説明

配線用導体及び端末接続部並びにPbフリーはんだ合金

【課題】コネクタとの嵌合部、接続部などの大きな外部応力がかかる環境下においても、導体周囲のSnめっき膜表面やはんだ表面からウィスカが発生するおそれの少ない、あるいはほとんど発生しないPbフリーの配線用導体及びその製造方法並びに端末接続部並びにPbフリーはんだ合金を提供するものである。
【解決手段】少なくとも表面の一部にPbフリーのSn系材料部を有する配線用導体において、上記Sn系材料部が、Sn系材料部母材にZnを添加してなり、その添加量が0.002wt%以上0.5wt%以下であり、これをリフロー処理したことを特徴とする配線用導体である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、配線用導体及び端末接続部並びにPbフリーはんだ合金に係り、特に電子機器に使用される配線用導体及び端末接続部並びにPbフリーはんだ合金に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、配線材、特に銅や銅合金の表面には、配線材の酸化を防ぐために、スズ、銀、金やニッケルのめっきが施される。例えば、図7に示すように、コネクタ11とフレキシブルフラットケーブル(以下、FFCという)13の端末接続部においては、コネクタ(コネクタ部材)11のコネクタピン(金属端子)12や、FFC13の導体14の表面などにめっきが施されている。なかでも、Snはコストが安価であり、軟らかいため嵌合(接触)の圧力で容易に変形して接触面積が増え、接触抵抗が低く抑えられることから、配線材の表面にSnめっきを施したものが広く一般的に使用されている。
【0003】
このSnめっき用合金として、従来は耐ウィスカ性が良好なSn−Pb合金が用いられてきたが、近年は環境面での対応の観点から、Pbフリー材(非鉛材)、ノンハロゲン材の使用が求められており、配線材に使用される各種材料に対してもPbフリー化、ノンハロゲン化が求められている。
【0004】
また、はんだ分野においても、従来はSn−Pb合金が用いられてきたが、現在はSn−Ag−Cu系などのPbフリーはんだが実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平11−189894号公報
【特許文献2】特開平11−345737号公報
【特許文献3】特開2001−9587号公報
【特許文献4】特開2001−230151号公報
【特許文献5】特開2002−53981号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところが、SnめっきのPbフリー化に伴って、特にSnまたはSn系合金めっきにおいては、Snの針状結晶であるウィスカがめっきから発生し、図8に示すように、ウィスカ21によって隣接配線材(導体14)間が短絡するおそれがある。
【0007】
ウィスカの発生原因の一つとして考えられているSnめっき中の応力を緩和させるため、電気めっきしたSnをリフロー処理することにより、ウィスカの発生を低減させることが可能であるとされている。
【0008】
しかし、そのウィスカ抑制のメカニズムは正確にはわかっていない。また、コネクタとの嵌合など新たな外部応力がかかる場合は、リフロー処理を施してもウィスカの発生を抑えることができない。また、SnとBiやAgなどとの合金を電解めっきすることによりウィスカを抑制することができるが、リフロー処理することにより、逆に純Snめっきの時よりもウィスカが多く発生してしまうことが報告されている。電子部品の場合は部品実装のためにリフロー処理が必須となっていることから、これら合金めっきにも問題がある。現在のところ有効な対策として、1μm以下の薄いSnめっきを施す方法も開示されているが、特に高温放置時において、従来よりも接触抵抗が増大するという問題がある(例えば、JEITA鉛フリー化完遂緊急提言報告会資料(2005.2.17)、JEITA鉛フリーはんだ実用化検討2005年成果報告書(2005.6)、特開2005−206869号公報、特開2006−45665号公報を参照)。
