金属条、コネクタ、および金属条の製造方法
【課題】
基板へのはんだ付け性が良好で、保管時、リフロー時、およびFPCまたはFFCへのかん合時に、端子部にウィスカが発生しない、鉛フリーのコネクタに必要な金属条を提供しする。
【解決手段】
金属条の母材金属上にNiめっきを施し、その上にCuめっき、さらにその上にSnめっきを施す。前記Cuめっきの厚さは、（Cuめっき＋Snめっき）に対するCuめっきの割合が3〜7mass％となるようにする。前記SnめっきにZn, Al, Si, Mg, Tiのうちの1種以上の金属を1mass％以下含有させる。前記の特徴を有するコネクタをSnの融点以上の温度で熱処理することにより、Niめっき層とSnめっき層との間にCu-Sn化合物層を形成する。
基板へのはんだ付け性が良好で、保管時、リフロー時、およびFPCまたはFFCへのかん合時に、端子部にウィスカが発生しない、鉛フリーのコネクタに必要な金属条を提供しする。
【解決手段】
金属条の母材金属上にNiめっきを施し、その上にCuめっき、さらにその上にSnめっきを施す。前記Cuめっきの厚さは、（Cuめっき＋Snめっき）に対するCuめっきの割合が3〜7mass％となるようにする。前記SnめっきにZn, Al, Si, Mg, Tiのうちの1種以上の金属を1mass％以下含有させる。前記の特徴を有するコネクタをSnの融点以上の温度で熱処理することにより、Niめっき層とSnめっき層との間にCu-Sn化合物層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気コネクタを構成する端子、特にフレキシブル・プリント基板等の別部材との電気的接続のために、かん合されるコネクタ端子、並びにこれを構成する金属条及びその製造方法に関する。特に無鉛めっきが施された無鉛めっきコネクタ端子、及びこれを構成する金属条に関する。
【背景技術】
【０００２】
コネクタを構成する端子は、基板への取り付けの際にはんだ付けされるため、一般にこれを構成する金属条の全面めっき処理が施されている。鉛フリーのめっき処理としては、はんだ付け性の観点から、Ni下地層の上にSn系はんだ層を形成することが知られている。さらに狭ピッチ・コネクタの場合には、隣のコネクタ端子と接触し、短絡をおこすおそれのあるウィスカの発生も同時に防止する必要がある。
【０００３】
母材金属上にNiめっきを施し、その上にSn-Cuめっきを施すことによって、はんだ濡れ性を確保する方法が提案されている（特許文献１）。また、母材金属上にNiもしくはCuの下地めっきを施し、その上にSn-Biめっきを施すことによって、接続時に接触部からウィスカが発生するのを防止する方法が提案されている（特許文献２）。さらに、母材金属上にNi層、Ni-Sn金属間化合物層、Ni-Sn金属間化合物およびSnからなる混在層、酸化Sn層を順次、有するめっき層を形成することにより、ウィスカ発生防止とはんだ濡れ性を両立する方法も提案されている（特許文献３）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６４１０６号公報
【特許文献２】特開２００５−５６６０５号公報
【特許文献３】特開２００６−４９０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ni下地めっきの上に単にSn-Cuめっきを施して提供される金属条では、はんだ濡れ性は確保されるが、ウィスカ発生を完全に抑止することは困難である。2層めっきをするだけでは、Ni下地めっきとSn-Cuめっきの界面にCu-Sn化合物が形成されず、その後のリフロー処理において、Sn-CuめっきのSnとNiの化合物生成反応が十分に抑止されず、前記界面にNi-Sn化合物が多量に形成され、これにより、めっき内部に大きな内部圧縮応力が発生し、ひいては、ウィスカが発生してしまう。
【０００６】
また、金属条のNiもしくはCuの下地めっきの上にSn-Biめっきを施すだけでは、ウィスカ発生の完全抑止は難しい。NiもしくはCuとSn-BiめっきのSnがリフロー時に反応し、界面にNi-Sn化合物もしくはCu-Sn化合物が形成され、反応のバリア層が無いために、これらの反応層の形成量は多い。これにより、めっき内部に大きな内部圧縮応力が発生し、ひいては、Ni下地めっき／Sn-Cuめっきより発生頻度は低いが、ウィスカが発生してしまう。
【０００７】
さらに、Ni層、Ni-Sn金属間化合物層、Ni-Sn金属間化合物およびSnからなる混在層、酸化Sn層を順次、有するめっき層を形成する方法では、Ni-Sn化合物が表面のSn酸化物層まで到達するほど成長してしまっており、多量のNi-Sn化合物生成により、めっき内部に大きな内部圧縮応力が発生し、Ni-Sn化合物の支持柱効果をもってしても、ウィスカが発生してしまう。また、Ni-Sn化合物の一部が表面のSn酸化物層まで到達していることにより、そうでない場合と比べて、はんだ濡れ性も劣る。
【０００８】
また上記何れの例においても、最表面の酸化Sn層のフタ効果による内部圧縮応力の発生すなわちウィスカの発生を抑止可能な手段を提供していないことが問題となる。
【０００９】
そこで、本発明は、はんだ濡れ性の確保、めっき膜内部の金属間化合物の大量成長によるウィスカ発生の抑止およびはんだ表面の酸化Sn膜のフタ効果によるウィスカ発生の抑止、を満足する金属条、及びこれにより形成されるコネクタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次のとおりである。
（１）母材金属と、前記母材金属上に形成されたNi層と、前記Ni層上に形成されたSnと第一の金属との共晶組成の層と、前記Ni層と前記共晶組成の層との間に形成されたSnと前記第一の金属との化合物層と、を有することを特徴とする金属条。
（２）母材金属と、前記母材金属上に形成されたNi層と、前記Ni層上に形成されたSn-Cu共晶組成の層と、前記Ni層と前記Sn-Cu共晶組成の層との間に形成されたCu-Sn化合物層と、を有することを特徴とする金属条。
（３）母材金属と、前記母材金属上に形成されたNi層と、前記Ni層上に形成されたSn層と、前記Ni層と前記Sn層との間に形成されたCu-Sn化合物層と、を有することを特徴とする金属条。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の金属条を加工して形成したことを特徴とするコネクタ。
