KR100467896B1

KR100467896B1 - 구리기판,주석피복층및전기도금된차단층을포함하는피복재

Info

Publication number: KR100467896B1
Application number: KR10-1998-0704602A
Authority: KR
Inventors: 줄리어스 씨. 피스터; 쑤차인 첸; 아비드 에이. 칸; 데일 엘. 벤더
Original assignee: 올린 코포레이션
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2005-05-13
Also published as: HK1042869A1; JP2005251762A; KR20000064451A; MY112350A; JP4427487B2

Abstract

전기 커넥터(10)는 주석 기재 피복층(14)으로 피복된 구리 기재 기판(12)을 갖는다. 기판(12)으로부터 피복층(14)으로의 구리 확산 및 필연적인 약한 주석/구리 금속간 화합물의 형성을 억제하기 위하여, 차단층(16)이 기판(12)과 피복층(14)사이에 삽입된다. 이러한 차단층(16)은 니켈을 20 내지 40중량% 함유하며, 바람직하게는, 주로 구리로 구성된다. 하나의 양태에 있어서, (Cu-Ni)₃Sn, (Cu-Ni)₆Sn₅, Cu₃Sn 및 Cu₆Sn₅로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속간 화합물 층(38)이 차단층(16)과 주석 기재 피복층(14) 사이에 위치한다.

Description

구리 기판, 주석 피복층 및 전기도금된 차단층을 포함하는 피복재

실시예 1

그룹 Cu-20% Ni, Fe, Ni 및 Cu로부터 선택된, 30μ in(0.75㎛)의 명시된 차단층으로 피복된 구리 합금 C194 쿠폰과 차단층이 존재하지 않는 구리 합금 C194 및 C710의 대조용 쿠폰(공칭 전기 전도도가 6.5% IACS이고 구리 80중량%와 니켈 20중량%를 포함하는 공칭 조성물)을 전착공정으로 40μ in(1㎛)의 멧트한 주석으로 피복시킨다.

그 다음, 쿠폰을 125 내지 175℃의 온도로 250시간 이하 동안 가열한다. 금탐침 및 ASTM법 B539-80 및 B667-80과 유사한 방법을 사용하여 접촉 저항을 측정한다. 노화 온도 및 노화 시간의 함수로서의 접촉 저항(mΩ )을 표 1 및 도 5에 제시한다.

도 5에 제시된 바와 같이, 낮은 접촉 저항은 대부분의 시험 조건하에서 구리/니켈 차단층을 사용하여 성취된다. 175℃에서 100시간 동안 노화시킨 후의 구리/니켈 차단층에 대한 높은 접촉 저항은 이례적인 시험으로 여겨진다.

잔류하는 유리 주석, 즉 구리/주석 금속간 화합물로 전환되지 않은 일부 주석의 양은 X선 형광법으로 측정하며 ㎛로 기록한다. 두께(μ in)는 괄호 속에 기록한다. 표 2에 요약되고, 도 6에 제시된 바와 같이, 구리-니켈 차단층을 사용하여 대부분의 시험 조건하에서 유리 주석은 다량으로 잔류한다.

차단층이 없는 구리 합금 C710 대조용 쿠폰은 접촉 저항이 낮고, 다량의 유리 주석을 갖는다. 그러나, C710 기판은 자동차의 후드 하에서 전기 커넥터로서 사용하기에는 전기 전도도가 10% IACS 미만으로 너무 낮다.

실시예 2

구리 합금 C194 쿠폰을 1㎛(40μ in)의 구리-(30중량%) 니켈 합금 차단층으로 피복시킨 다음, 계속해서 재유동되는 1.25㎛(50μ in)의 멧트한 주석으로 피복시킨다. 차단층 및 멧트한 주석을 모두 전해적으로 용착시킨다. 차단층의 구리 및 니켈은 동시용착된다.

대조용은 계속해서 재유동되는 멧트한 주석으로 전해적으로 피복시킨 구리 합금 C194 쿠폰이다.

이어서, 시험 쿠폰 및 대조용을 125℃에서 2000시간 이하 동안 노화시킨다. 그 다음, 금속간 화합물 층(IMC)의 두께(μ in)를 측정하고, 노화시킨 시간의 제곱근의 함수로서 기록한다. 시험 쿠폰 결과가 도 7에서 참조 라인(40)으로 제시되고 대조용 결과가 참조 라인(42)으로 제시되어 있다. 2000시간을 초과하는 노화 시간에 대한 금속간 화합물의 두께는 그래프로부터 외삽한다.

