メタルコア基板、メタルプレート用導電部材及びこれらの製造方法
【課題】絶縁層に被覆される部分と、外部と電気的接続される部分との二つの機能を併せ持つメタルプレートを簡単に製作する。
【解決手段】Ｃｕ系基材１２を有するとともに、表面にＳｎ系表面層１４が形成され、Ｓｎ系表面層１４とＣｕ系基材１２との間にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物又はＮｉ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層１３が形成された導電部材１１であって、金属間化合物層１３のＳｎ系表面層１４と接する面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜０．３μｍであり、かつ、十点平均粗さＲｚで０．５〜３．０μｍである。
【解決手段】Ｃｕ系基材１２を有するとともに、表面にＳｎ系表面層１４が形成され、Ｓｎ系表面層１４とＣｕ系基材１２との間にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物又はＮｉ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層１３が形成された導電部材１１であって、金属間化合物層１３のＳｎ系表面層１４と接する面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜０．３μｍであり、かつ、十点平均粗さＲｚで０．５〜３．０μｍである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板の芯材としてメタルプレートを配置したメタルコア基板、そのメタルコア基板のメタルプレート、及びこのメタルプレートとして用いて好適な導電部材並びにこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタルコア基板は、回路基板の芯材としてメタルプレートを配置してなるもので、放熱性、機械的強度、シールド性等に優れている。近年では、自動車の高機能化、広い車室空間の確保等の要請に伴い、小型で高密度実装を実現するための基板として車載用に広く用いられてきている。
この種のメタルコア基板としては、例えば特許文献１から特許文献５に記載のものがある。これら特許文献に記載のメタルコア基板は、コアとなるアルミニウムや銅等のメタルプレートの表面に絶縁層が形成されるとともに、その上面に回路パターンが形成され、その回路パターンに電子部品が搭載されるようになっている。
【０００３】
このうち、特許文献１記載のメタルコア基板は、絶縁層を介して回路パターンが形成された部分が放熱プレート部とされるとともに、両端部が外部接続用端子プレート部とされ、その端子プレート部においてはコアメタルプレートの一部が絶縁層から露出されている。そして、放熱プレート部に発熱素子や駆動部品を搭載した状態で、樹脂製の箱型のケースに収納固定されている。また、そのケースには、オスコネクタ部が一体形成されており、そのオスコネクタ部内に、メタルコア基板の端子プレート部が外方に向けて突出するように配置され、そのオスコネクタ部内の端子プレート部に外部のメスコネクタが接続できるようになっている。
【０００４】
また、特許文献２では、メタルコア基板の一部の絶縁層を除去して、メタルプレートを露出し、その露出部分にＮｉめっきやＡｕめっきを施して、はんだ接続用のパッドを形成している。特許文献３及び特許文献４にも、メタルプレートの一部を外部と電気的接続可能とするために、メタルプレートにめっき被膜を形成することが記載されている。
一方、特許文献５には、表面粗度が小さい圧延銅板からなるメタルプレートを用いる場合に、絶縁層との接着性を高めるために、メタルプレートの表面をエッチングやパルス電解技術により粗化処理することが記載されている。絶縁層との接着性向上のために、メタルプレートの表面を粗化処理することは、特許文献３にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２５３４２８号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２４２５号公報
【特許文献３】特開２００２−２２３０７０号公報
【特許文献４】特開２００３−３３２７５２号公報
