JP2798512B2 - 錫めっき銅合金材およびその製造方法 - Google Patents

錫めっき銅合金材およびその製造方法

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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/22Secondary treatment of printed circuits
    • H05K3/24Reinforcing the conductive pattern

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  • Electroplating Methods And Accessories (AREA)
  • Coating With Molten Metal (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、錫めっき銅合金材およ
びその製造方法に係り、より詳しくは、例えば、端子・
コネクター等の電子材料部品に好適に用いることができ
る半田付け性に優れた錫めっき銅合金材およびその製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】錫めっき銅合金材は、端子・コネクター
をはじめ様々な電子部品に用いられている。錫めっきを
施す目的は、耐食性、良好な半田付け性を付与ことにあ
る。また、接点材では、接触抵抗値を低く安定に保つ目
的を持っている。
【0003】従来、これらの錫めっき銅合金材の多く
は、銅合金上に直接錫めっきを施すか、あるいは銅合金
材と錫めっき層との中間に銅下地めっきを施すかして製
造されていた。
【0004】これらの錫めっき銅合金材を用いた電子部
品は、実装の際の半田付け時や、実装後の使用環境にお
いて熱影響を受ける。この熱影響は、錫めっき層表面の
酸化という問題、銅合金中や銅下地めっき層のCuの錫
めっき層中への拡散の促進という問題、その他様々な問
題の原因となる。例えば、Cuが錫めっき中を拡散し
て、錫めっきと反応し、脆い金属間化合物が厚く形成さ
れてしまい、曲げ加工時のめっき層の剥離の原因とな
る。また、錫めっき層全体が合金化し、純錫層がなくな
ると、半田付けは不可能になる。従来の錫めっき銅合金
材ではこれらの問題が発生する場合が多くあった。これ
を避けるための一つの対策として、錫めっき層を厚く施
すことにより拡散の時間をかせぐ方法があるが、錫は、
高価な金属であり、錫めっき材のコストを高くするとい
う問題がある。また、錫めっき層が厚いと、スタンピン
グの際に端面に錫のバリ(スタンピングのカス)が多く
発生し、金型の寿命を短くする問題があった。そこで、
従来通りの薄い錫めっき層で耐熱剥離性、耐熱半田付け
性にすぐれた錫めっき銅合金材が望まれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、めっき層の
耐剥離性、耐熱半田付け性に優れた安価な錫めっき銅合
金材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の要旨は、
銅合金材と錫めっき層との間に、ニッケル層のない、
0.1〜0.4μm厚のニッケルと錫との金属間化合物
層を持つことを特徴とした錫めっき銅合金材に存在す
る。
【0007】本発明の第2の要旨は、銅合金材の表面に
0.08〜0.3μmのニッケルめっき層を施し、さら
にその上に錫めっきを施した後、錫めっき層をリフロー
させることによって、銅合金材と錫めっき層との間に
ニッケル層のない、0.1〜0.4μm厚のニッケルと
錫との金属間化合物層を設けることを特徴とする錫めっ
き銅合金材の製造方法に存在する。
【0008】本発明の第3の要旨は、銅合金材の表面に
0.08〜0.3μmのニッケルめっき層を施した後、
ニッケルめっき層を施した銅合金材を、溶融した錫中に
浸漬することにより錫めっき層を形成すると同時に銅合
金材と錫めっき層の中間に、ニッケル層のない、0.1
〜0.4μmのニッケルと錫の金属間化合物層を設ける
ことを特徴とする錫めっき銅合金材の製造方法に存在す
る。
【0009】
【作用】発明の詳細な内容を以下に説明する。
【0010】銅合金上あるいは銅下地めっき上に錫めっ
きを施すと、錫と銅が反応拡散して、Cu3 Snからな
るε層、Cu6 Sn5からなるη層ができる。錫めっき
層中における銅の拡散は非常に速く、100〜200℃
において数時間から数十時間で1〜2μm拡散する。銅
合金と錫めっき層との間に所定の厚さを有するニッケル
と錫との金属間化合物層を設ける理由は、このニッケル
と錫との金属間化合物層が、錫めっき層中への銅の拡散
を防ぎ、ひいては錫めっき層が金属間化合物を形成する
のを防ぐようにすることにある。これにより錫めっき層
