JP2008021501A

JP2008021501A - 配線用電気部品及び端末接続部並びに配線用電気部品の製造方法

Info

Publication number: JP2008021501A
Application number: JP2006191580A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Tsuji; 隆之辻; Hiroshi Yamanobe; 寛山野辺; Hajime Nishi; 甫西; Hiroshi Okikawa; 寛沖川
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】特にコネクタとの嵌合接触など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めっき膜表面からウィスカが発生するおそれの少ない、あるいは殆ど発生しない配線用電気部品及び端末接続部並びに配線用電気部品の製造方法を提供するものである。
【解決手段】金属導体１表面の少なくとも一部に、Ｐｂフリーで、体心正方晶の結晶構造をもつＳｎ系材料部（βＳｎ）３を有する配線用電気部品を、室温を含む同素変態温度以上で電気部品として使用する際、Ｓｎ系材料部３がダイヤモンド型の結晶構造をもつαＳｎに変態するのを抑制すべく、Ｓｎ系材料部３の上層に、変態遅延元素であるＳｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうち、少なくとも１種以上からなる変態遅延めっき膜２を設け、その後リフローしてなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線用電気部品及び端末接続部並びに配線用電気部品の製造方法に係り、特に電子機器に使用されるフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）等の配線用導体及びそれらと嵌合接続するコネクタ等の電子機器材料部材に関するものである。

従来、配線材、特に銅や銅合金製配線材の表面には、配線材の酸化を防ぐために、Ｓｎ、Ａｇ、ＡｕやＮｉのめっきが施される。例えば、図３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。

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。

特開２００５−２３６８号公報特開２００３−１０５５８９号公報

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膜から発生し、図４に示すように、ウィスカ２１により隣接配線材（導体１４）間の短絡が生じるおそれがあることが問題となっている。

ウィスカの発生原因の一つとして考えられているＳｎめっき膜中の応力を緩和させるため、電気めっきしたＳｎめっき膜をリフローすることにより、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。

しかし、ウィスカ発生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、接触など新たな外部応力がかかる場合は、リフローを施してもウィスカの発生を抑えることができず、現在のところ有効な対策は見つかっていない。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、特にコネクタとの嵌合接触など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めっき膜表面からウィスカが発生するおそれの少ない、あるいは殆ど発生しない配線用電気部品及び端末接続部並びに配線用電気部品の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、金属導体表面の少なくとも一部に、Ｐｂフリーで、体心正方晶の結晶構造をもつＳｎ系材料部（βＳｎ）を有する配線用電気部品を、室温を含む同素変態温度以上で電気部品として使用する際、上記Ｓｎ系材料部がダイヤモンド型の結晶構造をもつαＳｎに変態するのを抑制すべく、上記Ｓｎ系材料部の上層もしくは上記金属導体の上層に、変態遅延元素であるＳｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうち、少なくとも１種以上からなる変態遅延めっき膜を設け、その後リフローしてなることを特徴とする配線用電気部品である。

請求項２の発明は、上記Ｓｎ系材料部の上層もしくは上記金属導体の上層に設けられる上記変態遅延めっき膜の変態遅延元素の量が、Ｓｎ系材料部の０．０１〜５．０ｗｔ％である請求項１記載の配線用電気部品である。

請求項３の発明は、上記Ｓｎ系材料部に、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｚｎ、Ａｌから選択される少なくとも１種以上の元素を添加した請求項１又は２に記載の配線用電気部品である。

請求項４の発明は、上記金属導体がＣｕ系材料で構成される心材であり、その心材の周りに、上記変態遅延元素からなる変態遅延めっき膜を一部にもつ上記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電気部品である。

請求項５の発明は、上記配線材がフレキシブルフラットケーブルの導体である請求項４記載の配線用電気部品である。

請求項６の発明は、上記金属導体がＣｕ系材料で構成されるコネクタピンであり、そのコネクタピンの周りに、上記変態遅延元素からなる変態遅延めっき膜を一部にもつ上記Ｓｎ系材料部の被覆層を設けたコネクタ部材である請求項１から３いずれかに記載の配線用電気部品である。

請求項７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接続する際、上記導体又は上記コネクタピンの少なくとも一方を請求項１から６いずれかに記載の配線用電気部品で構成したことを特徴とする端末接続部である。

請求項８の発明は、配線材の導体同士を接続する際、上記導体の少なくとも一方を請求項１から６いずれかに記載の配線用電気部品で構成したことを特徴とする端末接続部である。

