WO2008075723A1

WO2008075723A1 - 金属条、コネクタ、および金属条の製造方法

Info

Publication number: WO2008075723A1
Application number: PCT/JP2007/074441
Authority: WO
Inventors: Masahide Okamoto; Osamu Ikeda
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2008-06-26
Also published as: TW200837221A; JP2008150690A

Abstract

　金属条の母材金属上にNiめっきを施し、その上にCuめっき、さらにその上にSnめっきを施す。前記Cuめっきの厚さは、（Cuめっき＋Snめっき）に対するCuめっきの割合が3～7mass％となるようにする。前記SnめっきにZn, Al, Si, Mg, Tiのうちの1種以上の金属を1mass％以下含有させる。前記の特徴を有するコネクタをSnの融点以上の温度で熱処理することにより、Niめっき層とSnめっき層との間にCu-Sn化合物層を形成する。

Description

明細書

金属条、コネクタ、および金属条の製造方法

参照による取り込み

[0001] 本出願は、 2006年 12月 20日に出願された日本特許出願第 2006— 342073号の優先権を主張し、その内容を参照することにより本出願に取り込む。

技術分野

[0002] 本発明は電気コネクタを構成する端子、特にフレキシブル ·プリント基板等の別部材との電気的接続のために、嵌合されるコネクタ端子、並びにこれを構成する金属条及びその製造方法に関する。特に無鉛めつきが施された無鉛めつきコネクタ端子、及びこれを構成する金属条に関する。

背景技術

[0003] コネクタを構成する端子は、基板への取り付けの際にはんだ付けされるため、一般にこれを構成する金属条の全面めつき処理が施されている。鉛フリーのめっき処理としては、はんだ付け性の観点から、 M下地層の上に Sn系はんだ層を形成することが知られている。さらに狭ピッチ'コネクタの場合には、隣のコネクタ端子と接触し、短絡をおこすおそれのあるウイス力の発生も同時に防止する必要がある。

[0004] 母材金属上に Mめっきを施し、その上に Sn-Cuめっきを施すことによって、はんだ濡れ性を確保する方法が提案されている（特許文献 1)。また、母材金属上に Mもしくは Cuの下地めつきを施し、その上に Sn-Biめっきを施すことによって、接続時に接触部力、らゥイス力が発生するのを防止する方法が提案されている（特許文献 2)。さらに、母材金属上に M層、 Ni-Sn金属間化合物層、 Ni-Sn金属間化合物および Snからなる混在層、酸化 Sn層を順次、有するめっき層を形成することにより、ウイスカ発生防止とはんだ濡れ性を両立する方法も提案されて!/、る (特許文献 3)。

[0005] 特許文献 1：特開 2002— 164106号公報

特許文献 2：特開 2005— 56605号公報

特許文献 3：特開 2006— 49083号公報

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0006] しかしながら、 M下地めつきの上に単に Sn-Cuめっきを施して提供される金属条では、はんだ濡れ性は確保される力 S、ウイスカ発生を完全に抑止することは困難である。 2層めつきをするだけでは、 M下地めつきと Sn-Cuめっきの界面に Cu-Sn化合物が形成されず、その後のリフロー処理において、 Sn-Cuめっきの Snと Mの化合物生成反応が十分に抑止されず、前記界面に Ni-Sn化合物が多量に形成され、これにより、めつき内部に大きな内部圧縮応力が発生し、ひいては、ゥイス力が発生してしまう。

[0007] また、金属条の Mもしくは Cuの下地めつきの上に Sn-Biめっきを施すだけでは、ウイスカ発生の完全抑止は難しい。 Mもしくは Cuと Sn-Biめっきの Snがリフロー時に反応し、界面に Ni-Sn化合物もしくは Cu-Sn化合物が形成され、反応のバリア層が無いために、これらの反応層の形成量は多い。これにより、めっき内部に大きな内部圧縮応力が発生し、ひいては、 M下地めつき/ Sn-Cuめっきより発生頻度は低いが、ゥイス力が発生してしまう。

