JP5226032B2 - ウィスカーが抑制されたCu−Zn合金耐熱Snめっき条 - Google Patents
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Description
Cu−Zn系合金のSnめっきでは、通常Snめっきに先立ち下地めっきを施す。これは下地めっきを施さない場合、リフロー処理の際に母材中のZnがSnめっき表面にZn濃化層を形成し、半田濡れ性が低下するためである。即ち、下地めっきは母材のZnのSnめっき表面への拡散を抑制する下地層を得るために行われる。
Snめっきの耐熱性を求める場合、Cu−Zn系合金の下地めっきとして、Cu/Ni二層下地めっきを施す。上記Cu/Ni二層下地めっきとは、Ni下地めっき、Cu下地めっき、Snめっきの順に電気めっきを行った後にリフロー処理を施しためっきであり、リフロー後のめっき皮膜層の構成は表面からSn相、Cu−Sn相、Ni相、母材となる。この技術の詳細は特許文献1〜3等に開示されている。
本発明の目的は、ウィスカー発生が抑制された、Cu−Zn合金のCu/Ni二層下地リフローSnめっき条を提供することである。
(1)平均濃度で15〜40質量%のZnを含有する銅合金を母材として、表面から母材にかけてSn相、Sn−Cu合金相、Ni相の各層でめっき皮膜が構成され、該Sn相の表層のZn濃度が0.1〜5.0質量%であることを特徴とする、ウィスカー発生が抑制されたCu−Zn合金Snめっき条。
(2)15〜40質量%のZnを含有し残部がCu及び不可避的不純物より構成される銅基合金を母材とすることを特徴とする(1)のCu−Zn合金Snめっき条。
(3)母材が更にSn、Ag、Pb、Fe、Ni、Mn、Si、Al及びTiの群から選ばれた少なくとも一種の元素を合計で0.005〜10質量%含有することを特徴とする(2)のCu−Zn合金Snめっき条。
(4)15〜40質量%のZn、8〜20質量%のNi、0〜0.5質量%のMnを含有し残部がCu及び不可避的不純物より構成される銅基合金を母材とすることを特徴とする(1)のCu−Zn合金Snめっき条。
(5)母材が更にSn、Ag、Pb、Fe、Si、Al及びTiの群から選ばれた少なくとも一種の元素を合計で0.005〜10質量%含有することを特徴とする(4)のCu−Zn合金Snめっき条。
(6)平均濃度で15〜40質量%のZnを含有する銅合金に対し、以下の工程を順次行うことを特徴とする、ウィスカー発生が抑制されたSnめっき条の製造方法:
a.表面研磨により、母材の表層から0.1μmの位置におけるZn濃度を、10〜40質量%の範囲に調整する工程、
b.厚み0.1μm以上のNiめっきを施した後、厚み0.1μm以上のCuめっきを施す工程(ただし、Niめっきの厚さとCuめっきの厚さの合計を0.3〜1.0μmとする)、
c.厚み0.3〜1.0μmのSnめっきを施す工程、及び
d.次の三式で規定される加熱時間t(秒)及び加熱温度T(℃)で、リフロー処理を施す工程。
5≦t≦23、
350≦T≦600、及び
500≦(T+14t)≦670
なお、Cu−Zn系合金のSnめっきは、部品へのプレス加工の前に行う場合(前めっき)とプレス加工後に行う場合(後めっき)があるが、両場合とも、本発明の効果は得られる。
(1)母材の成分
本発明は15〜40質量%のZnを含有する銅合金を対象とするものであり、Znがこの範囲から外れる銅合金に対しては、発明の作用効果が発現しない。
15〜40質量%のZnを含有する銅合金として黄銅がある。JIS−H3100ではC2600、C2680、C2720等の黄銅が規定されている。本発明の作用効果が発現する合金として黄銅が挙げられる。
15〜40質量%のZnを含有する黄銅以外の銅合金として洋白がある。洋白はZn以外にNiを含有し、少量のMnも含有する。JIS−H3110及びJIS−H3130ではC7521、C7541、C7701等の洋白が規定されている。本発明の作用効果が発現する合金として洋白も挙げられる。
更に、本発明のNiとMnを含有しない銅合金母材は、合金の強度、耐熱性、耐応力緩和性等を改善する目的で、更に、Sn、Ag、Pb、Fe、Ni、Mn、Si、Al及びTiの群から選ばれた少なくとも一種の元素を合計で0.005〜10質量%含有できる。又、本発明のNiとMnを含有する銅合金母材も同様に、Sn、Ag、Pb、Fe、Si、Al及びTiの群から選ばれた少なくとも一種の元素を合計で0.005〜10質量%含有できる。上記濃度範囲であれば本発明の効果は得られる。一方、0.005質量%未満では添加元素の効果が発現せず、10質量%を超えると導電率の低下や製造性が生じる。好ましくは0.05〜5質量%である。
