JP5004414B2 - ハンダ性に優れた表面処理Ａｌ板、それを用いたヒートシンク、およびハンダ性に優れた表面処理Ａｌ板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は表面処理Ａｌ板に関し、特にハンダの濡れ性、ハンダ強度に優れるとともに、熱放射率や熱伝導率が大きく、ハンダ付けが可能で優れた放熱性が求められるヒートシンクに好適に適用することができる表面処理Ａｌ板、それを用いたヒートシンク、およびその表面処理Ａｌ板の製造方法に関する。

電子機器の小型化や高密度化にともなって、狭い筐体内部や間隙が殆ど無い状態で装填された部品の温度上昇を抑制する必要が生じている。プリント基板においては、部品の温度上昇を抑制するために、放熱用のヒートシンク２が、図１に示すように発熱体１の少なくとも片面に密着され、プリント基板１０の金属面１０ａにハンダ５を用いてハンダ付けにより接合して設けられる。密着した面が大きいほど熱伝導が大きくなり、放熱効果が高まる。ヒートシンクに用いる材料としては、発熱体から急速に熱を吸収できるように、熱伝導性に優れた材料を用いることが好ましい。また、ヒートシンク２を発熱体１から離れた部分まで延ばして設け、延長部分から放熱するので、ヒートシンクの表面は熱放射性に優れていることが好ましい。なお、図１において、矢印３は熱伝導の方向を示し、矢印４は熱放射の方向を示している。

鋼板ベースの材料からなるヒートシンクの場合は、図１に示すようにプリント基板に直接ハンダ付けして接合することができる。放熱性がさらに要求される場合は、ヒートシンクとして鋼板よりも熱伝導性に優れたＡｌをベースとする材料を用いることが好ましいが、プリント基板に直接ハンダ付けして接合することが困難であるので、従来はＡｌベースのヒートシンクに専用のハンダ付けが可能なピンをかしめて取り付け、ピンを介してプリント基板にハンダ付けしている。しかしながら、このようにピンを介して接合する場合はピンとヒートシンクの強固な結合状態が得られず、落下などの衝撃が負荷された場合にヒートシンクがピンからはずれてしまうことがある。そのため、プリント基板とヒートシンクの強固な結合状態が得られるハンダ付けが可能なＡｌ板を得るために、以下に示すような試みが行われている。

例えば特許文献１には、Ａｌ板またはＡｌ系合金金属材にＮｉ系めっき層を介してＳｎめっき層が形成されたハンダ付け性およびめっき密着性に優れたＡｌ系合金金属板が開示されている。このＡｌ系合金金属板においては、溶融Ａｌめっき鋼板などの基材に真空蒸着法を用いてＮｉ系めっきした後、続いてＳｎめっきを施す。この方法による場合、ＮｉおよびＳｎをめっきするために真空蒸着法を用いるが、真空装置などの大掛かりな装置が必要であり、また製膜速度が小さく生産性に乏しいため、安価に製造することが困難である。

また特許文献２には、アルミニウム基材上に錫または錫合金層が、アルミニウム基材と錫または錫合金層との界面に錫の濃度勾配を形成して被覆されたことを特徴とするハンダ付性に優れる錫または錫合金層を被覆したアルミニウム材料が開示されている。このアルミニウム材料においては、アルミニウム合金板に錫を電気めっきした後に加熱する、または溶融した錫合金中にアルミニウム合金板を通すことにより、アルミニウム基材と錫または錫合金層との界面に錫の濃度勾配を形成して錫めっきするが、アルミニウム基材と錫または錫合金層との密着性が不十分であり、特に曲げ加工を施した場合に、錫めっき被膜がアルミニウム基材から剥離しやすい欠点を有している。
特開平０５−３４５９６９号公報 特開平０９−２９１３９４号公報