[0008] さらに、 M層、 Ni-Sn金属間化合物層、 Ni_Sn金属間化合物および Snからなる混在層、酸化 Sn層を順次、有するめっき層を形成する方法では、 Ni-Sn化合物が表面の S n酸化物層まで到達するほど成長してしまっており、多量の Ni-Sn化合物生成により、めっき内部に大きな内部圧縮応力が発生し、 Ni-Sn化合物の支持柱効果をもってしても、ゥイス力が発生してしまう。また、 Ni-Sn化合物の一部が表面の Sn酸化物層まで到達していることにより、そうでない場合と比べて、はんだ濡れ性も劣る。

[0009] また上記何れの例においても、最表面の酸化 Sn層のフタ効果による内部圧縮応力の発生すなわちウイス力の発生を抑止可能な手段を提供していないことが問題となる

〇

[0010] そこで、本発明は、はんだ濡れ性の確保、めっき膜内部の金属間化合物の大量成長によるウイスカ発生の抑止およびはんだ表面の酸化 Sn膜のフタ効果によるウイスカ発生の抑止、を満足する金属条、及びこれにより形成されるコネクタを提供するものである。

課題を解決するための手段

[0011] 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次のとおりである。

(1)母材金属と、前記母材金属上に形成された Ni層と、前記 M層上に形成された Sn と第一の金属との共晶組成の層と、前記 Ni層と前記共晶組成の層との間に形成された Snと前記第一の金属との化合物層と、を有することを特徴とする金属条。

(2)母材金属と、前記母材金属上に形成された Ni層と、前記 Ni層上に形成された Sn- Cu共晶組成の層と、前記 M層と前記 Sn-Cu共晶組成の層との間に形成された Cu-Sn 化合物層とを有することを特徴とする金属条。

(3)母材金属と、前記母材金属上に形成された Ni層と、前記 Ni層上に形成された Sn 層と、前記 M層と前記 Sn層との間に形成された Cu-Sn化合物層とを有することを特徴とする金属条。

(4)上記（1)乃至（3)の V、ずれかに記載の金属条を加工して形成したことを特徴とするコネクタ。

(5)金属条の製造方法であって、母材金属上に Ni層、 Cu層、 Sn層を順次積層させる工程と、前記積層された母材金属を Sn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、前記 Ni層上に Cu-Sn化合物層、前記 Cu-Sn化合物層上に Sn-Cu共晶組成の層、を形成する工程と、を有することを特徴とする金属条の製造方法。

発明の効果

[0012] 本発明によれば、はんだ濡れ性の確保、めっき膜内部の金属間化合物の大量成長によるウイスカ発生の抑止およびはんだ表面の酸化 Sn膜のフタ効果によるウイスカ発生の抑止を満足しうる金属条、及びこれにより形成されるコネクタを提供することができる。

[0013] 本発明の他の目的、特徴及び利点は添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。

発明を実施するための最良の形態

[0014] まず、本発明に係る金属条の第 1の実施形態について、図 1を用いて説明する。

[0015] 図 1は、本発明に係る金属条 1の層構造の断面を示すものであり、母材金属 2上には、 M層 3と、 M層 3上に形成された Cu Snのような Cu_Sn化合物層 4と、 Cu_Sn化合物層 4上に形成された Sn-Cu共晶組成である Sn-0.7Cu層 5とによる積層構造が設けられている。

本構造では、母材金属 2と Sn-0.7Cu層 5との間に 2重の反応防止バリア層が形成されること力重要となる。すなわち、これによれば、 Cu-Sn化合物層 6により、 M層 3と Sn- 0.7Cu層 5の間の反応を抑止でき、また、 Ni層 3により、母材金属 2と Cu-Sn化合物層 4 、 Sn-0.7Cu層 5の間の反応を抑止できるため、ウイスカ抑制を図ることができる。一般には母材金属 2としてはリン青銅のような Cu合金が多く使用され、この超合金からの Cu供給による化合物化の促進がゥイス力の原因となりうる力上記の通り、 M層 3によりリン青銅からの Cu供給は遮断され、母材金属と Cu-Sn化合物層 6との反応は抑止されるため、本発明の層構造を有する金属条によれば、母材金属を特殊な材料にすることなく、通常のリン青銅を用いることができる。