【0009】
また、Sn系合金であるはんだにおいてもPbフリー化に伴って、ウィスカの発生が懸念されている。
【0010】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、コネクタとの嵌合部、接続部などの大きな外部応力がかかる環境下においても、導体周囲のSnめっき膜表面やはんだ表面からウィスカが発生するおそれの少ない、或いはほとんど発生せず、高温放置環境においても接触抵抗が増大することのないPbフリーの配線用導体及び端末接続部並びにPbフリーはんだ合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記の目的を達成すべく、請求項1の発明は、少なくとも表面の一部にPbフリーのSn系材料部を有する配線用導体において、上記Sn系材料部が、Sn系材料部母材にZnを添加してなり、その添加量が0.002以上0.5wt%以下であり、これをリフロー処理したことを特徴とする配線用導体である。
【0012】
請求項2の発明は、少なくとも表面の一部にPbフリーのSn系材料部を有する配線用導体において、上記Sn系材料部の外層側に、Znを含む層を設け、リフロー処理した配線用導体であって、リフロー処理後のZnの割合が0.002以上0.5wt%以下であることを特徴とする配線用導体である。
【0013】
請求項3の発明は、少なくとも表面の一部にPbフリーのSn系材料部を有する配線用導体において、上記Sn系材料部の内層側に、Znを含む層を設け、リフロー処理した配線用導体であって、リフロー処理後のZnの割合が0.002以上0.5wt%以下であることを特徴とする配線用導体である。
【0014】
請求項4の発明は、金属材料で構成される心材の周りに、上記Sn系材料部の被覆層を設けた配線材である請求項1から3いずれかに記載の配線用導体
である。
【0015】
請求項5の発明は、全体が上記Sn系材料部で構成されたはんだ材又はろう材である請求項1から4いずれかに記載の配線用導体である。
【0016】
請求項6の発明は、上記Sn系材料部母材が、Snと不可避不純物からなる純Sn系、あるいはSn−Ag系、Sn−Ag−Cu系、Sn−Bi系、Sn−Bi−Ag系、Sn−Cu系等のPbフリーのはんだ材又はろう材である請求項1から5に記載の配線用導体である。
【0017】
請求項7の発明は、請求項1から6に記載の配線用導体は、更に、酸化抑制元素としてP、Ge、K、Cr、Mn、Na、V、Si、Ti、Al、Li、Mg、Ca、Zrのうちの少なくとも1種以上を添加してなることを特徴とする配線用導体である。
【0018】
請求項8の発明は、金属導体の端末同士を接続する際、少なくとも一方の端末を請求項1から7いずれかに記載の配線用導体で構成したことを特徴とする端末接続部である。
【0019】
請求項9の発明は、配線材の導体とコネクタ部材のコネクタピンを嵌合、接続する際、少なくとも一方の端末を請求項1から7いずれかに記載の配線用導体で構成したことを特徴とする端末接続部である。
【0020】
請求項10の発明は、Agを0.1〜3.5wt%、Cuを0.1〜3.5wt%、Znを0.002〜0.5wt%含み、残部がSnであることを特徴とするPbフリーはんだ合金である。
【0021】
請求項11の発明は、請求項10に記載のPbフリーはんだ合金は、更に、酸化抑制元素としてP、Ge、K、Cr、Mn、Na、V、Si、Ti、Al、Li、Mg、Ca、Zrのうちの少なくとも1種以上を添加してなることを特徴とするPbフリーはんだ合金である。
【発明の効果】
【0022】
本発明により、少なくとも表面の一部にPbフリーのSn系材料部を有する配線用導体の、Sn系材料部中に発生する応力を低減することができる。その結果、Sn系材料部の応力により発生するSnの針状結晶であるウィスカの発生を抑制することが可能になり、電子機器用配線材などにおける隣接配線間の短絡といった不具合を解決することができる。また、高温放置環境においても接触信頼性を損なうおそれがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下本発明の実施の形態を添付図面により説明する。
