JP7335679B2 - 導電材 - Google Patents
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[1]Cu系材料からなる基材と、Cu-Sn金属間化合物層と、Sn層とをこの順に有する導電材であって、
前記Cu-Sn金属間化合物層は、0.2~3.0μmの厚さを有し、
前記Sn層中のSnの結晶粒径は2μm未満であり、
前記Sn層は0.05~5.0μmの厚さを有し、
前記Sn層の表面の算術平均粗さRaが0.15μm以上3.0μm以下であり、
前記Sn層の表面には面積比で3~75%のCu-Sn金属間化合物が露出しており、
前記Sn層は最表層として50nm以下の厚さの酸化物層を有し、
前記酸化物層はCu酸化物及びSn酸化物を含有し、前記Cu酸化物を構成するCu原子の量をMCu、Sn酸化物を構成するSn原子の量をMSnとしたとき、MSn/(MCu+MSn)×100は75at%以上であることを特徴とする導電材。
[2]前記Cu酸化物はCuO及びCu2Oの少なくとも一方であり、前記Sn酸化物はSnO及びSnO2の少なくとも一方であることを特徴とする上記[1]に記載の導電材。
[3]前記基材の導電率が30%IACS以上であり、
前記基材の、150℃で1000時間保持後の応力緩和率が25%以下であることを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の導電材。
[4]前記基材と前記Cu-Sn金属間化合物層との間に更に、Cu層からなる下地層を有することを特徴とする上記[1]から[3]までのいずれか1項に記載の導電材。
[5]前記基材と前記Cu-Sn金属間化合物層との間に更に、Ni層、Co層及びFe層からなる群から選択される少なくとも1つの下地層を有し、
下地層全体の厚さが0.1~3.0μmであることを特徴とする上記[1]から[3]までのいずれか1項に記載の導電材。
基材は、Cu系材料からなる。Cu系材料としては、Cuの単体や、Cuを含む合金が挙げられる。Cuを含む合金は、特に限定されないが、Cu-Zn、Cu-Ni-Si、Cu-Sn-Ni、Cu-Ni-Si-Zn-Sn-Mg等が挙げられる。また、基材の形状は、用途に応じて適宜選択すればよいが、好ましくは板材であり、線材とすることもできる。
Cu-Sn金属間化合物層は、20~70at%のCuを含有することが好ましい。Cu-Sn金属間化合物層中のCu含量は30~65at%がより好ましく、35~60at%がさらに好ましい。また、Cu-Sn金属間化合物層はCu以外にSnを含有し、Cu-Sn金属間化合物層中のSn含量は25~55at%が好ましく、30~50at%がより好ましい。Cu-Sn金属間化合物層は上記のようなCu及びSn含量を有することにより、導電材全体を硬くして挿入力を下げることができる。Cu-Sn金属間化合物層中のCu含量はXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)法によって測定できる。Cu-Sn金属間化合物としては例えば、Cu6Sn5、Cu3Snなどを挙げることができる。
Sn層中のSnの結晶粒径は2μm未満である。Snの結晶粒径は後述する実施例に記載の方法に従って測定する。Snの結晶粒径がこれらの範囲にあることにより、優れた光沢と良好な接触抵抗を両立することができる。
Sn層は最表層として50nm以下の厚さの酸化物層を有する。「Sn層の最表層」とは、図1で40として示されるように、Sn層の互いに対向する2つの面のうちCu-Sn金属間化合物層側と反対側に位置する面を含む層を表す。酸化物層の厚さは後述する実施例に記載のカソード還元法により測定する。酸化物層の厚さが50nm以下であることにより導電材の接触抵抗を低くすることができる。酸化物層の厚さは5~40nmが好ましく、10~30nmがより好ましい。
導電材は、基材と、Cu-Sn金属間化合物層との間に下地層として他の層を有することができる。下地層としては、Cu層、Ni層、Co層及びFe層等が挙げられる。下地層としては、Ni層、Co層及びFe層からなる群から選択される少なくとも1つの層が好ましく、Cu層がより好ましい。基材と、Cu-Sn金属間化合物層との間に上記のような層を設けることにより、基材中のCuが他の層に過度に拡散して導電材の特性が劣化することを防止できる。下地層全体の厚さは0.1~3.0μmが好ましく、0.3~1.5μmがより好ましい。下地層の厚さは後述する実施例に記載の方法により測定する。
