JP5984981B2 - 電子部品用Snめっき材 - Google Patents

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Description

本発明は、電子部品、特にコネクタや端子等の導電性ばね材として好適なSnめっき材に関する。
端子やコネクタ等の導電性ばね材として、Snめっきを施した銅又は銅合金条(以下、「Snめっき材」という)が用いられている。一般的に、Snめっき材は、連続めっきラインにおいて脱脂および酸洗の後、電気めっき法によりCu下地めっき層を形成し、次に電気めっき法によりSn層を形成し、最後にリフロー処理を施しSn層を溶融させる工程で製造される。
上記Snめっき材をプレス加工してコネクタ等を製造する際、Snめっき材をパッドで押さえるが、Snめっき材の表面にパッドが接触することでSnめっき材のSnめっき層からSn粉が発生し、プレス機に混入する問題が生じていた。
また、一般的に、コネクタ等の組み立てラインでは、表面欠陥を検出するための検出器が設置されており、欠陥は端子表面に光を照射し、その反射光を検出することで機能する。したがって、高精度で欠陥を検出するためには端子の表面光沢が高いこと、つまり導電性ばね材の表面光沢が高いことが求められる。
近年のコネクタの小型化に伴い、Snめっき材には上記Sn粉の発生抑制及び良好な表面光沢が強く求められている。
上記Sn粉の問題に対し、特許文献1では銅合金条に下地めっき、Snめっきを行った後、リフロー処理のファンの周波数を制御することで、Snめっき材の最表面にCu−Sn合金層を露出させ、その露出したCu−Sn合金層の面積率を0.5〜4%に、個数を0.033mm2当たり100〜900個にする方法が開示されている。
特許文献2では銅合金条に下地めっき、Snめっきを行った後、リフロー炉で加熱し、空冷した後、水冷することでリフロー後のSn層中に粒径10〜100nmのCu−Sn合金粒子が50〜1000個/μm2の個数密度で存在させる方法が開示されている。
特許第5389097号公報 特許第5587935号公報
上記Snめっき材はSn粉の発生を抑制する上で有効であるものの、近年のコネクタの小型化に伴うSn粉の発生抑制の要求に応えるには不充分である。さらに、高い精度で表面検査を行うために、表面光沢の向上が求められている。
本発明は、Sn粉の発生を抑制するための更なる改良と同時に、良好な表面光沢を得ることを目的とする。本発明者らが知る限り、従来においてSn粉の発生を抑制し、且つ良好な表面光沢が得られる発明は見当たらなかった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであって、コネクタや端子等の導電性ばね材としてSn粉の発生を防止し、且つ良好な表面光沢を有するSnめっき材を提供することを目的とする。
本発明者が鋭意研究した結果、Sn粉の発生を抑制するためにはSnめっき材の表面平滑性を向上させることが有効であることを見出した。Sn粉はプレス加工時にパッドでSnめっき材を保持する際にSn層が削られることで発生する。パッドは一定の荷重でSnめっき材を押さえるが、Snめっき材の表面粗さが大きいと、図1に示すように、パッドと接触する面積が小さくなるため、パッドとSnめっき材との接触部の単位面積当たりの荷重が大きくなり、パッドのSnめっき材に対する食い込み量が大きくなる。その結果、Snめっき材の削られる量が多くなり、Sn粉の発生量も多くなる。
反対に、Snめっき材の表面粗さが小さいと、図2に示すように、パッドと接触する面積が広くなるため、パッドとSnめっき材との接触部の単位面積当たりの荷重が小さくなり、パッドのSnめっき材に対する食い込み量が小さくなる。その結果、Snめっき材の削られる量が少なくなり、Sn粉の発生量も少なくなる。さらに、Snめっき材の表面粗さが小さくなると、表面光沢は向上する。
Snめっき材の表面粗さを小さくするためには、リフロー処理にてSnめっきを施した銅合金条を加熱した後、冷却水をSnめっき材の表面に噴霧し(以下、「霧状水冷」という)、次いでSnめっき材を投入する方法で行う必要がある。
一般的に、リフロー処理で加熱されためっき材の冷却方法は加熱後に水槽に投入するか、数秒間空冷した後、水槽に投入する方法である。この場合、リフロー加熱で溶融したSnは水槽に投入直後に凝固するため、図3に示すように、そのSnの凝固組織の形態は柱状となる。したがって、その断面形状は図1のようになり、表面粗さは大きくなる。
