JP2004232014A

JP2004232014A - Ｓｎ被覆を施した銅または銅合金部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2004232014A
Application number: JP2003021396A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Narueda; 宏人成枝
Original assignee: Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP4015033B2

Abstract

【課題】アルミニウム部材と接合可能なＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材を提供する。
【解決手段】銅または銅合金部材１０を、必要に応じて単層または複層の下地層１４の被覆を介して、厚さ０．１〜２０μｍのＳｎ含有層１２で被覆した後、アルミニウム線またはアルミニウム板を接続するための銅または銅合金部材１０の任意の部分を、表面からＳｎ含有層１２の厚さに０．０１ｍｍ以上の厚さを加えた厚さ分Ｄ、下地層１４を形成している場合は下地層１４の厚さとＳｎ含有層１２の厚さに０．０１ｍｍ以上の厚さを加えた厚さ分Ｄ’だけ、切削または研削により除去することによって、Ｓｎ被覆部と銅または銅合金が露出したＳｎ非被覆部を共存させた材料を形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅または銅合金部材がＳｎ含有層で被覆されたＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材およびその製造方法に関し、特に、自動車用コネクタ端子、バスバー、電気電子部品の端子、リードフレームなどに使用され、一部にアルミニウム線またはアルミニウム板を接合可能なＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
端子やバスバーなどの電気電子部品の材料として、電気伝導性に優れ且つコスト面でも優れた銅または銅合金部材が広く利用されている。また、端子材料の最表面には、電気的信頼性、耐食性、はんだ付け性、外観およびコストの観点から、Ｓｎ被覆が施されることが多い。このＳｎ被覆には、耐ウイスカ性に優れた溶融加熱処理や溶融Ｓｎ浸漬処理が広く利用されている。
【０００３】
また、最表層をＳｎで被覆した端子やバスバーに銅電線を接続する場合、加締めて接続する圧着、刃で銅電線の被覆を切って接続する圧接、はんだを用いて接続するはんだ付けが一般的である。
【０００４】
また、近年の環境対策として、素材の軽量化が挙げられており、銅電線からアルミニウム電線への切替えが検討されている。しかし、アルミニウムは強固な酸化被膜を生成し易く、圧着や圧接による接続ではアルミニウムの酸化被膜が抵抗となるため、アルミニウム電線の実用化には問題がある。また、アルミニウムの酸化被膜は強固なため、はんだ付けによる接続も難しい。
【０００５】
また、アルミニウムと銅または銅合金との接続方法として、互いを加圧し、超音波振動を加えることによって固相接合させる超音波接合が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２５２６７９号公報（段落番号００１５−００１９）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、アルミニウムとＳｎの超音波接合では、接合面に脆弱なアルミニウム−Ｓｎ合金層が形成され、接合強度が弱く、振動などにより容易に剥離するという問題が生じる。そのため、超音波接合によって、Ｓｎ被覆を施した銅または銅合金にアルミニウムを直接接合することはできなかった。
【０００８】
また、一つの端子やバスバー内でＳｎ被覆部とＳｎ非被覆部を共存させるためには、Ｓｎ被覆が必要な部分だけめっきする部分Ｓｎめっきや、マスキングテープを使用するストライプめっきが考えられる。しかし、溶融処理を行わないＳｎ被覆方法は、ウイスカが発生し易く、短絡障害の原因となるため好ましくない。そのため、溶融処理を行ったＳｎ被覆部と、素材の銅または銅合金が露出したＳｎ非被覆部が共存する材料が求められていた。
【０００９】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、アルミニウム部材と接合可能なＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、銅または銅合金部材の表面をＳｎ含有層で被覆した後、Ｓｎ含有層の一部を切削または研削により除去するとともに、その切削または研削の際に、そのＳｎ含有層の一部に被覆されていた銅または銅合金部材の部分を所定の厚さ分だけ除去することにより、アルミニウム部材と接合可能なＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材を提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明によるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法は、銅または銅合金部材の表面をＳｎ含有層で被覆した後、Ｓｎ含有層の一部を切削または研削により除去するとともに、その切削または研削の際に、そのＳｎ含有層の一部に被覆されていた銅または銅合金部材の部分を所定の厚さ分だけ除去することを特徴とする。