실시예 3

도 8은 기판/차단층을 열적 또는 기계적 가공하지 않는 경우에, 구리 합금 C194 기판/구리-30% 니켈/주석판 시스템에서 생성되는 구리/주석 금속간 화합물을 나타내는 2000배 배율의 현미경 사진이다. 금속간 화합물은 잔류 주석의 선택적인 화학적 제거에 의해 노출된다. 금속간 화합물은 급속히 성장하는 회전타원체로 구성된다.

도 9는 기판을 주석의 용착 전에 압연에 의해 기계적으로 변형시키는 경우에, 구리 합금 C715 기판(공칭 조성은 니켈이 30중량%이고 잔여량은 구리임)/주석판 시스템에서 생성되는 구리/주석 금속간 화합물을 나타내는 2000배 배율의 현미경 사진이다. 금속간 화합물은 잔류 주석의 선택적인 화학적 제거에 의해 노출된다. 금속간 화합물은 비교적 서서히 성장되는 평평한 오벨리스크로 구성된다. 바람직하게는, 평평한 오벨리스크는 종횡비(길이 대 너비)가 적어도 5:1이다.

회전타원체는 평평한 수지상 결정의 성장 속도의 약 2배로 성장하는 것으로 측정되었다.

본 발명에 따라, 위에서 제시한 목적, 방법 및 잇점을 완전히 만족시키는 구리 기재 기판 및 주석 기재 피복층 사이에 삽입되는 차단층이 제공되는 것은 자명하다. 본 발명을 이의 양태와 함께 기재하였지만, 전술한 설명면에서 다수의 변화, 변형 및 변환이 가능함은 당해 분야의 전문가에게는 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위의 취지 및 광범위한 범위에 속하는 이러한 모든 변화, 변형 및 변환을 포함하고자 한다.

본 발명은 구리/주석 금속간 화합물의 형성률이 감소된, 주석 피복된 구리 기재 전기 커넥터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 니켈을 20 내지 40중량% 함유하는 차단층이 커넥터 기판과 피복층 사이에 위치한다. 또한, 차단층은 구리/주석 금속간 화합물을 함유한다.

전기 커넥터(예: 소켓 및 플러그)는 통상 양호한 전기 전도도를 제공하는 구리 기재 합금 기판으로부터 형성된다. 전기 커넥터가, 예를 들면, 자동차 후드 아래에서 작동 도중에 승온에 노출되는 경우, 기판은 강도 및 응력 완화에 대한 내성이 높은 구리 기재 합금으로부터 형성된다.

응력 완화에 대한 내성은 스트립 샘플을 ASTM(미국 재료 시험 협회) 사양에 따라 캔틸레버 방식으로 고정 항복 강도(%)로, 통상 80%로 예비하중을 가한 후에 잔류하는 응력(%)으로서 기록한다. 그 다음, 스트립을 통상 125℃로 특정 시간 동안, 통상 3000시간 이하로 가열하고, 주기적으로 다시 시험한다. 각각의 재시험시 잔류하는 응력이 높으면 높을수록, 스프링 용도에 대한 특정 조성물의 유용성은 보다 양호하다.

구리 기재 기판의 승온 변색을 감소시키고, 땜질적성(solderability)을 증진시키기 위하여, 피복층을 종종 기판에 도포한다. 통상의 피복층은 니켈, 팔라듐/니켈 합금, 주석 및 주석 합금을 포함한다. 비용을 감소시키기 위하여, 주석이 종종 사용된다.

승온에서, 구리는 기판으로부터 확산되고 주석과 혼합되어 금속간 화합물(예: Cu₆Sn₅ 및 Cu₃Sn)을 형성한다. 금속간 화합물의 형성으로 인해 표면 위의 반응하지 않거나 유리된 주석의 양이 감소된다. 이는 전기적 특성, 부식성 및 다른 성능 특성을 저하시킨다.

구리/주석 금속간 화합물의 형성을 감소시키기 위하여 구리 기재 기판과 주석 기재 피복층 사이에 차단층을 삽입하는 것으로 공지되어 있다. 문헌[참조: Kay et al., Transactions of the Institute of Metal Finishing, Volume 59, 1979, page 169]에는, 합금(예: 주석/니켈, 구리/주석 및 니켈/철) 뿐만 아니라, 니켈, 코발트 및 철 등의 차단층이 구리 기재 기판과 주석 피막 사이에 위치하여 금속간 화합물의 형성을 감소시키는 것으로 기재되어 있다.