（５）金属条の製造方法であって、母材金属上にNi層、Cu層、Sn層を順次積層させる工程と、前記積層された母材金属をSn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、前記Ni層上にCu-Sn化合物層、前記Cu-Sn化合物層上にSn-Cu共晶組成の層、を形成する工程と、を有することを特徴とする金属条の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、はんだ濡れ性の確保、めっき膜内部の金属間化合物の大量成長によるウィスカ発生の抑止およびはんだ表面の酸化Sn膜のフタ効果によるウィスカ発生の抑止、を満足しうる金属条、及びこれにより形成されるコネクタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本発明に係る金属条の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る金属条１の層構造の断面を示すものであり、母材金属２上には、Ni層３と、Ni層３上に形成されたCu-Sn化合物層４と、Cu-Sn化合物層４上に形成されたSn-Cu共晶組成であるSn-0.7Cu層５とによる積層構造が設けられている。
本構造では、母材金属２とSn-0.7Cu層５との間に２重の反応防止バリア層が形成されることが重要となる。すなわち、これによれば、Cu-Sn化合物層６により、Ni層３とSn-0.7Cu層５の間の反応を抑止でき、また、Ni層３により、母材金属２とCu-Sn化合物層４、Sn-0.7Cu層５の間の反応を抑止できるため、ウィスカ抑制を図ることができる。一般には母材金属２としてはリン青銅のようなCu合金が多く使用され、このCu合金からのCu供給による化合物化の促進がウィスカの原因となりうるが、上記の通り、Ni層３によりリン青銅からのCu供給は遮断され、母材金属とCu-Sn化合物層６との反応は抑止されるため、本発明の層構造を有する金属条によれば、母材金属を特殊な材料にすることなく、通常のリン青銅を用いることができる。
さらに、本発明によれば、最表面は酸化Snの比較的少ないSn-0.7Cu層５となるため、その後の接続時のはんだ濡れ性も良好な金属条を提供することができる。
【００１４】
なお、本実施形態では、第１層としてNi層、第２層としてCu-Sn化合物層、第３層としてSn-Cu共晶組成の層を例にとって記載したが、これに限られるものではなく、上記の通り、２重の反応防止バリア層を形成して化合物化の進行を防ぐ構成を取り得る材料の組み合わせの範囲であれば種々変更可能である。
具体的には、第２層としてZn-Sn化合物層、第３層としてSnとZnとの共晶組成の層としても構わない。また、第１層としてはCo層、Fe層等であっても構わない。
【００１５】
次に、本発明に係る金属条の製造方法について説明する。
図２は、本発明に係る金属条を製造するために用いる第一の積層構造の断面図であり、母材金属２上にNi層３、Cu層６、Sn層７を順次めっきして形成した熱処理前の金属条を示すものである。Ni層３の厚さは1〜5μmの範囲とすることが好ましい。Ni層３の厚さが１μm未満であると、母材金属２とCu層６、Sn層７との間の反応抑止機能が十分に機能しなくなり、５μｍを超えると、金属条の弾性が損なわれるからである。
【００１６】
Ni層３の上にCu層６、Sn層７を形成したのは、後の熱処理によりNi層３の直上にCu-Sn化合物層６を形成するためである。Sn層７を最表面にしたのは、はんだ濡れ性を確保するためである。
なお、Cu層６とSn層７の合計の厚さは、1〜5μmの範囲とすることが好ましい。1μm未満であると、はんだ濡れ性が低下し、5μmを超えても、それ以上のはんだ濡れ性の向上が見られないからである。
また、Cu層６の厚さは、（Cu層６＋Sn層７）に対するCu層６の割合が3〜7mass％となるようにするのが好ましい。Cu層６の割合が3mass％未満であると、後で熱処理した際、Ni層３の直上のCu-Sn化合物層４の形成がところどころ不十分となり、Cu-Sn化合物層４によるNi層３とSn-0.7Cu層５の間の反応抑止効果が不十分となってしまう。Cu層６の割合が7mass％を超えると、後の熱処理時に、Cu層６をSn層７と完全に反応させるのに時間がかかってしまう。
【００１７】
さらに、Sn層７には、Zn, Al, Si, Mg, Tiのうちの1種以上の金属を1mass％以下含むのが好ましい。これらの酸化しやすい金属を微量含むことにより、後の熱処理時やリフロー時に、これらの金属が選択的に酸化される。これにより、最表面のSn層７の酸化を最小限に抑えることが可能となり、最表面の酸化Sn層のフタ効果によるめっき膜内部圧縮応力の発生を抑制でき、これによるウィスカ発生を抑止できる。Sn層５中のこれらの金属の含有量が1mass％を超えると、はんだ濡れ性の低下が生じる。
【００１８】
以上の層形成処理（主にめっき処理）の後、金属条１をSnの融点以上、少なくともSn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、Cu層６とSn層７を完全に反応させることで、Ni層３の直上にはCu-Sn化合物４が形成され、表面層はCuとSnとの共晶組成層が形成される。
本製造方法によれば、形成されるCu-Sn化合物層４のCuは、最初のCu層６からのみ供給され、リン青銅等による母材金属２からのCuは供給されない。すなわち、Cu-Sn化合物層４の厚さは、最初のCu層６の厚さだけに依存するため、これをCu-Sn化合物層４の形成がところどころ不十分とならない程度に少なく形成することによって、Ni層３直上のCu-Sn化合物４が厚くなりすぎず、これに起因するめっき膜内部の圧縮応力発生を抑制でき、ウィスカ発生を抑制することができる。
【００１９】
次に、本発明に係る金属条を製造するために用いる第二の積層構造の断面図として、図３は、母材金属２上にNi層３、Cu-Sn化合物が浮島状に存在するSn-Cu合金層８を順次めっきして形成した熱処理前の金属条を示すものである。Ni層３の厚さは1〜5μmの範囲とすることが好ましい。Ni層３の厚さが1μm未満であると、母材金属２とSn-Cu合金層８との間の反応抑止機能が十分に機能しなくなり、5μmを超えると、金属条１の弾性が損なわれるからである。