本発明のSnめっきの基本的な構造は、従来のCu/Ni二層下地リフローSnめっきと同様、表面から母材にかけてSn相、Sn−Cu合金相、Ni相の各層で構成される。本発明の特徴は、Sn相の表層に適度な濃度のZnを濃化させることにある。
Snめっき層に局部的な応力が負荷されると、めっき表面にウィスカーが発生する。Snめっき表層のZnには、このウィスカーを抑制する作用がある。これは、ZnがSnめっき層の局部的に応力の高い場所に移動し凝集することで、応力を緩和するためと推測される。
Cu/Ni二層下地リフローSnめっきは、その良好な耐熱性により、高温環境下で使用されることが多い。したがって、リフロー上がりの状態で良好な半田濡れ性を示すだけでなく、リフロー後に高温環境下に長時間保持しても半田濡れ性が劣化しないこと(以下、耐熱半田濡れ性と称す)が求められる。Snめっき表層のZn濃度が5.0質量%を超えると、耐熱半田濡れ性が劣化した。
以上より、Snめっき表層のZn濃度を0.1〜5.0質量%とする。より好ましいSnめっき表層のZn濃度は0.3〜3.0質量%であり、ウィスカー抑制効果と良好な耐熱半田濡れ性が、より安定して得られる。
なお、本発明の効果は、Sn相表面のZnを上記範囲に濃化させれば発揮されるので、リフロー後のSn相、Sn−Cu合金相、Ni相の厚みは、特に限定されない。
上記めっき構造は、めっき母材表層のZn濃度、Ni下地めっきの厚み、Cu下地めっきの厚み、Snめっきの厚み及びリフロー条件の5つを適正範囲に調整することにより得られる。
a.めっき母材表層のZn濃度
Cu−Zn系合金をめっき母材としSnめっきした材料では、加熱によりめっき母材中のZnがSnめっき層へ拡散する。後述するリフロー条件で加熱した場合、めっき母材表層のZn濃度が10質量%未満であると、Snめっき表層のZn濃度を0.1質量%以上に調整することが困難になり、母材表層のZn濃度が40質量%を超えると、Snめっき表層のZn濃度を5質量%以下に調整することが困難になる。そこで、めっき母材に用いるCu−Zn合金の表層のZn濃度を10〜40質量%、好ましくは15〜30質量%に調整する。ここで、めっき母材表層のZn濃度は、GDSにより分析した、表層から0.1μmの位置におけるZn濃度と定義する。
一方、めっき母材であるCu−Zn系合金は、溶解・鋳造で製造したインゴットを必要に応じて熱間圧延した後、冷間圧延と焼鈍を繰り返して条に加工される。Cu−Zn系合金の焼鈍では、脱Zn現象が生じることが知られている。脱Zn現象とは、焼鈍においてCu−Zn系合金が高温に熱せられた際に、Znが酸化して気相中に逃散しCu−Zn系合金表面のZn濃度が低下する現象である。したがって、Cu−Zn系合金表面のZn濃度を上記範囲に調整するためには、焼鈍で生じた脱Zn層を除去することが必要である。この除去方法としては、回転式バフを用いる機械研磨、腐食液を用いる化学研磨等がある。
本発明のリフロー後のめっき層は、表面側よりSn相、Sn−Cu合金相、Ni相の各層で構成される。Ni相は母材成分(Cu、Zn及び合金元素)のSn−Cu合金相中への拡散を抑制する。Sn−Cu合金相は、NiのSn相中への拡散を抑制する。このような拡散バリヤとしてのNi相とSn−Cu合金相の作用により、Cu/Ni二層下地材はCu下地材やNi下地材と比較し良好な耐熱性を示す。
所望の耐熱性を得るために、電着時のNiめっきの厚さを0.1μm以上とする。Niめっきが0.1μm未満になると、母材成分のCu−Sn合金相中への拡散を抑制できない。また、電着時のCuめっきの厚さを0.1μm以上とする。Cuめっきが0.1μm未満になると充分な厚みのSn−Cu合金相が形成されず、NiのSn中への拡散を抑制できない。なお、電着時のNiめっき又はCuめっきの厚さの上限は、下記電着時のCuめっきの厚みと電着時のNiめっきの厚みの合計により規定される。
次に、リフロー上がりのSnめっき表層のZn濃度を0.1〜5.0質量%に調整するために、電着時のCuめっきの厚みと電着時のNiめっきの厚みとの合計(以下、合計厚みとする)を0.3〜1.0μmに規定する。合計厚みが0.3μm未満になると、後述するリフロー条件で加熱した際に、母材のZnがSn相中に過度に拡散し、Snめっき表層のZn濃度が5.0質量%を超える。合計厚みが1.0μmを超えると、後述するリフロー条件で加熱した際に母材中のZnがSn相中に充分に拡散せず、Snめっき表層のZn濃度が0.1質量%未満になる。