本発明は、めっき層の密着性、ハンダの濡れ性、ハンダ強度に優れるとともに、熱放射率や熱伝導率が大きく、ハンダ付けが可能で放熱性が求められるヒートシンクに好適に適用することができる表面処理Ａｌ板、それを用いたヒートシンク、およびその表面処理Ａｌ板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記問題点を解決するために、ハンダ濡れ性に優れ且つ高いハンダ強度を得る手段として、Ｎｉ層の上に一段とハンダ濡れ性に優れているＣｕ層を設けることを着想し、それを放熱性に優れたアルミニウム板に真空蒸着によらないめっきによって高い密着性を有して形成させることを種々研究した結果、Ｚｎめっきを施して後Ｎｉめっき層を形成することによって良好な密着性が得られることを見出し本発明に到達したものである。
すなわち、上記目的を達成する本発明の表面処理Ａｌ板は、曲げ加工用の表面処理Ａｌ板であって、Ａｌ基板表面に、基板側から順にＺｎ層、Ｎｉ層、Ｃｕ層を形成してなり、前記Ｚｎ層の皮膜量が５〜５００ｍｇ／ｍ^２であり、前記Ｎｉ層の皮膜量が０．２〜５０ｇ／ｍ^２であり、前記Ｃｕ層の皮膜量が０．２〜２０ｇ／ｍ^２であることを特徴とするもの（請求項１）である。
Ａｌ板はめっきが困難であるが、ＺｎはＡｌ板への高い密着性を有するめっきが可能であり、またＺｎめっき上へのＮｉめっきも高い密着性を有するめっきが可能であるので、Ａｌ板表面に順にＺｎ層、Ｎｉ層、Ｃｕ層を形成することによって、めっき密着性に優れ且つハンダ付けが可能で、放熱性に優れた表面処理Ａｌ板を得ることができる。

上記表面処理Ａｌ板において、より放熱性を向上させるために、前記Ｃｕ層上に、黒色顔料を含有させた水系樹脂をさらに形成させること（請求項２）が望ましい。また、前記水系樹脂は、水溶性ロジンを含有させた水系アクリル樹脂であること（請求項３）が望ましい。

さらに、本発明の表面処理Ａｌ板の製造方法は、曲げ加工用の表面処理Ａｌ板の製造方法であって、Ａｌ基板にＺｎをめっきし、次いでＮｉめっきし、その後Ｃｕめっきする工程を有し、前記Ｚｎ層の皮膜量が５〜５００ｍｇ／ｍ^２であり、前記Ｎｉ層の皮膜量が０．２〜５０ｇ／ｍ^２であり、前記Ｃｕ層の皮膜量が０．２〜２０ｇ／ｍ^２であることを特徴とする（請求項４）ものである。
Ａｌ板は、ハンダ付けができないため、それを可能とするにはその表面にハンダ濡れ性のよい金属層を形成する必要があるが、本発明は金属層をより簡単な装置で可能であるめっきにより形成する。しかし、Ａｌ板はめっきが困難であるが、Ｚｎを置換めっきすることによって容易にめっき可能である。しかしＺｎは経時すれば半田ができなくなるため、Ｚｎめっき上にＮｉめっきをし、その上にハンダ濡れ性に優れているＣｕめっきを施すことによって、めっき密着性に優れ且つハンダ付けが可能となり、放熱性に優れた表面処理Ａｌ板を得ることができる。

上記請求項４に記載の表面処理Ａｌ板の製造方法において、黒色顔料を含有させた水系樹脂をさらに形成させること（請求項５）が望ましい。また、水系樹脂は、水溶性ロジンを含有させた水系アクリル樹脂であること（請求項６）が望ましい。