【００２０】
ここで、Ni層３の上にCu-Sn化合物が浮島状に存在するSn-Cu合金層８を形成したのは、後の熱処理によりNi層３の直上にCu-Sn化合物層４を形成するためである。従って、Sn-Cu合金層８中のCuの割合は3〜7mass％となるようにするのが好ましい。Cuの割合が3mass％未満であると、後で熱処理した際、Ni層３の直上のCu-Sn化合物層４の形成がところどころ不十分となり、Cu-Sn化合物層４によるNi層３とSn-Cu共晶組成の層５との間の反応抑止効果が不十分となってしまうからである。また、Cuの割合が7mass％を超えると、Sn-Cu合金層８の融点が高くなってしまい、後で熱処理およびリフロー処理を行う際、他の部材の耐熱性、基板の耐熱性、後プロセス許容温度から、液相線温度より低い温度で熱処理およびリフロー処理を行わなければならなくなり、この場合には、熱処理前にSn-Cu合金層８中に浮島状に存在していたCu-Sn化合物が完全に融けきらず、Ni層３の直上のCu-Sn化合物層６の形成がところどころ不十分となり、Cu-Sn化合物層６によるNi層３とSn-Cu共晶組成の層５との間の反応抑止効果が不十分となってしまうからである。
【００２１】
なお、Sn-Cu合金層８の厚さは、1〜5μmの範囲とすることが好ましい。1μm未満であると、はんだ濡れ性が低下し、5μmを超えても、それ以上のはんだ濡れ性の向上が見られないからである。
【００２２】
また、Sn-Cu合金層８には、Zn, Al, Si, Mg, Tiのうちの1種以上の金属を1mass％以下含むのが好ましい。これらの酸化しやすい金属を微量含むことにより、後の熱処理時やリフロー時に、これらの金属が選択的に酸化される。これにより、最表面のSn-Cu合金層８の酸化を最小限に抑えることが可能となり、最表面の酸化Sn層のフタ効果によるめっき膜内部圧縮応力の発生を抑制でき、これによるウィスカ発生を抑止できる。Sn-Cu合金層８中のこれらの金属の含有量が1mass％を超えると、はんだ濡れ性の低下が生じる。
【００２３】
以上の層形成処理（主にめっき処理）の後、金属条１をSn-Cu合金層８の融点以上の温度で熱処理することで、Sn-Cu合金層８中に浮島状に存在していたCu-Sn化合物が一旦溶け、これがNi層３の直上に再析出し、Cu-Sn化合物層４が形成され、表面層はCuとSnとの共晶組成の層となる。
本製造方法によれば、形成されるCu-Sn化合物層４のCuは、最初のSn-Cu化合物層８のみから供給され、リン青銅等による母材金属２からのCuは供給されない。すなわち、Cu-Sn化合物層４の厚さは、最初のSn-Cu合金層８中のCu量だけに依存するため、これをCu-Sn化合物層４の形成がところどころ不十分とならない程度に少ない含有量とすることによって、Ni層３直上のCu-Sn化合物層４が厚くなりすぎず、これに起因するめっき膜内部の圧縮応力発生を抑制でき、ウィスカ発生を抑止できる。
【００２４】
以上、各実施形態では、第１層としてNi層、第２層としてCu-Sn化合物層、第３層としてSn-Cu共晶組成の層となるような層構造の製造方法について示したが、これに限られず、第２層としてZn-Sn化合物、第３層としてSnとZnとの共晶組成の層となるような層構造の製造方法についても同様であり、Cuの代わりにZnを用いるだけでよい。
【００２５】
また、上記いずれの実施形態においても、表面層としては、最も安定した状態であるSn-Cu共晶組成の層となる例を示したが、表面層が極めて薄くなる場合、例えば、２μｍ程度以下となる場合には、表面層はSn層となっても構わない。これは層厚が２μｍ以下の場合には、Sn-Cu共晶組成の層として存在するよりも、全てのCu成分が表面層の下層にあるCu-Sn化合物層側に用いられ、表面層がSn層となった方が安定状態となるためである。
【００２６】
ここで、上記した金属条の利用形態としては主としてコネクタがある。基板同士を接続する場合にフレキシブルプリント基板（FPC）またはフレキシブルフラットケーブル（FFC）が使用される場合があり、この両方の基板にコネクタを設け、両方のコネクタをFPCまたはFFCを介して接続する必要があるが、このコネクタのうち、特に、端子ピッチが0.5mm以下の狭ピッチで、鉛フリーのコネクタに対して本発明の金属条を用いることができる。
【００２７】
以下、具体的な実験の結果を示す。
[実験例]
本発明の熱処理前の金属条のサンプル（実験例１〜１０）、従来の金属条のサンプル（比較例１〜３）について、はんだ濡れ性、ウィスカ発生の有無を確認した結果を図４に示す。サンプルには、リン青銅製の母材金属を使用し、表面にめっき層を通常の電気めっき法により逐次、形成した。その後、N2中、250℃で10秒間、熱処理を行った。
【００２８】
はんだ濡れ性試験は、上記各サンプルの最表面メタライズ層の上に、ロジン系フラックス11mass%を含有したSn-3Ag-0.5Cu鉛フリーはんだを塗布し、その濡れ拡がりの度合いにより、はんだ濡れ性を評価した。鉛フリーはんだ槽温度は250℃とした。図４において、はんだ濡れ性が良好なサンプルを○、濡れがやや劣るサンプルを△、濡れ不良のサンプルを×とした。
【００２９】
ウィスカ発生の有無の確認は以下のように行った。コネクタをFPCにかん合し、室温、相対湿度50％で、1000時間放置後、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡で観察することにより行った。ウィスカ発生の無かったサンプルもしくはウィスカの発生が見られたが、最大長さが50μm以下であったサンプルを○、最大長さ50μm以上のウィスカの発生が見られたサンプルを×とした。
【００３０】
実験例１〜１０では、良好なはんだ濡れ性が得られ、ウィスカ発生も見られなかった。また、これら何れのサンプルでも、熱処理後のめっき層の構成は下地層から表面層の順で、Ni層／Cu-Sn合金化合物層／Sn-Cu共晶組成の層（微量のZn, Al, Si, Mg, Tiの酸化物含有）となっていた。
また背景技術である比較例１〜３では、はんだ濡れ性、ウィスカ発生の何れかに問題が見られた。
【００３１】
以上の実験結果から、本発明に係る金属条であれば、はんだ濡れ性、耐ウィスカ発生においていずれも良好であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る金属条の第１の実施形態の層構造の模式的断面図である。
