CN105908231A - 电子元件用镀Sn材料 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种作为连接器、端子等的导电性弹簧材料具有低拔插性和良好的表面光泽的镀Sn材料，其特征在于，该镀Sn材料在铜或铜合金条的基体材料上具有实施了回流焊处理的Sn镀层，其中，回流焊Sn镀层由上侧的Sn层和下侧的Cu-Sn合金层构成，Sn镀层的厚度为0.2～0.8μm，镀Sn材料的轧制直角方向的表面粗糙度Ra为0.05μm以下，RSm为20μm以下，露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比为5～40％，从表面观察时的所述露出的Cu-Sn合金层的晶粒直径为3μm以下。

Description

电子元件用镀Sn材料
技术领域
本发明涉及适合用作电子元件，特别是连接器、端子等的导电性弹簧材料的镀Sn材料。
背景技术
作为端子、连接器等的导电性弹簧材料，使用实施了Sn镀敷的铜或铜合金条(以下，称为“镀Sn材料”)。一般，镀Sn材料通过以下工序制造：在连续镀敷作业线进行脱脂以及酸洗后，通过电镀法形成Cu基底镀层，接着通过电镀法形成Sn层，最后实施回流焊处理，使Sn层熔融。
近年来，由于电子/电气元件的电路数增大，正在推进将电气信号供给至电路的连接器的多极化。镀Sn材料因其柔软性而在连接器的触点采用使插头和插座粘连的Gas tight(气密)构造，因此与由镀金等构成的连接器相比，每一极的连接器的***力较高。因此造成了因连接器多极化而产生的连接器***力的增大的问题。
例如，在汽车组装生产线中，嵌合连接器的作业目前大部分由人工进行。如果连接器的***力变大，则会在组装生产线给作业者造成负担，直接导致作业效率的降低。由此，强烈希望降低镀Sn材料的***力。
此外，一般，在端子、连接器的组装生产线中，设置有用于检测表面缺陷的检测器，其通过在端子表面照射光并检测此反射光来检测缺陷。因此，为了高精度地检测缺陷，要求端子的表面光泽高，即导电性弹簧材料的表面光泽高。
一般的镀Sn材料在对铜合金按顺序电镀Cu、Sn之后，通过进行回流焊处理，使Sn层熔融，从母材到表面具有按Cu层、Cu-Sn合金层、Sn层顺序的构造，能够获得高的表面光泽。
作为用于降低连接器的***力的方法，在专利文献1中公开了如下技术：预先对Cu-Ni-Si系铜合金实施粗糙化处理，之后，按顺序电镀Cu、Sn，进行240～360℃、1～12秒的回流焊处理，由此使Sn系表面层的平均厚度为0.4～1.0μm以下，使Cu-Sn合金层的一部分露出到最表面，将Cu的一部分置换成Ni以及Si，使得Cu-Sn合金层的表面粗糙度Ra为0.3μm以上，Rvk为0.5μm以上，从而实现低拔插性。
在专利文献2中公开了如下技术：对Cu-Ni-Si系铜合金按顺序电镀Cu、Sn，进行240～360℃、1～12秒的回流焊处理，由此将Cu-Sn合金层的Cu的一部分置换成Ni以及Si，使得Cu-Sn合金层的表面粗糙度Rvk大于0.2μm，使Cu-Sn合金层露出到最表面，其面积比为10～40％，Sn系表面层的平均厚度为0.2～0.6μm，从而实现低拔插性。
在专利文献3中公开了如下技术：使按Cu、Sn的顺序实施了电镀的铜合金在300～900℃的回流焊炉内通过3～20秒，从母材到表面减少Cu浓度，使Sn或Sn合金部分分散到Cu-Sn合金层中，从而兼具低拔插性以及高耐热性。
