JP6592140B1 - 表面処理金属材料、表面処理金属材料の製造方法、及び、電子部品 - Google Patents
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Abstract
Description
P:1×10-11〜4×10-8mol/cm2、N:2×10-12〜8×10-9mol/cm2
である。
従来、表面処理金属材料の基材上にSnやAgを設けてリフロー処理によって各種めっき層を形成することで、接触抵抗及び挿入力を低減させ、耐食性を向上させようとしていた。しかしながら本発明者はこれら性能の更なる向上を検討していた。そこで、従来は表面処理金属材料を断面観察することでライン分析を行い、めっき品の評価をしていたが、表面からの詳細な観察をしていなかったことに着目した。このような表面からの観察をしていないと、作製しためっき品の表面において一部未反応のSnやAgが存在したままとなっていても確認されない。このような点から、本発明者は表面処理金属材料の表面を観察して未反応のSnやAgが残存することと、それによる特性の劣化を確認した。そして表面処理金属材料の表面における未反応のSnやAgの残存を極力抑制するためのめっき構成(組成及び厚み)、及び、そのためのリフロー処理条件を見出した。以下、本発明の実施形態に係る表面処理金属材料について説明する。
基材11としては、特に限定されないが、例えば、銅及び銅合金、Fe系材、ステンレス、チタン及びチタン合金、アルミニウム及びアルミニウム合金などの金属基材を用いることができる。
下層12はNiで構成されており、厚みは0.5μm以上3.0μm以下である。Niを用いて下層12を形成することで、硬い下層12形成により薄膜潤滑効果が向上して凝着磨耗が減少し、下層12は基材11の構成金属が上層14に拡散するのを防止して耐熱性やはんだ濡れ性などを向上させる。下層12の厚みが0.5μm未満であると、硬い下層による薄膜潤滑効果が低下して凝着磨耗が大きくなり、また基材11の構成金属が上層14に拡散しやすくなり、耐熱性やはんだ濡れ性が劣化するおそれがある。一方、下層12の厚みは3.0μmを超えると曲げ加工性が悪くなるおそれがある。下層12の厚みは0.5μm以上2.0μm以下であるのが好ましい。
中層13はNi3Sn4合金で構成されており、厚みは0.03μm以上0.20μm以下である。中層13がNi3Sn4合金で構成されていることで、塩素ガス、亜硫酸ガス、硫化水素ガス等のガスに対する耐食性に優れ、基材11の構成金属が上層14に拡散するのを防止し、耐熱性試験やはんだ濡れ性劣化を抑制するなどの耐久性を向上させる。中層13の厚みが0.03μm未満であると皮膜が柔らかくなり凝着磨耗が増加するおそれがある。一方中層13厚みが0.20μmを超えると曲げ加工性が悪くなるおそれがある。中層の厚みは0.05μm以上0.15μm以下であるのが好ましい。
上層14はAg3Sn合金で構成されており、厚みは0.25μm以上0.55μm以下である。上層14がAg3Sn合金で構成されていることで、塩素ガス、亜硫酸ガス、硫化水素ガス等のガスに対する耐食性が良好となり、接触抵抗が低下する。上層14の厚みが0.25μm未満であると、基材11や下層12の組成が上層14側に拡散しやすくなって耐熱性が悪くなるおそれがある。また微摺動によって上層14が磨耗し、接触抵抗の高い下層12が露出しやすくなるため耐微摺動磨耗性が悪く、微摺動によって接触抵抗が上昇しやすくなる。一方、上層14の厚みが0.55μmを超えると、硬い基材11または下層12による薄膜潤滑効果が低下して凝着磨耗が大きくなるおそれがある。また機械的耐久性が低下して、めっき削れが発生しやすくなるおそれがある。上層の厚みは0.3μm以上0.45μm以下であるのが好ましい。