【図２】本発明に係る金属条の熱処理前の第一の層構造の模式的断面図である。
【図３】本発明に係る金属条の熱処理前の第二の層構造の模式的断面図である。
【図４】本発明の金属条と従来の金属条のはんだ濡れ性およびウィスカ発生状況を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１ 金属条
２ 母材金属
３ Ni層
４ Cu-Sn化合物層
５ Sn-Cu共晶組成の層
６ Cu層
７ Sn層
８ Sn-Cu合金層
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気コネクタを構成する端子、特にフレキシブル・プリント基板等の別部材との電気的接続のために、かん合されるコネクタ端子、並びにこれを構成する金属条及びその製造方法に関する。特に無鉛めっきが施された無鉛めっきコネクタ端子、及びこれを構成する金属条に関する。
【背景技術】
【０００２】
コネクタを構成する端子は、基板への取り付けの際にはんだ付けされるため、一般にこれを構成する金属条の全面めっき処理が施されている。鉛フリーのめっき処理としては、はんだ付け性の観点から、Ni下地層の上にSn系はんだ層を形成することが知られている。さらに狭ピッチ・コネクタの場合には、隣のコネクタ端子と接触し、短絡をおこすおそれのあるウィスカの発生も同時に防止する必要がある。
【０００３】
母材金属上にNiめっきを施し、その上にSn-Cuめっきを施すことによって、はんだ濡れ性を確保する方法が提案されている（特許文献１）。また、母材金属上にNiもしくはCuの下地めっきを施し、その上にSn-Biめっきを施すことによって、接続時に接触部からウィスカが発生するのを防止する方法が提案されている（特許文献２）。さらに、母材金属上にNi層、Ni-Sn金属間化合物層、Ni-Sn金属間化合物およびSnからなる混在層、酸化Sn層を順次、有するめっき層を形成することにより、ウィスカ発生防止とはんだ濡れ性を両立する方法も提案されている（特許文献３）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６４１０６号公報
【特許文献２】特開２００５−５６６０５号公報
【特許文献３】特開２００６−４９０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ni下地めっきの上に単にSn-Cuめっきを施して提供される金属条では、はんだ濡れ性は確保されるが、ウィスカ発生を完全に抑止することは困難である。2層めっきをするだけでは、Ni下地めっきとSn-Cuめっきの界面にCu-Sn化合物が形成されず、その後のリフロー処理において、Sn-CuめっきのSnとNiの化合物生成反応が十分に抑止されず、前記界面にNi-Sn化合物が多量に形成され、これにより、めっき内部に大きな内部圧縮応力が発生し、ひいては、ウィスカが発生してしまう。
【０００６】
また、金属条のNiもしくはCuの下地めっきの上にSn-Biめっきを施すだけでは、ウィスカ発生の完全抑止は難しい。NiもしくはCuとSn-BiめっきのSnがリフロー時に反応し、界面にNi-Sn化合物もしくはCu-Sn化合物が形成され、反応のバリア層が無いために、これらの反応層の形成量は多い。これにより、めっき内部に大きな内部圧縮応力が発生し、ひいては、Ni下地めっき／Sn-Cuめっきより発生頻度は低いが、ウィスカが発生してしまう。
【０００７】
さらに、Ni層、Ni-Sn金属間化合物層、Ni-Sn金属間化合物およびSnからなる混在層、酸化Sn層を順次、有するめっき層を形成する方法では、Ni-Sn化合物が表面のSn酸化物層まで到達するほど成長してしまっており、多量のNi-Sn化合物生成により、めっき内部に大きな内部圧縮応力が発生し、Ni-Sn化合物の支持柱効果をもってしても、ウィスカが発生してしまう。また、Ni-Sn化合物の一部が表面のSn酸化物層まで到達していることにより、そうでない場合と比べて、はんだ濡れ性も劣る。
【０００８】
また上記何れの例においても、最表面の酸化Sn層のフタ効果による内部圧縮応力の発生すなわちウィスカの発生を抑止可能な手段を提供していないことが問題となる。
【０００９】
そこで、本発明は、はんだ濡れ性の確保、めっき膜内部の金属間化合物の大量成長によるウィスカ発生の抑止およびはんだ表面の酸化Sn膜のフタ効果によるウィスカ発生の抑止、を満足する金属条、及びこれにより形成されるコネクタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次のとおりである。
（１）母材金属と、前記母材金属上に形成されたNi層と、前記Ni層上に形成されたSnと第一の金属との共晶組成の層と、前記Ni層と前記共晶組成の層との間に形成されたSnと前記第一の金属との化合物層と、を有することを特徴とする金属条。
（２）母材金属と、前記母材金属上に形成されたNi層と、前記Ni層上に形成されたSn-Cu共晶組成の層と、前記Ni層と前記Sn-Cu共晶組成の層との間に形成されたCu-Sn化合物層と、を有することを特徴とする金属条。
（３）母材金属と、前記母材金属上に形成されたNi層と、前記Ni層上に形成されたSn層と、前記Ni層と前記Sn層との間に形成されたCu-Sn化合物層と、を有することを特徴とする金属条。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の金属条を加工して形成したことを特徴とするコネクタ。
（５）金属条の製造方法であって、母材金属上にNi層、Cu層、Sn層を順次積層させる工程と、前記積層された母材金属をSn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、前記Ni層上にCu-Sn化合物層、前記Cu-Sn化合物層上にSn-Cu共晶組成の層、を形成する工程と、を有することを特徴とする金属条の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、はんだ濡れ性の確保、めっき膜内部の金属間化合物の大量成長によるウィスカ発生の抑止およびはんだ表面の酸化Sn膜のフタ効果によるウィスカ発生の抑止、を満足しうる金属条、及びこれにより形成されるコネクタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本発明に係る金属条の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る金属条１の層構造の断面を示すものであり、母材金属２上には、Ni層３と、Ni層３上に形成されたCu-Sn化合物層４と、Cu-Sn化合物層４上に形成されたSn-Cu共晶組成であるSn-0.7Cu層５とによる積層構造が設けられている。