이들 차단층은 효과적이지만, 125℃에서 3000시간 동안 노출된 후에 최소량의 유리 주석이 잔류해야 하는, 자동차 후드 아래에서 필요한 금속간 화합물의 형성을 억제하지 못한다.

따라서, 본 발명의 목적은 구리 기재 기판과 주석 기재 피막 사이에 구리/주석 금속간 화합물의 형성률을 감소시키는 차단층을 삽입하는 것이다.

하나의 양태로, 이러한 차단층은 니켈을 20 내지 40중량% 함유하는 합금인 것이 본 발명의 특징이다. 니켈은 구리, 철 또는 주석과 혼합될 수 있다. 본 발명의 또 다른 특징은 이러한 차단층의 두께가 0.2㎛ 내지 부재의 전체 두께의 10%인 것이다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 차단층은 상이한 금속들의 교호층을 도금한 다음, 층을 확산시켜 목적하는 합금을 형성시킴으로써 형성된다.

본 발명의 두 번째 다른 양태에 있어서, 차단층은 니켈/주석 금속간 화합물로 미리 포화시킨다.

그 중에서, 본 발명의 차단층의 잇점은 충분한 두께의 유리 주석이 승온 노출된 후에도 부재의 표면에 잔류하여 피복층의 보전성을 유지하는 것이다.

본 발명에 따라서, 구리 또는 구리 기재 합금 기판을 갖는 복합재(composite material)가 제공된다. 주석 또는 주석 기재 합금이 당해 기판의 일부를 피복한다. 차단층은 기판과 주석 또는 주석 기재 합금사이에 삽입된다. 차단층은 니켈을 20 내지 40중량% 함유하며, 두께는 0.2 내지 5㎛이다.

위에서 언급한 목적, 특징 및 잇점은 다음 명세서 및 도면으로부터 보다 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따르는 전기 커넥터의 단면도이다.

도 2는 2성분 구리/니켈 차단층을 갖는 시스템에 대한 니켈 함량 및 금속간 화합물의 형성률 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 차단층을 형성하는 다층 용착법을 나타내는 단면도이다.

도 4는 차단층과 함께 금속간 화합물 층의 단면도이다.

도 5는 노화 시간 및 노화 온도의 함수로서의 접촉 저항을 나타내는 그래프이다.

도 6은 노화 시간 및 노화 온도의 함수로서의 유리 주석 두께를 나타내는 그래프이다.

도 7은 노화 시간의 함수로서의 금속간 화합물 두께에 대한 차단층의 효과를 나타내는 그래프이다.

도 8은 정련되지 않은 기판에 형성된 구리/주석 금속간 화합물의 광현미경 사진이다.

도 9는 정련된 기판에 형성된 구리/주석 금속간 화합물의 광현미경 사진이다.

도 1은 전기 커넥터 부재로서 유용한 복합재(10)를 나타낸다. 이러한 부재에는 소켓 및 플러그가 있다. 복합재(10)는 자동차의 후드 아래와 같이 간헐적으로 또는 연속적으로 75℃를 초과하는 승온에 노출되는 전기 커넥터용 부재로서 특히 유용하다.

복합재(10)는 구리 또는 구리 기재 합금 기판(12) 및 기판(12)의 적어도 일부를 도포하는 주석 또는 주석 기재 합금 피복층(14)을 갖는다. "기재(base)"는 합금이 기재 성분을 50중량% 이상 함유함을 의미하는, 금속학 분야에서의 이의 통상적인 의미로 사용된다.

기판(12)과 피복층(14) 사이에 차단층(16)이 삽입된다. 차단층(16)은 니켈을 10 내지 70중량% 함유하며, 또한 두께는 0.2㎛ 내지 복합재(10)의 전체 두께의 10%이다.

바람직하게는, 차단층(16)의 니켈 함량은 20 내지 40중량%, 보다 바람직하게는 25 내지 35중량%이다. 차단층(16)의 바람직한 두께 범위는 0.2 내지 54㎛이고, 가장 바람직한 두께 범위는 0.2 내지 1.5㎛이다.

기판(12)은 구리 또는 구리 기재 합금으로부터 형성된다. 바람직하게는, 구리 합금 기판은 전기 전도도가 약 25% IACS[여기서, IACS는 어닐링된 구리의 국제 표준(the International Annealed Copper Standard)에 의해 정의된 전기 전도도를 의미하며, "순수한" 구리는 20℃에서 IACS가 100%이다]보다 크다. 가장 바람직하게는, 기판(12)의 전기 전도도는 약 35% IACS보다 높다.