本発明の実施形態に係る表面処理金属材料の用途は特に限定しないが、以下の電子部品等が挙げられる。具体的には、表面処理金属材料を接点部分に用いたコネクタ端子、表面処理金属材料を接点部分に用いたFFC端子またはFPC端子、表面処理金属材料を外部接続用電極に用いた電子部品などが挙げられる。なお、端子については、圧着端子、はんだ付け端子、プレスフィット端子等、配線側との接合方法によらない。外部接続用電極には、タブに表面処理を施した接続部品や半導体のアンダーバンプメタル用に表面処理を施した材料などがある。また、このように形成されたコネクタ端子を用いてコネクタを作製しても良く、FFC端子またはFPC端子を用いてFFCまたはFPCを作製しても良い。また本発明の実施形態に係る表面処理金属材料は、ハウジングに取り付ける装着部の一方側にメス端子接続部が、他方側に基板接続部がそれぞれ設けられ、該基板接続部を基板に形成されたスルーホールに圧入して該基板に取り付ける圧入型端子に用いても良い。コネクタはオス端子とメス端子の両方が本発明の実施形態に係る表面処理金属材料であっても良いし、オス端子またはメス端子の片方だけであっても良い。なおオス端子とメス端子の両方を本発明の実施形態に係る表面処理金属材料にすることで、更に低挿抜性が向上する。
(成膜及びリフロー処理)
本発明の実施形態に係る表面処理金属材料の製造方法としては、湿式(電気、無電解)めっき、乾式(スパッタ、イオンプレーティング等)めっき等を用いることができる。まず、基材上に、0.5〜3.0μmの厚みのNi下地層、0.2〜0.35μmの厚みのAg層、及び、0.1〜0.2μmの厚みのSn層をこの順で、且つ、Sn層とAg層との厚み比がSn層/Ag層=1.0〜2.5となるように、めっき処理で設ける。めっき処理の後、785〜825℃で25〜30秒のリフロー処理を行うことで、本発明の実施形態に係る表面処理金属材料が得られる。リフローが不十分な場合、Ag3Sn面積率が97%未満になってしまう。一方、オーバーリフローの場合、上層側表面において形成される酸化膜の厚みが2nm以上になることに起因して優れた接触抵抗を実現できない。
リフロー処理後に後述のリン酸エステル系の液を使用した後処理を行ってもよい。または、リフロー処理前に後述のリン酸エステル系の液を使用した後処理を行った後、リフロー処理を行ってもよい。当該後処理(表面処理)は、めっき材の上層表面を、1種又は2種以上のリン酸エステルと、環状有機化合物の1種又は2種以上とを含有する水溶液(リン酸エステル系液とよぶ)を用いて行うことが望ましい。リン酸エステル系液に添加されるリン酸エステルは、めっきの酸化防止剤および潤滑剤としての機能を果たす。本発明に使用されるリン酸エステルは、一般式〔1〕および〔2〕で表される。一般式〔1〕で表される化合物のうち好ましいものを挙げると、ラウリル酸性リン酸モノエステルなどがある。一般式〔2〕で表される化合物のうち好ましいものを挙げると、ラウリル酸性リン酸ジエステルなどがある。
さらに本発明の実施形態では、P及びNの付着量をそれぞれ、
P:1×10-11〜4×10-8mol/cm2、N:2×10-12〜8×10-9mol/cm2
とすると、はんだ付け性が劣化しにくく、潤滑性がより良好で、接触抵抗の上昇も少ないことを見出した。Pの付着量が1×10-11mol/cm2未満では、はんだ濡れ性が劣化しやすくなり、4×10-8mol/cm2を超えると、接触抵抗が高くなるという不具合が発生する。
(表面処理金属材料の作製)
実施例1〜10、比較例1〜7として、以下の条件で、基材(幅20mm、長さ80mm、厚み0.64mmの黄銅板)の表面に、Niめっき、Agめっき、Snめっき、さらにリン酸エステル系液処理及び熱処理の順で表面処理を行った。表1には各実施例、比較例の製造時のめっき厚さ、熱処理(リフロー処理)条件及びリン酸エステル系液処理条件を示す。
表面処理方法:電気めっき
めっき液:スルファミン酸Ni(150g/l)+硼酸(30g/l)
めっき温度:55℃
電流密度:0.5〜4A/dm2
表面処理方法:電気めっき
めっき液:シアン化Ag(10g/l)+シアン化カリウム(30g/l)
めっき温度:40℃
電流密度:0.2〜4A/dm2
表面処理方法:電気めっき