【0024】
ウィスカ発生は、Sn表面に酸化膜が形成されることによって配線導体が膨張し(配線導体径が大きくなり)、圧縮応力が発生することが一因となっていると言われている。本発明者らが鋭意研究した結果、Snに酸化抑制元素を添加することによってSnの酸化を防ぐことで、ウィスカ発生を抑制できるということを見出した。
【0025】
本実施の形態に係る配線用導体は、図1に示す導電材料(心材)1と、その周囲にめっきされるSn系材料部(被覆層)2とで構成され、そのSn系材料部2は、Sn系材料部母材に酸化を防ぐ酸化抑制元素を添加してなり、少なくともそのSn系材料部2にリフロー処理したことに特徴がある。ここで言う酸化抑制元素とは、Sn系材料部母材の酸化を防ぐ元素のことである。
【0026】
Sn系材料部母材としては、純SnやPbフリーはんだ(例えば、Sn−Ag−Cu合金)などが挙げられる。
【0027】
Sn系材料部母材に添加される酸化抑制元素として、P、Ge、K、Zn、Cr、Mn、Na、V、Si、Ti、Al、Li、Mg、Ca、Zrから選択される少なくとも1種以上が挙げられる。Sn系材料部母材が純Snの場合、酸化抑制元素としては、耐ウィスカ性(ウィスカ発生の抑制効果)に優れたP、Cr、V、Ti、Ge、Al、Mg、Znが好ましい。一方、Sn系材料部母材がPbフリーはんだの場合、酸化抑制元素としては、P、Cr、Al、Znが好ましい。
【0028】
Sn系材料部母材に添加される酸化抑制元素の合計添加量は10wt%以下とされる。ここで、Sn系材料部2での酸化抑制元素の添加割合が10wt%を超えると、クラックが発生したり、はんだ付け性が低下するなどの不具合が生じるため、添加割合は10wt%以下とされる。好ましい添加割合は1.0wt%以下であり、より好ましい添加割合は0.1wt%以下である。
【0029】
本実施の形態では、Sn系材料部母材に酸化抑制元素を添加したものでSn系材料部2を構成した場合について説明を行ったが、特に限定するものではない。例えば、図2に一変形例を示すように、Sn系材料部母材のみで構成されるSn系材料部2の外層側に酸化抑制元素の層3を設けてもよい。また、図3に他の変形例を示すように、Sn系材料部母材のみで構成されるSn系材料部2の内層側に酸化抑制元素の層3を設けてもよい。図2及び図3の線材にリフロー処理することで、少なくとも表面の一部に酸化抑制元素を含むSn系材料部を有する本実施の形態に係る配線用導体が得られる。リフローによって、Sn系材料部2のSn及び酸化抑制元素の層3を構成する酸化抑制元素の少なくとも一方が拡散し、Sn系材料部2と酸化抑制元素の層3の合金で構成される被覆層が形成される。
【0030】
リフローの焼鈍温度・時間は、Sn系材料部2のSn及び酸化抑制元素の層3を構成する酸化抑制元素の少なくとも一方が拡散するのに十分な温度・時間とされる。この焼鈍温度・時間は用いる酸化抑制元素によって異なるため、用いる酸化抑制元素に応じて適宜調整される。
【0031】
また、本実施の形態に係る配線用導体の構成を、接続を行う金属導体の端末の内、少なくとも一方の金属導体端末に適用することで、本発明の好適一実施の形態に係る端末接続部が得られる。
【0032】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【0033】
本実施の形態においてSn系材料部母材に添加する酸化抑制元素は、Snより酸化し易いと言う特徴がある。特に、Snが溶融している状態の時(リフロー処理時)は、これら酸化抑制元素がSnより先に酸化され、これらが表面から揮発するか、或いは表面にごく薄い酸化膜を形成するため、内部のSnが酸化されるのを防ぐことができる。この状態は、凝固した状態でも持続され、通常使用における環境でSnが酸化されるのを防ぎ、ウィスカ発生が抑制される。
【0034】