【００１２】
このＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法において、銅または銅合金部材の表面を下地層を介してＳｎ含有層で被覆した場合は、Ｓｎ含有層の一部を切削または研削により除去する際に、Ｓｎ含有層の一部に被覆されていた下地層の部分も除去するのが好ましい。また、所定の厚さが０．０１ｍｍ以上であり、Ｓｎ含有層の厚さが０．１〜２０μｍであるのが好ましい。Ｓｎ含有層は、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、ＮｉおよびＡｇの１種以上を０〜２０重量％含有してもよい。また、切削または研削により被覆を除去することによって露出した銅または銅合金部材の表面の中心線平均粗さＲａが１μｍ以下であるのが好ましい。さらに、Ｓｎ含有層を、電気めっき後に加熱溶融処理を行う方法または溶融Ｓｎ浸漬処理方法により被覆するのが好ましい。
【００１３】
また、本発明によるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材は、銅または銅合金部材の表面がＳｎ含有層で被覆され、Ｓｎ含有層の一部が切削または研削により除去されるとともに、その切削または研削の際に、そのＳｎ含有層の一部に被覆されていた銅または銅合金部材の部分が所定の厚さ分だけ除去されて、銅または銅合金部材の露出面が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
このＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材において、銅または銅合金部材の表面が下地層を介してＳｎ含有層で被覆され、Ｓｎ含有層の一部を切削または研削により除去する際には、Ｓｎ含有層の一部に被覆されていた下地層の部分も除去されているのが好ましい。また、所定の厚さが０．０１ｍｍ以上であり、Ｓｎ含有層の厚さが０．１〜２０μｍであるのが好ましい。Ｓｎ含有層は、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、ＮｉおよびＡｇの１種以上を０〜２０重量％含有してもよい。さらに、露出面の中心線平均粗さＲａが１μｍ以下であるのが好ましい。また、露出面は、アルミニウム線またはアルミニウム板を接合する面とすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明によるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材およびその製造方法の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１（ａ）〜図１（ｄ）に示すように、本発明によるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法の実施の形態では、銅または銅合金部材１０を、めっき、蒸着、溶融金属浸漬などにより、必要に応じて単層または複層の下地層１４の被覆を介して、厚さ０．１〜２０μｍのＳｎ含有層１２で被覆する。Ｓｎ被覆方法が溶融Ｓｎ浸漬処理方法以外の場合には、その後に加熱溶融処理を行い、Ｓｎ被覆を施した銅または銅合金部材を形成する。次いで、アルミニウム線またはアルミニウム板を接続するための銅または銅合金部材１０の任意の部分を、表面からＳｎ含有層１２の厚さに０．０１ｍｍ以上の厚さを加えた厚さ分Ｄ、下地層１４を形成している場合は下地層１４の厚さとＳｎ含有層１２の厚さに０．０１ｍｍ以上の厚さを加えた厚さ分Ｄ’だけ、切削または研削により除去することによって、Ｓｎ被覆部と銅または銅合金が露出したＳｎ非被覆部を共存させた材料を形成する。なお、Ｓｎ含有層は、Ｓｎの他に、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、ＮｉおよびＡｇの１種以上を０〜２０重量％含有してもよい。
【００１７】
Ｓｎ含有層の厚さを０．１〜２０μｍとするのは、Ｓｎ被覆は電気的接続信頼性および耐食性を確保するために施されるものであり、Ｓｎ含有層の厚さが０．１μｍ未満ではその機能を保つことができず、２０μｍを超えると経済的に不利になるからである。
【００１８】
切削または研削により除去する厚さを（下地層１４の厚さと）Ｓｎ含有層１２の厚さに０．０１ｍｍ以上を加えた厚さＤ（またはＤ’）とするのは、０．０１ｍｍ未満では、被覆の厚さや表面の凹凸のばらつきなどにより、被覆した下地層１４やＳｎ含有層１２を完全に除去することが難しいためである。
【００１９】
下地層１４は、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ａｕ、Ａｇ、ＰｂまたはＰの単体または合金からなる。下地層１４の組合せおよび厚さは、要求特性により多様に選定できるが、製造条件およびコストの兼ね合いから、厚さは２０μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