さらに、本発明によれば、最表面は酸化 Snの比較的少ない Sn-0.7Cu層 5となるため、その後の接続時のはんだ濡れ性も良好な金属条を提供することができる。

[0016] なお、本実施形態では、第 1層として M層、第 2層として Cu-Sn化合物層、第 3層として Sn-Cu共晶組成の層を例にとって記載した力これに限られるものではなぐ上記の通り、 2重の反応防止バリア層を形成して化合物化の進行を防ぐ構成を取り得る材料の組み合わせの範囲であれば種々変更可能である。また、第 1層としては Co層、 F e層等であっても構わない。

[0017] 次に、本発明に係る金属条の製造方法につ!/、て説明する。

図 2は、本発明に係る金属条を製造するために用いる第一の積層構造の断面図であり、母材金属 2上に M層 3、 Cu層 6、 Sn層 7を順次めつきして形成した熱処理前の金属条を示すものである。 Ni層 3の厚さは 1〜5 mの範囲とすることが好ましい。 Ni層 3 の厚さが l ^ m未満であると、母材金属 2と Cu層 6、 Sn層 7との間の反応抑止機能が十分に機能しなくなり、 5 111を超えると、金属条の弹性が損なわれるからである。

[0018] M層 3の上に Cu層 6、 Sn層 7を形成したのは、後の熱処理により Ni層 3の直上に Cu- Sn化合物層 6を形成するためである。 Sn層 7を最表面にしたのは、はんだ濡れ性を確保するためである。

なお、 Cu層 6と Sn層 7の合計の厚さは、 1〜5 mの範囲とすることが好ましい。 1〃 m 未満であると、はんだ濡れ性が低下し、 5 mを超えても、それ以上のはんだ濡れ性の向上が見られないからである。

また、 Cu層 6の厚さは、（Cu層 6 + Sn層 7)に対する Cu層 6の割合力 ¾〜7mass%となるようにするのが好ましい。 Cu層 6の割合が 3ma_SS%未満であると、後で熱処理した際、 M層 3の直上の Cu-Sn化合物層 4の形成がところどころ不十分となり、 Cu_Sn化合物層 4による M層 3と Sn-0.7Cu層 5の間の反応抑止効果が不十分となってしまう。 Cu層 6 の割合が 7mass%を超えると、後の熱処理時に、 Cu層 6を Sn層 7と完全に反応させるのに時間がかかってしまう。

[0019] さらに、 Sn層 7には、 Zn, Al， Si, Mg, Tiのうちの 1種以上の金属を lmass%以下含むのが好ましい。これらの酸化しやすい金属を微量含むことにより、後の熱処理時ゃリフロー時に、これらの金属が選択的に酸化される。これにより、最表面の Sn層 7の酸化を最小限に抑えることが可能となり、最表面の酸化 Sn層のフタ効果によるめつき膜内部圧縮応力の発生を抑制でき、これによるゥイス力発生を抑止できる。 Sn層 5中のこれらの金属の含有量が lmass%を超えると、はんだ濡れ性の低下が生じる。

[0020] 以上の層形成処理（主にめつき処理）の後、金属条 1を Snの融点以上、少なくとも Sn -Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、 Cu層 6と Sn層 7を完全に反応させることで、 M層 3の直上には、 Cu Snのような Cu-Sn化合物 4が形成され、表面層は Cuと Snとの共晶組成層（Sn-(0.7〜0.75)Cu)が形成される。

本製造方法によれば、形成される Cu-Sn化合物層 4の Cuは、最初の Cu層 6からのみ供給され、リン青銅等による母材金属 2からの Cuは供給されない。すなわち、 Cu-S n化合物層 4の厚さは、最初の Cu層 6の厚さだけに依存するため、これを Cu-Sn化合物層 4の形成がところどころ不十分とならない程度に少なく形成することによって、 Ni 層 3直上の Cu-Sn化合物 4が厚くなりすぎず、これに起因するめつき膜内部の圧縮応力発生を抑制でき、ウイスカ発生を抑制することができる。