기판(12)은 실온 항복 강도가 약 344.7MPa(50ksi)보다 크며, 바람직하게는 약 448.2MPa(65ksi)보다 크다.

적합한 합금은 조성이 니켈 2 내지 4.8중량%, 규소 0.2 내지 1.4중량%, 마그네슘 0.05 내지 0.045중량% 및 잔여량의 구리인 구리 합금 C7O25; 조성이 철 2.1 내지 2.6중량%, 아연 0.05 내지 0.20중량%, 인 0.015 내지 0.15중량% 및 잔여량의 구리인 구리 합금 C194; 및 조성이 철 0.3 내지 1.2중량%, 인 0.1 내지 0.4중량%,마그네슘 0.01 내지 0.2중량% 및 잔여량의 구리인 구리 합금 C197과 같은, 구리 개발 협회(the Copper Development Association)가 지정한 합금을 포함한다.

주석 기재 피막(14)은 전기 도금법, 고온 침지법, 무전해 화학 용착법(electroless chemical deposition), 증착 또는 클래딩법과 같은 통상적인 방법으로 도포된다. 전기 도금의 경우, 피복층은 멧트하거나 광택이 있다. 전기 도금된 층은 외양을 개선시키고 도금시의 결점을 감소시키기 위하여 재유동시킴으로써, 커넥터 적용시 땜질성 및 접촉성면에서 피막의 성능을 개선시킬 수 있다.

주석 기재 피복층은 주석을 1 내지 99중량% 함유하는 주석/납 기재 땜납과 같은 주석 합금일 수 있다. 주석 화합물이 또한 사용될 수 있다. 주석 기재 매트릭스에 미립자로서 가할 수 있는 화합물은 탄화규소, 산화알루미늄, 실리카(SiO₂), 카본 블랙, 흑연, 탄화텅스텐, 이황화몰리브덴 및 폴리테트라플루오로에틸렌["TEFLON", 미국 델라웨어주 윌밍톤에 소재하는 듀퐁 코포레이션(DuPont Corporation)의 상표명]이다.

주석 기재 피복층(14)의 두께는 0.5 내지 10㎛, 바람직하게는 0.75 내지 1.5㎛이다. 바람직한 피막은 주석의 융점보다 높은 온도로 가열함으로써 계속해서 재유동되는 전기 도금된 멧트한 주석이다. 가열은 탄화수소계 환원성 대기 속에서, 일부 다른 적합한 대기(예: 공기, 질소 또는 기타 불활성 기체) 속에서 또는 유도 전기로 속에서 수행하거나, 적외선 가열하거나, 고온 오일에 침지시키는 등의 적합한 방법으로 수행한다.

차단층(16)은 최소 두께가 약 0.2㎛이다. 0.2㎛ 미만에서는, 차단층(16)의 결함을 통하여 기판(12)으로부터의 구리가 확산되어 금속간 화합물의 형성률을 증가시킨다.

차단층(16)의 최대 두께는 복합재(10)의 전체 두께의 대략 10%이며, 바람직하게는, 복합재(10)의 전체 두께의 약 5% 미만이다. 최소 차단 두께는 주석 기재층(14)을 용착시키는 방법에 좌우된다. 전기 도금에 의해 도포되는 주석 기재 피복층은 명시된 최소 두께에 근접하는, 낮은 차단 두께를 필요로 한다. 침지 피복법은 침지 피복을 위하여 용융된 주석에 침지시키는 경우에 차단층의 침식을 보상하기 위하여 명시된 최대 두께에 근접하는, 비교적 두꺼운 피막을 요한다.

커넥터용으로, 기판(12)의 최소 두께는 삽입 및 제거와 관련된 힘을 견디는데 효과적인 두께이다. 통상적으로, 이러한 최소 두께는 50㎛ 이상이며, 보다 바람직하게는 200 내지 500㎛이다.

최대 차단층 두께는 5㎛이다. 5㎛를 초과하면, 차단층은 복합재(10)의 전기전도도와 항복 강도에 모두 영향을 주기 시작한다. 구리/니켈 합금은 전기 전도도가 비교적 낮으므로, 차단층의 영향이 바람직하게 최소화된다.

바람직한 차단층(16) 두께는 0.2 내지 5㎛이다. 차단층의 보다 바람직한 두께 범위는 0.2 내지 1.5㎛이다.