一方、リフロー処理で加熱されためっき材を水槽に投入前に霧状水冷を行うと、表面に噴霧された水粒子が付着し冷却されるため、図4に示すように、そのSnの凝固組織の形態は放射状となる。したがって、その断面形状は図2のようになり、表面粗さは小さくなる。
このように、リフロー処理にて加熱されためっき材を霧状水冷した後、水槽に投入する冷却を行い、Snの凝固組織形態を放射状にし、表面粗さを小さくすることで、Sn粉の発生が抑制でき良好な表面光沢を得ることができる。
すなわち、本発明は、
(1)銅又は銅合金条の基材上にリフロー処理を施したSnめっき層を有するSnめっき材であって、リフローSnめっき層は上側のSn層と下側のCu−Sn合金層で構成され、Snめっき材の最表面において、放射状のSn凝固組織が35mm2当たり1個以上存在し、Snめっき材の最表面の圧延直角方向の表面粗さRaが0.05μm以下であることを特徴とするSnめっき材。
(2)最表面に露出したCu−Sn合金層の面積率が40%以下であり、表面から観察したときの前記露出したCu−Sn合金層の結晶粒径が3μm以下であることを特徴とする(1)のSnめっき材。
(3)銅又は銅合金条の基材上がCu下地めっき層、又はNi下地めっき層、又はNi及びCuをこの順に積層したNi/Cu二層下地めっき層で被覆されており、その上にリフローSnめっき層を有する(1)又は(2)のSnめっき材。
(4)銅又は銅合金条の基材上にSnめっき、又はCu、Snめっき層をこの順で形成した後に、リフロー処理することにより、基材上にCu−Sn合金層を介してSn層を形成したSnめっき材を製造する方法であって、前記Cuめっき層の厚みを0〜0.5μm、前記Snめっき層の厚みを0.5〜1.5μmとし、前記リフロー処理を温度300〜600℃で1〜30秒加熱した後、20〜90℃の冷却水を噴霧し、次いで20〜90℃の水槽に投入することを特徴とするSnめっき材の製造方法。
(5)銅又は銅合金条の基材上にNi、Cu、Snめっき層をこの順で形成した後に、リフロー処理することにより、基材上にNi下地めっき層、又はNi/Cu二層下地めっき層で被覆され、Cu−Sn合金層を介してSn層を形成したSnめっき材を製造する方法であって、前記Niめっき層を0.05〜3μm、前記Cuめっき層の厚みを0.05〜0.5μm、前記Snめっき層の厚みを0.5〜1.5μmとし、前記リフロー処理を温度300〜600℃で1〜30秒加熱した後、20〜90℃の冷却水を噴霧し、次いで20〜90℃の水槽に投入することを特徴とするSnめっき材の製造方法。
(6)(1)〜(3)の何れかに記載されたSnめっき材を備えた電子部品。
本発明に係るSnめっき材では、特に自動車及び電子部品等に使用される端子において、接合時の挿入力が低く、端子組み立て時の表面検査を高い精度で実施できる。
Snめっき材の最表面の表面粗さが大きい場合の断面模式図である。 Snめっき材の最表面の表面粗さが小さい場合の断面模式図である。 リフロー処理にて加熱後に水槽へ投入した場合のSnめっき材のエッチング後の最表面組織写真である。 リフロー処理にて加熱後に霧状水冷を実施し、次いで水槽へ投入した場合のSnめっき材のエッチング後の最表面組織写真である。 鏡面反射率測定方法の説明図である。
以下、本発明に係るSnめっき材の一実施形態について説明する。なお、本発明において%とは、特に断らない限り、質量%を示すものとする。
(1)基材の組成
Snめっき材の基材となる銅条としては、純度99.9%以上のタフピッチ銅、無酸素銅を用いることができ、又、銅合金条としては要求される強度や導電性に応じて公知の銅合金を用いることができる。公知の銅合金としては、例えば、Cu−Sn−P系合金、Cu−Zn系合金、Cu−Ti系合金、Cu−Ni−Si系合金、Cu−Sn−Zn系合金、Cu−Zr系合金等が挙げられる。
(2)放射状のSn凝固組織
前述したように霧状水冷を行うことで、溶融されたSnは放射状に凝固する。この放射状のSn凝固組織は35mm2当たり1個以上あれば、表面粗さRaが0.05μm以下となる。放射状のSn凝固組織の個数は、本発明の効果が発揮される範囲では特に制限されないが、製造上、10個を超えることは困難である。