めっき液:メタンスルホン酸Sn(50g/l)+メタンスルホン酸(200g/l)
めっき温度:30℃
電流密度:5〜7A/dm2
第1〜第3めっき後、サンプルを表1に示す温度、雰囲気下及び熱処理時間にてリフロー処理を実施した。
リフロー処理後、表1に示すように、めっき表面に以下のリン酸エステル種(A1、A2)及び環状有機化合物種(B1、B2)を用いて以下の条件にてリン酸エステル系液処理を行った。リン酸エステル系液処理後の、めっき表面のP付着量及びN付着量を表1に示す。
・リン酸エステル種:A1
ラウリル酸性リン酸モノエステル(リン酸モノラウリルエステル)
・リン酸エステル種:A2
ラウリル酸性リン酸ジエステル(リン酸ジラウリルエステル)
・環状有機化合物種:B1
ベンゾトリアゾール
・環状有機化合物種:B2
メルカプトベンゾチアゾールのNa塩
・電解条件:2Vで5秒陽極電解
・下層の厚み測定
下層の厚みは、蛍光X線膜厚計(Seiko Instruments製 SEA5100、コリメータ0.1mmΦ)で測定した。
下層の厚み測定は、任意の10点について評価を行って平均化した。
得られた試料の上層及び中層の構造の決定及び厚み測定は、STEM(走査型電子顕微鏡)分析による線分析で行った。厚みは、線分析(または面分析)から求めた距離に対応する。STEM装置は、日本電子株式会社製JEM−2100Fを用いた。本装置の加速電圧は200kVである。
得られた試料の上層及び中層の構造の決定及び厚み測定は、任意の10点について評価を行って平均化した。表層の厚みは上層及び中層の厚みと同様に測定した。
また、実施例1〜10及び比較例1〜7は、いずれも中層がNi3Sn4合金で構成され、上層がAg3Sn合金で構成されていたことを確認した。
接触抵抗は四端子法(精密摺動試験機 CRS−G2050型 山崎精機研究所)にて接触荷重3Nで測定した。サンプルとして、めっき直後(初期)のサンプルを評価した。サンプル数は5個とし、各サンプルの最小値から最大値の範囲を採用した。
なお、本開示において接触抵抗が3mΩ以下である場合に、優れた接触抵抗であると定義する。
挿入力は、市販のSnリフローめっきメス端子(090型住友TS/矢崎090IIシリーズメス端子非防水/F090−SMTS)を用いてめっきを施したオス端子と挿抜試験することによって評価した。
試験に用いた測定装置は、アイコーエンジニアリング製1311NRであり、オスピンの摺動距離5mmで評価した。
なお、本開示において挿入力が1.2N未満である場合に、優れた挿入力であると定義する。
耐食性は、下記の試験環境で評価した。耐食性の評価は、環境試験を終えた試験後のサンプルの外観である。なお、目標とする特性は、外観が変色していないことか、実用上問題のない若干の変色である。
硫化水素ガス腐食試験
硫化水素濃度:10ppm
温度:40℃
湿度:80%RH
曝露時間:96h
サンプル数:5個
なお、本開示において、サンプル面積(全面積)に対する変色面積の割合(変色率)が1%未満である場合に、優れた耐食性であると定義する。
以下に示す条件にて、サンプルの上層側表面からのEDS分析を行い、Ag3Sn面積率を測定した。
日立ハイテクノロジーズ社製走査電子顕微鏡(型式:SU−70)を用いて、倍率×20000、観察視野26.5μm2でEDS面分析を行った。
図2に実施例3の、また図3に比較例2のEDS分析による表面観察結果を示す。
以下に示す条件にて、サンプルの上層側表面からのEBSD分析を行い、各粒子サイズの密度の頻度分析を評価した。
TSLソリューションズ社製EBSD装置を用いて、走査電子顕微鏡用結晶解析ツール(OIM)を用い、評価した。
図4に実施例3の、また図5に比較例2のEBSD分析における所定サイズの粒子の頻度分析結果を示す。
表2には粒径0.04μm以下の粒子についてのEBSD粒度分布を示した。
サンプルの上層側表面の酸化膜の厚みの測定に関し、STEM(日本電子株式会社製JEM−2100F)による分析を行った。具体的には、STEM観察により200万倍のBF像でサンプルの上層側表面を5視野観察して酸化膜の厚みをそれぞれ測定し、その平均を求めた。