【特許文献５】特開２００８−２２３０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、この種のメタルコア基板において、特許文献１に代表されるように、放熱プレート部のように電子部品が搭載される部分と、端子プレート部のように外部と電気接続される部分との両方を備えている場合、コアとなるメタルプレートは、前者では絶縁層により被覆され、後者では絶縁層から露出される。この形態においては、絶縁層に被覆される部分では、金属板の表面は一般に平滑であるために、特許文献３や特許文献５に記載のようにメタルプレートに直接絶縁層を形成するのではなく、絶縁層との接着性向上のためにメタルプレートに粗化処理しておくことが必要になり、一方、外部接続部分では、特許文献２〜４に記載のようにメタルプレートを絶縁層から露出するだけでなく、露出したメタルプレートにめっき処理することが必要になる。
いずれの場合も、メタルプレートをそのまま使用することはできず、粗化処理やめっき処理の部分的な加工が必要で生産性が悪い。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、絶縁層に被覆される部分と、外部と電気的接続される部分との二つの機能を併せ持つメタルプレートを簡単に製作することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために、本発明は、メタルプレート用導電部材、その導電部材から製造したメタルプレート及びそのメタルプレートを用いたメタルコア基板並びにこれらの製造方法を提案する。
本発明のメタルプレート用導電部材は、Ｃｕ系基材を有するとともに、表面にＳｎ系表面層が形成され、該Ｓｎ系表面層と前記Ｃｕ系基材との間にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物又はＮｉ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層が形成された導電部材であって、前記金属間化合物層の前記Ｓｎ系表面層と接する面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜０．３５μｍであり、かつ、十点平均粗さＲｚで０．５〜３．０μｍであることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、最外層に形成されるＳｎ系表面層は、導電部材として良好な接触性、はんだ付け性等の電気的特性を有し、コネクタ端子やリードフレーム等に広く用いられているものであるが、そのＳｎ系表面層の下に形成されるＣｕ−Ｓｎ金属間化合物又はＮｉ−Ｓｎ金属間化合物の金属間化合物層は、その膜厚が必ずしも一様ではなく、凹凸を有している。この凹凸の表面粗さを前記範囲とすることにより、この導電部材をメタルプレートとして利用する際に、絶縁層で被覆される部分については、Ｓｎ系表面層を除去すると、露出した金属間化合物層の表面が適度な凹凸を有し、絶縁層を高い接合強度で接合することができる。また、絶縁層により被覆されない部分は、Ｓｎ系表面層により導電部材として良好な電気的特性を有しているので、そのままの状態で外部との電気的接続部分として用いることができる。
この場合、金属間化合物層のＳｎ系表面層と接する面の表面粗さが前記範囲よりも小さいと、凹凸がほとんどなくなってしまい、絶縁層との良好な接合強度を得ることができず、また、前記範囲を超えると、絶縁層との接合強度は大きくなるが、Ｓｎ系表面層の下に凹凸の大きい金属間化合物層が存在することになるから、特にコネクタ端子として使用したときの挿抜時の抵抗が大きくなるため好ましくない。
【００１０】
また、本発明のメタルプレートは、前記導電部材の表面の一部のＳｎ系表面層が除去され、前記金属間化合物層の表面が露出していることを特徴とする。
さらに、本発明のメタルコア基板は、前記メタルプレートにおける前記金属間化合物層の露出部分が絶縁層により被覆されていることを特徴とする。
【００１１】
そして、本発明のメタルプレートの製造方法は、Ｃｕ系基材の表面に、Ｎｉ又はＮｉ合金、Ｃｕ又はＣｕ合金のいずれかをめっきし、その上にＳｎ又はＳｎ合金をめっきしてそれぞれのめっき層を形成した後、加熱してリフロー処理することにより、前記Ｃｕ系基材と最外層のＳｎ系表面層との間に、Ｎｉ−Ｓｎ金属間化合物又はＣｕ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層を形成した導電部材を製作する工程と、該導電部材における前記Ｓｎ系表面層の一部を除去して、前記金属間化合物層の表面を露出する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のメタルコア基板の製造方法は、前記メタルプレートの製造方法によってメタルプレートを製作し、露出した前記金属間化合物層の上に絶縁層を形成する工程を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、最外層のＳｎ系表面層の下の金属間化合物層が適度の凹凸を有しており、メタルプレートとして利用する際に、絶縁層で被覆される部分については、Ｓｎ系表面層を除去すると、露出した金属間化合物層表面の凹凸により絶縁層を高い接合強度で接合することができ、一方、絶縁層により被覆されない部分は、電気的特性に優れるＳｎ系表面層により、そのままの状態で外部との電気的接続部分として用いることができ、しかもコネクタ端子として用いた場合にも良好な挿抜性を得ることができる。したがって、特別の後加工を施すことなく、絶縁層との接合性を高めた部分と、電気的接続信頼性やコネクタ端子としての挿抜性を高めた部分との二つの異なる機能を併せ持つメタルプレートを簡単に製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るメタルコア基板の製造方法の一実施形態を工程順に示す断面図である。
【図２】本発明に係るメタルプレート用導電部材の一実施形態の表層部分をモデル化して示した拡大断面図である。
【図３】本発明に係るメタルコア基板の一実施形態について使用状態を示す断面図である。
【図４】導電部材の動摩擦係数を測定するための装置を概念的に示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を説明する。
まず、メタルコア基板について説明すると、このメタルコア基板１は、図３に示すように、長さ方向の中央部に配置される回路基板部２と、両端部に配置されるコネクタ端子部３とを一体に形成してなるものである。回路基板部２は、コアとなるメタルプレート４の両面が絶縁層５により被覆され、この絶縁層５の上に回路導体６が形成されており、その上に電子部品７が搭載される。一方、コネクタ端子部３は、メタルプレート４の絶縁層５により被覆されていない両端部がそのままコネクタ端子部３とされ、外部のコネクタ端子８が二点鎖線で示すように嵌合状態に接続されるようになっている。
また、メタルプレート４は、以下に述べるメタルプレート用導電部材１１において、コネクタ端子部３となる中央部分の最表面層の一部を除去して、内層の表面を露出することにより形成したものである。
【００１６】
次に、このメタルプレート用導電部材１１について説明する。
この実施形態のメタルプレート用導電部材１１は、図２に示すように、Ｃｕ系基材１２の表面に、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３、Ｓｎ系表面層１４がこの順に形成されるとともに、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３はさらに、Ｃｕ３Ｓｎ層１５とＣｕ６Ｓｎ５層１６とから構成されている。
Ｃｕ系基材１２は、Ｃｕ又はＣｕ合金から構成された例えば板状のものである。Ｃｕ合金としては、その材質は必ずしも限定されないが、無酸素銅、タフピッチ銅、Ｃｕ−Ｚｒ系合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金がプレス加工性に優れながら導電率と熱伝導率が高いため好適であり、例えば、三菱伸銅株式会社製ＯＦＣ，ＴＣ，ＴＡＭＡＣ４，Ｃ１５１，ＭＺＣ１，ＺＣ，ＴＡＭＡＣ１９４が好適に用いられる。
【００１７】
Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３は、後述するようにＣｕ系基材１２の上にめっきしたＣｕ合金と表面のＳｎとがリフロー処理によって拡散して形成された合金層である。このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３は、全体としては、０．０５〜２μｍの厚さ、好ましくは０．１μｍ以上の厚さに形成され、さらに、Ｃｕ系基材１２の上に配置されるＣｕ３Ｓｎ層１５と、該Ｃｕ３Ｓｎ層１５の上に配置されるＣｕ６Ｓｎ５層１６とから構成されている。また、このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３又はＳｎ系表面層１４の少なくともいずれかには、Ｓ（硫黄）が１０〜１００ｐｐｍの範囲で含有している。この場合、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３全体としては凹凸が形成されており、Ｓｎ系表面層１４に接する面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜０．３５μｍであり、かつ、十点平均粗さＲｚで０．５〜３．０μｍとされている。