在专利文献4中公开了如下技术：对Cu-Ni-Si系铜合金进行按顺序电镀Cu、Sn，升温至240～360℃，保持6～12秒，之后骤冷的回流焊处理，由此将Cu-Sn合金层的Cu的一部分置换成Ni以及Si，使得Cu-Sn合金层的粗糙度峰度Rku大于3，使Cu-Sn合金层露出到最表面，其面积比为10～40％，Sn系表面层的平均厚度为0.2～0.4μm，从而兼具低拔插性以及高耐热性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-208878号公报
专利文献2：日本专利第5263435号公报
专利文献3：日本专利第5355935号公报
专利文献4：日本特开2013-049909号公报
发明要解决的问题
如上所述，对于降低端子、连接器的***力，使Cu-Sn合金层的一部分露出到镀Sn材料的最表面是有效的。但是，如果Cu-Sn合金层露出到最表面，则镀Sn材料的表面粗糙度增大，不能获得良好的表面光泽，因此不容易在端子、连接器的组装生产线中进行表面缺陷的检测。在本发明人所知的范围内并未找到能够获得低拔插性和良好的表面光泽的发明。
发明内容
本发明是鉴于上述课题完成的，其目的在于，提供一种作为连接器、端子等的导电性弹簧材料具有低拔插性和良好的表面光泽的镀Sn材料。
用于解决问题的方案
本发明人进行深入研究的结果，发现了为了获得低拔插性和良好的表面光泽，将露出到镀Sn材料的最表面的Cu-Sn合金层的晶粒直径细微化是有效的。
如果通过回流焊处理使Cu-Sn合金层露出到镀Sn材料的最表面，则Cu-Sn合金层的截面形状为圆顶状，因此通过回流焊处理而熔融的Sn沿Cu-Sn合金层的形状发生流动，回流焊处理后的镀Sn材料的表面粗糙度增加，表面光泽恶化。
因此，通过使露出的Cu-Sn合金层的晶粒直径细微化，能够减轻通过回流焊处理而产生的Sn层的流动，获得低拔插性和良好的表面光泽。
即，本发明如下：
(1)一种镀Sn材料，其特征在于，在铜或铜合金条的基体材料上具有实施了回流焊处理的Sn镀层，其中，回流焊Sn镀层由上侧的Sn层和下侧的Cu-Sn合金层构成，Sn镀层的厚度为0.2～0.8μm，镀Sn材料的轧制直角方向的表面粗糙度Ra为0.05μm以下，RSm为20μm以下，露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比为5～40％，从表面观察时的所述露出的Cu-Sn合金层的晶粒直径为3μm以下。
(2)根据(1)所述的镀Sn材料，其中，在铜或铜合金条的基体材料上覆盖有Cu基底镀层、或Ni基底镀层、或将Ni以及Cu按该顺序进行了层叠的Ni/Cu双层基底镀层，在该基底镀层上具有回流焊Sn镀层。
(3)一种镀Sn材料的制造方法，其特征在于，在铜或铜合金条的基体材料上，在形成Sn镀层或按顺序形成Cu、Sn镀层后，通过回流焊处理，在基体材料上隔着Cu-Sn合金层形成Sn层，使所述Cu镀层的厚度为0～0.5μm，所述Sn镀层的厚度为0.5～1.5μm，在所述回流焊处理中以温度400～600℃加热1～30秒后，喷雾出20～90℃的冷却水，接着投入至20～90℃的水槽。
(4)一种镀Sn材料的制造方法，其特征在于，在铜或铜合金条的基体材料上按顺序形成Ni、Cu、Sn镀层后，通过回流焊处理，在基体材料上覆盖Ni基底镀层或Ni/Cu双层基底镀层，隔着Cu-Sn合金层形成Sn层，使所述Ni镀层的厚度为0.05～3μm，所述Cu镀层的厚度为0.05～0.5μm，所述Sn镀层的厚度为0.5～1.5μm，在所述回流焊处理中以温度400～600℃加热1～30秒后，喷雾出20～90℃的冷却水，接着投入至20～90℃的水槽。
(5)一种电子元件，其具备(1)或(2)所述的镀Sn材料。