これら酸化抑制元素が、Snめっきの表面に存在する時(図2の層3を参照)はもちろん、Snめっきの内部(図1のSn系材料部2を参照)や下地層(図3の層3を参照)に存在する場合においても、これら元素がSnより酸化し易い為、一度リフロー処理することで、これら元素がSnめっきの表面に移動してSnめっき表面にごく薄い酸化膜を形成し、上述した効果を発現させる事ができる。
【0035】
接続を行う金属導体の端末の内、少なくとも一方の金属導体端末に本実施の形態に係る配線用導体の構成を適用した端末接続部は、ウィスカ発生を抑制することができる。例えば、本実施の形態に係る配線用導体を電子機器用配線材に用いることで、表面にSnめっきを施された電子機器用配線材の、Snめっき中に発生する応力を低減することができる。その結果、Snめっきの応力によって発生するSnの針状結晶であるウィスカの発生を抑制することが可能となり、隣接配線間の短絡といった不具合を解決することができる。
【0036】
次に、本発明の他の実施の形態を説明する。
【0037】
前述した図1の配線用導体は、心材1の周りに設ける被覆層だけがSn系材料部2で構成されたものであった。
【0038】
これに対して、本発明の他の好適一実施の形態に係る配線用導体は、図4に示すように、配線用導体全体がSn系材料部2で構成されることに特徴がある。
【0039】
この配線用導体は、Sn系材料部母材の選択により、Pbフリーのはんだ材又はろう材となる。例えば、Agを0.1〜3.5wt%、Cuを0.1〜3.5wt%の割合で含むSn−Ag−Cuはんだ合金において、このはんだ合金母材(Sn系材料部母材)に酸化抑制元素としてP、Ge、K、Zn、Cr、Mn、Na、V、Si、Ti、Al、Li、Mg、Ca、Zrのうちの少なくとも1種以上を10wt%以下の割合で添加することで、本実施の形態に係る配線用導体(Pbフリーのはんだ材)、すなわちPbフリーはんだ合金が得られる。
【0040】
本実施の形態に係るPbフリーはんだ合金を、例えば、金属導体の端末のはんだ接続部に用い、リフロー処理することで、端末接続部がはんだ接続される。得られた端末接続部は、はんだ材中に発生する応力を低減することができる。その結果、はんだ材の応力によって発生するSnの針状結晶であるウィスカの発生を抑制することが可能となり、隣接はんだ接続部間の短絡といった不具合を解決することができる。
【0041】
本発明の別の好適一実施の形態に係る配線用導体を、図1を用いて説明する。
【0042】
本発明者らが鋭意研究した結果、P、Zn、Al、Ti、Vを適正量Sn中に添加することで、Sn表面での酸化膜形成を抑え、ウィスカを抑制できることを見出した。
【0043】
特にPは、Snが溶融している状態の時はSnより先に酸化し、表面から揮発し、酸化膜が残りにくいという特徴があり好ましい。Zn、Al、Ti、Vを添加しても、Snの酸化を抑えることができるが、その添加量が多すぎると、これら添加元素の酸化膜が厚く形成され逆にウィスカが発生し易く、適正量を添加することでSn及び添加元素の酸化膜を薄く抑え、ウィスカを抑制できることがわかった。また、これら元素を添加することにより、特に高温環境下で接触抵抗の増大の原因となるSnの酸化を抑えることができることも判明した。
【0044】
これら元素を添加する以外の方法として、有機化合物をSn表面に吸着させてバリア層とすることで、Sn表面の酸化を防ぎ、ウィスカを抑制できる方法が下記文献に開示されている(特開2004−137574号公報、特開2004−156094号公報を参照)。
【0045】
しかし、これらの方法では、機械的接触により、表面に吸着した有機化合物が部分的に剥がれてしまい、特にコネクタとの嵌合、接触部には、酸化抑制の効果を十分に発揮できないおそれがある。本実施の形態では、Snめっきの酸化を防ぐ元素はSnめっき内部に添加、分布しているため、機械的接触によるキズが発生した場合やコネクタとの嵌合、接触部などでも、安定して酸化抑制効果を発揮することができる。
【0046】