(3)表面粗さ
リフロー処理後のSnめっき材の最表面において圧延直角方向の表面粗さRaは0.05μm以下とする。好ましくはRaが0.03μm以下、更に好ましくはRaが0.02μm以下とする。この圧延直角方向の表面粗さRaが大きすぎると、Sn粉の発生が抑制できず、良好な表面光沢も得られない。表面粗さの下限は本発明の効果が発揮される範囲では特に制限されないが、製造上、Raが0.001μm未満は困難である。
(4)Cu−Sn系合金層
前記Snめっき後にリフロー処理を施すと、基材及び/又はCu下地めっき層のCuがSnめっき層に拡散し、Snめっき層の下側にCu−Sn合金層が形成される。通常はCu6Sn5、及び/又はCu3Snの組成を有しているが、上記した下地めっきの成分や、基材を銅合金としたときの添加元素を含んでもよい。
Sn層と比較して、Cu−Sn合金層は硬質であるため、これをSnめっき材の最表面に露出させることで更なるSn粉の発生の抑制ができる。ただし、Snめっき材の最表面に露出したCu−Sn合金層の面積率は40%以下とする。好ましくは35%以下、更に好ましくは30%以下とする。面積率が大きくなり過ぎると、Snめっき層の表面粗さRaが大きくなり過ぎてしまい、良好な表面光沢が得られない。
さらに、最表面に露出したCu−Sn合金層の結晶粒径は3μm以下とする。好ましくは2.5μm以下、更に好ましくは2μm以下とする。結晶粒径が大きすぎると、Snめっき層の圧延直角方向の表面粗さRaが大きくなり過ぎてしまい良好な表面光沢が得られない。結晶粒径の下限は本発明の効果が発揮される範囲では特に制限されないが、製造上、0.1μm未満は困難である。
(5)製造方法
本発明の実施形態に係るSnめっき材は、連続めっきラインにおいて、基材である銅又は銅合金条の表面を脱脂および酸洗の後、電気めっき法により下地めっき層を形成し、次に公知の電気めっき法によりSn層を形成し、最後にリフロー処理を施しSn層を溶融させる工程で製造することができる。下地めっき層は省略しても良い。
Cu下地めっきは行わなくても良いが、Cu下地めっきを行う場合、その厚みは0.5μm以下とする。好ましくは0.4μm以下、更に好ましくは0.35μm以下とする。厚みが大き過ぎると、露出したCu−Sn合金層の結晶粒径が大きくなり過ぎ、Snめっき層の圧延直角方向の表面粗さRaが大きくなり過ぎてしまい良好な表面光沢が得られない。
耐熱性の向上のために、Cu下地めっきの前にNi下地めっきを行ってもよい。この場合、Ni下地めっきの厚みは特に制限されないが、厚みが0.05μmを下回るとNi下地めっきの効果が発揮されず、3μmを超えると、経済性が悪いだけでなく、曲げ加工性の劣化を招く。そのためNi下地めっきの厚みは0.05〜3μmが好ましい。また、Ni下地めっき後のCu下地めっきの厚みは特に制限されないが、厚みが0.05μmを下回る、又は0.5μmを超えると、Ni下地めっき後のCu下地めっきの効果が発揮されない。そのためNi下地めっき後のCu下地めっきの厚みは0.05〜0.5μmが好ましい。
Snめっきの厚みは0.5〜1.5μmとする。好ましくは0.6〜1.2μm、更に好ましくは0.7〜1.1μmとする。Snめっきの厚みが小さすぎると、リフロー処理後のSn層の厚みが小さくなり過ぎてしまい、結果として、Snめっき層の圧延直角方向の表面粗さRaが大きくなり過ぎてしまい、およびCu−Sn合金層の面積率が大きくなり過ぎてしまい良好な表面光沢が得られない。Snめっき厚みの上限は本発明の効果が発揮される範囲では特に制限されないが、Snめっき厚みが厚いと経済性が悪くなるため、上限は1.5μmとする。
リフロー処理は、Snめっき材を炉内温度300〜600℃で1〜30秒加熱した後、20〜90℃の冷却水をSnめっき材の表面に噴霧し、次いで20〜90℃の水槽にSnめっき材を投入する方法で行う。
加熱温度が300℃、及び/又は加熱時間が1秒を下回ると、Snの溶融が不充分になる可能性があり、製造が不安定になる。反対に、加熱温度が600℃、及び/又は加熱時間が30秒を超えると、最表面に露出したCu−Sn合金層の面積率が40%を超え、その結晶粒径が3μmを超え、圧延直角方向の表面粗さRaが0.05μmを超え、良好な表面光沢が得られない。