[0021] 次に、本発明に係る金属条を製造するために用いる第二の積層構造の断面図として、図 3は、母材金属 2上に Ni層 3、 Cu Snのような Cu_Sn化合物が浮島状に存在する Sn-Cu合金層 8を順次めつきして形成した熱処理前の金属条を示すものである。 Ni 層 3の厚さは 1〜5 ti mの範囲とすることが好ましい。 Ni層 3の厚さが 1 μ m未満であると、母材金属 2と Sn-Cu合金層 8との間の反応抑止機能が十分に機能しなくなり、 δ μ πι を超えると、金属条 1の弾性が損なわれるからである。

[0022] ここで、 M層 3の上に Cu-Sn化合物が浮島状に存在する Sn-Cu合金層 8を形成したのは、後の熱処理により Ni層 3の直上に Cu-Sn化合物層 4を形成するためである。従つて、 Sn-Cu合金層 8中の Cuの割合は 3〜7mass%となるようにするのが好ましい。 Cu の割合が 3mass%未満であると、後で熱処理した際、 M層 3の直上の Cu_Sn化合物層 4の形成がところどころ不十分となり、 Cu-Sn化合物層 4による M層 3と Sn-Cu共晶組成（Sn-(0.7〜0.75)Cu)の層 5との間の反応抑止効果が不十分となってしまうからである。また、 Cuの割合が 7mass%を超えると、 Sn_Cu合金層 8の融点が高くなつてしまい、後で熱処理およびリフロー処理を行う際、他の部材の耐熱性、基板の耐熱性、後プロセス許容温度から、液相線温度より低 V、温度で熱処理およびリフロー処理を行わなければならなくなり、この場合には、熱処理前に Sn-Cu合金層 8中に浮島状に存在して!/、た Cu-Sn化合物が完全に融けきらず、 M層 3の直上の Cu-Sn化合物層 6の形成力 Sところどころ不十分となり、 Cu-Sn化合物層 6による M層 3と Sn-Cu共晶組成の層 5との間の反応抑止効果が不十分となってしまうからである。

[0023] なお、 Sn-Cu合金層 8の厚さは、 1〜5 mの範囲とすることが好ましい。 1 m未満であると、はんだ濡れ性が低下し、 5 mを超えても、それ以上のはんだ濡れ性の向上が見られないからである。

[0024] また、 Sn-Cu合金層 8には、 Zn， Al， Si, Mg, Tiのうちの 1種以上の金属を

下含むのが好ましい。これらの酸化しやすい金属を微量含むことにより、後の熱処理時ゃリフロー時に、これらの金属が選択的に酸化される。これにより、最表面の Sn-Cu 合金層 8の酸化を最小限に抑えることが可能となり、最表面の酸化 Sn層のフタ効果によるめつき膜内部圧縮応力の発生を抑制でき、これによるゥイス力発生を抑止できる。

Sn-Cu合金層 8中のこれらの金属の含有量が lmass%を超えると、はんだ濡れ性の低下が生じる。

[0025] 以上の層形成処理（主にめつき処理）の後、金属条 1を Sn-Cu合金層 8の融点以上の温度で熱処理することで、 Sn-Cu合金層 8中に浮島状に存在していた Cu-Sn化合物が一旦溶け、これが M層 3の直上に再析出し、 Cu-Sn化合物層 4が形成され、表面層は Cuと Snとの共晶組成の層となる。本製造方法によれば、形成される Cu-Sn化合物層 4の Cuは、最初の Sn-Cu化合物層 8のみから供給され、リン青銅等による母材金属 2からの Cuは供給されない。すなわち、 Cu-Sn化合物層 4の厚さは、最初の Sn-Cu合金層 8中の Cu量だけに依存するため、これを Cu-Sn化合物層 4の形成がところどころ不十分とならない程度に少ない含有量とすることによって、 M層 3直上の Cu-Sn化合物層 4が厚くなりすぎず、これに起因するめつき膜内部の圧縮応力発生を抑制でき、ウイスカ発生を抑止できる。

[0026] 以上、各実施形態では、第 1層として M層、第 2層として Cu-Sn化合物層、第 3層として Sn-Cu共晶組成の層となるような層構造の製造方法について示した力これに限られず、第 2層として Zn-Sn化合物、第 3層として Snと Znとの共晶組成（Sn_9Zn)の層となるような層構造の製造方法についても同様であり、 Cuの代わりに Znを用いるだけでよい。