は純錫の部分を安定して保存することができる。ここ
で、ニッケルと錫の金属間化合物とは、Ni3 Sn、N
3 Sn2 およびNi3 Sn4 のことである。
【0011】従来は、ニッケルと錫との金属間化合物層
のような金属間化合物ができると曲げ加工によってめっ
き層が金属間化合物層と銅合金材との界面からめっき層
が剥離すると言われていた。
【0012】しかし、経時的な拡散によってできる金属
間化合物層の場合とは異なり、溶融してできた金属間化
合物層の場合は、拡散による欠陥も界面になく、密着性
に優れていることを知見した。また、金属間化合物層が
めっき層全体に対して薄いときは、めっきの剥離は全く
発生じないことも知見した。
【0013】このように、我々は、悪影響を及ぼすと従
来考えられてきたニッケルと錫の金属間化合物層が、そ
れを錫の融点以上の温度で生成し、かつ、限られた所定
の範囲に厚さを制御すれば、従来考えられてきたのとは
反対に、CuとSnの相互拡散を抑制し、錫めっき層の
合金化を防ぐことを明らかにした。これによって、熱的
に経時的に安定した半田付け性を有する錫めっき銅合金
材を開発する方法を発明したのである。
【0014】ここで、ニッケルと錫の金属間化合物層の
厚さを0.1μm以上としたのは、銅の錫中への拡散を
防ぐには、0.1μm以上のニッケルと錫の金属間化合
物が必要だからである。また、0.4μm以下としたの
は、それ以上厚くても銅の拡散防止の効果に大差は無い
ためである。また、0.4μm以上にニッケルと錫の金
属間化合物層が成長すると、曲げ加工時に曲げの応力が
大きくなってニッケルと錫の金属間化合物層が銅合金の
界面から剥離したり、錫めっき層の大部分が合金層にな
って半田が付かなくなったりするからである。また、合
金層が必要以上に厚いと錫めっき材をスタンピングする
際に、ダイスの寿命を短くする原因にもなる。よって、
ニッケルと錫の金属間化合物層の厚さは、0.1〜0.
4μmとした。
【0015】次に、製造方法について説明する。錫めっ
きを施す方法は、電気めっき後にリフロー処理する方
法、溶融錫の中に浸漬する方法のいずれでもよい。
【0016】前者では、電気めっき皮膜をリフロー(再
溶解)させる時にニッケルめっきと錫めっきが溶融し
て、ニッケルと錫の金属間化合物層をつくる。また、溶
融めっきの場合も同様にニッケルと錫の金属間化合物層
をつくる。これらはいずれも錫めっきを施す工程とニッ
ケルめっきを金属間化合物層に変化させることを行うも
のである。
【0017】両方法において、ニッケルめっきの厚さを
0.08μm以上としたのは、それよりも薄いとニッケ
ルと錫の金属間化合物層の厚さが不十分となり、Cuの
Snめっき層中への拡散防止効果が不十分になるからで
ある。また、0.3μm以下としたのは、それ以上厚い
と不必要な厚さのニッケルと錫の金属間化合物層ができ
てしまい、加工性を悪化させるためである。よって、ニ
ッケルめっきの厚さは0.08〜O.3μmとした。
【0018】なお、リフローを行う雰囲気温度は、27
0〜 700℃が好ましく、280〜350℃がより好
ましい。また、溶融めっきの温度は、240〜300℃
が好ましく、250〜270℃がより好ましい。処理時
間は、銅合金材の板厚さ、リフロー処理温度、溶融錫浴
温度によって適切な値を設定する。
【0019】ニッケルめっきは、リフロー処理後および
溶融錫めっき後に完全に無くなっていることが重要であ
る。なぜならば、ニッケルめっき層が残っていると本材
が電子部品となって使用される間に、ニッケルと錫の相
互拡散が進行して、ニッケルと錫からなる金属間化合物
層がさらに成長し、本発明で規定した以上の厚さになる
恐れがあるからである。拡散によってできる金属間化合
物はめっき層の界面に欠陥を伴ったりして剥離の原因に
なりかねない。また、必要以上の厚さの金属間化合物層
は加工性を低下させる。
【0020】また、錫めっきの厚さは、コストやスタン
ピング時の層の発生を考慮すると薄い方が望ましい。し
かし、一方、耐熱剥離性、半田付け性の観点からは厚い
方が望ましい。めっきを行ってから部品に加工され、機
器に実装される際の半田付けを行うまでの期間をおよそ
1年とすると、その期間、半田付け性を保持するために
は、少なくとも0.8μmは必要であると考える。詳細
はめっき材の用途に応じて適宜決定すればよい。
【0021】本発明において用いる銅合金としては、り
ん青銅、5wt%Zn−Cu、2wt%Sn−0.1w
t%Fe−0.03wt%P−Cu、2.25wt%Z
n−2wt%Sn−0.1wt%Fe−0.03wt%
P−Cu等の使用が望ましい。
【0022】
【実施例】表1に示す錫めっき材を作成した。なお、リ
ン青銅材は6wt%Sn−0.045wt%P−Cuか
らなるリン青銅二種材を用いた。また、表1に示すKL
F5銅合金は、2wt%Sn−.1wt%Fe−0.