より好ましい厚みは、Cuめっき厚みが0.2μm以上、Niめっきが0.2μm以上、合計厚みが0.4〜0.7μmであり、その範囲内であると所望の耐熱性及びSnめっき表層のZn濃度がより安定して得られる。
Snめっきの厚みが0.3μm未満では、後述するリフロー条件で加熱した場合、Snめっき表層のZn濃度が5.0質量%を超える。Snめっきの厚みが1.0μmを超えると、後述するリフロー条件で加熱した場合、Snめっき表層のZn濃度が0.1質量%に満たない。したがって、Snめっきの厚みは0.3〜1.0μmとする。より好ましいSnめっきの厚みは0.6〜0.8μmである。
Snめっき表層のZn濃度が本発明の範囲となるリフロー条件を以下に示す。加熱時間が5秒未満では、Snめっき層へのZnの拡散が充分でなく、Snめっき表面のZn濃度が0.1質量%に満たない。加熱時間が23秒を超えると、Znの拡散が著しくなるため、Snめっき表面のZn濃度が5.0質量%を超える。したがって、リフロー処理での加熱時間は5〜23秒とする(5≦t≦23、但し、tは加熱時間を表し、単位は秒である)。好ましくは加熱時間は5〜15秒である。
また、加熱温度が350℃未満では、母材からSnめっき層へのZnの拡散が充分でなく、Snめっき表層のZn濃度が0.1質量%に満たない。加熱温度が600℃を超えると、Znの拡散が著しくなるため、Snめっき表層のZn濃度が5.0質量%を超えるばかりでなく、めっき母材が再結晶し軟化するため、コネクタ等の用途として必要な機械的強度が得られない。したがって、リフロー処理での加熱温度は350〜600℃とする。(350≦T≦600、但し、Tは加熱温度を表し、単位は℃である)。好ましくは加熱温度は400〜550℃である。
更に、Snめっき層へのZnの拡散は温度と時間の両因子の関係によって決定される。そこで、この関係を次式で規定する。
500≦(T+14t)≦670
(T+14t)が500未満であるとSnめっき表層のZn濃度が0.1質量%未満となり、ウィスカーが発生する。一方、670を超えるとSnめっき表層のZn濃度が5.0質量%を超え耐熱半田濡れ性が劣化する。(T+14t)は好ましくは550〜650である。
母材表面のGDS分析データの一例として、図2に後述する発明例3及び比較例30で使用した母材表面のGDSチャートを示す。評価点は表面から0.1μmの深さである。分析条件は以下の通りである。
・試料の前処理:アセトン中で超音波脱脂。
・装置:JOBIN YBON社製 JY5000RF-PSS型。
・Current Method Program:CNBinteel-12aa-0。
・Mode:Constant Electric Power=40W。
・Ar-Presser:775Pa。
・Current Value:40mA(700V)。
・Flush Time:20sec。
・Preburn Time:2sec。
・Determination Time:Analysis Time=30sec、Sampling Time=0.020sec/point。
表層Zn濃度は焼鈍条件と研磨条件により調整している。表2は、表1の比較例30、発明例1、2、3、23及び比較例31の製造条件を示したものである。厚さ0.25mmにおいて種々の条件で再結晶焼鈍を行った後、20質量%H2SO4−1質量%H2O2水溶液を用いて表面を化学研磨し、その後0.2mmまで冷間圧延している。表2より次のことがわかる。
(1)燃焼ガス中(弱酸化性雰囲気)で焼鈍する場合、CO濃度を高くしO2濃度を低くすると、表層Zn濃度が高くなる。また、研磨量を増やすと、表層Zn濃度が高くなる。
(2)低温長時間焼鈍で得られる表層Zn濃度は、高温短時間焼鈍で得られる表層Zn濃度より高い。
(3)低露点に調整した水素中(強還元性雰囲気)で焼鈍すると、Znの酸化(気相中への逃散)が生じないため、表層Zn濃度が増加する。
(工程1)アルカリ水溶液中で試料をカソードとして次の条件で電解脱脂を行った。
電流密度:3A/dm2。脱脂剤:ユケン工業(株)製商標「パクナP105」。脱脂剤濃度:40g/L。温度:50℃。時間30秒。電流密度:3A/dm2。
(工程2)10質量%硫酸水溶液を用いて酸洗した。