[0027] また、上記いずれの実施形態においても、表面層としては、最も安定した状態である Sn-Cu共晶組成の層となる例を示した力 S、表面層が極めて薄くなる場合、例えば、 2 m程度以下となる場合には、表面層は Sn層となっても構わない。これは層厚が 2 in以下の場合には、 Sn-Cu共晶組成の層として存在するよりも、全ての Cu成分が表面層の下層にある Cu-Sn化合物層側に用いられ、表面層が Sn層となった方が安定状態となるためである。

[0028] ここで、上記した金属条の利用形態としては主としてコネクタがある。基板同士を接続する場合にフレキシブルプリント基板 (FPC)またはフレキシブルフラットケーブル (F FC)が使用される場合があり、この両方の基板にコネクタを設け、両方のコネクタを FP Cまたは FFCを介して接続する必要がある力このコネクタのうち、特に、端子ピッチ力 S0.5mm以下の狭ピッチで、鉛フリーのコネクタに対して本発明の金属条を用いること力 Sできる。

[0029] 以下、具体的な実験の結果を示す。

[実験例]

本発明の熱処理前の金属条のサンプル（実験例 1〜10)、従来の金属条のサンプノレ (比較例 1〜3)について、はんだ、濡れ性、ウイスカ発生の有無を確認した結果を表 1に示す。サンプルには、リン青銅製の母材金属を使用し、表面にめっき層を通常の電気めつき法により逐次、形成した。その後、 N2中、 250°Cで 10秒間、熱処理を行つた。

[表 1]

[0031] はんだ濡れ性試験は、上記各サンプルの最表面メタライズ層の上に、ロジン系フラックス l lmass%を含有した Sn-3Ag-0.5Cu鉛フリーはんだを塗布し、その濡れ拡がりの度合いにより、はんだ濡れ性を評価した。鉛フリーはんだ槽温度は 250°Cとした。表 1 において、はんだ濡れ性が良好なサンプルを「A」、濡れがやや劣るサンプルを「B」、濡れ不良のサンプルを「C」とした。「A」はメニスコグラフ試験法でゼロフロス時間 2s以下、最大ぬれ力 lmN以上であり、「B」はゼロクロス時間 2〜4S、最大ぬれ力 0〜lmN、「C」はゼロクロス時間 4s以上、最大ぬれ力 OmN以下の基準により判断した。試験条件は以下の通りである。

クラックス： 25w% ww Rosin/ 1 PA

浸漬深さ： 3m

浸漬時間： 5s

はんだ： Sn-3Ag_0.5Cn

はんだ浴温： 240°C

スピード： 2.0mm/s

ギャップ/深さ 2.0mm

保持時間： 60s

[0032] ウイスカ発生の有無の確認は以下のように行った。コネクタを FPCに嵌合し、室温、相対湿度 50%で、 1000時間放置後、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡で観察することにより行った。ウイスカ発生の無かったサンプルもしくはゥイス力の発生が見られたが、最大長さが 50 m以下であったサンプルを「A」、最大長さ 50 m以上のウイス力の発生が見られたサンプルを「C」とした。

[0033] 実験例;!〜 10では、良好なはんだ濡れ性が得られ、ウイスカ発生も見られな力、つた。また、これら何れのサンプルでも、熱処理後のめっき層の構成は下地層から表面層の順で、 M層/ Cu-Sn合金化合物層/ Sn-Cu共晶組成の層（微量の Zn， Al， Si, Mg, Tiの酸化物含有）となって!/、た。

また背景技術である比較例 1〜3では、はんだ濡れ性、ウイスカ発生の何れかに問題が見られた。

[0034] 以上の実験結果から、本発明に係る金属条であれば、はんだ濡れ性、耐ゥイス力発生にぉレ、て!/、ずれも良好であることが分かった。

[0035] 上記記載は実施例についてなされた力本発明はそれに限らず、本発明の原理と添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更および修正をすることができることは当業者に明らかである。