本発明の表面処理Ａｌ板は、Ａｌ基板表面に置換めっきによりＺｎ層を形成させ、その上にＮｉ層とＣｕ層をめっきにより形成させているので、Ａｌ板とめっき層の密着性に優れている。また最表面にＣｕ層を設けているので、ハンダ濡れ性に優れるとともに、高いハンダ強度が得られる。さらに基板がＡｌ板であるので熱伝導率が大きく、放熱性に優れている。さらに、本発明の表面処理Ａｌ板に、ハンダフラックス性を有し熱放射性を向上させる層を設けることにより、ハンダ性をさらに向上させるとともに放熱性を向上させることができる。そのため、本発明の表面処理Ａｌ板は、ハンダ付けが可能な放熱性に優れたヒートシンクとして好適に適用することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の表面処理Ａｌ板の基板となるＡｌとしては、純Ａｌ板およびＪＩＳ規格の１０００系、２０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系のいずれのＡｌ合金板も用いることができる。これらのＡｌ合金板を脱脂し、次いで酸性エッチングし、引き続きスマットを除去した後、Ｚｎを置換めっきする。Ｚｎの置換めっきは、硝酸浸漬処理を行った後に実施するが、第一Ｚｎ置換めっき処理、第二Ｚｎ置換めっき処理の２回の工程に分けて行うのが好ましいが、１回で行ってもよい。Ｚｎ置換めっき処理を２回分けて行うことによって、Ａｌ板上にＺ層をより均一に形成することができ、後工程でその上にめっきするＮｉめっきをめっき不良（密着不良）を起こすことなく形成できる利点がある。この場合、各工程の処理後には水洗処理を実施する。この第一Ｚｎ置換めっき処理および第二Ｚｎ置換めっき処理により形成するＺｎめっき層は、この置換めっき処理後にＮｉめっきを施す際にわずかに溶解するので、Ｚｎ層の皮膜量としてはＮｉめっき後の状態で５〜５００ｍｇ／ｍ^２であることが好ましく、３０〜３００ｍｇ／ｍ^２であることがより好ましい。皮膜量は処理液中のＺｎイオン濃度および第二Ｚｎ置換めっき処理において処理液中に浸漬する時間を適宜選択して調整する。皮膜量が５ｍｇ／ｍ^２未満であるとＺｎ層の上に形成するＮｉめっき層との密着性に乏しくなり、曲げ加工を施した際にめっき層が剥離しやすくなる。一方、皮膜量が５００ｍｇ／ｍ^２を超えるとＮｉめっきが不均一になり、ハンダ強度が低下する。

次いでこのようにして形成されたＺｎ層の上にＮｉ層をめっきにより形成する。Ｎｉめっきは電気めっき法または無電解めっき法のいずれを用いて形成してもよい。無電解めっき法を用いる場合は、還元剤としてＰ化合物やＢ化合物を用いるので、Ｎｉめっき皮膜はＮｉ−Ｐ合金やＮｉ−Ｂ合金からなる皮膜として形成するが、電気めっき法による純Ｎｉからなる皮膜と同様に、めっき皮膜のＡｌ基板に対する密着性や、優れたハンダ濡れ性およびハンダ強度が得られる。このようにして得られるＮｉ層は、皮膜量として０．２〜５０ｇ／ｍ^２であることが好ましく、１〜１０ｇ／ｍ^２であることがより好ましい。皮膜量が０．２ｇ／ｍ^２未満であるとＮｉ層がＺｎ層の全面を均一に被覆することができないので十分なハンダ強度が得られない。一方、皮膜量が５０ｇ／ｍ^２を超えるとハンダ濡れ性およびハンダ強度の向上効果が飽和し、コスト的に有利でなくなる。

次いでＮｉ層上にＣｕ層をめっきにより形成する。Ｃｕめっきは電気めっき法または無電解めっき法のいずれを用いて形成してもよい。Ｃｕめっきの皮膜量は０．２〜２０ｇ／ｍ^２であることが好ましく、１〜１０ｇ／ｍ^２であることがより好ましい。皮膜量が０．２ｇ／ｍ^２未満であると非活性のフラックスを用いた場合にハンダが濡れにくくなる。一方、皮膜量が２０ｇ／ｍ^２を超えるとハンダ濡れ性およびハンダ強度の向上効果が飽和し、コスト的に有利でなくなる。

