(57)【要約】  【課題】  錫／錫合金はんだからのウイスカーの発生を抑制する技術を提供する。  【解決手段】  基体上に設けた錫 (錫合金) めっき層における下層として錫 (錫合金) の無光沢めっき層を、また上層として錫 (錫合金) の光沢めっき層を設ける。  バリアめっき皮膜によりCu成分の拡散を防止するようにしてもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に設けた錫または錫合金めっき層からのウイスカの生成を抑制する方法であって、該めっき層における下層として錫または錫合金の無光沢めっき層を、また上層として錫または錫合金の光沢めっき層を設けることを特徴とする、錫または錫合金めっき層からのウイスカの生成抑制方法。
【請求項２】
前記基体がCu含有金属体からなり、錫または錫合金の前記無光沢めっき層を設ける前に、バリアめっき皮膜を設けて、前記基体から前記無光沢めっき層へのCu成分の拡散を防止する請求項１記載のウイスカの生成抑制方法。
【請求項３】
基体上に設けた錫または錫合金めっき層を備え、該めっき層における下層として錫または錫合金の無光沢めっき層を、上層として錫または錫合金の光沢めっき層を備えたことを特徴とする接触部材。
【請求項４】
錫または錫合金前記無光沢めっき層のさらに下層として、基体からのCu成分の拡散を防止するバリアめっき皮膜を備えた請求項３記載の接触部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、錫または錫合金めっき層からのウイスカの生成の抑制方法およびそのようなウイスカの生成を抑制した接触部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
錫または錫合金めっき層においては、めっき皮膜の使用中にウィスカと呼ばれる針状の結晶が生成する。長いものになると数mmにも達することがあり、錫または錫合金をめっきした電子部品に発生した場合、短絡の原因になるものである。
【０００３】
近年、環境保護の観点から、はんだ合金にもPbフリーの要求が高まり、Pbベースのはんだ合金めっきからSn−Cu系やSn−Bi系等のPb- フリーはんだ合金の新たな皮膜が提案され、採用されつつある。しかし、現在検討されているPbフリーはんだ合金の皮膜のほとんどが、前述のようなウイスカの生成に対する抵抗性、つまり耐ウィスカ性では従来のPbベースのはんだめっき皮膜に及ばない。
【０００４】
従来、コネクタピンやＦＰＣ( フレキシブル・プリント基板) 、ＦＦＣ( フレキシブル・フラット・ケーブル) 等の接点部品では、あまりウィスカは重要視されなかったが、近年ファインピッチ化が進み、例えばコネクタピンの間が距離がますます小さくなってきており、その結果、数十μm 程度のウィスカの発生をいかに抑制するかが課題となっている。
【０００５】
そのような問題に対して、現在はめっき皮膜を無光沢めっきとしての錫または錫合金のリフローめっきやSn−Bi合金めっき等を施すことがウィスカ対策皮膜として検討されているが、コスト面や、ケズレ性、濡れ性等から、決定的な対策とは見なされていない。例えば、錫または錫合金のフローめっきは、接点部品の製造という観点からは、生産性が低く、また高額の設備投資が必要であって、その割りにはリフロー条件設定が困難であって、必ずしも目的とする耐ウィスカ性を発揮させることはできないことがある。
【０００６】
特許文献１には、素線上に錫めっきを行い、次いでAg、Bi、In、Cuの少なくとも１種を2 〜20質量％含有する錫合金めっきを行うことでウイスカの発生防止を図った方法が開示されている。しかし、この方法にあっては、錫単体めっき層よりもウイスカの生成が困難な錫合金めっき層を設けるというもので、それなりの作用効果は期待されるが、今日のようなファインピッチ化にはその対策は十分とは言えない。
【０００７】
特許文献２には、銅または銅合金の微細パターン上に厚さ0.15μm 以上の錫めっきを施し、次いで加熱して錫めっき層をSn-Cu 拡散層とし、その上に純錫のめっき層を設けることが開示されている。この方法でも加熱処理が必要であるなど、前述のリフロー法と同様の設備、コストの問題がある。
【特許文献１】特開2001−73189 号公報
【特許文献２】特許第3014814 号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここに、本発明の課題は、Pbフリーはんだ合金の代表例である錫または錫合金はんだに見られるウイスカーの発生を抑制する技術を提供することである。