一実施形態の導電材は例えば、基材上に、めっきによりSn層を形成した後、熱処理工程を行うことによって得ることができる。また、基材とSn層との間に下地層を設ける場合には、下地層もめっきにより形成することができる。この熱処理時に、めっきにより形成されたSn層中に、基材を構成するCu原子が拡散してCu-Sn金属間化合物層が形成されると共に、Sn層の最表面が酸化されて酸化物層が形成される。
一実施形態の導電材は、導電性が要求される様々な物の製造に利用できる。導電材は好ましくは、リードフレーム、リレー、スイッチ、ソケット等の車載部品や電気電子部品のための電気接点材として使用できる。一実施形態の導電材は例えば、自動車ハーネス用のコネクタ端子、携帯電話搭載のコンタクトスイッチ、メモリーカードやPCカードの端子など、繰返しの挿抜や摺動を伴う電気接点材として好適に用いることができる。
基材として、圧延により製造された厚さ0.64mmのCu合金板(Cu-Ni-Si系合金板)を用い、これに、以下のめっき条件で、Ni、CuおよびSnの各めっき処理を順次行い、熱処理後の各層の膜厚が所望の厚さとなるように各めっき層を形成し、その後、以下の熱処理工程で熱処理を施した。
Niめっきは、Ni(NH2SO3)2・4H2O 500g/リットル、NiCl2・6H2O 30g/リットル、H3BO3 30g/リットルで調整されためっき液を用い、浴温55℃、陰極電流密度10A/dm2にて行った。ここで、Niめっき層は、上記基材の全面に形成した。
Cuめっきは、CuSO4・5H2O 250g/リットル、H2SO4 50g/リットルで調整されためっき液を用い、浴温40℃、陰極電流密度10A/dm2にて行った。ここで、Cuめっき層は、上記Niめっきを施した基材の全面に形成した。
Snめっきは、SnSO4 80g/リットル、H2SO4 80g/リットルで調整されためっき液を用い、浴温25℃、陰極電流密度2A/dm2にて行った。ここで、Snめっき層は、上記NiめっきおよびCuめっきを施した基材の全面に形成した。
上記実施例および比較例で作製した導電材について、下記に示す測定を行った。各測定の方法及び条件は下記の通りである。
算術平均粗さRaの測定条件は、カットオフ値0.8mm、基準長さ0.8mm、評価長さ4.0mm、測定速度0.1mm/sとした。
試料の表面を、EDX(エネルギー分散型X線分光分析器)を搭載したSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて200倍の倍率で観察し、得られた画像の解析によりSn層の表面に露出しているCu-Sn金属間化合物層の領域を判定した。そして、この画像の全体に面積に対するCu-Sn金属間化合物層の領域の面積を算出することにより、「Sn層の表面に露出したCu-Sn金属間化合物の面積比」を得た。
Ni層、Cu層、Cu-Sn金属間化合物層、Sn層の厚さは、アノード溶解法により測定した。酸化物層の厚さは、カソード還元法により測定した。また、各層の厚さの確認のため、画像解析法によっても厚さの測定を行った。アノード溶解法、画像解析法、及びカソード還元法による厚さの測定手順及び条件を以下に示す。
(1)アノード溶解法
処理サイズに切り出したサンプルを、測定面積を残してマスキングした後にコクール社の電解液に浸漬し、電流密度2A/dm2で各層が溶解するまで電解した。電解に要した時間から電気量を求め、めっき厚に換算した。
(2)画像解析法
日本電子社のクロスセクションポリッシャを用いて、めっき断面試料を作成し、走査型電子顕微鏡にて断面を撮影した。撮影した画像よりめっきに相当する部分の厚みを割り出した。
(3)カソード還元法
所定サイズに切り出したサンプルを、測定面積を残してマスキングした後、塩化カリウムの水溶液に浸漬し、電流密度1A/dm2で電解した。電解に要した時間から還元電気量を求め、電気量から酸化膜厚を導出した。
サンプルをFIB(Focused Ion Beam)によって切断し、断面SIM(Secondary Ion Micrography)像(20000倍)を撮影する。この画像に矩形を描き、その矩形の面積を矩形中に含まれるSnの結晶粒の数で除し、Snの1粒子当たりの平均面積をもとにSnの結晶粒径を算出した。
(1)電気接点材の表面を、XPS測定装置ESCA5400MC(アルバック・ファイ株式会社)を使用し、XPSスペクトルを測定した。測定は、X線種単色化Al-kα線源、出力10W、検出面積1mmφ、検出角度(試料と検出器のなす角)135°にて行った。