以上のようにしてＡｌ基板上にＺｎ層、Ｎｉ層、Ｃｕ層を形成することにより、本発明の表面処理Ａｌ板が得られる。また、この表面処理Ａｌ板をＡｌの融点以下の温度に加熱して、Ａｌ基板とＺｎ層、Ｚｎ層とＮｉ層、Ｎｉ層とＣｕ層、またはＡｌ基板とＺｎ層とＮｉ層、Ｚｎ層とＮｉ層とＣｕ層をそれぞれ相互拡散させることにより、Ａｌ基板とめっき層、および各めっき層同士の密着強度を向上させることもできる。

このようにして得られる本発明の表面処理Ａｌ板は、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有しており、熱伝導性に優れたヒートシンクとして発熱体から熱を効率的に吸収して放熱することができるが、Ｃｕ層上に熱放射性に向上させる層を設けることにより、放熱性をさらに向上させることができる。Ａｌ基板上にＺｎ層、Ｎｉ層、Ｃｕ層を形成した本発明の表面処理Ａｌ板の熱放射率は０．０５〜０．１前後であるが、熱放射性に向上させる層を設けることにより、熱放射率は０．２〜０．９程度まで向上させることができる。

熱放射性を向上させる層は以下のようにしてＣｕ層上に形成する。すなわち、Ａｌ基板上にＺｎ層、Ｎｉ層、Ｃｕ層を形成した表面処理Ａｌ板、またはこの表面処理Ａｌ板に上記の加熱拡散処理を施した後、黒色顔料を含有させた水系樹脂、好ましくは水系ウレタン樹脂または水溶性ロジンを含有させた水系アクリル樹脂を塗布し、乾燥させて処理皮膜を形成する。これらの処理皮膜はフラックス効果を有しており、ハンダ濡れ性も向上させる。これらの水系樹脂の濃度は１００〜９００ｇ／Ｌであることが好ましく、黒色顔料は樹脂中に樹脂の固形分に対して５０重量％以下で含有していることが好ましい。５０重量％を超えて含有しているとハンダ濡れ性およびハンダ強度が不良となる。乾燥後の処理皮膜の厚さは０．０５〜１０μｍであることが好ましい。０．０５μｍ未満では放熱性の向上効果に乏しく、１０μｍを超えると熱伝導性が損なわれるようになり、放熱性を向上させることができなくなる。このように、Ｃｕ層上に熱放射性に向上させる層を設けることにより、ヒートシンクとして用いた場合の放熱性を向上させることができる。

以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明する。
[供試板の作成]
Ａｌ合金板（ＪＩＳ ５０５２ Ｈ１９、板厚０．５ｍｍ）をめっき基板として、アルカリ液中で脱脂し、次いで硫酸中に浸漬するエッチング処理を施し、引き続いて硝酸中で脱スマット処理を施した後、水酸化ナトリウム：１５０ｇ／Ｌ、ロッシェル塩：５０ｇ／Ｌ、酸化亜鉛：２５ｇ／Ｌ、塩化第一鉄：１．５ｇ／Ｌを含む処理液中に浸漬する第一Ｚｎ置換めっき処理を行い、次いで４００ｇ／Ｌの硝酸水溶液中に浸漬して置換析出したＺｎを除去した後、第一Ｚｎ置換めっき処理で用いたのと同一の処理液中に浸漬して第二Ｚｎ置換めっき処理を行った。この第二Ｚｎ置換めっき処理において、浸漬時間を種々変化させて、表１に示す皮膜量のＺｎ層を形成したＺｎめっきＡｌ板を得た。