发明的效果
本发明的镀Sn材料特别是在使用于汽车以及电子元件等的端子的情况下，接合时的***力较低，能高精度地实施端子组装时的表面检查。
附图说明
图1是镜面反射率测定方法的说明图。
图2是动摩擦系数测定方法的说明图。
图3是触头顶端的加工方法的说明图。
图4是本发明的镀Sn材料的SEM反射电子像。
具体实施方式
以下，对本发明的镀Sn材料的一实施方式进行说明。需要说明的是，如果预先没有特别说明，在本发明中％表示质量％。
(1)基体材料的组成
作为成为镀Sn材料的基体材料的铜条，能使用纯度99.9％以上的韧铜、无氧铜，此外，作为铜合金条，能根据所要求的强度、导电性，使用公知的铜合金。作为公知的铜合金，能列举例如Cu-Sn-P系合金、Cu-Zn系合金、Cu-Ti系合金、Cu-Ni-Si系合金、Cu-Sn-Zn系合金、Cu-Zr系合金等。
(2)Sn镀层
在铜或铜合金条的表面形成有实施了回流焊处理的Sn镀层。Sn镀层直接或隔着基底镀层镀敷于基体材料表面。作为基底镀层，可以是Cu基底镀层，或按Ni、Cu的顺序镀敷的Cu/Ni双层基底镀层。回流焊处理后的Sn层的镀敷厚度为0.2～0.8μm。优选为0.3～0.7μm，进一步优选为0.4～0.6μm。如果Sn层的镀敷厚度过小，则导致后述Cu-Sn合金层的面积比过大，导致回流焊处理后的Sn镀层的轧制直角方向的表面粗糙度Ra和/或RSm变得过大，不能得到良好的表面光泽。相反，如果Sn层的镀敷厚度过大，则后述Cu-Sn合金层的面积比变得过小，不能降低***力。
(3)Cu-Sn系合金层
如果在所述Sn镀敷后实施回流焊处理，则基体材料和/或Cu基底镀层的Cu扩散到Sn镀层，在Sn镀层的下侧形成Cu-Sn合金层。通常具有Cu6Sn5和/或Cu3Sn的组成，但是可以包含上述基底镀敷的成分、以铜合金为基体材料时的添加元素。
露出到镀Sn材料的最表面的Cu-Sn合金层的晶粒直径为3μm以下。优选为2.5μm以下，进一步优选为2μm以下。如果晶粒直径过大，则回流焊处理后的Sn镀层的轧制直角方向的表面粗糙度Ra和/或RSm变得过大，无法获得良好的表面光泽。晶粒直径的下限在能发挥本发明的效果的范围内并没有特别限制，但是在制造上，很难小于0.1μm。
露出至镀Sn材料的最表面的Cu-Sn合金层的面积比为5～40％。优选为8～35％，进一步优选为10～30％。如果面积比过小，则不能降低***力。相反，如果面积比过大，则回流焊处理后的Sn镀层的轧制直角方向的表面粗糙度Ra和/或RSm变得过大，无法获得良好的表面光泽。
(4)表面粗糙度
在回流焊处理后的镀Sn材料的最表面，轧制直角方向的表面粗糙度Ra为0.05μm以下，RSm为20μm以下。优选Ra为0.03μm以下，RSm为15μm以下，进一步优选Ra为0.02μm以下，RSm为12μm以下。如果该轧制直角方向的表面粗糙度Ra和/或RSm过大，则无法获得良好的表面光泽。表面粗糙度的下限在能发挥本发明的效果的范围内并没有特别限制，但是在制造上，Ra很难小于0.001μm，RSm很难小于1μm。
(5)制造方法
本发明的实施方式的镀Sn材料可以通过以下工序制造：在连续镀敷作业线，对作为基体材料的铜或铜合金条的表面进行脱脂以及酸洗后，通过电镀法形成基底镀层，接着通过公知的电镀法形成Sn层，最后实施回流焊处理，使Sn层熔融。也可以省略基底镀层。
虽然可以不进行Cu基底镀敷，但是在进行Cu基底镀敷的情况下，其厚度为0.5μm以下。优选为0.4μm以下，更优选为0.35μm以下。如果厚度过大，则露出的Cu-Sn合金层的晶粒直径变得过大，回流焊处理后的Sn镀层的轧制直角方向的表面粗糙度Ra以及RSm变得过大，无法获得良好的表面光泽。