図6に実施例2の、また図7に比較例5のSTEM観察画像を示す。
試験条件及び評価結果を表1、2に示す。
実施例2及び5は、上層側表面のP付着量とN付着量とが適切な範囲に収まっていたため、1.05N未満という一層優れた挿入力を実現している。
比較例1はリフローが不十分であったため、Ag3Sn面積率が97%未満であった。そのため、比較例1は、優れた耐食性を実現できなかった。
比較例2〜4は、上層側表面からのEDS分析でAg3Sn面積率が97%未満であったため、優れた挿入力を実現できなかった。
比較例5において、オーバーリフローであることに起因して、上層側表面に形成される酸化膜の厚みが2nm以上になっていた。その結果、比較例5は、優れた接触抵抗を実現できなかった。
比較例6において、リフロー前のAg層が薄いため、リフロー後の上層の厚みが薄かった。その結果、比較例6は、Ag3Sn面積率が97%未満になり、優れた耐食性を実現できなかった。
比較例7において、リフロー前のAg層が厚いため、リフロー後の中層の厚みが薄かった。その結果、比較例7は、Ag3Sn面積率が97%未満になり、優れた耐食性を実現できなかった。
11 基材
12 下層
13 中層
14 上層
Claims (9)
- 基材と、
前記基材上に形成された、Niで構成された下層と、
前記下層上に形成された、Ni3Sn4合金で構成された中層と、
前記中層上に形成された、Ag3Sn合金で構成された上層と、
前記上層上に形成された、酸化膜で構成された表層と、
を備え、
前記下層の厚みが0.5μm以上3.0μm以下であり、
前記中層の厚みが0.03μm以上0.20μm以下であり、
前記上層の厚みが0.25μm以上0.55μm以下であり、
前記表層側表面からのEDS分析でAg3Sn面積率が97%以上であり、
前記表層の厚みが2nm未満である、表面処理金属材料。 - 前記下層の厚みが0.5μm以上2.0μm以下であり、
前記中層の厚みが0.05μm以上0.15μm以下であり、
前記上層の厚みが0.3μm以上0.45μm以下である請求項1に記載の表面処理金属材料。 - 前記上層と前記中層との厚み比:上層/中層が1.0〜2.5である請求項1又は2に記載の表面処理金属材料。
- 前記表層側表面からのEBSD分析において、粒径0.04μm以下の粒子の密度が頻度分析で30%以上である請求項1〜3のいずれか一項に記載の表面処理金属材料。
- 前記表層の表面にP及びNが付着しており、前記P及びNの付着量がそれぞれ、
P:1×10-11〜4×10-8mol/cm2、N:2×10-12〜8×10-9mol/cm2
である請求項1〜4のいずれか一項に記載の表面処理金属材料。 - 前記表層をXPSで分析した際に、検出されるPの2S軌道電子起因の光電子検出強度をI(P2s)、Nの1S軌道電子起因の光電子検出強度をI(N1s)としたとき、0.1≦I(P2s)/I(N1s)≦1を満たす請求項5に記載の表面処理金属材料。
- 前記表層をXPSで分析した際に、検出されるPの2S軌道電子起因の光電子検出強度をI(P2s)、Nの1S軌道電子起因の光電子検出強度をI(N1s)としたとき、1<I(P2s)/I(N1s)≦50を満たす請求項5に記載の表面処理金属材料。
- 前記基材上に、0.5〜3.0μmの厚みのNi下地層、0.2〜0.35μmの厚みのAg層、及び、0.1〜0.2μmの厚みのSn層をこの順で、且つ、前記Sn層と前記Ag層との厚み比がSn層/Ag層=1.0〜2.5となるように、めっき処理で設ける工程と、
前記めっき処理の後、785〜825℃で25〜30秒のリフロー処理を行う工程と、
を含む請求項1〜7のいずれか一項に記載の表面処理金属材料の製造方法。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の表面処理金属材料を備えた電子部品。
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