(工程3)次の条件でNi下地めっきを施した。
・めっき浴組成:硫酸ニッケル250g/L、塩化ニッケル45g/L、ホウ酸30g/L。
・めっき浴温度:50℃。
・電流密度:5A/dm2。
・Niめっき厚みは、電着時間により調整。
(工程4)次の条件でCu下地めっきを施した。
・めっき浴組成:硫酸銅200g/L、硫酸60g/L。
・めっき浴温度:25℃。
・電流密度:5A/dm2。
・Cuめっき厚みは、電着時間により調整。
(工程5)次の条件でSnめっきを施した。
・めっき浴組成:酸化第1錫41g/L、フェノールスルホン酸268g/L、界面活性剤5g/L。
・めっき浴温度:50℃。
・電流密度:9A/dm2。
・Snめっき厚みは、電着時間により調整。
(工程6)リフロー処理として、雰囲気ガスを窒素(酸素1vol%以下)に調整した加熱炉中に試料を挿入して加熱し、加熱後水冷した。加熱炉の温度(リフロー温度)及び加熱炉への挿入時間(リフロー時間)は表1に示した。
(1)ウィスカー長さ
試料表面に、直径が0.7mmの球状の圧子(ステンレス製)を150gの荷重で負荷したまま室温で7日間放置し、めっき表面の圧子接点部にウィスカーを発生させた。発生したウィスカーを電子顕微鏡で観察し、各試料で最も長く成長したウィスカーの長さが、10μm以下に収まった場合を○と評価し、10μmを超えた場合を×と評価した。
(2)耐熱半田濡れ性
高温で保持した後の試料に対し、鉛フリー半田との濡れ性を評価した。具体的には、試料をアセトンで脱脂後、大気中、145℃で500時間加熱した。加熱後の試料に、フラックスとして25質量%ロジン−75質量%エタノールを塗布後、260℃のSn−3.0質量%Ag−0.5質量%Cu半田浴に10秒間浸漬した。浸漬部の表面積は10mm×10mmとし、半田浴から引き上げ後、半田が付着した部分の面積率を測定した。半田の付着面積率が80%以上の場合を○と評価し、付着面積率が80%未満の場合を×と評価した。
発明例及び比較例の評価結果を表1に示す。
比較例30は母材表面のZn濃度が10質量%を下回ったため、母材組成と製造条件が同様の発明例1〜3に対し、Snめっき表層のZn濃度が低下して0.1質量%未満となり、10μmを超えるウィスカーが発生した。また、比較例31は母材表面のZn濃度が40質量%を超えたため、母材組成と製造条件が同様の発明例23に対し、Snめっき表層のZn濃度が上昇して5.0質量%を超え、耐熱半田濡れ性が劣化した。
Claims (6)
- 平均濃度で15〜40質量%のZnを含有する銅合金を母材として、表面から母材にかけてSn相、Sn−Cu合金相、Ni相の各層でめっき皮膜が構成され、該Sn相の表層のZn濃度が0.1〜5.0質量%であり、該Zn濃度は、前記母材中のZnがリフロー処理によって拡散したことによって得られることを特徴とする、ウィスカー発生が抑制されたCu−Zn合金Snめっき条。
- 平均濃度で15〜40質量%のZnを含有する銅合金を母材として、表面から母材にかけてSn相、Sn−Cu合金相、Ni相の各層でめっき皮膜が構成され、該Sn相の表層のZn濃度が0.1〜5.0質量%であり、前記Sn−Cu合金相及びNi相が、厚み0.1μm以上のNiめっき及び厚み0.1μm以上のCuめっき(ただし、Niめっきの厚さとCuめっきの厚さの合計を0.3〜1.0μmとする)後のリフロー処理により形成されることを特徴とする、ウィスカー発生が抑制されたCu−Zn合金Snめっき条。
- 15〜40質量%のZnを含有し残部がCu及び不可避的不純物より構成される銅基合金を母材とすることを特徴とする請求項1又は2のCu−Zn合金Snめっき条。
- 母材が更にSn、Ag、Pb、Fe、Ni、Mn、Si、Al及びTiの群から選ばれた少なくとも一種の元素を合計で0.005〜10質量%含有することを特徴とする請求項3のCu−Zn合金Snめっき条。
- 15〜40質量%のZn、8〜20質量%のNi、0〜0.5質量%のMnを含有し残部がCu及び不可避的不純物より構成される銅基合金を母材とすることを特徴とする請求項1又は2のCu−Zn合金Snめっき条。
- 母材が更にSn、Ag、Pb、Fe、Si、Al及びTiの群から選ばれた少なくとも一種の元素を合計で0.005〜10質量%含有することを特徴とする請求項5のCu−Zn合金Snめっき条。
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