本構造では、母材金属２とSn-0.7Cu層５との間に２重の反応防止バリア層が形成されることが重要となる。すなわち、これによれば、Cu-Sn化合物層６により、Ni層３とSn-0.7Cu層５の間の反応を抑止でき、また、Ni層３により、母材金属２とCu-Sn化合物層４、Sn-0.7Cu層５の間の反応を抑止できるため、ウィスカ抑制を図ることができる。一般には母材金属２としてはリン青銅のようなCu合金が多く使用され、このCu合金からのCu供給による化合物化の促進がウィスカの原因となりうるが、上記の通り、Ni層３によりリン青銅からのCu供給は遮断され、母材金属とCu-Sn化合物層６との反応は抑止されるため、本発明の層構造を有する金属条によれば、母材金属を特殊な材料にすることなく、通常のリン青銅を用いることができる。
さらに、本発明によれば、最表面は酸化Snの比較的少ないSn-0.7Cu層５となるため、その後の接続時のはんだ濡れ性も良好な金属条を提供することができる。
【００１４】
なお、本実施形態では、第１層としてNi層、第２層としてCu-Sn化合物層、第３層としてSn-Cu共晶組成の層を例にとって記載したが、これに限られるものではなく、上記の通り、２重の反応防止バリア層を形成して化合物化の進行を防ぐ構成を取り得る材料の組み合わせの範囲であれば種々変更可能である。
具体的には、第２層としてZn-Sn化合物層、第３層としてSnとZnとの共晶組成の層としても構わない。また、第１層としてはCo層、Fe層等であっても構わない。
【００１５】
次に、本発明に係る金属条の製造方法について説明する。
図２は、本発明に係る金属条を製造するために用いる第一の積層構造の断面図であり、母材金属２上にNi層３、Cu層６、Sn層７を順次めっきして形成した熱処理前の金属条を示すものである。Ni層３の厚さは1〜5μmの範囲とすることが好ましい。Ni層３の厚さが１μm未満であると、母材金属２とCu層６、Sn層７との間の反応抑止機能が十分に機能しなくなり、５μｍを超えると、金属条の弾性が損なわれるからである。
【００１６】
Ni層３の上にCu層６、Sn層７を形成したのは、後の熱処理によりNi層３の直上にCu-Sn化合物層６を形成するためである。Sn層７を最表面にしたのは、はんだ濡れ性を確保するためである。
なお、Cu層６とSn層７の合計の厚さは、1〜5μmの範囲とすることが好ましい。1μm未満であると、はんだ濡れ性が低下し、5μmを超えても、それ以上のはんだ濡れ性の向上が見られないからである。
また、Cu層６の厚さは、（Cu層６＋Sn層７）に対するCu層６の割合が3〜7mass％となるようにするのが好ましい。Cu層６の割合が3mass％未満であると、後で熱処理した際、Ni層３の直上のCu-Sn化合物層４の形成がところどころ不十分となり、Cu-Sn化合物層４によるNi層３とSn-0.7Cu層５の間の反応抑止効果が不十分となってしまう。Cu層６の割合が7mass％を超えると、後の熱処理時に、Cu層６をSn層７と完全に反応させるのに時間がかかってしまう。
【００１７】
さらに、Sn層７には、Zn, Al, Si, Mg, Tiのうちの1種以上の金属を1mass％以下含むのが好ましい。これらの酸化しやすい金属を微量含むことにより、後の熱処理時やリフロー時に、これらの金属が選択的に酸化される。これにより、最表面のSn層７の酸化を最小限に抑えることが可能となり、最表面の酸化Sn層のフタ効果によるめっき膜内部圧縮応力の発生を抑制でき、これによるウィスカ発生を抑止できる。Sn層５中のこれらの金属の含有量が1mass％を超えると、はんだ濡れ性の低下が生じる。
【００１８】
以上の層形成処理（主にめっき処理）の後、金属条１をSnの融点以上、少なくともSn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、Cu層６とSn層７を完全に反応させることで、Ni層３の直上にはCu-Sn化合物４が形成され、表面層はCuとSnとの共晶組成層が形成される。
本製造方法によれば、形成されるCu-Sn化合物層４のCuは、最初のCu層６からのみ供給され、リン青銅等による母材金属２からのCuは供給されない。すなわち、Cu-Sn化合物層４の厚さは、最初のCu層６の厚さだけに依存するため、これをCu-Sn化合物層４の形成がところどころ不十分とならない程度に少なく形成することによって、Ni層３直上のCu-Sn化合物４が厚くなりすぎず、これに起因するめっき膜内部の圧縮応力発生を抑制でき、ウィスカ発生を抑制することができる。
【００１９】
次に、本発明に係る金属条を製造するために用いる第二の積層構造の断面図として、図３は、母材金属２上にNi層３、Cu-Sn化合物が浮島状に存在するSn-Cu合金層８を順次めっきして形成した熱処理前の金属条を示すものである。Ni層３の厚さは1〜5μmの範囲とすることが好ましい。Ni層３の厚さが1μm未満であると、母材金属２とSn-Cu合金層８との間の反応抑止機能が十分に機能しなくなり、5μmを超えると、金属条１の弾性が損なわれるからである。
【００２０】
ここで、Ni層３の上にCu-Sn化合物が浮島状に存在するSn-Cu合金層８を形成したのは、後の熱処理によりNi層３の直上にCu-Sn化合物層４を形成するためである。従って、Sn-Cu合金層８中のCuの割合は3〜7mass％となるようにするのが好ましい。Cuの割合が3mass％未満であると、後で熱処理した際、Ni層３の直上のCu-Sn化合物層４の形成がところどころ不十分となり、Cu-Sn化合物層４によるNi層３とSn-Cu共晶組成の層５との間の反応抑止効果が不十分となってしまうからである。また、Cuの割合が7mass％を超えると、Sn-Cu合金層８の融点が高くなってしまい、後で熱処理およびリフロー処理を行う際、他の部材の耐熱性、基板の耐熱性、後プロセス許容温度から、液相線温度より低い温度で熱処理およびリフロー処理を行わなければならなくなり、この場合には、熱処理前にSn-Cu合金層８中に浮島状に存在していたCu-Sn化合物が完全に融けきらず、Ni層３の直上のCu-Sn化合物層６の形成がところどころ不十分となり、Cu-Sn化合物層６によるNi層３とSn-Cu共晶組成の層５との間の反応抑止効果が不十分となってしまうからである。