为了提高耐热性，在Cu基底镀敷之前可以进行Ni基底镀敷。在这种情况下，Ni基底镀敷的厚度并没有特别限制，但如果厚度小于0.05μm，就不能发挥Ni基底镀敷的效果，如果大于3μm，则不仅经济性不好，而且会导致弯曲加工性的恶化。因此Ni基底镀敷的厚度优选为0.05～3μm。此外，Ni基底镀敷后的Cu基底镀敷的厚度并没有特别限制，但是如果厚度小于0.05μm或大于0.5μm，则不能发挥Ni基底镀敷后的Cu基底镀敷的效果。因此Ni基底镀敷后的Cu基底镀敷的厚度优选为0.05～0.5μm。
Sn镀敷的厚度为0.5～1.5μm。优选为0.6～1.2μm，更优选为0.7～1.1μm。如果Sn镀敷的厚度过小，则回流焊处理后的Sn层的厚度变得过小，其结果，Cu-Sn合金层的面积比变得过大，回流焊处理后的Sn镀层的轧制直角方向的表面粗糙度Ra和/或RSm变得过大，无法获得良好的表面光泽。相反，如果Sn镀敷的厚度变得过大，则回流焊处理后的Sn层的厚度变得过大，Cu-Sn合金层的面积比变得过小，不能降低***力。
回流焊处理通过以下方法进行：将镀Sn材料以炉内温度400～600℃加热1～30秒后，喷雾出20～90℃的冷却水至镀Sn材料的表面，接着将镀Sn材料投入到20～90℃的水槽。
如果加热温度低于400℃和/或加热时间小于1秒，则露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比小于5％，不能降低***力。相反，如果加热温度大于600℃和/或加热时间大于30秒，则露出到最表面的Cu-Sn合金层的晶粒直径大于3μm，其面积比大于40％，轧制直角方向的表面粗糙度Ra大于0.05μm和/或RSm大于20μm，无法获得良好的表面光泽。
进而，加热后喷雾出冷却水的理由如下。喷雾出的水粒子附着在被加热的镀敷材料的表面，使此部分被骤冷，抑制了Cu-Sn合金层的生长。另一方面，没有附着水粒子的部分不进行骤冷，未抑制Cu-Sn合金层的生长。因此，能在加热后的镀敷表面产生局部的冷却速度的差异，能使露出到镀敷材料的表面的Cu-Sn合金层的晶粒直径细微化。
[实施例]
以下表示实施例，但其意图不在于用以下的实施例限定本发明。
以韧铜为原料，铸造出以表1中所示的比例(质量％)添加了各元素的铸块，在900℃以上进行热轧至厚度10mm，并在面铣掉表面的氧化皮之后，反复进行冷轧和热处理，制成厚度0.2mm的板(基体材料)。
[表1]
表1
基体材料 Ni Si Sn Zn P Ti Fe Zr Co Gu
No.1 2.8 0.62 0.5 0.4 - - - - - 剩余部分
No.2 1.6 0.4 0.5 0.4 - - - - - 剩余部分
No.3 - 0.44 - - - - - - 1.9 剩余部分
No.4 - - - 30 - - - - - 剩余部分
No.5 - - 8 - 0.1 - - - - 剩余部分
No.6 - - 0.3 8 - - - - - 剩余部分
No.7 - - - - - - - 0.1 - 剩余部分
No.8 - - - - - 3 0.3 - - 剩余部分
“-”表示未添加
接着，对该基体材料的表面进行脱脂以及酸洗后，通过电镀法按Ni镀敷层、Cu镀敷层的顺序形成基底镀层，根据情况省略Ni基底镀敷以及Cu基底镀敷，接着通过电镀法形成Sn镀层。在实施Ni基底镀敷的情况下利用硫酸浴(液温约50℃，电流密度5A/dm2)进行电镀，Ni基底镀敷的厚度为0.3μm。实施Cu基底镀敷的情况下利用硫酸浴(液温约25℃，电流密度30A/dm2)进行电镀。Sn镀敷利用苯酚磺酸浴(液温约35℃，电流密度12A/dm2)进行电镀。Cu基底镀敷以及Sn镀敷的各镀敷厚度通过调整电沉积时间来进行调整。