차단층은 니켈을 20 내지 40중량% 함유한다. 니켈 함량이 20중량% 미만인 경우, 차단층(16)은 금속간 화합물의 형성률을 감소시키는 데 효과적이지 못하다. 니켈 함량이 40중량%를 초과하는 경우, 차단층의 전기 전도도가 감소되고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속간 화합물의 형성률이 증가된다.

도 2는 2성분 니켈-구리 차단층의 금속간 화합물의 형성률 및 니켈 함량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 차단층이 니켈 100중량%인 경우(참조 지점 20)에 비해 구리 100%중량인 경우(참조 지점 18), 금속간 화합물의 형성률에는 놀랍게도 차이가 거의 없다. 니켈 0중량%(구리 100중량%)로부터 니켈 60중량%까지 및 니켈 100중량%인 니켈 함량의 함수로서 금속간 화합물의 형성률을 측정하였다.

금속간 화합물의 형성률은 X선 형광법으로 측정한다. 전체 주석 두께(M₁)를 먼저 측정한다. 그 다음, 반응하지 않은 주석은 화학적 스트립핑으로 제거한다. 이어서, 주석의 잔류량(M₂)을 측정하며, M₁과 M₂의 차는 잔류하는 유리 주석의 양이다.

금속간 화합물의 형성률은 차단층의 조성이 니켈 대략 8중량% 및 잔여량의 구리인 경우(참조 지점 22)에 최대이다. 니켈이 10중량% 이상인 경우, 금속간 화합물의 형성률이 순수한 니켈 또는 순수한 구리 차단층인 경우의 금속간 화합물의 형성률보다 낮다. 20 내지 40중량%인 경우, 금속간 화합물의 형성률이 최소(24)이다.

도 2로부터, 니켈 함량이 40중량%를 초과하는 경우, 금속간 화합물의 형성률이 증가되고, 전기 전도도는 감소된다고 유추된다. 따라서, 필수적으로 니켈과 구리로 이루어진 차단층(16)에 있어서, 이러한 차단층의 니켈 함량은 바람직하게는 20 내지 40중량%이다.

하나의 양태로 차단층(16)은, 니켈을 함유하고 잔여량은 바람직하게는 주석, 철, 코발트 및 구리로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 2성분 합금이다. 구리와 니켈을 혼합하는 것이 가장 바람직한데, 이는 이러한 혼합물의 금속간 화합물의 성장률이 가장 낮기 때문이다.

또한, 차단층(16)은 니켈 이외에 주석, 구리, 철, 아연, 코발트, 인듐, 이들의 혼합물 및 임의로, 텅스텐, 크롬, 바나듐, 망간 및 인으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성분을 하나 이상 함유하는 3성분 또는 그 이상의 합금일 수 있다.

니켈을 위에서 명시된 바와 같이 부가하고 코발트를 15 내지 40중량% 함유하는 합금도 또한 만족스러운 것으로 여겨진다. 코발트의 바람직한 양은 니켈에 대해 위에서 명시된 양과 동일하다.

차단층은 고온 침지법, 클래딩법 또는 전기 도금을 포함하여 적합한 방법으로 기판(12) 전체에 또는 일부에 도포된다. 차단층 두께의 용착 및 조절을 용이하게 하기 위하여, 전기 도금이 바람직하다. 구리 - 20 내지 40중량%의 니켈 차단층이 수성 시트레이트 전해질로부터 용착될 수 있다. 전해질은 1ℓ 당 니켈 30 내지 80g, 구리 7 내지 35g 및 나트륨 시트레이트 이수화물 80 내지 320g을 함유하는 수용액이다. 용액을 40 내지 70℃의 온도로 가열한다. 기판은 양극으로서 적합한 스테인레스 강과 함께 음극으로서의 전해질에 침지시킨다. 30 내지 120mA/㎠인 전류 밀도를 전해질을 통해 인가한다. 약 0.5 내지 2분 후, 공칭 두께가 0.3 내지 2.5㎛인 차단층이 용착된다.

울퉁불퉁한 피막은 기판과 주석 사이의 계면의 표면적을 증가시켜 금속간 화합물의 형성률을 증가시키므로, 차단층은 울퉁불퉁하지 않고 비교적 매끄러워야 한다. 표면상, 매끄러운 차단층이 재유동된 주석 피복층의 광택을 증가시킨다.