【００２１】
なお、Sn-Cu合金層８の厚さは、1〜5μmの範囲とすることが好ましい。1μm未満であると、はんだ濡れ性が低下し、5μmを超えても、それ以上のはんだ濡れ性の向上が見られないからである。
【００２２】
また、Sn-Cu合金層８には、Zn, Al, Si, Mg, Tiのうちの1種以上の金属を1mass％以下含むのが好ましい。これらの酸化しやすい金属を微量含むことにより、後の熱処理時やリフロー時に、これらの金属が選択的に酸化される。これにより、最表面のSn-Cu合金層８の酸化を最小限に抑えることが可能となり、最表面の酸化Sn層のフタ効果によるめっき膜内部圧縮応力の発生を抑制でき、これによるウィスカ発生を抑止できる。Sn-Cu合金層８中のこれらの金属の含有量が1mass％を超えると、はんだ濡れ性の低下が生じる。
【００２３】
以上の層形成処理（主にめっき処理）の後、金属条１をSn-Cu合金層８の融点以上の温度で熱処理することで、Sn-Cu合金層８中に浮島状に存在していたCu-Sn化合物が一旦溶け、これがNi層３の直上に再析出し、Cu-Sn化合物層４が形成され、表面層はCuとSnとの共晶組成の層となる。
本製造方法によれば、形成されるCu-Sn化合物層４のCuは、最初のSn-Cu化合物層８のみから供給され、リン青銅等による母材金属２からのCuは供給されない。すなわち、Cu-Sn化合物層４の厚さは、最初のSn-Cu合金層８中のCu量だけに依存するため、これをCu-Sn化合物層４の形成がところどころ不十分とならない程度に少ない含有量とすることによって、Ni層３直上のCu-Sn化合物層４が厚くなりすぎず、これに起因するめっき膜内部の圧縮応力発生を抑制でき、ウィスカ発生を抑止できる。
【００２４】
以上、各実施形態では、第１層としてNi層、第２層としてCu-Sn化合物層、第３層としてSn-Cu共晶組成の層となるような層構造の製造方法について示したが、これに限られず、第２層としてZn-Sn化合物、第３層としてSnとZnとの共晶組成の層となるような層構造の製造方法についても同様であり、Cuの代わりにZnを用いるだけでよい。
【００２５】
また、上記いずれの実施形態においても、表面層としては、最も安定した状態であるSn-Cu共晶組成の層となる例を示したが、表面層が極めて薄くなる場合、例えば、２μｍ程度以下となる場合には、表面層はSn層となっても構わない。これは層厚が２μｍ以下の場合には、Sn-Cu共晶組成の層として存在するよりも、全てのCu成分が表面層の下層にあるCu-Sn化合物層側に用いられ、表面層がSn層となった方が安定状態となるためである。
【００２６】
ここで、上記した金属条の利用形態としては主としてコネクタがある。基板同士を接続する場合にフレキシブルプリント基板（FPC）またはフレキシブルフラットケーブル（FFC）が使用される場合があり、この両方の基板にコネクタを設け、両方のコネクタをFPCまたはFFCを介して接続する必要があるが、このコネクタのうち、特に、端子ピッチが0.5mm以下の狭ピッチで、鉛フリーのコネクタに対して本発明の金属条を用いることができる。
【００２７】
以下、具体的な実験の結果を示す。
[実験例]
本発明の熱処理前の金属条のサンプル（実験例１〜１０）、従来の金属条のサンプル（比較例１〜３）について、はんだ濡れ性、ウィスカ発生の有無を確認した結果を図４に示す。サンプルには、リン青銅製の母材金属を使用し、表面にめっき層を通常の電気めっき法により逐次、形成した。その後、N2中、250℃で10秒間、熱処理を行った。
【００２８】
はんだ濡れ性試験は、上記各サンプルの最表面メタライズ層の上に、ロジン系フラックス11mass%を含有したSn-3Ag-0.5Cu鉛フリーはんだを塗布し、その濡れ拡がりの度合いにより、はんだ濡れ性を評価した。鉛フリーはんだ槽温度は250℃とした。図４において、はんだ濡れ性が良好なサンプルを○、濡れがやや劣るサンプルを△、濡れ不良のサンプルを×とした。
【００２９】
ウィスカ発生の有無の確認は以下のように行った。コネクタをFPCにかん合し、室温、相対湿度50％で、1000時間放置後、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡で観察することにより行った。ウィスカ発生の無かったサンプルもしくはウィスカの発生が見られたが、最大長さが50μm以下であったサンプルを○、最大長さ50μm以上のウィスカの発生が見られたサンプルを×とした。
【００３０】
実験例１〜１０では、良好なはんだ濡れ性が得られ、ウィスカ発生も見られなかった。また、これら何れのサンプルでも、熱処理後のめっき層の構成は下地層から表面層の順で、Ni層／Cu-Sn合金化合物層／Sn-Cu共晶組成の層（微量のZn, Al, Si, Mg, Tiの酸化物含有）となっていた。
また背景技術である比較例１〜３では、はんだ濡れ性、ウィスカ発生の何れかに問題が見られた。
【００３１】
以上の実験結果から、本発明に係る金属条であれば、はんだ濡れ性、耐ウィスカ発生においていずれも良好であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る金属条の第１の実施形態の層構造の模式的断面図である。
【図２】本発明に係る金属条の熱処理前の第一の層構造の模式的断面図である。
【図３】本発明に係る金属条の熱処理前の第二の層構造の模式的断面図である。
【図４】本発明の金属条と従来の金属条のはんだ濡れ性およびウィスカ発生状況を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１ 金属条
２ 母材金属
３ Ni層
４ Cu-Sn化合物層
５ Sn-Cu共晶組成の層
６ Cu層
７ Sn層
８ Sn-Cu合金層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材金属と、
前記母材金属上に形成されたNi層と、
前記Ni層上に形成されたSnと第一の金属との共晶組成の層と、
