JP6650667B2 - はんだ付け材料 - Google Patents
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Description
本実施形態の基材10としては、アルミニウム系基材又は銅系基材を用いる。アルミニウム系基材としては、特に限定されず、純アルミニウム板や、JIS規格の1000系、2000系、3000系、5000系、6000系、7000系のいずれのアルミニウム合金板などを用いることができるが、なかでも、1100系のH24材が特に好ましい。銅系基材としては、純銅板の他、JIS規格の無酸素銅、タフピッチ銅、リン青銅、黄銅、銅ベリリウム系合金(例えば、ベリリウム2%、残部が銅の合金など)、銅銀系合金(例えば、銀3〜5%、残部が銅の合金など)などの銅合金板を用いることができるが、なかでも無酸素銅、タフピッチ銅が特に好ましい。
鉄めっき層20は、基材10上に鉄めっきを施すことにより形成される層である。鉄めっき層20は、直接、基材10上に設けてもよいが、鉄めっき層20を良好に形成するために、予め基材10上に下地層としての亜鉛層を置換めっきによって形成した後、その亜鉛層上に基材10を形成するのが好ましい。
錫めっき層30は、鉄めっき層20上に、錫めっきを行なうことにより形成される。錫めっき層30を施す方法としては、特に限定されず、公知のめっき浴であるフェロスタン浴、MSA浴、ハロゲン浴、硫酸浴などを用いた方法が挙げられる。
有機樹脂層40は、鉄めっき層20及び錫めっき層30が設けられた基材10(以下、「鉄錫めっき基材」という。)の片面又は両面に形成される。上述した図3Bでは、鉄めっき層20及び錫めっき層30が設けられた基材10の両面(すなわち、錫めっき層30が設けられた面と、錫めっき層30が設けられていない面との両面)に有機樹脂層40を形成した例を示す。
次いで、本実施形態のはんだ付け材料1の製造方法について、説明する。
基材10を形成するための材料として、アルミニウム系基材(A1050、厚さ0.4mm、めっき有効面積80mm×80mm)を準備した。そして、準備した基材10を、アルカリ液(苛性ソーダを濃度20g/Lで溶解させた強アルカリ水溶液)を用いて、液温70℃にて60秒間浸漬させることでアルカリ脱脂し、流水で水洗した。次いで、基材10を硫酸水溶液(濃度70g/L)に20℃で60秒間浸漬させることで酸洗し、水洗した後、下記条件でジンケート処理を行うことで、基材10上に、亜鉛層を亜鉛量で約150mg/m2となるように形成した。なお、亜鉛層の皮膜量は蛍光X線膜厚計により測定した。
ジンケート液:水酸化ナトリウム150g/L、ロッシェル塩50g/L、酸化亜鉛25g/L、塩化第一鉄1.5g/Lを含む水溶液
浸漬温度:20℃
浸漬時間:40秒
浴組成:硫酸鉄(FeSO4)250g/L、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)120g/Lを含む水溶液
pH:2.5
浴温:60℃
電流密度:10A/dm2
電解時間:20秒
浴組成:Sn2+イオン20g/L、硫酸50g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:20秒
次いで、得られたはんだ付け材料1について、色差計(コニカミノルタ社製、CR−410)を用いて、白色度L*値を測定した。結果を図5に示す。なお、図5には、はんだ付け材料1の外観写真及び白色度L*値の測定結果を示す。
さらに、はんだ付け材料1について、錫めっき層30の表面に粘着テープを貼付した後、剥がすことによりテープ剥離試験を実施し、目視にて錫めっき層30の剥離が確認されなかった場合には、評価結果を〇とした。結果を図5に示す。
次いで、はんだ付け材料1を所定の大きさに切断したサンプルを用いて、錫めっき層30の表面に、Bi58Sn42のはんだペースト(千住金属工業社製、エコソルダーペーストL20−BLT5−T8F)を、直径5mm、厚み0.25mmとなるように塗布し、ソルダーチェッカ(レスカ社製、SAT−5100)を用いて下記条件で加熱した際におけるはんだ濡れ広がり性を目視で確認した。なお、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn−Bi)」は、目視にて確認し、はんだがサンプルの全面に濡れ広がっていれば◎、全面でなくともはんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇として評価した。結果を図6に示す。図6においては、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn−Bi)」を行った後の外観写真を示す。
加熱条件:室温(25℃)から、昇温速度2℃/sで120℃まで加熱し、120℃で75秒間保持した後、120℃から昇温速度1℃/sで170℃まで加熱し、170℃で5秒間保持した。(なお、150〜170℃域での累計時間は25秒間であった。)