本実施の形態に係る配線用導体は、導電材料(心材)1と、その周囲にめっきされるSn系材料部(被覆層)2とで構成され、そのSn系材料部2は、Sn系材料部母材に酸化を防ぐP、Zn、Al、Ti、Vのうち少なくとも1種を添加してなることに特徴がある。
【0047】
Sn系材料部母材としては、Snと不可避不純物からなる純Sn系、あるいはSn−Ag系、Sn−Ag−Cu系、Sn−Bi系、Sn−Bi−Ag系、Sn−Cu等のPbフリーのはんだ材又はろう材などが挙げられる。
【0048】
Sn系材料部母材に添加されるPの添加量は、0.002wt%未満だと酸化抑制効果が得られないため、0.002wt%以上が好ましい。また、Pの添加量が0.5wt%を超えると、クラックが発生したりするなどの不具合を生じるため、0.5wt%以下が好ましい。好ましくは0.005〜0.05wt%が良い。
【0049】
また、Znの添加量は、0.002wt%未満だと酸化抑制効果が得られないため、0.002wt%以上が好ましい。また、Znの添加量が0.5wt%を超えると、クラックが発生したりするなどの不具合を生じるため、0.5wt%以下が好ましい。好ましくは0.01〜0.10wt%が良い。
【0050】
また、Alの添加量は、0.002wt%未満だと酸化抑制効果が得られないため、0.002wt%以上が好ましい。また、Alの添加量が0.008wt%を超えると、クラックが発生したりするなどの不具合を生じるため、0.008wt%以下が好ましい。好ましくは0.003〜0.007wt%が良い。
【0051】
また、Tiの添加量は、0.002wt%未満だと酸化抑制効果が得られないため、0.002wt%以上が好ましい。また、Tiの添加量が0.05wt%を超えると、クラックが発生したりするなどの不具合を生じるため、0.05wt%以下が好ましい。好ましくは0.005〜0.010wt%が良い。
【0052】
また、Vの添加量は、0.002wt%未満だと酸化抑制効果が得られないため、0.002wt%以上が好ましい。また、Vの添加量が0.1wt%を超えると、クラックが発生したりするなどの不具合を生じるため、0.1wt%以下が好ましい。好ましくは0.005〜0.010wt%が良い。
【0053】
心材1を構成する金属材料としては、導電率が10%IACS以上の導電材料、無酸素銅、タフピッチ銅、銀、ニッケル、銅系合金材料、Ni系合金母材、アルミ系合金材料、又は鉄系合金材料などが挙げられる。また、心材1の形状・形態としては、丸線材、角線材、板材、条材、箔材などが挙げられ、特に限定するものではない。
【0054】
Sn溶融めっきでは、P、Zn、Al、Ti、V添加は容易である。Znは電気めっきの方法でも添加することができる。Pについても、電気めっきで添加することが可能で、Snめっき浴に亜燐酸(H2PO2)を1〜20g/lの割合で添加することで、析出するSnめっき中にPを添加することができる。
【0055】
金属導体の端末同士を嵌合、接続する際、例えば配線材の導体とコネクタ部材のコネクタピンを又は配線材の導体同士を嵌合、接続する際、少なくとも一方の端末を、本実施の形態に係る配線用導体で構成することで、端末接続部が得られる。
【実施例1】
【0056】
16種類の配線材(配線用導体)を作製した。ここで、純SnにP、Cr、V、Si、Ti、Mn、Zr、Ca、Geを0.01wt%、K、Na、Al、Li、Mg、Znを0.1wt%の割合でそれぞれ添加したSn合金を用いて溶融Snめっきを行った配線材を実施例1及び参考例1〜14とした。一方、純Snで溶融めっきを行った配線材を比較例1とした。
【0057】
これらの配線材をそれぞれコネクタと嵌合させて、通常の室温放置試験(20℃×1000hr)、熱衝撃試験(−55℃〜125℃×1000サイクル)、および耐湿放置試験(55℃,85%RH×1000hr)を実施した。その後、各配線材をコネクタから外し、めっき膜表面のコネクタ嵌合部(接続部)におけるウィスカの発生状況を、それぞれ電子顕微鏡で観察した。各試験後の配線材の耐ウィスカ性評価結果を表1に示す。表1中の◎はウィスカ発生なし、○は長さ50μm未満のウィスカが発生、×は長さ50μm以上のウィスカが発生を示している。