前記Ni層と前記共晶組成の層との間に形成されたSnと前記第一の金属との化合物層と、
を有することを特徴とする金属条。
【請求項２】
母材金属と、
前記母材金属上に形成されたNi層と、
前記Ni層上に形成されたSn-Cu共晶組成の層と、
前記Ni層と前記Sn-Cu共晶組成の層との間に形成されたCu-Sn化合物層と、
を有することを特徴とする金属条。
【請求項３】
請求項２記載の金属条であって、
前記Ni層と前記Sn-Cu共晶組成の層とは、これらの間に形成された前記Cu-Sn化合物層により互いに接していないことを特徴とする金属条。
【請求項４】
請求項２又は３記載の金属条であって、
前記Cu-Sn化合物層は、前記Ni層に接して形成されており、
前記Sn-Cu共晶組成の層は、前記Ni層には接することなく、前記Cu-Sn化合物層に接して形成されていることを特徴とする金属条。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載の金属条であって、
前記Sn-Cu共晶組成の層および前記Cu-Sn化合物層は、
前記Ni層上に順次積層されたCu層、Sn層を熱処理することにより形成されたものであることを特徴とする金属条。
【請求項６】
母材金属と、
前記母材金属上に形成されたNi層と、
前記Ni層上に形成されたSn-Zn共晶組成の層と、
前記Ni層と前記Sn-Zn共晶組成の層との間に形成されたZn-Sn化合物層と、
を有することを特徴とする金属条。
【請求項７】
請求項６記載の金属板条であって、
前記Ni層と前記Sn-Zn共晶組成の層とは、これらの間に形成された前記Zn-Sn化合物層により互いに接していないことを特徴とする金属板条。
【請求項８】
請求項６又は７記載の金属板条であって、
前記Zn-Sn化合物層は、前記Ni層に接して形成されており、
前記Sn-Zn共晶組成の層は、前記Ni層に接することなく、前記Zn-Sn化合物に接して形成されていることを特徴とする金属板条。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれかに記載の金属条であって、
前記Sn-Zn共晶組成の層および前記Zn-Sn化合物層は、
前記Ni層上に順次積層されたZn層、Sn層を熱処理することにより形成されたものであることを特徴とする金属条。
【請求項１０】
母材金属と、
前記母材金属上に形成されたNi層と、
前記Ni層上に形成されたSn層と、
前記Ni層と前記Sn層との間に形成されたCu-Sn化合物層と、
を有することを特徴とする金属条。
【請求項１１】
請求項１０記載の金属条であって、
前記Ni層と前記Sn層とは、これらの間に形成された前記Cu-Sn化合物層により互いに接していないことを特徴とする金属条。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載の金属条であって、
前記前記Ｓｎ層の厚さは２μｍ以下であることを特徴とする金属条。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の金属条であって、
前記Ni層に代えてCo層又はFe層が形成されていることを特徴とする金属条。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載の金属条であって、
前記母材金属は、Cu合金であることを特徴とする金属条。
【請求項１５】
請求項１４記載の金属条であって、
前記母材金属は、リン青銅であることを特徴とする金属条。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の金属条を加工して形成したことを特徴とするコネクタ。
【請求項１７】
金属条の製造方法であって、
母材金属上にNi層、Cu層、Sn層を順次積層させる工程と、
前記積層された母材金属をSn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、前記Ni層上にCu-Sn化合物層、前記Cu-Sn化合物層上にSn-Cu共晶組成の層、を形成する工程と、
を有することを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の金属条の製造方法であって、
前記熱処理は、Sn-Cu合金の液相線以上の温度で処理されることを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項１９】
請求項１７又は１８記載の金属条の製造方法であって、
前記Sn層と前記Cu層との合計質量に対する前記Cu層の割合は３〜７mass％であることを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項２０】
請求項１７乃至１９のいずれかに記載の金属条の製造方法であって、
前記Sn層には、Zn、Al、Si、Mg、Tiのうち１種以上の金属が１mass％以下含まれていることを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項２１】
金属条の製造方法であって、
母材金属上にNi層、Sn-Cu合金層を順次積層させる工程と、
前記積層された母材金属をSn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、前記Ni層上にCu-Sn化合物層、前記Cu-Sn化合物層上にSn-Cu共晶組成の層、を形成する工程と、
を有することを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の金属条の製造方法であって、
前記Sn-Cu合金層中のCuの割合は、３〜７mass％であることを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項２３】
請求項２１又は２２記載の金属条の製造方法であって、
前記Sn-Cu合金層には、Zn、Al、Si、Mg、Tiのうち１種以上の金属が１mass％以下含まれていることを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項１】
母材金属と、
前記母材金属上に形成されたNi層と、
前記Ni層上に形成されたSnと第一の金属との共晶組成の層と、
前記Ni層と前記共晶組成の層との間に形成されたSnと前記第一の金属との化合物層と、