次いで、はんだ付け材料1について、接触抵抗測定装置(山崎精機研究所社製、CRS−1)を用いて、試験荷重50gにて接触抵抗値を測定した。結果を図6に示す。
次いで、はんだ付け材料1を15mm×15mmの大きさに切断したサンプルを用いて、はんだ付け材料1について、図7に示す実用上の使用態様を想定して、リフロー処理した後のはんだ濡れ広がり性を評価した。ここで、図7は、はんだ付け材料1に対して、リフローはんだを2回行う場面を示す概要図である。すなわち、図7に示す場面では、はんだ付け材料1に、はんだペースト60aを塗布した後、はんだペースト60a上に、半導体集積回路(IC)などの発熱体3aを載置し、これをリフローすることで、はんだ付け材料1と発熱体3aとをはんだ付けする。次いで、図7に示す場面では、同様に、はんだ付け材料1に、はんだペースト60bを塗布した後、はんだペースト60b上に発熱体3bを載置し、これをリフローすることで、はんだ付け材料1と発熱体3bとをはんだ付けする。これにより、はんだ付け材料1には、リフロー処理により熱履歴が加わることとなる。本実施例では、このような図7に示す使用態様を想定して、上記ソルダーチェッカを用いて、下記条件にて、1回目リフロー処理を行った後、錫めっき層30の表面に、Sn96.5Ag3.0Cu0.5のはんだペースト(千住金属工業社製、エコソルダーペーストM705−GRN360−K2−V)を、直径5mm、厚み0.25mmとなるように塗布し、2回目リフロー処理を行った際におけるはんだ濡れ広がり性を目視で確認した。なお、「リフロー処理後はんだ濡れ広がり性評価(Sn−Ag−Cu)」は、はんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇、はんだが玉状になっていれば×として評価した。結果を図8に示す。図8に示す写真は、それぞれリフロー処理前、1回目リフロー処理後及び2回目リフロー処理後のはんだ濡れ広がり性評価後の外観写真を示す。
1回目リフロー処理:室温(25℃)から、昇温速度1.3℃/sで150℃まで加熱し、150℃で120秒間保持した後、150℃から昇温速度1.3℃/sで260℃まで加熱し、260℃で1秒間保持した。(なお、220〜260℃域での累計時間は32秒間であった。)
2回目リフロー処理:室温(25℃)から、昇温速度3℃/sで180℃まで加熱し、180℃で90秒間保持した後、180℃から昇温速度2℃/sで240℃まで加熱し、240℃で35秒間保持した。(なお、220〜240℃域での累計時間は45秒間であった。)
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を5秒、10秒、40秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ0.13μm(実施例2)、0.25μm(実施例3)、1.0μm(実施例4)とした以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に「はんだ濡れ広がり性評価(Sn−Bi)」及び「接触抵抗値の測定」を行った。結果を図6に示す。
鉄めっき層20を形成する代わりに、下記条件にて厚さ0.5μm(4g/m2)のニッケルめっき層を形成した以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に「はんだ濡れ広がり性評価(Sn−Bi)」及び「接触抵抗値の測定」を行った。結果を図6に示す。
浴組成:硫酸ニッケル200g/L、塩化ニッケル40g/L、ホウ酸40g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:30秒
図5に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例1は、外観の色味が従来材料(アルミニウム基板の表面に、亜鉛層、ニッケル層及び錫層をこの順で形成した材料)である比較例1と同等であり、外観上、従来材料と差異がないことが確認された。また、実施例1は、テープ剥離試験の結果が良好であり、鉄めっき層20及び錫めっき層30の密着性に優れることが確認された。さらに、図6に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例1〜4は、熱履歴が加わる前のはんだ濡れ性が良好であり、かつ接触抵抗値が従来材料と同等であることが確認された。また、図8に示すように、実施例1は、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性も良好であり、加えて、熱履歴が加わった後の表面の黒変が、比較例1より抑制されていることが確認された。