【0058】
【表1】

【0059】
表1に示すように、酸化抑制元素を何も添加せず、純Snを用いた比較例1の配線材と比較すると、純Snに酸化抑制元素を添加した実施例1及び参考例1〜14の各配線材は、全てにおいてウィスカ抑制効果が得られた。
【0060】
実施例1及び参考例1〜14の各配線材はFFC等に適用することができる。
【実施例2】
【0061】
16種類の配線材(配線用導体)を作製した。PbフリーはんだであるSn−3Ag−0.5Cu合金にP、Cr、V、Si、Ti、Mn、Zr、Ca、Geを0.01wt%、K、Na、Al、Li、Mg、Znを0.1wt%の割合でそれぞれ添加した合金を用いて溶融はんだめっきを行った配線材を実施例21〜35とした。一方、Sn−3Ag−0.5Cu合金で溶融はんだめっきを行った配線材を比較例2とした。
【0062】
これらの配線材をそれぞれコネクタと嵌合させて、通常の室温放置試験(20℃×1000hr)、熱衝撃試験(−55℃〜125℃×1000サイクル)、および耐湿放置試験(55℃,85%RH×1000hr)を実施した。その後、各配線材をコネクタから外し、めっき膜表面のコネクタ嵌合部(接続部)におけるウィスカの発生状況を、それぞれ電子顕微鏡で観察した。各試験後の配線材の耐ウィスカ性評価結果を表2に示す。表2中の◎はウィスカ発生なし、○は長さ50μm未満のウィスカが発生、×は長さ50μm以上のウィスカが発生を示している。
【0063】
【表2】

【0064】
表2に示すように、酸化抑制元素を何も添加せず、Sn−3Ag−0.5Cu合金を用いた比較例2の配線材と比較すると、Pbフリーはんだに酸化抑制元素を添加した実施例2及び参考例21〜34の各配線材は、全てにおいてウィスカ抑制効果が得られた。
【0065】
実施例2及び参考例21〜34の各配線材は、実施例1及び参考例1〜14の各配線材と比べて融点が下がることから、はんだ材等に適用することができる。
【実施例3】
【0066】
Snに何も添加しない純Snの溶融めっき浴、およびSnにP、Zn、Al、Ti、又はVを任意量添加したSn合金の溶融めっき浴をそれぞれ作製し、300℃に保持した。
【0067】
次いで、これらの溶融めっき浴を使って、幅5mm、厚さ0.3mmのCu板に厚さ8〜10μmの溶融めっきをそれぞれ施し、2.5cm長さに切断してめっき条(試料)を形成する。このめっき条(試料)を0.5mmピッチ、50pinのコネクタ(リン青銅製)と嵌合、接触させ、さらにめっき条(試料)の下にスライダーを差し込み、圧縮応力を負荷する。
【0068】
この状態で、通常の室温放置試験(20℃,60%RH)1000hr、温度変化試験(−55℃〜+125℃)1000サイクル、および高温高湿試験(55℃,85%RH)2000hrを実施した。
【0069】
その後、各めっき条(試料)をコネクタから外し、めっき条(試料)のめっき膜表面のコネクタ嵌合部(接続部)におけるウィスカの発生状況を、それぞれ電子顕微鏡で観察した。接続部(50箇所)において、所定長さのウィスカの発生量、分布の実測データを得た。各試験後の耐ウィスカ性評価結果を表3に示す。表3中の◎は発生したウィスカの最大長さが10μm未満、○は発生したウィスカの最大長さが10μm以上、50μm未満、△は発生したウィスカの最大長さが50μm以上、100μm未満、×は発生したウィスカの最大長さが100μm以上を示している。
【0070】
【表3】

【0071】
表3に示すように、添加元素を何も添加しない場合は、ウィスカを抑制することはできなかった。
【0072】
また、添加元素の添加濃度が0.002wt%未満の場合でも、十分なウィスカ抑制効果を発揮することができなかった。一方、添加元素の添加濃度上限は、添加する元素によって異なるが、参考例として、Pの場合は0.50wt%、Alの場合は0.008wt%、Tiの場合は0.050wt%、Vの場合は0.10wt%、実施例としてZnの場合は0.50wt%、であり、それを超える濃度で添加した場合、逆に耐ウィスカ性が悪くなった。