を有することを特徴とする金属条。
【請求項２】
母材金属と、
前記母材金属上に形成されたNi層と、
前記Ni層上に形成されたSn-Cu共晶組成の層と、
前記Ni層と前記Sn-Cu共晶組成の層との間に形成されたCu-Sn化合物層と、
を有することを特徴とする金属条。
【請求項３】
請求項２記載の金属条であって、
前記Ni層と前記Sn-Cu共晶組成の層とは、これらの間に形成された前記Cu-Sn化合物層により互いに接していないことを特徴とする金属条。
【請求項４】
請求項２又は３記載の金属条であって、
前記Cu-Sn化合物層は、前記Ni層に接して形成されており、
前記Sn-Cu共晶組成の層は、前記Ni層には接することなく、前記Cu-Sn化合物層に接して形成されていることを特徴とする金属条。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載の金属条であって、
前記Sn-Cu共晶組成の層および前記Cu-Sn化合物層は、
前記Ni層上に順次積層されたCu層、Sn層を熱処理することにより形成されたものであることを特徴とする金属条。
【請求項６】
母材金属と、
前記母材金属上に形成されたNi層と、
前記Ni層上に形成されたSn-Zn共晶組成の層と、
前記Ni層と前記Sn-Zn共晶組成の層との間に形成されたZn-Sn化合物層と、
を有することを特徴とする金属条。
【請求項７】
請求項６記載の金属板条であって、
前記Ni層と前記Sn-Zn共晶組成の層とは、これらの間に形成された前記Zn-Sn化合物層により互いに接していないことを特徴とする金属板条。
【請求項８】
請求項６又は７記載の金属板条であって、
前記Zn-Sn化合物層は、前記Ni層に接して形成されており、
前記Sn-Zn共晶組成の層は、前記Ni層に接することなく、前記Zn-Sn化合物に接して形成されていることを特徴とする金属板条。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれかに記載の金属条であって、
前記Sn-Zn共晶組成の層および前記Zn-Sn化合物層は、
前記Ni層上に順次積層されたZn層、Sn層を熱処理することにより形成されたものであることを特徴とする金属条。
【請求項１０】
母材金属と、
前記母材金属上に形成されたNi層と、
前記Ni層上に形成されたSn層と、
前記Ni層と前記Sn層との間に形成されたCu-Sn化合物層と、
を有することを特徴とする金属条。
【請求項１１】
請求項１０記載の金属条であって、
前記Ni層と前記Sn層とは、これらの間に形成された前記Cu-Sn化合物層により互いに接していないことを特徴とする金属条。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載の金属条であって、
前記前記Ｓｎ層の厚さは２μｍ以下であることを特徴とする金属条。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の金属条であって、
前記Ni層に代えてCo層又はFe層が形成されていることを特徴とする金属条。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載の金属条であって、
前記母材金属は、Cu合金であることを特徴とする金属条。
【請求項１５】
請求項１４記載の金属条であって、
前記母材金属は、リン青銅であることを特徴とする金属条。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の金属条を加工して形成したことを特徴とするコネクタ。
【請求項１７】
金属条の製造方法であって、
母材金属上にNi層、Cu層、Sn層を順次積層させる工程と、
前記積層された母材金属をSn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、前記Ni層上にCu-Sn化合物層、前記Cu-Sn化合物層上にSn-Cu共晶組成の層、を形成する工程と、
を有することを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の金属条の製造方法であって、
前記熱処理は、Sn-Cu合金の液相線以上の温度で処理されることを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項１９】
請求項１７又は１８記載の金属条の製造方法であって、
前記Sn層と前記Cu層との合計質量に対する前記Cu層の割合は３〜７mass％であることを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項２０】
請求項１７乃至１９のいずれかに記載の金属条の製造方法であって、
前記Sn層には、Zn、Al、Si、Mg、Tiのうち１種以上の金属が１mass％以下含まれていることを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項２１】
金属条の製造方法であって、
母材金属上にNi層、Sn-Cu合金層を順次積層させる工程と、
前記積層された母材金属をSn-Cu合金の固相線以上の温度で熱処理し、前記Ni層上にCu-Sn化合物層、前記Cu-Sn化合物層上にSn-Cu共晶組成の層、を形成する工程と、
を有することを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の金属条の製造方法であって、
前記Sn-Cu合金層中のCuの割合は、３〜７mass％であることを特徴とする金属条の製造方法。
【請求項２３】
請求項２１又は２２記載の金属条の製造方法であって、
前記Sn-Cu合金層には、Zn、Al、Si、Mg、Tiのうち１種以上の金属が１mass％以下含まれていることを特徴とする金属条の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１５０６９０（Ｐ２００８−１５０６９０Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４２０７３（Ｐ２００６−３４２０７３）
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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