さらに具体的な本発明の課題は、錫または錫合金のめっき皮膜に見られるウイスカーの発生を抑制する方法およびそのような方法により製作されたコネクタピン等の接触部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、かかる課題を解決するために、種々の検討を加えた結果、ウイスカの生成は、錫または錫合金めっき層に存在する圧縮応力に起因することを知った。
皮膜の圧縮応力を生じさせる原因は、大きく分けて３つが考えられる。
【００１０】
(1)めっきによる皮膜生成時の残留応力
(2)下地金属（主にCu）の拡散による膜密度増大
(3)めっき後のプレス、曲げ、勘合等の後加工による応力生成
(1)について、市場に存在するめっき皮膜の応力は、ほとんど引張り応力であり、問題にはならない。
【００１１】
(2)について、Sn、Sn合金めっき前にバリヤー層としてNiめっきを行い、Cuの拡散による経時的な内部応力の増加を防くことで、ウィスカを抑えられる。
(3)に起因するウィスカの対策が現在、最も重要な課題である。
【００１２】
すなわち、後加工により発生する圧縮応力によってウイスカが生成するのは、例えば、接点部での圧縮・ケズレにより、皮膜に加えられた応力が、ウィスカ発生の駆動力となるからである。これを避けるためには、局所的にかかった応力をいかに皮膜全体に分散させるかが重要であり、そのためには皮膜としてはより柔らかい無光沢めっきが良い。
【００１３】
しかし、一方では、コネクタなどの接点部材ではケズレ性、耐湿性等の観点から光沢めっきが望ましい。
そこで、本発明者らは、Pbフリーはんだ合金のめっき皮膜は柔軟性と光沢性という相反する２つの要素を併せ持つものが理想的であると言えることに着目し、さらなる検討の結果、SnあるいはSn合金めっき皮膜を無光沢めっき、光沢めっきの２層で形成することを着想した。
【００１４】
すなわち、SnまたはSn合金のめっき皮膜を２層構造とし、下層を無光沢めっき皮膜から構成し、上層を光沢めっき皮膜から構成する。
Sn、Sn合金皮膜を二層化し、下地を上地よりも柔らかい（光沢度の低い）めっきにすることで、耐ウィスカ性とケズレ性・耐湿性等の皮膜物性とをともに満足させる皮膜を提供できることを知り、本発明を完成した。
【００１５】
なお、本件出願人は、特開平６−330351号公報において、錫または錫合金はんだめっき皮膜において、下層を半光沢または無光沢めっき層、上層を光沢めっき層とする発明を開示しているが、これははんだ付け性を改善するためであり、ウイスカの生成抑制とは何ら関連なく、また接点部材におけるめっき皮膜にも何ら関連なく、本発明について何一つ教えるものはない。
【００１６】
ここに、本発明は、次の通りである。
(1)基体上に設けた錫または錫合金めっき層からのウイスカの生成を抑制する方法であって、該めっき層における下層として錫または錫合金の無光沢めっき層を、また上層として錫または錫合金の光沢めっき層を設けることを特徴とする、錫または錫合金めっき層からのウイスカの生成抑制方法。
【００１７】
(2)前記基体がCu含有金属体からなり、錫または錫合金の前記無光沢めっき層を設ける前に、バリアめっき皮膜を設けて、前記基体から前記無光沢めっき層へのCu成分の拡散を防止する上記(1) 記載のウイスカの生成抑制方法。
【００１８】
(3)基体上に設けた錫または錫合金めっき層を備え、該めっき層における下層として錫または錫合金の無光沢めっき層を、上層として錫または錫合金の光沢めっき層を備えたことを特徴とする接触部材。
【００１９】
(4)錫または錫合金前記無光沢めっき層のさらに下層として、基体からのCu成分の拡散を防止するバリアめっき皮膜を備えた上記(3) 記載の接触部材。
ここに、「接触部材」とは、いわゆる接点部材、接合部材などを意味し、機械的接触により電気的導通をとる部材である。具体的には、接点部材としては各種切断用スイッチ部材があり、接合部材としては接続端子ピンなどの各種コネクタがある。これらの部材はいずれもその製作に当たって、接触部位を加工することから加工歪みの導入は避けられず、圧縮応力の残留が見られる。換言すれば、表面に圧縮応力が残留し、ウイスカー生成が障害となるような部材である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、錫、錫合金の多層化によるウィスカ抑制方法およびそのような処置を行った接触部材が提供され、それによれば、ウィスカ抑制力は現在検討されているものと同等であり、且つケズレ性、濡れ性等の皮膜物性も現状と変わらない性能を有するめっき皮膜である。また、その製造に当たっても、現状のほとんどのラインで対応できるため、イニシャルコストもほとんどかからない経済的は技術である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施の形態を図１を参照して説明する。