03wt%P−Cuからなる銅合金である。いずれの場
合も銅合金材の板厚さは、0.25mmである。なお、
表1におけるニッケルの厚さは錫めっきを施す前の厚さ
である。
【0023】なお、リフローめっきに用いためっき液の
組成を表2に示した。リフローめっきは320℃の雰囲
気中に15秒間保持して行った。一方溶融めっきは26
0℃の溶融錫中に銅合金材を5秒間浸漬することにより
行った。
【0024】これらの錫めっき材を150℃で100、
500、1000時間熱処理した後、これらの材料の9
0°繰り返し曲げを2回行い、曲げ部表面を実態顕微鏡
で観察し、めっき層の剥離の有無を確認した。
【0025】また、半田付け性は、最近のコネクターの
表面実装化に伴い増加してきたリフロー半田付け方法を
考慮した220℃で10分までの範囲の熱処理後に評価
した。半田付け性の評価は、半田付け後に半田の付着面
積が85%以上を”良好”とし、それ以下を”不良”と
した。 結果は表3に示した。なお、表3において、A
sは熱処理をしない状態を示す。
【0026】ニッケルと錫の金属間化合物層の厚さが
0.1μm以上の時、熱剥離は起こらなかった。これ
は、Cu3Sn からなるε層、Cu6 Sn5からなるη層
がほとんど成長しないためであると考えられる。また、
従来材は、150℃×500時間でめっきの剥離が発生
した。ニッケルと錫との金属間化合物層の厚さが0.5
μm以上では曲げ試験によって剥離が発生した。よっ
て、ニッケルと錫の金属間化合物層の厚さは0.1〜
0.4μmが適当である。また、ニッケルめっきを施さ
ないものは、220℃×5分の熱処理で半田付け不良が
発生するのに対し、本発明による錫めっき材は、10分
でも良好な半田付け性が得られた。半田付け性への熱影
響の点でも、本発明材は優れていた。
【0027】
【発明の効果】本発明によって、耐熱剥離性、耐熱半田
付け性に優れた錫めっき銅合金材およびその製造方法を
提供することが出来る。これらの錫めっき銅合金材は、
端子・コネクター等の電気・電子部品の耐熱剥離性、耐
熱半田付け性を向上させることになり、機器の信頼性を
たかめることに貢献できる。表1 表2 表3
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 24/00 - 30/00 C25D 5/00 - 7/12 C23C 2/00 - 2/40

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 銅合金材と錫めっき層との間に、ニッケ
    ル層のない、0.1〜0.4μm厚のニッケルと錫との
    金属間化合物層を持つことを特徴とした錫めっき銅合金
    材。
  2. 【請求項2】 銅合金材の表面に0.08〜0.3μm
    のニッケルめっき層を施し、さらにその上に錫めっきを
    施した後、錫めっき層をリフローさせることによって、
    銅合金材と錫めっき層との間に、ニッケル層のない、
    0.1〜0.4μm厚のニッケルと錫との金属間化合物
    層を設けることを特徴とする錫めっき銅合金材の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 銅合金材の表面に0.08〜0.3μm
    のニッケルめっき層を施した後、ニッケルめっき層を施
    した銅合金材を、溶融した錫中に浸漬することにより錫
    めっき層を形成すると同時に銅合金材と錫めっき層の中
    間に、ニッケル層のない、0.1〜0.4μmのニッケ
    ルと錫の金属間化合物のみからなる層を設けることを特
    徴とする錫めっき銅合金材の製造方法。
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