得られたはんだ付け材料1を、鉄めっき層20が形成された面が張り出すように、90°に折り曲げた後、塩水噴霧試験装置(スガ試験機社製、CYP−90)により、JIS Z 2371に準拠して中性5%塩水にて24時間の塩水噴霧試験を行った。なお、塩水噴霧試験の評価は、90°に折り曲げた部分全体に渡って腐食が発生していなければ合格とし、合格のうち、腐食部分が折り曲げた部分の2/3程度以内であれば〇、腐食部分が折り曲げた部分の2/3程度以上であれば△とした。結果を図9に示す。図9の写真は、塩水噴霧後の外観を撮影したものであり、はんだ付け材料1の白くなっている部分が塩水噴霧による腐食を示す。
鉄めっき層20を、硫化鉄を含むめっき浴に代えて、塩化鉄を含むめっき浴により下記条件にて形成した以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
浴組成:塩化鉄(FeCl2・4H2O)100g/L、塩化アンモニウム(NH4Cl)20g/Lを含む水溶液
pH:2.0
浴温:60℃
電流密度:10A/dm2
電解時間:20秒
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を40秒にし、鉄めっき層20の厚みを1.0μmとした以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を40秒にし、鉄めっき層20の厚みを1.0μmとした以外は、実施例5と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を80秒、200秒、400秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ2.0μm(実施例8)、5.0(実施例9)、10.0μm(実施例10)とした以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
次いで、実施例8〜10のはんだ付け材料1の鉄めっき層20について、ビッカース硬度計(明石製作所社製、MVK−G2)を用いて、荷重10gにてビッカース硬さ(HV)を測定した。結果を図9に示す。
錫めっき層30を形成しなかった以外は、実施例2と同様に、基材10上に亜鉛層及び鉄めっき層20を形成して、はんだ付け材料1を作製し、同様に「はんだ濡れ広がり性評価(Sn−Bi)」を行った。評価方法としては、目視にて確認し、はんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇として評価した。結果を図10の上段に示す。なお、図10上段の写真は、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn−Bi)」を行った後の外観写真である。
また、得られた加速劣化サンプルについて、下記条件にて、メニスコグラフ法によるゼロクロスタイム測定の方法により、濡れ性試験機(マルコム社製、ディップウェッティングテスターSWB−2)を用いて、はんだ濡れ上がり性を評価した。評価方法としては、加速劣化サンプルにおいて、はんだ浴に浸漬させた2mmの深さまではんだが濡れていれば〇とした。結果を図10の下段に示す。なお、図10下段の写真は、「はんだ濡れ上がり性評価(Sn−Ag−Cu)」を行った後の外観写真である。
はんだ浴:Sn96.5Ag3.0Cu0.5のはんだ(千住金属工業社製、M705)
はんだ浴温度:245℃
はんだ浴浸漬深さ:2mm
はんだ浴浸漬速度:20mm/s
はんだ浴浸漬時間:10秒間
フラックス:タムラ製作所社製、EC−19S−8
フラックス浸漬時間:5秒間
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を10秒、20秒、40秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ0.25μm(実施例12)、0.5μm(実施例13)、1.0μm(実施例14)とした以外は、実施例11と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価を行った。結果を図10に示す。
錫めっき層30を形成しなかった以外は、比較例1と同様に、基材10上に亜鉛層及びニッケルめっき層を形成して、はんだ付け材料を作製し、実施例11と同様に評価を行った。結果を図10に示す。
図10に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例11〜14は、高温高湿環境下で保管した場合でも、はんだが玉状とならずに濡れ広がっており、また、はんだ浴に浸漬させた際に浸漬深さまではんだが濡れたため、はんだ濡れ性に優れることが確認された。これにより、はんだ付け材料1は、錫めっき層30を形成することなく、基材10上に鉄めっき層20のみを形成した構成とした場合においても、はんだ濡れ性が良好であることが確認された。なお、実施例11〜14においては、温度55℃、相対湿度85%RHの条件にて100時間保管したサンプルを用いて評価したが、JEITA規格ET−7410によれば、上記温度湿度条件での2,000時間の保管が室温保管5年に相当するため、実施例11〜14の上記温度湿度条件での100時間保管は、室温保管3か月に相当すると考えられる。