【0073】
Sn−0.01wt%Zn,Sn−0.1wt%Zn,Sn−1wt%Zn及び純Snの300pin(50pinコネクタ×6)の各pin毎の最大ウィスカ長さを極値統計により解析した例を図5に示す。
【0074】
図5に示すように、各pin毎の最大ウィスカ長さの累積分布は、以下の数1に示す極値理論のグンベル分布に従うと予想され、事実、累積分布F(x)[%]について2回対数を取ると、直線に乗った。このように、添加元素の濃度が大きすぎると耐ウィスカ性が悪くなることがわかる。
【0075】
【数1】

【実施例4】
【0076】
PbフリーはんだであるSn−3wt%Ag−0.5wt%Cu合金、Sn−5wt%Bi合金、Sn−0.7wt%Cu合金に、何も添加しない溶融めっき浴、およびP、Zn、Al、Ti、又はVを任意量添加した溶融めっき浴をそれぞれ作製し、300℃に保持した。
【0077】
次いで、これらの溶融めっき浴を使って、幅5mm、厚さ0.3mmのCu板に厚さ8〜10μmの溶融めっきをそれぞれ施し、2.5cm長さに切断してめっき条(試料)を形成する。このめっき条(試料)を0.5mmピッチ、50pinのコネクタ(リン青銅製)と嵌合、接触させ、さらにめっき条(試料)の下にスライダーを差し込み、圧縮応力を負荷する。
【0078】
この状態で、通常の室温放置試験(20℃,60%RH)1000hr、温度変化試験(−55℃〜+125℃)1000サイクル、および高温高湿試験(55℃,85%RH)2000hrを実施した。その後、各めっき条(試料)をコネクタから外し、めっき条(試料)のめっき膜表面のコネクタ嵌合部(接続部)におけるウィスカの発生状況を、それぞれ電子顕微鏡で観察した。接続部(50箇所)において、所定長さのウィスカの発生量、分布の実測データを得た。各試験後の耐ウィスカ性評価結果を表4に示す。表4中の◎は発生したウィスカの最大長さが10μm未満、○は発生したウィスカの最大長さが10μm以上、50μm未満、×は発生したウィスカの最大長さが100μm以上を示している。
【0079】
【表4】

【0080】
表4に示すように、Sn−Ag−Cu、Sn−Bi、Sn−Cu系のPbフリーはんだ材においても、添加元素を何も添加しない場合は、コネクタとの嵌合、接触によりウィスカが100μm以上長く成長したが、参考例としてのP、Al、Ti、Vを、実施例としてのZnを適正濃度で添加することにより、ウィスカの発生を抑制できることが確認できた。
【実施例5】
【0081】
Snに何も添加しない純Snの溶融めっき浴、およびSnにP、Zn、Al、Ti、又はVを任意量添加したSn合金の溶融めっき浴をそれぞれ作製し、300℃に保持した。
【0082】
次いで、これらの溶融めっき浴を使って、幅5mm、厚さ0.3mmのCu板に厚さ8〜10μmの溶融めっきをそれぞれ施し、2.5cm長さに切断してめっき条(試料)を形成する。このめっき条(試料)を0.5mmピッチ、50pinのコネクタ(リン青銅製)と嵌合、接触させ、85℃環境下に放置した。その後、初期(0時間)、100時間、200時間、500時間、1000時間、1500時間、2000時間、3000時間の接触抵抗を測定し、初期との差を比較した。それぞれの放置時間で得られた接触抵抗変化の最大値を図6に示す。
【0083】
図6に示すように、添加元素を何も添加しなかった場合(Snのみ、線61)と比較し、参考例としてのP、Al、Ti、又はVを、実施例としてのZnをほぼ最適量添加した場合(線62〜66)は、接触抵抗の増加を大幅に抑えることができた。接触抵抗の増大は、Sn表面において抵抗値の大きいSn酸化膜が成長するためであるが、参考例としてのP、Al、Ti、又はVを、実施例としてのZnをほぼ最適量添加することにより、Sn酸化膜の成長を抑えることができるため、その結果、接触抵抗の増大を抑制することができていると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0084】
【図1】本発明の好適一実施の形態に係る配線用導体の横断面図である。