【００１８】
算術平均粗さＲａが０．０５〜０．３５μｍとしたのは、コネクタ端子部３として用いる場合には、Ｒａが小さい方が挿抜力が低減して好ましいが、後述するようにＳｎ系表面層１４を除去したときの表面とが絶縁層５との良好な接合強度を確保するためにはＲａが０．０５μｍ以上必要であり、０．３５μｍを超えるほどに凹凸が大きくなると、Ｓｎ系表面層１４を被覆したままコネクタ端子部３として用いる際にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３の凹凸が抵抗となって挿抜力が増大して好ましくないからである。
一方、十点平均粗さＲｚに関しては、Ｒｚが０．５μｍ以上あると、絶縁層５に対するアンカー効果が有効に機能し、接合強度を高めることができるが、局部的に山・谷が大き過ぎると、欠陥の原因となる。Ｒｚが３．０μｍを超えると、高温時にＣｕ系基材１２のＣｕが拡散してＣｕ−Ｓｎ合金層１３が成長し、そのＣｕ６Ｓｎ５層１６が導電部材１１の表面まで達し、これにより、表面にＣｕ酸化物が形成され、接触抵抗を増大させることになる。したがって、Ｒｚは最大３．０μｍまでが好ましい。
前述したＳは、このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３の表面の凹凸を適切な範囲に調整するために有効である。１００ｐｐｍを超えると、めっき膜がもろくなるので好ましくない。２０ｐｐｍ〜５０ｐｐｍがより好ましい。
【００１９】
また、このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３のうちの下層に配置されるＣｕ３Ｓｎ層１５は、Ｃｕ系基材１２を覆っており、その面積被覆率が６０〜１００％とされている。この面積被覆率が６０％未満となって低いと、高温時にＣｕ系基材１２のＣｕが拡散することにより、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３が成長して導電部材１１の表面まで達し、これにより、表面にＣｕ酸化物が形成され、接触抵抗が増大する。Ｃｕ系基材１２の少なくとも６０％以上がＣｕ３Ｓｎ層１５によって被覆されていることにより、高温時の接触抵抗の増大を防止することができる。より望ましくは８０％以上が被覆されているとよい。
この面積被覆率は、皮膜を集束イオンビーム（ＦＩＢ；Focused Ion Beam）により断面加工し、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ；Scanning Ion Microscope）で観察した表面の走査イオン像（ＳＩＭ像）から確認することができる。
【００２０】
また、このＣｕ３Ｓｎ層１５の平均厚さは０．０１〜０．５μｍとされ、その平均厚さが０．０１μｍ未満と少ない場合には、Ｃｕ系基材１１のＣｕの拡散を抑える効果が乏しくなる。また、０．５μｍを超えると、高温時にＣｕ３Ｓｎ層１５がＳｎリッチのＣｕ６Ｓｎ５層１６に変化し、その分、Ｓｎ系表面層１４を減少させ、接触抵抗が高くなるため好ましくない。この平均厚さは、Ｃｕ３Ｓｎ層１５が存在する部分で、その厚さを複数個所測定したときの平均値である。
なお、このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３は、Ｃｕ系基材１２の上にめっきしたＣｕと表面のＳｎとが拡散することにより合金化したものであるから、リフロー処理等の条件によっては下地となったＣｕめっき層の全部が拡散してＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３となる場合もあるが、そのＣｕめっき層が残る場合もある。このＣｕめっき層が残る場合は、そのＣｕめっき層は例えば０．０１〜０．１μｍの厚さとされる。
【００２１】
最表面のＳｎ系表面層１４は、Ｓｎ又はＳｎ合金を電解めっきした後にリフロー処理することによって形成されたものであり、例えば０．０５〜２．５μｍの厚さに形成される。このＳｎ系表面層１４の厚さが０．０５μｍ未満であると、高温時にＣｕが拡散して表面にＣｕの酸化物が形成され易くなることから接触抵抗が増加し、また、はんだ付け性や耐食性も低下する。一方、２．５μｍを超えると、柔軟なＳｎ系表面層１４の下層に存在するＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３による表面の下地を硬くする効果が薄れ、コネクタ端子部３としての使用時の挿抜力が増大する。