基材10を形成するための材料として、銅系基材(C1100のタフピッチ銅、厚さ0.4mm、めっき有効面積80mm×80mm)を準備した。そして、準備した基材10を、アセトンを染み込ませた紙製のウエスで拭くことで脱脂し、流水で水洗した。次いで、基材10を硫酸水溶液(濃度70g/L)に20℃で60秒間浸漬させることで酸洗し、水洗した後、下記条件で鉄めっきを行い、基材10上に、厚さ0.1μmの鉄めっき層20を形成した。
浴組成:硫酸鉄(FeSO4)250g/L、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)120g/Lを含む水溶液
pH:2.5
浴温:60℃
電流密度:10A/dm2
電解時間:5秒
次いで、鉄めっき層20を形成した基材10について、下記条件にて錫めっきを行い、鉄めっき層20上に、厚さ0.5μm(4g/m2)の錫めっき層30を形成することで、はんだ付け材料1を得た。
浴組成:Sn2+イオン20g/L、硫酸50g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:20秒
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を10秒、20秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ0.25μm(実施例16)、0.5μm(実施例17)とした以外は、実施例15と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
錫めっき層30を形成する際の電解時間を40秒にして、錫めっき層30の厚みを1.0μmとした以外は、実施例15と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
鉄めっき層20を形成する代わりに、下記条件にて厚さ0.25μmのニッケルめっき層を形成した以外は、実施例15と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
浴組成:硫酸ニッケル200g/L、塩化ニッケル40g/L、ホウ酸40g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:15秒
ニッケルめっき層を形成する際の電解時間を30秒とし、ニッケルめっき層の厚みを0.5μmとした以外は、比較例3と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
錫めっき層30を形成する際の電解時間を40秒にして、錫めっき層30の厚みを1.0μmとした以外は、比較例4と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
ニッケルめっき層を形成することなく、基材10上に、直接、錫めっき層30を形成した以外は、比較例3と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
図11に示すように、銅系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例15〜18は、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が良好であることが確認された。特に実施例15によれば、実施例18と比較して、鉄めっき層20上に形成する錫めっき層30を薄くしたとしても、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が良好であった。
10…基材
20…鉄めっき層
30…錫めっき層
40…有機樹脂層
50…はんだ層
60a,60b…はんだペースト
2…ヒートシンク
3,3a,3b…発熱体
Claims (2)
- アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる基材と、
前記基材上に形成された亜鉛層と、
前記亜鉛層上に形成された鉄めっき層と、
前記鉄めっき層上に形成された錫めっき層と、を備え、
前記亜鉛層における亜鉛量が30〜300mg/m 2 であり、
前記鉄めっき層は、厚みが0.5〜5.0μmである鉄単体からなるめっき層であり、
前記鉄めっき層のビッカース硬さ(HV)が400以下であり、
前記錫めっき層は、厚みが0.5〜2.0μmである錫単体からなるめっき層である、リフロー方式用のはんだ付け材料。 - 前記錫めっき層上に有機樹脂層をさらに備える請求項1に記載のリフロー方式用のはんだ付け材料。
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