフローSn層表面の(101)面の配向を制御することで挿抜性が改善される理由は明確ではないが、次のことが考えられる。まず、Sn相のすべり系は、{110}[001],{100}[001], {111}[101],{101}[101],{121}[101]の5組であり、{101}面はSnのすべり面となる。従って、{101}面を多く(2.0以上)することで、リフローSn層表面と平行なすべり面の比率が高くなる。このため、コネクタ嵌合時にSnめっき表面にせん断応力が加わった際、比較的低い応力でめっき表面が変形すると考えられる。
電気めっきで形成したCuめっきは、リフロー時にCu−Sn合金層の形成に消費され、その厚みがゼロになってもよい。但し、リフロー前のCuめっき層の厚みが1.0μm以上であると、リフロー後のCu−Sn合金層の厚みが厚くなり、加熱したときの接触抵抗の増大や半田濡れ性の劣化が顕著になり、耐熱性が低下する場合がある。これは、電気めっきによるCuめっき層はCuが電着粒として存在し、圧延材である基材中のCuに比べ熱により表面に拡散しやすいためと考えられる。
リフロー温度が450℃未満の場合、または、リフロー時間が8秒未満の場合、めっき層への配向継承が不十分で、(101)面の配向指数は2.0未満となり、所望の挿抜性が得られない。リフロー温度が600℃を超える場合、または、リフロー時間が20秒を超える場合、(101)面の配向指数は5.0を超え、挿抜性は良好となるが、加熱後の半田濡れ性が劣化する。
リフローSn層と基材との間に形成されるCu−Sn合金層の厚みは0.5〜1.9μmとすることが好ましい。Cu−Sn合金層は硬質なため、0.5μm以上の厚さで存在すると、挿入力の低減に寄与する。一方、Cu−Sn合金層の厚さが1.9μmを超えると、加熱したときの接触抵抗の増大や半田濡れ性の劣化が顕著になり、耐熱性が低下する場合がある。
リフロー後のNi層の厚みは0.1〜0.5μmとすることが好ましい。Ni層の厚みが0.1μm未満では耐食性や耐熱性が低下する場合がある。一方、リフロー後のNi層の厚みが0.5μmを超えると、耐熱性の改善効果は飽和し、コストアップとなるため、Ni層の厚みの上限は0.5μmとする事が好ましい。
基材(板厚0.3mmのCu−1.6%Ni−0.4%Si合金)の片面に、電気めっきにより厚み0.5μmのCuめっき、1.0μmのSnめっきをそれぞれ施した後、表1に示す条件でリフロー処理し、リフローSnめっき部材を得た。
Cuめっき浴としては、硫酸濃度60g/L、硫酸銅濃度200g/L、浴温50℃の硫酸銅浴を用い、さらに表1に示す割合でコロイダルシリカ(日産化学工業社製「スノーテックスO」,比重:1.12でシリカ含有率20wt%,シリカ粒子径:10-20nm)、及び/又は塩化物イオン(塩化カリウム)を添加した。Cuめっきの電流密度を5A/dm2とし、めっき浴を回転数200rpmの攪拌羽根で攪拌しながらめっきした。
Snめっき浴としては、メタンスルホン酸80g/L、メタンスルホン酸錫250g/L、浴温50℃、ノニオン系界面活性剤5g/Lの浴を用いた。Snめっきの電流密度を8A/dm2とし、めっき浴を回転数200rpmの攪拌羽根で攪拌しながらめっきした。
1.配向指数の測定
得られたリフローSnめっき部材を幅20mm×長さ20mmの試験片に切り出し、リフローSn層表面の配向をX線ディフラクトメータにより標準測定(θ-2θスキャン)した。線源としてCuKα線を用い、管電流100mA,管電圧30kVで測定を実施した。配向指数Kは次式を用いて算出した。
K={A/B}/{C/D}
A:(101)面のピーク強度(cps)
B:考慮した配向面((200),(101),(220),(211),(301),(112),(400),(321),(420),(411),(312),(431),(103),(332))のピーク強度の和(cps)
C:X線回折の標準データ(粉末法)における(101)面の強度
D:X線回折の標準データ(粉末法)における配向面(Bで規定した面)の強度の総和
耐熱性の評価として、得られたリフローSnめっき部材を145℃で500時間加熱後、リフローSn層表面の接触抵抗を測定した。接触抵抗は、山崎精機研究所製電気接点シミュレータCRS−113−Au型を用い、四端子法により、電圧200mV、電流10mA、摺動荷重0.49N、摺動速度1mm/min、摺動距離1mmで測定した。
得られたリフローSnめっき部材のリフローSn層表面の動摩擦係数により、挿抜性を評価した。まず、試料を試料台上に固定し、リフローSn層表面が半球状に膨らむよう、試料の基材側から直径7mmのステンレス球を押し付けた。このリフローSn層表面の膨出部が「メス」側となる。次に、ステンレス球を押し付けない同一試料を、リフローSn層表面が露出するよう移動台に取り付けた。この面が「オス」側となる。
そして、「メス」側の膨出部を、「オス」側のリフローSn層の上に載置し、両者を接触させた。この状態で、膨出部の裏側(基材側)に所定加重W(=4.9N)を掛けつつ、移動台を水平方向に移動させ、このとき水平方向への移動に伴う抵抗加重Fをロードセルにより測定した。試料の摺動速度(移動台の水平移動速度)は50mm/minとし、摺動方向は試料の圧延方向に対し平行な方向とした。摺動距離は100mmとし、この間のFの平均値を求めた。そして、動摩擦係数μをμ=F/Wより算出した。