【００２２】
次に、このような導電部材１１及びこの導電部材１１からメタルコア基板１を製造する一連の方法について図１を参照しながら説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、Ｃｕ系基材１２として、Ｃｕ又はＣｕ合金の板材を用意し、これを脱脂、酸洗等によって表面を清浄にした後、Ｃｕめっき、Ｓｎめっきをこの順序で順次行うことにより、図１（ｂ）に示すように、Ｃｕめっき層２１、Ｓｎめっき層２２を形成する。また、各めっき処理の間には、酸洗又は水洗処理を行う。
Ｃｕめっきの条件としては、めっき浴に硫酸銅（ＣｕＳＯ４）及び硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を主成分とした硫酸銅浴が用いられ、レベリングのために塩素イオン（Ｃｌ−）が添加される。めっき温度は３５〜５５℃、電流密度は２０〜６０Ａ／ｄｍ２とされる。
Ｓｎめっきの条件としては、めっき浴に硫酸（Ｈ２ＳＯ４）と硫酸第一錫（ＳｎＳＯ４）を主成分とした硫酸浴が用いられ、めっき温度は１５〜３５℃、電流密度は１０〜３０Ａ／ｄｍ２とされる。また、Ｓｎめっき浴中には、調整剤としてＳを含有する芳香族化合物の光沢剤（例えばベンゾチアゾール類）が０．１〜１０ｍｇ／Ｌの範囲で添加される。この添加剤成分により、Ｓｎめっき中にＳ成分が取り込まれ、リフロー処理の際にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層とＳｎ系表面層との界面の形状を微妙に調整することが可能となる。
【００２３】
Ｃｕめっきを２０Ａ／ｄｍ２以上の高電流密度とすることにより、粒子を粗くしてめっき表面を適度な凹凸にし、その後のリフロー処理によるＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層を良好な表面粗さとすることができる。その電流密度が６０Ａ／ｄｍ２を超えると、凹凸が大きくなり過ぎてコネクタ端子として使用したときの挿抜力が大きくなる。
また、Ｓｎめっきの電流密度は１０Ａ／ｄｍ２未満ではＳｎの粒界密度が低くなって緻密な表面層を形成する効果が乏しく、一方、電流密度が３０Ａ／ｄｍ２を超えると、電流効率が著しく低下するため望ましくない。
【００２４】
いずれのめっき処理も、一般的なめっき技術よりも高い電流密度で行われる。その場合に、めっき液の攪拌技術が重要となるが、めっき液を処理板に向けて高速で噴きつける方法やめっき液を処理板と平行に流す方法などとすることにより、処理板の表面に新鮮なめっき液を速やかに供給し、高電流密度によって均質なめっき層を短時間で形成することができる。そのめっき液の流速としては、処理板の表面において０．５ｍ／秒以上とすることが望ましい。また、この従来技術よりも一桁高い電流密度でのめっき処理を可能とするために、陽極には、アノード限界電流密度の高い酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を被覆したＴｉ板等の不溶性陽極を用いることが望ましい。
これらの各めっき条件をまとめると、以下の表１及び表２に示す通りとなる。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
そして、この二種類のめっき処理を施した後、加熱してリフロー処理を行う。そのリフロー処理はＣＯ還元性雰囲気にした加熱炉内でめっき後の処理材を２４０〜３００℃の温度で１０〜９０秒加熱した後、１０〜９０℃の水を用いて冷却する処理とされる。
このリフロー処理を還元性雰囲気で行うことによりＳｎめっき表面に溶融温度の高いすず酸化物皮膜が生成するのを防ぎ、より低い温度かつより短い時間でリフロー処理を行うことが可能となり、所望の金属間化合物構造を作製することが容易となる。
【００２８】
以上のように、Ｃｕ系基材１２の表面に表１及び表２に示すめっき条件により二層のめっきを施した後、リフロー処理することにより、図２に示すように、Ｃｕ系基材１２の表面がＣｕ３Ｓｎ層１５によって覆われ、その上にさらにＣｕ６Ｓｎ５層１６が形成され、最表面にＳｎ系表面層１４が形成された導電部材１１が製作される。図１（ｃ）には、Ｃｕ系基材１２とＳｎ系表面層１４との間をＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３として表示している。