図１は、本発明にかかるめっき皮膜の模式的説明図である。
本発明によれば、例えば、銅または銅合金からなる素線である基体１には、銅の拡散を防止するバリア層としての作用を発揮するNiめっき層２が設けられている。基体１の材質が銅以外のものの場合、例えば42アロイ等の場合にはSnとの相互拡散が見られないことから、そのようなNiめっき皮膜を設ける必要はないが、今度は、錫または錫合金めっきを行うのを容易にするためには、そのようなNiのプレめっきを設けることは好ましい。
【００２２】
Niめっき層の上には、最初、無光沢めっき層を設ける。めっき種としては、錫単体めっきであってもよく、錫合金めっき、例えば、Sn−Cu、Sn−Ag、Sn−Biであってもよい。
無光沢錫または錫合金めっき皮膜は、上層よりも柔らかい皮膜であるため、ケズレ性および耐湿性の低下は見られるが、耐ウィスカ性は満足される。
【００２３】
一方、このような下層の錫または錫合金めっき皮膜の上には、光沢錫または錫合金めっき皮膜を設ける。そのような光沢錫または錫合金めっき皮膜は、ウィスカ抑制能力が低いが、ケズレ性および耐湿性を確保できる。
【００２４】
上層に設けるめっき種についても光沢めっきであれば特に制限はないが、好ましくは、Sn−Cu、Sn−Biなどの錫合金めっきを施すことが好ましい。
かかる下層、上層の合計めっき皮膜厚さは、特に制限はないが、好ましくは、１〜20μm 、より好ましくは３〜７μm である。( 下層めっき皮膜厚さ)/ (上層＋下層めっき皮膜厚さ) の比率は、好ましくは20％以上、より好ましくは40％以上である。
【００２５】
下層、上層のめっき種は異種のものであってもよいが、製造上の容易性および管理の容易さの点からは、同種のものを使用するのが好ましい。
ここに、「光沢めっき」とは、後述する無光沢めっきに対するものであり、平滑面をもっためっき皮膜の状態を云う。無光沢めっき皮膜とは、表面粗度および表面硬さによって区別される。あないまた、めっき処理条件で区別すれば、例えば光沢剤の添加の有無、あるいは多少によって区別することができる。
【００２６】
また、「無光沢めっき」とは、上述の光沢めっきに対するものであり、光沢めっき皮膜に比較してその表面がより粗面であり、そして表面硬さもより小さいものを云う。まためっき処理条件でいえば、光沢剤の有無、あるいは多少により区別される。
【００２７】
本発明にあっては、いずれも相対的なものであり、上層にはより光沢のあるめっき層が、下層にはより光沢のないめっき層がそれぞれ設けられるという趣旨である。そして、表層により耐ケズレ性・耐湿性を確保し、下層により局所応力の分散を図るのである。したがって、そのような機能分化を図ることができる限りにおいて、各めっき皮膜の厚さの点も含めて、各めっき層の光沢度、表面粗度、硬さなどに特に制限はない。
【００２８】
ここに、本発明における錫または錫合金めっきは、いずれも電気めっきにより行われるものであり、そのときのめっき条件は、無光沢めっき、光沢めっきのいずれの場合も、従来のそれと同様であってよく、本発明で云うめっき層の２層化が実現できる限り、特に本発明において制限されるものではない。
【００２９】
かかる電気めっきはフープ材または線材に対して行い、通常は、連続めっきの形態で行うことが好ましい。フープ材( 線材) は、アルカリ電解処理などのアルカリ処理を行い、酸洗あとにめっき浴に投入して連続電気めっきを行う。めっき終了後は、フープ材の場合であれば、例えば、コンタクトピンを作製する場合には、所定形状にプレス打ち抜きを行い、また線材の場合には、そのときの径が最終径よりわずかに大きな程度であり、これを形状を調整するために冷間ロール圧延を行ってから、所定寸法にしてから、必要とする長さにプレス切断する。このようにして得られたピンでは、ピン先端の接触端とピン胴部のスライダ部とにおいてそれぞれ所定のめっき皮膜特性が発揮される。
【００３０】
本発明にかかるめっき皮膜に要求される「ケズレ性」とは、めっき皮膜を引っかいたときにどれだけ傷が付くかの程度を示す特性であり、固い皮膜ほどケズレ性が高く、また表面が平らな皮膜( 光沢のあるめっき皮膜) ほど、ケズレ性が高くなる。接触部材の代表例としてのコネクタピン等の接合部材では、線材にめっきを行ってから、プレス、曲げ等の後加工を行うことが多いことから、そのようなケズレ性は重要な評価基準である。
【００３１】
また、「耐湿性」とは、めっき後、湿度の高い、つまり皮膜が酸化され易い環境に置かれた後に、いかにはんだぬれ性が低下しないかを評価する指標である。酸化は表面から進むため、表面積が大きな皮膜ほど、すなわち、光沢度の低い皮膜ほど耐湿性は低くなる。
【００３２】