請求項９の発明は、金属導体に対して、ＰｂフリーのＳｎ系材料のめっきを行い、金属導体表面の少なくとも一部に、Ｐｂフリーで、体心正方晶の結晶構造をもつＳｎめっき膜（βＳｎ）を設け、そのＳｎめっき膜上にＳｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうち、少なくとも１種以上からなる変態遅延元素のめっきを行って変態遅延めっき膜を設け、その後、リフローして上記Ｓｎめっき膜と上記変態遅延めっき膜の合金で構成される被覆層を形成することを特徴とする配線用電気部品の製造方法である。

請求項１０の発明は、金属導体に対して、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうち、少なくとも１種以上からなる変態遅延元素のめっきを行い、金属導体表面の少なくとも一部に変態遅延めっき膜を設け、その変態遅延めっき膜上にＰｂフリーのＳｎ系材料のめっきを行い、Ｐｂフリーで、体心正方晶の結晶構造をもつＳｎめっき膜（βＳｎ）を設け、その後、リフローして上記変態遅延めっき膜と上記Ｓｎめっき膜の合金で構成される被覆層を形成することを特徴とする配線用電気部品の製造方法である。

本発明により、表面にＳｎめっきが施された配線材のＳｎめっき膜中に発生する応力を低減することができ、その結果、その応力によってＳｎめっき膜から発生するＳｎの針状結晶であるウィスカを抑制することが可能になり、隣接配線材間の短絡といった不具合を解決することができる。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明者らが鋭意研究した結果、ウィスカの発生は、体心正方晶の結晶構造を有するβＳｎ（白錫（ｗｈｉｔｅｔｉｎ））から、ダイヤモンド型の結晶構造を有するαＳｎ（灰色錫（ｇｒｅｙｔｉｎ））への変態（以下、β→α変態という）に伴う体積膨張が原因であることを見出した。特にＳｎめっき膜の応力がかかっている部分ではこのβ→α変態が起こりやすく、２６％もの体積膨張に伴い、行き場を失ったＳｎがウィスカとなり、Ｓｎめっき外部に柱状に伸びることを見出した。

このβ→α変態を遅らせる元素（以下、変態遅延元素という）として、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉが有効であり、例えば、
(a) W.Lee.Williams,"Gray Tin Formation in Soldered Joints Stored at Low Temperature",Symposium on Solder、
(b) A.Bornemann,"Tin Disease in Solder Type Alloys",Symposium on Solder (1956)、
(c) C.E.Homer and H.C.Watkins,"Transformation of Tin at Low Temperatures",Metal Industry (London),vol.60,pp.364-366 (1942)、
などの文献に記載されている。Ｎｉを除いてこれら元素は原子半径がＳｎよりも大きいため、体積膨張を伴うβ→α変態を抑制する効果があると思われる。これら元素の他に、原子半径がＳｎよりも大きい元素にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどがある。

そこで、本発明の好適一実施の形態に係る配線用電気部品は、図１（ａ）に示すように、金属導体１の表面の全面（少なくとも一部）に、Ｐｂフリーで、体心正方晶のβ構造をもつＳｎめっき膜（Ｓｎ系材料部）３を設けると共に、そのＳｎめっき膜３の上層に、変態遅延元素であるＳｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうち、少なくとも１種以上からなる変態遅延めっき膜２を設け、その後リフローしてなるものであり、図１（ｂ）に示すように、金属導体１の表面の全面に、変態遅延めっき膜２を一部にもつＳｎめっき膜３の被覆層４を有する。

被覆層４は、変態遅延めっき膜２とＳｎめっき膜３の合金で主に構成される層であり、層全体が合金からなっていてもよく、また、層の一部に変態遅延めっき膜２及び／又はＳｎめっき膜３が若干残っていてもよい。

Ｓｎめっき膜３の重量に対する変態遅延めっき膜２の重量割合は、０．０１〜５．０ｗｔ％、好ましくは０．１ｗｔ％前後（又は０．０５〜０．２ｗｔ％）がよい。変態遅延元素の量が０．０１ｗｔ％未満だと、β→α変態を遅らせる効果が十分に得られない。逆に、変態遅延元素の量が５．０ｗｔ％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。

また、Ｓｎめっき膜３にＰ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｚｎ、Ａｌから選択される少なくとも１種以上の元素を添加してもよい。これによって、Ｓｎめっき膜３の耐酸化性をさらに高めることができる。これらの元素の添加量は微量（例えば０．００２〜０．０２ｗｔ％）であっても、その効果を十分に発揮できる。

配線用電気部品としては、Ｃｕ系材料で構成される心材の周りに被覆層４を設けた配線材、Ｃｕ系材料で構成されるコネクタピンの周りに被覆層４を設けたコネクタ部材が挙げられる。配線材としては、例えば、ＦＦＣの導体、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）などがある。