JIS−C60068のはんだ付け試験方法(平衡法)に準じ、得られたリフローSnめっき部材と鉛フリーはんだとの濡れ性を評価した。Snめっき部材は幅10mm×長さ50mmの短冊状試験片とし、試験はレスカ社製SAT−20ソルダチェッカーを用い、下記条件でおこなった。得られた荷重/時間曲線からゼロクロスタイムを求めた。濡れ性はゼロクロスタイムが6秒以下なら○、6秒を超える場合は×と判定した。
(フラックス塗布)
フラックス:25%ロジンーエタノール、フラックス温度:室温、フラックス深さ:20mm、フラックス浸漬時間:5秒とした。又、たれ切り方法は、ろ紙にエッジを5秒当てて、フラックスを除去し、装置に固定して30秒保持して行った。
(はんだ付け)
はんだ組成: Sn−3.0%Ag−0.5%Cu(千住金属工業社製)、はんだ温度:250℃、はんだ浸漬速さ:4mm/s、はんだ浸漬深さ:2mm、はんだ浸漬時間:10秒で行った。
上記基材の片面に、電気めっきにより厚み0.3μmのNiめっきを施した後、実施例1と同様にして厚み0.5μmのCuめっき、1.0μmのSnめっきをそれぞれ施した。その後、表2に示す条件でリフロー処理し、リフローSnめっき部材を得た。
Niめっき浴としては、硫酸ニッケル:250g/L,塩化ニッケル:45g/L,ホウ酸:30g/L,浴温50℃の浴を用いた。Niめっきの電流密度を5A/dm2とし、めっき浴を回転数200rpmの攪拌羽根で攪拌しながらめっきした。
Niめっき、Cuめっき、および、Snめっきの厚みを表3に示すように変化させたこと以外は実施例1および実施例2と同様にしてNiめっき、Cuめっき、Snめっきをそれぞれ施した。その後、550℃×15secの条件でリフロー処理し、リフローSnめっき部材を得た。Cuめっき浴としては、硫酸濃度60g/L、硫酸銅濃度200g/L、浴温50℃の硫酸銅浴を用い、さらにコロイダルシリカ(日産化学工業社製「スノーテックスO」)15mL/L(比重:1.12g/m3でシリカ含有率20wt%のコロイダルシリカの体積を示し、シリカ粒子径:10-20nm)及び塩化物イオン(塩化カリウム)25mg/Lを添加した。Cuめっきの電流密度を5A/dm2とし、めっき浴を回転数200rpmの攪拌羽根で攪拌しながらめっきした。
なお、表1の発明例1〜7、比較例8〜14は、実施例1の条件で行った結果である。表2の発明例20〜23、比較例30〜35は、実施例2の条件で行った結果である。表3の発明例40〜49、比較例50〜54は、実施例3の条件で行った結果である。
リフロー時間が8秒未満である比較例10、及びリフロー温度が450℃未満である比較例12、14の場合、いずれもリフロー処理が不十分となり、リフローSn層の表面の(101)面の配向指数が2.0未満となり、動摩擦係数が0.5を超えた。これは、リフロー時にSnめっき層が十分に溶融しなかったため、Sn層の再配向が生じ難くなったためと考えられる。
リフロー時間が20秒を超えた比較例11、及びリフロー温度が600℃を超えた比較例13の場合、いずれもリフロー処理が過度となり、接触抵抗が0.95mΩを超えるとともに、はんだ濡れ性が劣った。これは、過度なリフロー処理により、リフローSn層に下地からCuが拡散したり、Sn層が酸化されて表面に残存する金属Sn量が減少したためと考えられる。
リフロー時間が8秒未満である比較例32、及びリフロー温度が450℃未満である比較例34の場合、いずれもリフロー処理が不十分となり、リフローSn層の表面の(101)面の配向指数が2.0未満となり、動摩擦係数が0.5を超えた。
リフロー時間が20秒を超えた比較例33、及びリフロー温度が600℃を超えた比較例35の場合、いずれもリフロー処理が過度となり、接触抵抗が0.95mΩを超えるとともに、はんだ濡れ性が劣った。
Cuめっき時(リフロー前)のCuめっき層の厚みが1.0μm以上である比較例52の場合、接触抵抗が0.95mΩを超えるとともに、はんだ濡れ性が劣った。これは、電気めっきによるCuめっき層はCuが電着粒として存在し、圧延材である基材中のCuに比べて熱により表面に拡散しやすく、リフロー後のCu−Sn合金層の厚みが厚くなったためと考えられる。
Snめっき時(リフロー前)のSnめっき層の厚みが0.7μm未満である比較例53の場合、接触抵抗が0.95mΩを超えるとともに、はんだ濡れ性が劣った。これは、Snめっき層の厚みが薄いため、リフローによるCuの拡散やSn層酸化により、表面に残存する金属Sn量が減少したためと考えられる。
Snめっき時(リフロー前)のSnめっき層の厚みが2.0μmを超えた比較例54の場合、リフローSn層の表面の(101)面の配向指数が2.0未満となり、動摩擦係数が0.5を超えた。これは、Snめっき層の厚みが厚いため、柔らかいSnによって表面の摩擦が大きくなったためと考えられる。
Claims (3)
- Cu又はCu基合金からなる基材の表面にリフローSn層が形成され、該リフローSn層の表面の(101)面の配向指数が2.0以上5.0以下であるリフローSnめっき部材であって、
前記リフローSn層は、前記基材の表面にCuめっき層を形成し、該Cuめっき層の表面に形成されたSnめっき層又はSn合金層をリフローして形成されたものであるリフローSnめっき部材。 - 前記Sn合金層は、Sn−Cu、Sn−Ag、又はSn−Pb合金からなる請求項1に記載のリフローSnめっき部材。
- 前記リフローSn層と前記基材との間にNi層が形成されている請求項1又は2に記載のリフローSnめっき部材。
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