また、切削または研削により被覆を除去することにより露出した表面の中心線平均粗さＲａを１μｍ以下にするのが好ましい。１μｍを超えると、アルミニウムと銅または銅合金の間の摩擦抵抗が高くなり、アルミニウムと銅または銅合金の間に超音波振動を与える効率が低下し、接合力も低下するからである。
【００２１】
Ｓｎ被覆方法としては、耐ウイスカ性を向上させるため、電気めっき後に加熱溶融（リフロー）処理を行う方法または溶融Ｓｎ浸漬（ホットディップ）処理による方法を使用するのが好ましい。ただし、耐ウイスカ性を必要としない場合は、加熱溶融処理や溶融Ｓｎ浸漬処理を行わなくてもよい。
【００２２】
本発明によるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の実施の形態は、図２に示すように、端子として形成し、切削または研削により露出した銅または銅合金部材１０の表面にアルミニウム線またはアルミニウム板１６を介して（図示しない）他の部位を接合することができるとともに、Ｓｎ含有層１２で被覆された部分に（図示しない）他の端子を接続することができる。なお、図２に示す端子の形状は、オスタブの形状になっているが、箱形やベローズ型などの他の形状でもよい。
【００２３】
【実施例】
以下、添付図面を参照して、本発明によるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２４】
［実施例］
図３（ａ）に示すように、素材として、銅中にＦｅ、Ｓｎ、ＮｉおよびＰを合計０．１重量％含有し、ビッカース硬さ１１５、厚さ１．２ｍｍ、幅２００ｍｍの銅合金条１００を用意した。この銅合金条１００の表面を電解脱脂と酸洗により活性化した後、その上に硫酸塩浴を用いて電気めっきにより厚さ１μｍのＳｎ被覆層１０２を形成した。被覆方法として電気めっきを用いたのは、厚さの制御に優れ且つコスト的にも有利であるからである。電気めっきを行った後に溶融処理を行った。この溶融処理は、バーナー炉を使用して、還元雰囲気において炉内温度５００℃、通板速度５ｍ／ｍｉｎで行った。
【００２５】
Ｓｎ被覆を施した銅合金条１００を７０ｍｍ幅に切断した後、切削加工によって端から幅２０ｍｍ、深さ０．０５ｍｍの表面部分を除去することにより接続部を形成し、その中心線平均粗さＲａが０．２μｍになるように仕上げた。
【００２６】
Ｓｎ被覆層１０２の厚さは、蛍光Ｘ線膜厚測定器により測定し、中心線平均粗さは３次元レーザー顕微鏡により測定した。
【００２７】
他の端子との接続部の信頼性の評価の内容として、１６０℃の大気雰囲気中で１２０時間保持した後の接触抵抗値の測定と、亜硫酸ガス雰囲気中（ＳＯ_２ガス濃度１０ｐｐｍ、温度４０℃、相対湿度８０％ＲＨ）に９６時間保持した後の耐食性の評価を行った。接触抵抗値は、マイクロオームメータを使用し、開放電圧２０ｍＶ、電流１０ｍＡ、０．５φｍｍのＵ型金線プローブ、最大荷重１００ｇｆ、摺動無しの条件において、試験数Ｎ＝５回測定し、その平均値から求めた。耐食性は、表面をマイクロスコープで観察し、腐食の有無を確認することによって評価した。
【００２８】
また、アルミニウムとの接続部の信頼性の評価の内容として、φ２５μｍ、破断強度１８ｇｆのアルミニウム線をループ状に超音波接合でボンディングし、ループのプル強度を測定した。超音波接合は、超音波ウェッジワイヤボンダを用いて、接合時間４０ｍｓ、接合荷重２５ｇｆ、超音波出力０．６Ｗで行った。プル強度は、プルテスタを用いて試験数Ｎ＝５回測定し、その平均値から求めた。なお、この評価では、φ２５μｍのアルミニウム線を使用したが、他の大きさのアルミニウム線またはアルミニウム板を使用してもよい。
【００２９】
［比較例１］
図３（ｂ）に示すように、Ｓｎ被覆層を形成せず、接続部の中心線平均粗さＲａを０．１０μｍとした以外は、実施例と同様の方法により得られた銅合金部材について、実施例と同様の測定および評価を行った。
【００３０】
［比較例２］
図３（ｃ）に示すように、表面部分を除去せず、接続部の中心線平均粗さＲａを０．０４μｍとした以外は、実施例と同様の方法により得られた銅合金部材について、実施例と同様の測定および評価を行った。
【００３１】
実施例、比較例１および比較例２の結果を表１および表２に示す。
【表１】

【００３２】
表１に示すように、比較例１では他の端子との接続部の信頼性に欠け、比較例２ではアルミニウムとの接続部の信頼性に欠ける。比較例１において接触抵抗値が大きい理由は、表面の銅が高温放置されて厚い酸化物が形成されたためであり、変色・腐食が発生した理由は、銅が亜硫酸ガスと容易に反応するためである。また、比較例２においてプル強度が低いのは、超音波接合時に脆弱なアルミニウム−Ｓｎ化合物を形成したためである。一方、実施例では、他の端子との接続部の信頼性に優れ、アルミニウムとの接続部の信頼性にも優れている。