図１（ａ）では、Ｓｎめっき膜３の上層に変態遅延めっき膜２を設けた場合の例を挙げて説明を行っているが、図２に示すように、金属導体１の上層（Ｓｎめっき膜３の下層）に変態遅延めっき膜２を設けるようにしてもよい。

次に、本実施の形態に係る配線用電気部品の製造方法を説明する。

先ず、金属導体１に対して、ＰｂフリーのＳｎ系材料のめっきを行い、金属導体１表面の少なくとも一部にＳｎめっき膜３（βＳｎ）が設けられる。

そのＳｎめっき膜３上に、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうち、少なくとも１種以上からなる変態遅延元素のめっきを行って変態遅延めっき膜２が設けられる。

その後、Ｓｎめっき膜３及び変態遅延めっき膜２を有する金属導体１に、適宜圧延加工や減面加工などを施した後、リフロー（通電焼鈍）がなされる。これによって、Ｓｎめっき膜３のＳｎ及び変態遅延めっき膜２を構成する変態遅延元素の少なくとも一方が拡散し、Ｓｎめっき膜３と変態遅延めっき膜２の合金で構成される被覆層４が形成される。

リフローの焼鈍温度・時間は、Ｓｎめっき膜３のＳｎ及び変態遅延めっき膜２を構成する変態遅延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・時間は用いる変態遅延元素によって異なるため、用いる変態遅延元素に応じて適宜調整される。

また、金属導体１に対して変態遅延元素のめっきを行った後に、Ｓｎ系材料のめっきを行うことで、図２に示したリフロー前の配線用電気部品が得られる。

配線材の導体とコネクタ部材のコネクタピンを接続する際、導体とコネクタピンの少なくとも一方を、本実施の形態に係る配線用電気部品で構成することで、端末接続部が得られる。また、配線材の導体同士を接続する際、少なくとも一方の導体を、本実施の形態に係る配線用電気部品で構成することで、端末接続部が得られる。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態では、金属導体１にＳｎめっきを行う前もしくは後に、すなわちＳｎめっき膜３の上層（もしくは金属導体１の上層）に、変態遅延元素で構成される変態遅延めっき膜２を設け、その後リフローを行うことにより、ＳｎめっきのＰｂフリー化の要求を満足しつつ、耐ウィスカ性に実績のある従来のＳｎ−Ｐｂ合金（はんだ）めっきと同等の耐ウィスカ性を有するＳｎ系材料（βＳｎ）の被覆層４が得られる。

この被覆層４を有する配線材、すなわち本実施の形態に係る配線用電気部品を、図３に示した構造のコネクタ（コネクタ部材）１１のコネクタピン１２に嵌合、接触させて接続する際に、Ｓｎめっき（被覆層４）に大きな圧縮応力が負荷されたとしても、被覆層４の表面にウィスカは発生しにくい。すなわち、配線材とコネクタピンが嵌合接触される端末接続部のように、大きな外部応力がかかる環境下においても、被覆層４を有する配線材の表面にウィスカが発生するおそれはほとんどない。よって、この配線材は、ウィスカ発生に伴う導体短絡などのトラブルを回避できる。

直径がφ０．６ｍｍのＣｕ製導体の周囲に、Ｓｎの０．１ｗｔ％の割合でＢｉ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆをそれぞれめっきし、その後、膜厚が０．０１ｍｍのＳｎめっきを施した後、圧延・通電焼鈍（リフロー）を施してＣｕ製導体の周囲に被覆層を有する配線材を製造した（実施例１〜１０（Ｓｎめっき前））。また、同じＣｕ製導体の周囲に、膜厚が０．０１ｍｍのＳｎめっきを施した後に、Ｓｎの０．１ｗｔ％の割合でＢｉ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆをそれぞれめっきし、圧延・通電焼鈍（リフロー）を施してＣｕ製導体の周囲に被覆層を有する配線材を製造した（実施例１１〜２０（Ｓｎめっき後））。さらに、同じＣｕ製導体の周囲に、膜厚が０．０１ｍｍのＳｎめっきを施した後、圧延・通電焼鈍（リフロー）を施して配線材を製造した（従来例１）。

実施例１〜２０及び従来例１の各配線材をそれぞれコネクタと嵌合接触させて端末接続部とし、各端末接続部に対して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、及び高温高湿試験（５５℃，８５％ＲＨ）２０００ｈｒ実施した（ＪＥＩＴＡ規格ＥＴ−７４１０、電気・電子機器用部品のウィスカ試験方法に準拠）。その後、各配線材をコネクタから外し、各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◎はウィスカ最大長さが１０μｍ未満、○はウィスカ最大長さが１０μｍ以上５０μｍ未満、×はウィスカ最大長さが１００μｍ以上を示している。