次いで、ＺｎめっきＡｌ板に無電解めっき法を用いて、Ｚｎ層上にＮｉ−１２重量％Ｐ合金めっき皮膜を、表１に示す皮膜量で形成した。引き続いてＺｎ層とＮｉ層を形成したＡｌ板に電気めっき法を用いてＮｉ層上に純Ｃｕめっき皮膜を、表１に示す皮膜量で形成して供試板とした。一部の供試板については、これらのめっきを施した後、３５０℃に加熱し、Ａｌ板とめっき層および各めっき層同士を相互拡散させる拡散熱処理を施した。また、他の一部の供試板については、表２に示す液組成の処理液を用いて熱放射性を向上させる層をＣｕめっき皮膜上に形成した。

また、比較用として、上記のＡｌ合金板にＺｎ置換めっき層を設けずに直接Ｎｉめっき層およびＣｕめっき層を設けた供試板、上記のＡｌ合金板にＺｎ置換めっき層を設けずにＣｕめっき層のみを設けた供試板、低炭素鋼板（板厚０．５ｍｍ）にＣｕめっき層のみを設けた供試板を作成した。

[供試板の特性評価]
上記のようにして得られた供試板を、下記の特性について評価した。
（ハンダ濡れ性）
メニスコグラフ法（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｂ）により、ＳＯＬＤＥＲＣＨＥＣＫＥＲ（ＭＯＤＥＬ ＳＡＴ−５０００、ＲＨＥＳＣＡ製）を使用し、上記の各供試板から切り出した幅７ｍｍの試片をフラックス（ＮＡ−２００、タムラ化研製）に浸漬し、その後２５０℃に保持したハンダ浴（ＪＩＳＺ ３２８２：Ｈ６０Ａ）に前記のフラックスを塗布した試片を、浸漬速度２ｍｍ／秒で２ｍｍ浸漬し、ハンダが濡れるまでの時間（ゼロクロスタイム）を測定し、下記に示す基準でハンダ濡れ性を評価した。短時間であるほどハンダ濡れ性が良好であることを示す。
◎：５秒未満
○：５〜７秒未満
△：７〜１０秒未満
×：１０秒以上

[ハンダ強度]
上記の各供試板から切り出した幅７ｍｍ、長さ５０ｍｍの試片をＬ字型に折り曲げた２つの切り出し片を、評価面を向かい合わせてＴ字状になるように重ね、Ｔ字の縦棒の部分に厚さ０．５ｍｍの鋼板を挟み、Ｔ字の縦棒の下部に０．５ｍｍの空隙部を形成した試片を作成した。この試片の空隙部に上記のハンダ濡れ性の評価に用いたのと同様のフラックスを塗布した後、ソルダーチェッカー（ＳＡＴ−５０００、レスカ製）を用い、２５０℃に保持したハンダ浴（ＪＩＳＺ ３２８２：Ｈ６０Ａ）に試片の空隙部を１０ｍｍの深さまで浸漬し５秒間保持して空隙部にハンダを充填した後取り出し、Ｔピール試験片とした。次いでテンシロンを用い、Ｔピール試験片のＴ字の横棒の部分をチャックで挟んで引っ張ってＴ字の縦棒の部分のハンダ充填部を引き剥がし、このときの引張強度をハンダ強度として測定し、下記の基準でハンダ強度の優劣を評価した。
◎：４ｆｇｆ／７ｍｍ以上
○：３〜４ｆｇｆ／７ｍｍ未満
△：１〜３ｆｇｆ／７ｍｍ未満
×：１ｆｇｆ／７ｍｍ未満

[めっき皮膜の密着性］
上記の各供試板から幅１５ｍｍ、長さ５０ｍｍの試験片を切り出し、９０゜折り曲げ、折り曲げ部にスコッチテープを貼り付け、次いで引き剥がした後、めっき皮膜の剥離の有無を肉眼観察し、下記の基準でめっき皮膜の密着性を評価した。
○：剥離は認められない。
×：剥離が認められる。