したがって、本発明にあっては、そのようなケズレ性および耐湿性を考慮して上層を光沢めっき層とするのである。
なお、その理由は不明であるが、従来にあってもウイスカー対策というだけであれば、Sn−Biはんだ合金めっき皮膜を設けることが考えられるが、Sn-Bi はんだ合金の場合には、ライン管理が困難（Biの置換）であり、またランニングコストがかかるという問題がある。しかも、今日求められている微細配線基板における耐ウイスカ性を考えた場合には、そのような従来のSn−Biはんだ合金めっき皮膜による対策も十分とは言えない。
【００３３】
さらに、Auめっきを行うという提案もああるが、Auめっきは高コストであるばかりでなく、密着強度が低いという問題がある。
次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明する。
【実施例】
【００３４】
本例では、処理すべき素材 (材質: 銅合金 C5210) として、コネクタ（C5210)のピン( 寸法：直径２mm×7mm)を使用して、Sn−Cu２層めっきを行った。
めっきすべき素材に、まず、アルカリ陰極電解を行い、硫酸活性化の後に、スルファミン酸Niめっき（1.5 μm)を行い、次いで、本発明にしたがって、最初、無光沢Sn−Cuめっきを、そしてその上に、光沢Sn−Cuめっきを行った。
【００３５】
このときのSn−Cuめっき膜厚は、合計で、４μm としたが、無光沢めっき皮膜の厚さと光沢めっき皮膜の厚さとの比率は下記の通り、種々変更した。
無光沢皮膜：光沢皮膜＝０：10、２：８、４：６、６：４、８：２、10：０
ここで、上記各種めっき処理の際のめっき条件は次の通りである。
【００３６】
(1)スルファミン酸Niめっき浴組成
スルファミン酸Ni：415g/L
塩化Ni：５g/L 
硼酸：40g/L 
ピット防止剤：lOml/L
pH：4.0 
めっき俗温度：50℃
電流密度：5ASD
【００３７】
(2)無光沢Sn−Cuめっき浴組成
70％メタンスルホン酸：120ml/L 
メタンスルホン酸Sn (Sn2+として) ：45g/L 
メタンスルホン酸Cu (Cu2+として) ：1.2g/L
ヤシアミンEO/PO 添加物：20g/L 
めっき浴温度：25℃
電流密度：15ASD 
カソードロッカーによる揺動：５m/min 
【００３８】
(3)光沢Sn−Cuめっき浴組成
70％メタンスルホン酸：120ml/L 
メタンスルホン酸Sn (Sn2+として) ：45g/L 
メタンスルホン酸Cu (Cu2+として) ：1.2g/L
ヤシアミンEO/PO 添加物：20g/L 
ベンザルアセトン：0.1g/L
めっき浴温度：25℃
電流密度：15ASD 
カソードロッカーによる揺動：５m/min 
【００３９】
本例の結果は、図２および図３にグラフにまとめて示す。
【００４０】
図２は、本例で得られたピンを実際のＦＰＣに嵌合させ、室内にて、72時間保持したときのピンの接点およびスライダ部におけるウイスカの生成を比較したデータをグラフで示す。
【００４１】
図２の結果によれば、無光沢めっき皮膜の厚さが増すにつれて、ウイスカ抑制効果はより顕著になることが分かる。
すなわち、光沢めっきだけの場合 (グラフ上、無光沢めっき皮膜の厚さ比率ゼロの場合) 接点、スライダ部のいずれの場合にもほぼ170 μm 程度のウイスカが発生しており、一方、光沢めっき皮膜がゼロの場合 (グラフ上、無光沢めっき皮膜の厚さの比率が100 ％の場合) 接点部で20μm 、スライダ部で70μm のウイスカが発生している。
【００４２】
特に、無光沢めっき皮膜の厚さの比率が80％の場合、接点部ではウイスカはほとんど発生しなかった。
なお、耐ケズレ性は、外観で判断したがいずれも本発明例では問題はなかった。
【００４３】
次に、図３は耐湿性の試験結果をグラフで示すもので、めっきままの試験片とPCT(プレッシャークッカー処理) 後の試験片とで、濡れ性の劣化が少ないものが耐湿性が高いと言える。すなわち、図３から２層めっきにすることで耐湿性が上がることが分かる。なお、「Z.C.T.」はZERO CROSS TIME の略であって、試験片がはんだ浴に浸漬してから、はんだ浴から受ける力(F) が０となるまでの時間を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明にかかるめっき皮膜構造を示す模式的説明図である。
【図２】実施例の試験結果を示すグラフである。
【図３】実施例の試験結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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