図面の簡単な説明

[0036] [図 1]本発明に係る金属条の第 1の実施形態の層構造の模式的断面図である。

[図 2]本発明に係る金属条の熱処理前の第一の層構造の模式的断面図である。

[図 3]本発明に係る金属条の熱処理前の第二の層構造の模式的断面図である。

Claims

請求の範囲

母材金属と、

前記母材金属上に形成された M層と、

前記 M層上に形成された Snと第一の金属との共晶組成の層と、

前記 M層と前記共晶組成の層との間に形成された Snと前記第一の金属との化合物層とを有する金属条。

母材金属と、

前記母材金属上に形成された M層と、

前記 M層上に形成された Sn-Cu共晶組成の層と、

前記 Ni層と前記 Sn-Cu共晶組成の層との間に形成された Cu-Sn化合物層と、を有する金属条。

請求項 2に記載の金属条において、

前記 Ni層と前記 Sn-Cu共晶組成の層とは、これらの間に形成された前記 Cu-Sn化合物層により互いに接して!/、な!/、金属条。

請求項 2又は 3に記載の金属条において、

前記 Cu-Sn化合物層は、前記 Ni層に接して形成されており、

前記 Sn-Cu共晶組成の層は、前記 M層には接することなぐ前記 Cu-Sn化合物層に接して形成されて!/、る金属条。

請求項 2乃至 4の!/、ずれか 1項に記載の金属条にお!/、て、

前記 Sn-Cu共晶組成の層および前記 Cu-Sn化合物層は、前記 Ni層上に順次積層された Cu層、 Sn層を熱処理することにより形成されたものである金属条。

母材金属と、

前記母材金属上に形成された M層と、

前記 M層上に形成された Sn層と、

前記 Ni層と前記 Sn層との間に形成された Cu-Sn化合物層と、

を有する金属条。

請求項 6に記載の金属条において、

前記 Ni層と前記 Sn層とは、これらの間に形成された前記 Cu-Sn化合物層により互いに接していない金属条。

[8] 請求項 6又は 7に記載の金属条において、

前記 Sn層の厚さは 2 H m以下である金属条。

[9] 請求項 1乃至 8の!/、ずれか 1項に記載の金属条にお!/、て、

前記 M層に代えて Co層又は Fe層が形成されている金属条。

[10] 請求項 1乃至 9の V、ずれか 1項に記載の金属条にお V、て、

前記母材金属は、 Cu合金である金属条。

[1 1] 請求項 10に記載の金属条において、

前記母材金属は、リン青銅である金属条。

[12] 請求項 1乃至 1 1のいずれ力、 1項に記載の金属条を加工して形成されたコネクタ。

[13] 金属条の製造方法において、

母材金属上に M層、 Cu層、 Sn層を順次積層させる工程と、

前記積層された母材金属を Sn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、前記 M 層上に Cu-Sn化合物層、前記 Cu-Sn化合物層上に Sn-Cu共晶組成の層、を形成する工程とを有する、金属条の製造方法。

[14] 請求項 13に記載の金属条の製造方法において、

前記熱処理は、 Sn-Cu合金の液相線以上の温度で処理される、金属条の製造方法。

[15] 請求項 13又は 14に記載の金属条の製造方法において、

前記 Sn層と前記 Cu層との合計質量に対する前記 Cu層の割合は 3〜7mass %である、金属条の製造方法。

[16] 請求項 13乃至 1 5のいずれか 1項に記載の金属条の製造方法において、

前記 Sn層には、 Zn、 Al、 Si、 Mg、 Tiのうち 1種以上の金属が lmass %以下含まれている、金属条の製造方法。

[17] 金属条の製造方法において、

母材金属上に M層、 Sn-Cu合金層を順次積層させる工程と、

[18] 請求項 17に記載の金属条の製造方法において、

前記 Sn-Cu合金層中の Cuの割合は、 3〜7mass%である、金属条の製造方法。

[19] 請求項 17又は 18に記載の金属条の製造方法において、

前記 Sn-Cu合金層には、 Zn、 Al、 Si、 Mg、 Tiのうち 1種以上の金属が lmass%以下含まれている、金属条の製造方法。