接着，在加热到350～650℃的炉中加热1～30秒后，将70℃的冷却水以雾状喷洒，之后投入到70℃的水槽。在一部分实施例中，加热后不进行雾状的水冷便投入到70℃的水槽。
对于如此获得的各镀Sn材料，进行诸特性的评价。
(1)Sn镀敷厚度
使用CT-1型电解式膜厚计(株式会社电测制造)，测定Sn镀层的厚度。
(2)表面粗糙度
使用共聚焦显微镜(Lasertec(株)社制造的HD100)，依照JIS B 0601标准测定镀Sn材料的轧制直角方向的表面粗糙度Ra以及RSm。
(3)露出到表面的Cu-Sn合金层的面积比
使用FE-SEM(日本FEI(株)制造的XL30SFEG)，以750倍的倍率观察0.017mm2视野的反射电子像。露出到表面的Cu-Sn合金层与Sn层相比较呈较暗的图像，因此将该像二值化，通过求出Cu-Sn合金层的面积来算出面积比。二值化通过在高度范围(height range)255中设定为170来进行。
(4)露出到最表面的Cu-Sn合金层的晶粒直径
使用FE-SEM(日本FEI(株)制造的XL30SFEG)，以2000倍的倍率观察露出的Cu-Sn合金层的反射电子像。之后，随机选择10个Cu-Sn合金层，分别求出包含各Cu-Sn合金层的最大圆的直径，将10个最大圆的直径平均值作为Cu-Sn合金层的晶粒直径。
(5)表面光泽
使用数字式变角度光泽度仪(日本电测工业(株)制造的VG-1D)，测定镀Sn材料的镜面反射率。如图1所示，从投光部以入射角30°射入光，在受光部检测在镀Sn材料以角度30°反射的光，从而测定镀Sn材料的镜面反射率。从投光部直接受光时的镜面反射率是100％，因此该数值越高则镀Sn材料的表面光泽越好。
(6)动摩擦系数
作为***力的评价测定了动摩擦系数。如图2所示，将镀Sn材料的板试料固定于试料台上，并对其镀Sn面负载W按压触头。接着，使移动台沿水平方向移动，通过测力器测定此时作用于触头的阻力负载F。并且，通过μ＝F/W算出动摩擦系数μ。
W为4.9N，触头的滑动速度(试料台的移动速度)为50mm/min。滑动沿相对于板试料的轧制方向平行的方向进行。滑动距离为100mm，求出此期间的F的平均值。
触头使用与上述板试料相同的镀Sn材料，如图3所示进行制作。即，将直径7mm的不锈钢球按压于试料，将与板试料接触的部分成形为半球形。
实施例如表2以及表3所示。图4是发明例4的镀Sn材料的表面的SEM反射电子像。在镀Sn材料的最表面露出有微细的Cu-Sn合金层。
[表2]
表2
“-”表示未实施镀敷
[表3]
表3
对于发明例1～35，回流焊后的Sn镀层的厚度均为0.2～0.8μm，镀Sn材料的轧制直角方向的表面粗糙度Ra均为0.05μm以下，RSm均为20μm以下，露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比均为5～40％，从表面观察时的所述露出的Cu-Sn合金层的晶粒直径均为3μm以下。这些镀Sn材料的镜面反射率为70％以上，能获得良好的表面光泽，动摩擦系数低至0.5以下。即，兼具了低拔插性和良好的表面光泽。
比较例1是镀敷时的Sn镀敷厚度低于0.5μm的例子。回流焊后的Sn层厚度小于0.2μm，露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比大于40％，轧制直角方向的Ra大于0.05μm，镜面反射率小于70％。