구리/니켈 차단층(16)의 효과는 전해질에 하나 이상의 정제 화합물(refining compound)을 가함으로써 증진된다. 이러한 정제 화합물에는 벤조트리아졸(BTA), 아교, 단백질, 티오우레아, 설폰 화합물 및 클로라이드 이온 공여체(예: 염화니켈)가 있다. 정제 화합물은 용착된 차단층의 다공도 및 조도를 감소시키는 데 효과적이고, 보다 미세한 결정성 입자 구조를 갖는 차단층을 또한 제공할 수 있다.

차단층의 다공도가 감소되면 주석 및 구리의 확산률이 감소된다. 차단층의 조도가 감소되면 차단층과 기판 사이의 계면 면적 및 차단층과 피복층 사이의 계면면적이 감소되어, 구리 및 주석의 확산률이 감소된다. 입자의 분말도를 증가시키기 위하여 결정성 입자 구조를 개질시키면 보다 치밀한 금속간 화합물 구조가 유도되어 금속간 화합물의 성장률이 효과적으로 감소된다.

바람직하게는, 정제 화합물 약 10 내지 약 1000ppm을 전해질에 가하면 다공도 및 조도가 바람직하게 감소되며, 보다 미세한 입자 구조가 유도된다. 바람직한 양태에 있어서, 정제 화합물은 BTA가 50 내지 100ppm이다.

또한, 차단층(16)은 주석 기재 피막을 용착시키기 전에, 예를 들면, 압연에 의해 기계적으로 변형시키거나, 가열에 의해 열처리하여 차단층의 입자 구조를 개질시킨다.

하나의 예시적인 공정에 있어서, 구리/니켈 차단층을 기판에 용착시킨 후, 차단층/기판 복합재를 300 내지 500℃의 온도에서 30 내지 120분 동안 어닐링시킨다. 복합재의 산화를 최소화하기 위하여, 어닐링은 분해된 암모니아(질소 96용적% 및 수소 4용적%)와 같은 불활성 또는 환원성 대기 속에서 수행한다. 그 다음, 어닐링된 복합재를 실온(약 20℃)에서 압연기로 통과시켜, 두께를 10 내지 20% 감소시킨다.

보다 치밀한 결정성 입자 구조 또는 바람직한 결정성 배향을 제공하는 것 이외에, 어닐링 및 압연을 별도로 또는 함께 수행하면 가공 경화 및 침전 노화를 통하여 특정 구리 합금의 경도가 증가된다. 이러한 경화는 전기 커넥터를 형성하는 경우에 특히 유용하다. 당해 공정을 위한 기판용 합금의 한 예는 구리 합금 C194이다.

또한, 어닐링에 의한 열가공으로 복합재의 굴곡 2차 성형적성(bend formability)이 개선된다. 어닐링은 전착된 구리/니켈 차단층에 존재하는 응력을 완화시키는 것으로 여겨진다.

그 다음, 주석 기재 피복층(14)을 차단층(16)의 적어도 일부에 통상적인 방법으로 도포한다.

차단층이 2개 이상의 금속이 동시 용착된 합금인 경우, 종종 합금 조성을 정확히 조절하기가 어렵다. 도 3은 차단층(16)의 조성을 보다 정확히 조절하는 방법을 나타낸다.

합금 성분을 순차적으로 용착시킨다. 하나의 합금 성분(예: 니켈)인 제1 층(26)을 목적하는 두께로 용착시킨다. 그 다음, 제2 합금 성분을 제2 층(28)으로서 용착시킨다. 제2 층(28)은, 예를 들면, 구리일 수 있다. 제1 층(26) 및 제2 층(28)의 두께는 목적하는 양의 제1 성분 및 제2 성분을 효과적으로 제공하는 것이다. 층은 용착시키거나 확산 후에 차단층으로서 사용될 수 있다.

층(26)과 층(28)은 전기분해적으로, 무전해 용착, 화학적 증착 또는 플라즈마 용착과 같은 적합한 방법으로 용착시킨다. 다층의 동일한 재료가 용착될 수 있다. 예를 들면, 제1 층(26), 제3 층(30) 및 제5 층(34)이 제1 성분인 한편, 제2 층(28), 제4 층(32) 및 제6 층(36)이 제2 성분일 수 있다. 확산에 이어 얇은 다층이 보다 균질한 차단층(16)을 제공한다.

제1 성분이 니켈이고, 제2 성분이 구리인 경우, 약 20 내지 40중량%의 니켈을 750 내지 850℃의 온도로 12 내지 72분 동안 가열하여 균질하게 확산시킬 수 있다.