【図2】図1の一の変形例である。
【図3】図1の他の変形例である。
【図4】本発明の他の好適一実施の形態に係る配線用導体の横断面図である。
【図5】実施例3の、各pin毎の最大ウィスカ長さと累積分布との関係を示す図である。
【図6】実施例5の、85℃環境下での放置試験における放置時間と接触抵抗変化の最大値との関係を示す図である。
【図7】コネクタとFFCの嵌合例を示す図である。
【図8】図7における嵌合部の拡大図であり、ウィスカが発生し、隣接配線材間が短絡している状態を示す図である。
【符号の説明】
【0085】
1 心材
2 Sn系材料部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも表面の一部にPbフリーのSn系材料部を有する配線用導体において、上記Sn系材料部が、Sn系材料部母材にZnを添加してなり、その添加量が0.002wt%以上0.5wt%以下であり、これをリフロー処理したことを特徴とする配線用導体。
【請求項2】
少なくとも表面の一部にPbフリーのSn系材料部を有する配線用導体において、上記Sn系材料部の外層側に、Znを含む層を設け、リフロー処理した配線用導体であって、リフロー処理後のZnの割合が0.002wt%以上0.5wt%以下であることを特徴とする配線用導体。
【請求項3】
少なくとも表面の一部にPbフリーのSn系材料部を有する配線用導体において、上記Sn系材料部の内層側に、Znを含む層を設け、リフロー処理した配線用導体であって、リフロー処理後のZnの割合が0.002wt%以上0.5wt%以下であることを特徴とする配線用導体。
【請求項4】
金属材料で構成される心材の周りに、上記Sn系材料部の被覆層を設けた配線材である請求項1から3いずれかに記載の配線用導体。
【請求項5】
全体が上記Sn系材料部で構成されたはんだ材又はろう材である請求項1から4いずれかに記載の配線用導体。
【請求項6】
上記Sn系材料部母材が、Snと不可避不純物からなる純Sn系、あるいはSn−Ag系、Sn−Ag−Cu系、Sn−Bi系、Sn−Bi−Ag系、Sn−Cu系等のPbフリーのはんだ材又はろう材である請求項1から5に記載の配線用導体。
【請求項7】
請求項1から6に記載の配線用導体は、更に、酸化抑制元素としてP、Ge、K、Cr、Mn、Na、V、Si、Ti、Al、Li、Mg、Ca、Zrのうちの少なくとも1種以上を添加してなることを特徴とする配線用導体。
【請求項8】
金属導体の端末同士を接続する際、少なくとも一方の端末を請求項1から7いずれかに記載の配線用導体で構成したことを特徴とする端末接続部。
【請求項9】
配線材の導体とコネクタ部材のコネクタピンを嵌合、接続する際、少なくとも一方の端末を請求項1から7いずれかに記載の配線用導体で構成したことを特徴とする端末接続部。
【請求項10】
Agを0.1wt%以上3.5wt%以下、Cuを0.1wt%以上3.5wt%以下、Znを0.002wt%以上0.5wt%以下含み、残部がSnであることを特徴とするPbフリーはんだ合金。
【請求項11】
請求項10に記載のPbフリーはんだ合金は、更に、酸化抑制元素としてP、Ge、K、Cr、Mn、Na、V、Si、Ti、Al、Li、Mg、Ca、Zrのうちの少なくとも1種以上を添加してなることを特徴とするPbフリーはんだ合金。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2011−192652(P2011−192652A)
【公開日】平成23年9月29日(2011.9.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−103359(P2011−103359)
【出願日】平成23年5月6日(2011.5.6)
【分割の表示】特願2006−191579(P2006−191579)の分割
【原出願日】平成18年7月12日(2006.7.12)
【出願人】(000005120)日立電線株式会社 (3,358)
【Fターム(参考)】