【００２９】
次いで、このようにして製作した導電部材１１を図３に示すメタルコア基板１のメタルプレート４として用いるために、図１（ｄ）に示すように、導電部材１１において回路基板部２となる領域の最表面層であるＳｎ系表面層１４を除去する。このＳｎ系表面層１４を除去する場合、導電部材１１におけるコネクタ端子部３となる領域にマスク２３を被覆しておき、例えばレイボルド株式会社製のＬ８０等の純ＳｎをエッチングしＣｕ−Ｓｎ合金を腐食しない成分からなるめっき被膜剥離用のエッチング液に５分間浸漬することにより、マスク２３により覆われていない領域のＳｎ系表面層１４が除去され、その下層のＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３が露出される。このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３は、前述したようにＲａ，Ｒｚが所定の大きさの表面粗さに形成されており、一方、マスク２３により被覆しておいたコネクタ端子部３となる領域では、Ｓｎ系表面層１４により平滑な表面に維持される。この部分的にＳｎ系表面層１４が除去され、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３が露出した図１（ｄ）に示す状態がメタルプレート４である。
【００３０】
次に、図１（ｅ）に示すように、メタルプレート４のＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３が露出している部分に樹脂による絶縁層５を被覆する。この絶縁層５は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂の樹脂を熱圧着する、あるいはこれら熱硬化性樹脂を補強材のガラス布に含浸させて半硬化状態にした接着シート（プリプレグ）を積層する、樹脂を液状にして塗布し硬化させるなどの方法により形成される。
そして、その絶縁層５の上に回路導体６を形成すると、メタルコア基板１として完成する。この回路導体６は、絶縁層５に銅箔を積層してなるもので、必要な部分をパターンエッチングするなどの方法で形成される。
【実施例】
【００３１】
次に本発明の実施例を説明する。
Ｃｕ合金板（Ｃｕ系基材）として、厚さ０．２５ｍｍの三菱伸銅株式会社製ＴＣ材を用い、これにＣｕ、Ｓｎの各めっき処理を順次行った。この場合、表３に示すように、各めっき処理の電流密度を変えて複数の試料を作成した。各めっき層の目標厚さについては、Ｃｕめっき層の厚さは０．３μｍ、Ｓｎめっき層の厚さは１．５μｍとした。また、これら二種類の各めっき工程間には、処理材表面からめっき液を洗い流すための水洗工程を入れた。
本実施例におけるめっき処理では、Ｃｕ合金板にめっき液を高速で噴きつけ、なおかつ酸化イリジウムを被覆したＴｉ板の不溶性陽極を用いた。
上記の二種類のめっき処理を行った後、その処理材に対してリフロー処理を行った。このリフロー処理は、最後のＳｎめっき処理をしてから１分後に行い、２７０℃で２０秒間加熱した。
【００３２】
このようにしてめっき処理、リフロー処理を施して作製した処理材について、その断面を観察するとともに、Ｓｎ系表面層中のＳ含有量をグロー放電発光分光分析（ＧＤ−ＯＥＳ）により測定した。
本実施例の処理材断面は、透過電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＴＥＭ−ＥＤＳ分析）の結果、Ｃｕ系基材の上に、Ｃｕ３Ｓｎ層、Ｃｕ６Ｓｎ５層、Ｓｎ系表面層の３層構造となっており、なおかつＣｕ６Ｓｎ５層の表面には凹凸があった。またＣｕ６Ｓｎ５層とＣｕ系基材の界面には不連続なＣｕ３Ｓｎ層があり、集束イオンビームによる断面の走査イオン顕微鏡（ＦＩＢ−ＳＩＭ像）から観察されるＣｕ３Ｓｎ層のＣｕ系基材に対する表面被覆率は６０％以上であった。また、この透過電子顕微鏡でＳｎ系表面層の厚さを測定し、その最小膜厚を求めた。
【００３３】
次に、この処理材について、コネクタ部を想定した領域をマスクにより被覆した状態として、前述しためっき被膜剥離用エッチング液を使用してＳｎ系表面層を除去し、露出したＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の表面粗さとして、算術平均粗さＲａと十点平均粗さＲｚとを測定した。