제3 층(30)은 제3 성분을 구성할 수 있다. 예를 들면, 제1 성분이 니켈이고 제2 성분이 구리인 경우, 제3 성분은 주석일 수 있다. 그 다음, 제4 층(32)은 은, 규소, 알루미늄, 아연, 철, 크롬, 망간, 코발트, 바나듐, 인듐 또는 인과 같은 제4 성분을 구성할 수 있다.

어떤 조합의 원소든지 위와 같이 조합할 수 있다. 금속간 화합물의 형성을 제한하기 위하여, 차단층은 확산 후에, 니켈을 20 내지 40% 함유한다.

가장 안쪽의 제1 층(26)은 두께가 1.25㎛(50μ in) 미만, 바람직하게는 0.05 내지 0.5㎛(2 내지 20μ in)인 플래시(flash)일 수 있다. 플래시는 금속일 수 있지만, 바람직하게는 구리 또는 니켈이다. 플래시는 표면의 평준화 효과를 가짐으로써 기판의 표면 불균일성을 방지하여 확산에 유용한 계면 면적을 감소시킨다.

플래시는 또한 기판의 합금 성분이 차단층의 용착에 대해 갖는 효과를 최소화한다.

층은 원소일 필요는 없다. 하나 이상의 층은 2성분 이상의 합금을 구성할 수 있다. 예를 들면, 제1 층은 Ni+X일 수 있고, 제2 층은 Cu+Y일 수 있다. 가열하는 경우, X 및 Y는 서로 또는 구리 및 니켈과 혼합되어 차단층에 유용한 금속간 화합물을 형성할 수 있다. 예를 들면, X는 규화니켈을 형성하는 Si일 수 있다.

특정 수의 층은 수회 반복될 수 있다. 동일한 순서의 층이 계속해서 반복될 필요는 없고, 단지 모든 층이 용착된 경우, 모든 층의 합한 두께가 목적하는 차단층 조성을 제공할 필요는 있다. 그 다음, 다층이 확산되어 차단층(16)에 목적하는 균질도를 제공한다.

주석 피복층의 두께는, 먼저 가열하는 경우, 급속히 감소된다. 동시에, 차단층에 구리-주석 금속간 화합물을 급속히 형성시킨다. 차단층이 구리/주석 금속간 화합물로 포화되는 경우, 주석 두께의 감소률은 급속히 저하된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 하나 이상의 (Cu-Ni)₃Sn, (Cu-Ni)₆Sn₅, Cu₃Sn 및 Cu₆Sn₅와 같은, 초기 농도가 높은 금속간 화합물을 함유하는 차단층(16)을 형성시킨다. 금속간 화합물로 포화된 이러한 차단층은 일부 주석층의 감소를 통해 추가의 금속간 화합물의 전개를 상당히 감소시키리라 여겨진다.

바람직한 양태에 있어서, 도 4에 제시된 바와 같이, 금속간 화합물 층(38)은 차단층(16)과 주석층(14) 사이에 위치한다. 금속간 화합물 층(38)은 적합한 차단층(16) 위에서 주석층(14)의 분해를 억제하는 데 효과적이리라 여겨진다. 바람직하게는, 차단층(16)은 니켈을 약 20 내지 약 40중량% 갖는 구리/니켈 합금이다. 차단층(16)의 두께는 약 0.25 내지 약 1.25㎛(10 내지 약 50μ in)이다. 금속간 화합물 층(38)은 증착 또는 전해 도금 등의 적합한 방법에 의해 동시 용착 층으로서 용착되거나 위에서 기재한 바와 같이 함께 계속해서 확산되는 별개의 층으로서 용착된다. 금속간 화합물 층(38)의 두께는 약 100 내지 약 10,000Å, 바람직하게는 약 200 내지 약 1000Å이다.

본 발명의 차단층의 잇점은 다음 실시예로부터 보다 명확해질 것이다.

Claims

구리 또는 구리 기재 합금 기판(12),

기판(12)의 일부분에 피복되는 주석 또는 주석 기재 합금으로 이루어진 피복층(14) 및

기판(12)과 피복층(14) 사이에 삽입되고 피복층(14)과 직접 접촉하며 니켈 25 내지 40중량%와 주석, 철, 코발트 및 구리로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소 약 60 내지 75%를 함유하고 두께가 0.2 내지 2.5㎛인 전기 도금된 차단층(16)을 포함함을 특징으로 하는 복합재(10).
제1항에 있어서, 차단층(16)이 구리·60 내지 75중량%를 함유함을 특징으로 하는 복합재(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 두께가 0.05 내지 1.25㎛인 금속성 플래시(flash)가 기판(12)과 차단층(16) 사이에 위치함을 특징으로 하는 복합재(10).
제3항에 있어서, 금속성 플래시가 구리 또는 니켈임을 특징으로 하는 복합재(10).
제1항 또는 제2항에 있어서, 피복층(14)이 탄화규소, 산화알루미늄, 탄화텅스텐, 이황화몰리브덴, 실리카, 카본 블랙, 흑연 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 미립자를 포함함을 특징으로 하는 복합재(10).
구리 또는 구리 기재 합금 기판(12),