【００３３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材は、他の端子との接続部の信頼性に優れ、アルミニウムとの接続部の信頼性にも優れているため、自動車用のコネクタ端子、バスバー、産業機械および民生機器などのコネクタ端子や、リードフレームなどの中で、アルミニウムとの接合箇所を有し且つＳｎ被覆による電気的信頼性も要求される電気電子部品用材料として優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の実施の形態の例を概略的に示す断面図。
【図２】本発明によるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の実施の形態を端子に応用した場合の斜視図。
【図３】実施例および比較例におけるＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材を概略的に示す断面図であり、図３（ａ）は実施例、図３（ｂ）は比較例１、図３（ｃ）は比較例２を示す。
【符号の説明】
１０銅または銅合金部材
１２Ｓｎ含有層
１４下地層
１６アルミニウム線またはアルミニウム板
１００銅または銅合金条
１０２Ｓｎ被覆層

Claims

銅または銅合金部材の表面をＳｎ含有層で被覆した後、Ｓｎ含有層の一部を切削または研削により除去するとともに、その切削または研削の際に、そのＳｎ含有層の一部に被覆されていた銅または銅合金部材の部分を所定の厚さ分だけ除去することを特徴とする、Ｓｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法。
前記銅または銅合金部材の表面を下地層を介して前記Ｓｎ含有層で被覆し、前記Ｓｎ含有層の一部を切削または研削により除去する際に、前記Ｓｎ含有層の一部に被覆されていた下地層の部分を除去することを特徴とする、請求項１に記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法。
前記所定の厚さが０．０１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１または２に記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法。
前記Ｓｎ含有層の厚さが０．１〜２０μｍであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法。
前記Ｓｎ含有層が、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、ＮｉおよびＡｇの１種以上を０〜２０重量％含有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法。
前記切削または研削により被覆を除去することによって露出した前記銅または銅合金部材の表面の中心線平均粗さＲａが１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法。
前記Ｓｎ含有層を、電気めっき後に加熱溶融処理を行う方法または溶融Ｓｎ浸漬処理方法により被覆することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材の製造方法。
銅または銅合金部材の表面がＳｎ含有層で被覆され、Ｓｎ含有層の一部が切削または研削により除去されるとともに、その切削または研削の際に、そのＳｎ含有層の一部に被覆されていた銅または銅合金部材の部分が所定の厚さ分だけ除去されて、銅または銅合金部材の露出面が形成されていることを特徴とする、Ｓｎ被覆を施した銅または銅合金部材。
前記銅または銅合金部材の表面が下地層を介して前記Ｓｎ含有層で被覆され、前記Ｓｎ含有層の一部を切削または研削により除去する際に、前記Ｓｎ含有層の一部に被覆されていた下地層の部分が除去されていることを特徴とする、請求項８に記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材。
前記所定の厚さが０．０１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項８または９に記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材。
前記Ｓｎ含有層の厚さが０．１〜２０μｍであることを特徴とする、請求項８乃至１０のいずれかに記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材。
前記Ｓｎ含有層が、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｃｕ、ＮｉおよびＡｇの１種以上を０〜２０重量％含有することを特徴とする、請求項８乃至１１のいずれかに記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材。
前記露出面の中心線平均粗さＲａが１μｍ以下であることを特徴とする、請求項８乃至１２のいずれかに記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材。
前記露出面がアルミニウム線またはアルミニウム板を接合する面であることを特徴とする、請求項８乃至１３のいずれかに記載のＳｎ被覆を施した銅または銅合金部材。