前述したように、加熱後に冷却水を噴霧することで放射状のSn凝固組織が得られる。さらに、加熱されためっき材の表面に噴霧された水粒子が付着し、その部分は急冷され、Cu−Sn合金層の成長は抑制される。一方、水粒子が付着しなかった部分は急冷されず、Cu−Sn合金層の成長は抑制されない。したがって、加熱後のめっき表面に局所的な冷却速度の差を生じさせることができ、めっき材の表面に露出したCu−Sn合金層の結晶粒径を微細化させる効果もある。
以下に実施例を示すが、以下の実施例に本発明が限定されることを意図するものではない。
タフピッチ銅を原料とし、表1に示す割合(質量%)となるように各元素を添加したインゴットを鋳造し、900℃以上で厚さ10mmまで熱間圧延を行い、表面の酸化スケールを面削した後、冷間圧延と熱処理とを繰り返し、厚み0.2mmの板(基材)に仕上げた。
次に、この基材の表面を脱脂及び酸洗の後、電気めっき法によりNiめっき層、Cuめっき層の順に下地めっき層を形成し、場合によってはNi下地めっき及びCu下地めっきを省略し、次に電気めっき法によりSnめっき層を形成した。Ni下地めっきを施す場合は硫酸浴(液温約50℃、電流密度5A/dm2)で電気めっきし、Ni下地めっきの厚みを0.3μmとした。Cu下地めっきを施す場合は硫酸浴(液温約25℃、電流密度30A/dm2)で電気めっきした。Snめっきは、フェノールスルホン酸浴(液温約35℃、電流密度12A/dm2)で電気めっきした。Cu下地めっき及びSnめっきの各めっき厚みは電着時間を調整することで調整した。
次に、300〜650℃に加熱した炉中にて1〜30秒加熱した後、70℃の冷却水を霧状にして噴きかけた後、70℃の水槽へ投入した。一部の実施例については加熱した後、霧状の水冷を行わずに70℃の水槽へ投入した。
このようにして得られた各Snめっき材について、諸特性の評価を行った。
(1)Snめっき厚み
CT−1型電解式膜厚計(株式会社電測製)を用い、Snめっき層の厚みを測定した。
(2)最表面のSn凝固組織
Snめっき材を65%フェノールスルホン酸水溶液に5分間浸漬させ、Sn凝固組織を現出させた後、マイクロスコープ(キーエンス社(株)製VW−6000)を用いて35mm2の範囲を観察し、図4のように、Sn凝固組織の個数を測定した。
(3)表面粗さ
コンフォーカル顕微鏡(Lasertec(株)社製HD100)を用い、JIS B 0601に準拠してSnめっき材の圧延直角方向の表面粗さRa及びRSmを測定した。
(4)表面に露出したCu−Sn合金層の面積率
FE−SEM(日本FEI(株)製XL30SFEG)を用いて、750倍の倍率で0.017mm2の視野の反射電子像を観察した。表面に露出したCu−Sn合金層は、Sn層に比較して暗い画像となるため、この像を2値化し、Cu−Sn合金層の面積を求めることで面積率を算出した。2値化は、高度レンジ255中170に設定して行った。
(5)最表面に露出したCu−Sn合金層の結晶粒径
FE−SEM(日本FEI(株)製XL30SFEG)を用いて、2000倍の倍率で露出したCu−Sn合金層の反射電子像を観察した。その後、Cu−Sn合金層を無作為に10個選択し、各Cu−Sn合金層が含まれる最大円の直径をそれぞれ求め、10個の最大円の直径平均値をCu−Sn合金層の結晶粒径とした。
(6)表面光沢
デジタル変角光沢度計(日本電測工業(株)製VG−1D)を用いて、Snめっき材の鏡面反射率を測定した。図5に示すように、投光部から入射角30°で光を入射させ、Snめっき材に角度30°で反射した光を受光部で検出することでSnめっき材の鏡面反射率を測定した。投光部から直接受光させたときの鏡面反射率が100%であるため、この数値が高いほどSnめっき材の表面光沢は良好となる。
(7)Sn粉
試料を摩擦試験装置(スガ試験機株式会社製、スガ磨耗試験機)上に置き、試料表面にフェルトを載せ、フェルトの上に30gのウェイトを荷重した状態で、フェルトを試料表面で1cmの振幅で往復運動(走査距離10mm、走査速度13mm/s、往復回数30回)させた。
その後、試料側のフェルト表面を観察し、Sn粉の付着度合を目視評価した。評価基準は以下の通りである。評価が△であれば、Sn粉の発生が殆ど無く実用上問題ないが、○であればより好ましい。
○:フェルトにSn粉の付着が見られない。
△:フェルトにSn粉の付着が薄く認められる。
×:フェルトにSn粉の付着が濃く認められる。
実施例を表2及び表3に示す。