[放熱性］
上記の各供試板から幅５ｍｍ、長さ１０ｍｍの試験片を切り出し、光交流法熱定数測定装置（ＰＩＴ−Ｒ２型、真空理工製）を用いて熱伝導率を測定した。また、放射率計（Ｄ ａｎｄ Ｓ ＡＥＲＤ放射率計、京都電子工業製）を用いて熱放射率を測定し、下記に示す基準で放熱性を評価した。
◎：熱伝導率６０Ｗ／ｍ／Ｋ以上でかつ熱放射率０．２０以上
○：熱伝導率６０Ｗ／ｍ／Ｋ以上でかつ熱放射率０．０５〜０．２０未満
△：熱伝導率４０〜６０Ｗ／ｍ／Ｋ未満
×：熱伝導率４０Ｗ／ｍ／Ｋ未満

その結果、表３に示すように、Ａｌ板にＺｎ層、Ｎｉ層、Ｃｕ層を形成した本発明の表面処理Ａｌ板はハンダの濡れ性に優れ、ハンダ強度が高く、かつ熱伝導率が大きく放熱性に優れている。またこの表面処理Ａｌ板のＣｕ層上に熱伝導性を向上させる層を設けることにより、放熱性がさらに向上していることが確認された。そのため、本発明はハンダ付けが可能な放熱性に優れたヒートシンクとして好適に適用できる。

本発明のＡｌ基板表面に置換めっきによりＺｎ層を形成させ、その上にＮｉ層とＣｕ層をめっきにより形成させている表面処理Ａｌ板は、Ａｌ板とめっき層の密着性に優れており、最表面にＣｕ層を設けているので、ハンダ濡れ性に優れるとともに、高いハンダ強度が得られる。また基板がＡｌ板であるので熱伝導率が大きく、放熱性に優れている。さらに、Ｃｕ層上にハンダフラックス性を有し熱放射性に向上させる層を設けることにより、ハンダ性をさらに向上させるとともに放熱性を向上させることができる。そのため、本発明の表面処理Ａｌ板は、ハンダ付けが可能で放熱性が求められるヒートシンクに好適に適用することができるハンダ付けが可能な放熱性に優れたヒートシンクとして好適に適用することができる。

ヒートシンクと発熱体の接合状態を示す概略図である。

符号の説明

１ 発熱体
２ ヒートシンク
３ 熱伝導の方向
４ 放熱の方向
５ ハンダ
１０ プリント基板
１０ａ 金属面

Claims (6)

1. 曲げ加工用の表面処理Ａｌ板であって、Ａｌ基板表面に、基板側から順にＺｎ層、Ｎｉ層、Ｃｕ層を形成してなり、
   前記Ｚｎ層の皮膜量が５〜５００ｍｇ／ｍ^２であり、
   前記Ｎｉ層の皮膜量が０．２〜５０ｇ／ｍ^２であり、
   前記Ｃｕ層の皮膜量が０．２〜２０ｇ／ｍ^２である、表面処理Ａｌ板。
2. 前記Ｃｕ層上に、黒色顔料を含有させた水系樹脂をさらに形成してなる、請求項１に記載の表面処理Ａｌ板。
3. 前記水系樹脂は、水溶性ロジンを含有させた水系アクリル樹脂である請求項２に記載の表面処理Ａｌ板。
4. 曲げ加工用の表面処理Ａｌ板の製造方法であって、Ａｌ基板にＺｎをめっきし、次いでＮｉめっきし、その後Ｃｕめっきする工程を有し、
   前記Ｚｎ層の皮膜量が５〜５００ｍｇ／ｍ^２であり、
   前記Ｎｉ層の皮膜量が０．２〜５０ｇ／ｍ^２であり、
   前記Ｃｕ層の皮膜量が０．２〜２０ｇ／ｍ^２である、表面処理Ａｌ板の製造方法。
5. 前記Ｃｕ層上に、黒色顔料を含有させた水系樹脂をさらに形成する工程を有する、請求項４に記載の表面処理Ａｌ板の製造方法。
6. 前記水系樹脂は、水溶性ロジンを含有させた水系アクリル樹脂である請求項５に記載の表面処理Ａｌ板の製造方法。

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