表１に示すように、実施例１〜２０の各配線材の被覆層には、Ｓｎに対して０．１ｗｔ％の割合で変態遅延元素が含まれていることから、室温放置試験、温度変化試験、及び高温高湿試験の各試験後において発生したウィスカの長さは全て５０μｍ未満であった。特に、変態遅延元素としてＢｉ、Ｓｂを用いた実施例１，２，１１，１２の各配線材では、顕著なウィスカ抑制効果が得られた。

これに対して、従来例１の配線材のＳｎめっきは、純Ｓｎであり、変態遅延元素を全く含んでいないことから、ウィスカ抑制効果が得られず、各試験後に１００μｍ以上のウィスカが発生した。

本発明の好適一実施の形態に係る配線用電気部品の製造方法を説明するための図である。図１（ａ）はリフロー前、図１（ｂ）はリフロー後を示している。図１（ａ）の変形例である。コネクタとＦＦＣを嵌合、接触させた例を示す図である。図３の部分拡大図であり、ウィスカが発生して隣接する配線材が短絡している様子を示す図である。

符号の説明

１金属導体
２変態遅延めっき膜
３Ｓｎめっき膜（Ｓｎ系材料部）
１１コネクタ
１２コネクタピン
１３ＦＦＣ
１４導体
２１ウィスカ

Claims

金属導体表面の少なくとも一部に、Ｐｂフリーで、体心正方晶の結晶構造をもつＳｎ系材料部（βＳｎ）を有する配線用電気部品を、室温を含む同素変態温度以上で電気部品として使用する際、上記Ｓｎ系材料部がダイヤモンド型の結晶構造をもつαＳｎに変態するのを抑制すべく、上記Ｓｎ系材料部の上層もしくは上記金属導体の上層に、変態遅延元素であるＳｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうち、少なくとも１種以上からなる変態遅延めっき膜を設け、その後リフローしてなることを特徴とする配線用電気部品。
上記Ｓｎ系材料部の上層もしくは上記金属導体の上層に設けられる上記変態遅延めっき膜の変態遅延元素の量が、Ｓｎ系材料部の０．０１〜５．０ｗｔ％である請求項１記載の配線用電気部品。
上記Ｓｎ系材料部に、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｚｎ、Ａｌから選択される少なくとも１種以上の元素を添加した請求項１又は２に記載の配線用電気部品。
上記金属導体がＣｕ系材料で構成される心材であり、その心材の周りに、上記変態遅延元素からなる変態遅延めっき膜を一部にもつ上記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電気部品。
上記配線材がフレキシブルフラットケーブルの導体である請求項４記載の配線用電気部品。
上記金属導体がＣｕ系材料で構成されるコネクタピンであり、そのコネクタピンの周りに、上記変態遅延元素からなる変態遅延めっき膜を一部にもつ上記Ｓｎ系材料部の被覆層を設けたコネクタ部材である請求項１から３いずれかに記載の配線用電気部品。
配線材の導体とコネクタ部材のコネクタピンを接続する際、上記導体又は上記コネクタピンの少なくとも一方を請求項１から６いずれかに記載の配線用電気部品で構成したことを特徴とする端末接続部。
配線材の導体同士を接続する際、上記導体の少なくとも一方を請求項１から６いずれかに記載の配線用電気部品で構成したことを特徴とする端末接続部。
金属導体に対して、ＰｂフリーのＳｎ系材料のめっきを行い、金属導体表面の少なくとも一部に、Ｐｂフリーで、体心正方晶の結晶構造をもつＳｎめっき膜（βＳｎ）を設け、そのＳｎめっき膜上にＳｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうち、少なくとも１種以上からなる変態遅延元素のめっきを行って変態遅延めっき膜を設け、その後、リフローして上記Ｓｎめっき膜と上記変態遅延めっき膜の合金で構成される被覆層を形成することを特徴とする配線用電気部品の製造方法。
金属導体に対して、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのうち、少なくとも１種以上からなる変態遅延元素のめっきを行い、金属導体表面の少なくとも一部に変態遅延めっき膜を設け、その変態遅延めっき膜上にＰｂフリーのＳｎ系材料のめっきを行い、Ｐｂフリーで、体心正方晶の結晶構造をもつＳｎめっき膜（βＳｎ）を設け、その後、リフローして上記変態遅延めっき膜と上記Ｓｎめっき膜の合金で構成される被覆層を形成することを特徴とする配線用電気部品の製造方法。