(2)次に、上記(1)で得られた測定スペクトルデータから、結合エネルギー485~487eVの範囲に現れるSn(3d5/2)軌道を解析し、ピークを構成するSn、SnOおよびSnO2の各成分の比率を求め、これらの合計比率に対する各成分比率の割合から、MSnを算出した。解析は、解析ソフトMultiPak(アルバック・ファイ株式会社)を用い、ピークフィッティング解析により行った。解析において、C(炭素)1sのピークトップは、284.80eVと規定した。バックグラウンドの除去は、Shirley(ピーク強度に比例した曲線を除去するMethod)を選択した。また、ピークの同定は、ピークトップの値(結合エネルギー)を、Snは485.1eV、SnOは486.1eV、SnO2は486.8eVに、それぞれ固定して行った。フィッティング関数は、Gaussian関数とLorentzian関数の混合関数を用い、関数全体に占めるGaussian関数の混合比を80%で固定した。
(3)上記(1)および(2)の分析と解析を、Sn被覆材の表面の中央近傍の任意の5か所で同様に行い、各成分の割合をそれぞれ平均し(N=5)、各成分の割合(%)とした。
(4)同様にして、上記(1)で得られた測定スペクトルデータから、結合エネルギー932~934eVの範囲に現れるCu軌道を解析し、ピークを構成するCu、CuOおよびCu2Oの各成分の比率を求め、これらの合計比率に対する各成分比率の割合から、MCuを算出した。
(5)上記のようにして得られたMSnおよびMCuの値から、MSn/(MCu+MSn)×100を算出した。
はんだ濡れ性は、メニスコグラフ法によって測定を行った。装置はレスカ社のソルダーチェッカーSAT-5100を用いた。角線表面に、25%のロジンと残部イソプロピルアルコールから構成されるフラックスを塗布した後、260℃に保持したSn-3.0Ag-0.5Cuの鉛フリーはんだ浴に浸漬して3秒保持後、引き上げた。
表面性測定機(新東科学株式会社、TYPE:14)を用い、張り出し材(表層に膜厚1μmのSn層を有するFAS680、張り出し部の曲率半径が0.5mm)に対し、移動速度100mm/min、接触荷重を3Nで、導電材を5回摺動させ、5回目の摺動時の数値を摩耗係数として測定した。
導電材と張り出し材(表層に膜厚1μmのSn層を有するFAS680、張り出し部の曲率半径が0.5mm)とが接触した界面に生じる電気抵抗を、四端子法により測定して求めた。DC電流源としてTFFケースレーインスツルメンツ社の6220型DC電流ソースを用い、電気抵抗の測定には電流測定器(同社 2182A型ナノボルトメータ)を用いた。任意の5箇所における接触抵抗値を測定し、各々平均値(N=5)を算出した。
1A Sn層の表面
10 基材
10A 基材の表面
20 Cu-Sn金属間化合物層
40 酸化物層
Claims (5)
- Cu系材料からなる基材と、Cu-Sn金属間化合物層と、Sn層とをこの順に有する導電材であって、
前記Cu-Sn金属間化合物層は、アノード溶解法のみにより測定して0.2~3.0μmの厚さを有し、
前記Sn層中のSnの結晶粒径は2μm未満であり、
前記Sn層はアノード溶解法により測定して0.05~5.0μmの厚さを有し、
前記Sn層の表面には面積比で10~60%のCu-Sn金属間化合物が露出しており、
前記Sn層は最表層として、カソード還元法により測定して50nm以下の厚さの酸化物層を有し、
前記酸化物層はCu酸化物及びSn酸化物を含有し、前記Cu酸化物を構成するCu原子の量をMCu、Sn酸化物を構成するSn原子の量をMSnとしたとき、MSn/(MCu+MSn)×100は85~95at%であることを特徴とする導電材。 - 前記Cu酸化物はCuO及びCu2Oの少なくとも一方であり、前記Sn酸化物はSnO及びSnO2の少なくとも一方であることを特徴とする請求項1に記載の導電材。
- 前記基材の導電率が30%IACS以上であり、
前記基材の、150℃で1000時間保持後の応力緩和率が25%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の導電材。 - 前記基材と前記Cu-Sn金属間化合物層との間に更に、Cu層からなる下地層を有することを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の導電材。
- 前記基材と前記Cu-Sn金属間化合物層との間に更に、Cu層、Ni層、Co層及びFe層からなる群から選択される少なくとも1つの下地層を有し、
下地層全体の厚さが、アノード溶解法により測定して0.1~3.0μmであることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の導電材。
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