発明例1〜39は、いずれもSnめっき材の最表面の圧延直角方向の表面粗さRaが0.05μm以下であり、放射状のSn凝固組織は35mm2当たり1個以上であり、最表面に露出したCu−Sn合金層の面積率が40%以下であり、Cu−Sn合金層が最表面に露出した場合、その結晶粒径は3μm以下であった。これらのSnめっき材の鏡面反射率は70%以上であり、良好な表面光沢が得られ、Sn粉の発生は抑制された。
比較例1はめっき時のSnめっき厚みが0.5μmを下回った例である。リフロー後のSn層厚みが0.2μm未満、最表面に露出したCu−Sn合金層の面積率が40%を超え、圧延直角方向のRaが0.05μmを超え、鏡面反射率が70%未満であった。
比較例2はめっき時のCu下地めっき厚みが0.5μmを超えた例である。最表面に露出したCu−Sn合金層の結晶粒径が3μmを超え、圧延直角方向のRaが0.05μmを超え、鏡面反射率が70%未満であった。
比較例3はリフロー処理の炉温が600℃を超え、比較例4はリフロー処理の加熱時間が30秒を超えた例である。両方ともリフロー後のSn層厚みが0.2μm未満、最表面に露出したCu−Sn合金層の面積率が40%を超え、結晶粒径が3μmを超え、圧延直角方向のRaが0.05μmを超え、鏡面反射率が70%未満であった。
比較例5及び6は霧状の水冷を実施せず、最表面にCu−Sn合金層が露出しなかった例である。いずれも放射状のSn凝固組織は認められず、Sn粉の発生が顕著であった。
比較例7は霧状の水冷を実施せず、最表面にCu−Sn合金層がわずかに露出した例である。放射状のSn凝固組織は認められず、圧延直角方向のRaが0.05μmを超え、鏡面反射率が70%未満であり、Sn粉の発生は顕著であった。
比較例8〜11は霧状の水冷を実施せず、最表面にCu−Sn合金層が多く露出した例である。Cu−Sn合金層が露出しているため、Sn粉の発生は抑制されているが、放射状のSn凝固組織は認められず、圧延直角方向のRaが0.05μmを超え、鏡面反射率が70%未満であった。つまり、Sn粉の発生抑制と良好な表面光沢の両立ができていなかった。

Claims (6)

  1. 銅又は銅合金条の基材上にリフロー処理を施したSnめっき層を有するSnめっき材であって、リフローSnめっき層は上側のSn層と下側のCu−Sn合金層で構成され、Snめっき材の最表面において、放射状のSn凝固組織が35mm2当たり1個以上存在し、Snめっき材の最表面の圧延直角方向の表面粗さRaが0.05μm以下であることを特徴とするSnめっき材。
  2. 最表面に露出したCu−Sn合金層の面積率が40%以下であり、表面から観察したときの前記露出したCu−Sn合金層の結晶粒径が3μm以下であることを特徴とする請求項1記載のSnめっき材。
  3. 銅又は銅合金条の基材上がCu下地めっき層、又はNi下地めっき層、又はNi及びCuをこの順に積層したNi/Cu二層下地めっき層で被覆されており、その上にリフローSnめっき層を有する請求項1又は2記載のSnめっき材。
  4. 銅又は銅合金条の基材上にSnめっき、又はCu、Snめっき層をこの順で形成した後に、リフロー処理することにより、基材上にCu−Sn合金層を介してSn層を形成したSnめっき材を製造する方法であって、前記Cuめっき層の厚みを0〜0.5μm、前記Snめっき層の厚みを0.5〜1.5μmとし、前記リフロー処理を温度300〜600℃で1〜30秒加熱した後、20〜90℃の冷却水を噴霧し、次いで20〜90℃の水槽に投入することを特徴とするSnめっき材の製造方法。
  5. 銅又は銅合金条の基材上にNi、Cu、Snめっき層をこの順で形成した後に、リフロー処理することにより、基材上にNi下地めっき層、又はNi/Cu二層下地めっき層で被覆され、Cu−Sn合金層を介してSn層を形成したSnめっき材を製造する方法であって、前記Niめっき層を0.05〜3μm、前記Cuめっき層の厚みを0.05〜0.5μm、前記Snめっき層の厚みを0.5〜1.5μmとし、前記リフロー処理を温度300〜600℃で1〜30秒加熱した後、20〜90℃の冷却水を噴霧し、次いで20〜90℃の水槽に投入することを特徴とするSnめっき材の製造方法。
  6. 請求項1〜3の何れかに記載されたSnめっき材を備えた電子部品。
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