比较例2是镀敷时的Sn镀敷厚度大于1.5μm的例子。回流焊后的Sn层厚度大于0.8μm，露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比是0％，即Cu-Sn合金层不露出，其动摩擦系数大于0.5。
比较例3是镀敷时的Cu基底镀敷厚度大于0.5μm的例子。露出到最表面的Cu-Sn合金层的晶粒直径大于3μm，Ra大于0.05μm，RSm大于20μm，镜面反射率小于70％。
比较例4是回流焊处理的炉温小于400℃的例子，比较例6是回流焊处理的加热时间低于1秒的例子。两者的露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比均小于5％，动摩擦系数均大于0.5。
比较例5是回流焊处理的炉温大于600℃的例子，比较例7是回流焊处理的加热时间大于30秒的例子。两者的回流焊后的Sn层厚度均小于0.2μm，露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比均大于40％，晶粒直径均大于3μm，轧制直角方向的Ra均大于0.05μm，RSm均大于20μm，镜面反射率均小于70％。
比较例8～11是未实施雾状水冷的例子。露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比均大于5％，动摩擦系数均为0.5以下，情况良好，但露出到最表面的Cu-Sn合金层的晶粒直径大于3μm，表面粗糙度Ra大于0.05μm，RSm大于20μm，镜面反射率小于70％。即，不能兼具低拔插性和良好的表面光泽。

Claims (5)

1.一种镀Sn材料，其特征在于，
在铜或铜合金条的基体材料上具有实施了回流焊处理的Sn镀层，
回流焊Sn镀层由上侧的Sn层和下侧的Cu-Sn合金层构成，Sn镀层的厚度为0.2～0.8μm，镀Sn材料的轧制直角方向的表面粗糙度Ra为0.05μm以下，RSm为20μm以下，露出到最表面的Cu-Sn合金层的面积比为5～40％，从表面观察时的所述露出的Cu-Sn合金层的晶粒直径为3μm以下。
2.根据权利要求1所述的镀Sn材料，其中，
在铜或铜合金条的基体材料上覆盖有Cu基底镀层、或Ni基底镀层、或将Ni以及Cu按该顺序进行了层叠的Ni/Cu双层基底镀层，在该基底镀层上具有回流焊Sn镀层。
3.一种镀Sn材料的制造方法，其特征在于，
在铜或铜合金条的基体材料上，在形成Sn镀层或按顺序形成Cu、Sn镀层后，通过回流焊处理，在基体材料上隔着Cu-Sn合金层形成Sn层，
使所述Cu镀层的厚度为0～0.5μm，所述Sn镀层的厚度为0.5～1.5μm，在所述回流焊处理中以温度400～600℃加热1～30秒后，喷雾出20～90℃的冷却水，接着投入至20～90℃的水槽。
4.一种镀Sn材料的制造方法，其特征在于，
在铜或铜合金条的基体材料上按顺序形成Ni、Cu、Sn镀层后，通过回流焊处理，在基体材料上覆盖Ni基底镀层或Ni/Cu双层基底镀层，隔着Cu-Sn合金层形成Sn层，
使所述Ni镀层的厚度为0.05～3μm，所述Cu镀层的厚度为0.05～0.5μm，所述Sn镀层的厚度为0.5～1.5μm，在所述回流焊处理中以温度400～600℃加热1～30秒后，喷雾出20～90℃的冷却水，接着投入至20～90℃的水槽。
5.一种电子元件，其具备权利要求1或2所述的镀Sn材料。
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