기판(12)의 일부분에 피복되는 주석 또는 주석 기재 합금으로 이루어진 피복층(14),

기판(12)과 피복층(14) 사이에 삽입되고 니켈 20 내지 40중량%와 구리 60 내지 80중량%를 함유하고 두께가 0.2 내지 5㎛인 전기 도금된 차단층(16) 및

피복층(14)에 분산되는 평평한 오벨리스크 형태의 구리-주석 금속간 화합물(38)을 포함함을 특징으로 하는 복합재(10).
제6항에 있어서, 금속간 화합물(38)의 길이 대 너비의 종횡비가 5:1보다 큼을 특징으로 하는 복합재(10).
제1항 또는 제6항에 있어서, 자동차 소켓으로 형성되는 복합재(10).
제1항 또는 제6항에 있어서, 자동차 플러그로 형성되는 복합재(10).
구리 또는 구리 기재 합금 기판(12),

기판(12)의 일부분에 피복되는 주석 또는 주석 기재 합금으로 이루어진 피복층(14) 및

기판과 피복층 사이에 삽입되고, 적어도 제1 금속 또는 금속 합금 성분층(26) 및 상이한 제2 금속 또는 금속 합금 성분층(28)으로부터 형성되는 합금이며, 니켈 또는 코발트인 제1 금속 또는 금속 합금 성분층(26)이 차단층의 20 내지 40중량%를 구성하고 피복층(14)과 직접 적촉하고 구리인 제2 금속 또는 금속 합금 성분층(28)이 차단층의 60 내지 80중량%를 구성하며, 두께가 0.2 내지 5㎛인 차단층(16)을 포함함을 특징으로 하는 복합재(10).
구리 또는 구리 기재 합금 기판(12),

기판(12)의 일부분에 피복되는 주석 또는 주석 기재 합금으로 이루어진 피복층(14) 및

기판과 피복층 사이에 삽입되고, 니켈인 적어도 제1 및 제3 금속 또는 금속 합금 성분층 및 피복층(14)과 직접 접촉하고 구리인 제2 및 제4 금속 또는 금속 합금 성분층(26, 28, 30)으로부터 형성되는 합금이며, 제1 및 제3 금속 또는 금속 합금 성분층이 각각 차단층의 10 내지 20중량%를 구성하고 제2 및 제4 금속 또는 금속 합금 성분층이 각각 차단층의 30 내지 40중량%를 구성하며, 두께가 0.2 내지 5㎛인 차단층(16)을 포함함을 특징으로 하는 복합재(10).
제11항에 있어서, 은, 규소, 알루미늄, 아연, 철, 크롬, 망간, 코발트, 바나듐, 인듐 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 또 다른 합금 성분층(32)이 차단층의 잔여량을 형성하고, 제3 합금 성분층(30)에 인접하며, 제3 합금 성분층(30)과 피복층(16) 사이에 위치함을 특징으로 하는 복합재(10).
제10항에 있어서, 제1 금속 또는 합금 성분층(26)이 기판에 직접 접촉하며, 제2 금속 또는 합금 성분층(28)이 제1 금속 또는 합금 성분층(26)과 피복층(16)에 모두 직접 접촉함을 특징으로 하는 복합재(10).
제11항에 있어서, 제1 금속 또는 합금 성분층(26)이 기판(12)에 직접 접촉하며, 제2 합금 성분층(28)이 제1 합금 성분층(26)과 제3 합금 성분층(30)에 모두 직접 접촉하고, 제4 합금 성분층(32)이 제3 금속 또는 합금 성분층(30)과 피복층(16)에 모두 직접 접촉함을 특징으로 하는 복합재(10).
제3항에 있어서, 피복층(14)이 탄화규소, 산화알루미늄, 탄화텅스텐, 이황화몰리브덴, 실리카, 카본 블랙, 흑연 및 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 미립자를 포함함을 특징으로 하는 복합재(10).