この表面粗さは、露出させたＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の表面に、オリンパス株式会社製の走査型共焦点赤外レーザ顕微鏡ＬＥＸＴ ＯＬＳ−３０００−ＩＲを用い、対物レンズ１００倍の条件でレーザ光を照射して、その反射光から距離を測定し、そのレーザ光をＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の表面に沿って直線的にスキャンしながら距離を連続的に測定することにより求めた。
以上の試験条件並びにＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の表面粗さ、Ｓｎ系表面層の最小膜厚、Ｓ含有量の各測定結果を表３にまとめた。
【００３４】
【表３】
【００３５】
この表３のように作製された試料について、Ｓｎ系表面層を除去してＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層が露出している部分にＵＬ／ＡＮＳＩグレードでＦＲ−４のガラスエポキシ樹脂からなる絶縁層を熱プレスにより厚さ０．２ｍｍで形成した。
そして、Ｓｎ系表面層のままの状態としたコネクタ部については１０５℃×１０００時間経過後の接触抵抗、動摩擦係数、はんだ耐熱性を測定し、絶縁層を形成した回路基板部については絶縁層の剥離強度を測定した。
接触抵抗は、試料を１０５℃×１０００時間放置した後、山崎精機株式会社製電気接点シミュレーターを用い荷重０．４９Ｎ（５０ｇｆ）摺動有りの条件で測定した。
【００３６】
動摩擦係数については、嵌合型のコネクタのオス端子とメス端子の接点部を模擬するように、各試料によって板状のオス試験片と内径１．５ｍｍの半球状としたメス試験片とを作成し、アイコーエンジニアリング株式会社製の横型荷重測定器（Ｍｏｄｅｌ−２１５２ＮＲＥ）を用い、両試験片間の摩擦力を測定して動摩擦係数を求めた。図４により説明すると、水平な台３１上にオス試験片３２を固定し、その上にメス試験片３３の半球凸面を置いてめっき面どうしを接触させ、メス試験片３３に錘３４によって４．９Ｎ（５００ｇｆ）の荷重Ｐをかけてオス試験片３２を押さえた状態とする。この荷重Ｐをかけた状態で、オス試験片３２を摺動速度８０ｍｍ／分で矢印で示す水平方向に１０ｍｍ引っ張ったときの摩擦力Ｆをロードセル３５によって測定した。その摩擦力Ｆの平均値Ｆａｖと荷重Ｐより動摩擦係数（＝Ｆａｖ／Ｐ）を求めた。
剥離強度は、０．２５ｍｍの銅板では測定が困難なことから、３５μｍのＴＣ銅箔上に同様の条件でＳｎめっきを施してリフロー処理した後、ＪＩＳ Ｃ ６４８１の規定に準拠して測定した。
はんだ耐熱性は、ＪＩＳ Ｃ ６４８１の常態の測定方法の規定に準拠して測定し、絶縁層を形成した回路基板部に膨れ又ははがれが生じたものを×、生じなかったものを○とした。
これらの結果を表４に示す。
【００３７】
【表４】
【００３８】
この表４から明らかなように、本実施例のメタルプレートは、そのコネクタ部に関しては、高温時の接触抵抗が小さく、動摩擦係数も小さいことから、コネクタ使用時の挿抜力も小さく良好であり、また、耐熱性にも優れていると判断できる。また、回路基板部においては、絶縁層が強固に接合されており、剥離等が生じない接合信頼性の高いものであると判断できる。
【００３９】
また、絶縁層の耐マイグレーション性に関して、ＪＰＣＡ−ＥＴ０４−２００７の規定に準拠した条件で、絶縁層を挟んだメタルプレートと外層銅箔との間に印加電圧ＤＣ５０Ｖを加え、１０００時間経過後の絶縁抵抗値を測定した。
実施例試料としては、表３の試料１〜６の条件で製作したものを選択し、比較例としては、従来技術としての黒化処理をメタルプレートの粗化処理として施したものを使用した。絶縁抵抗値が１ＭΩ以下となったものを×とした。
【００４０】
【表５】
【００４１】
この表５から明らかなように、黒化処理による比較例では、絶縁抵抗が低下して不良となったが、実施例のものは不良とならなかった。これは、黒化処理ではＣｕを酸化物として粗化するため、加湿された際にＣｕ酸化物がイオン化して絶縁劣化を起こし易いためと考えられる。これに対して、実施例のＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層は、合金成分のＳｎが不動態化するため、金属イオンが溶出し難く、このため絶縁抵抗値が低下することなく維持されるのである。
【００４２】
なお、一実施形態の導電部材においては、Ｃｕ系基材の表面にＣｕめっき、Ｓｎめっきを施してリフロー処理することにより、Ｃｕ系基材とＳｎ系表面層との間にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層を形成したが、Ｃｕ系基材の表面にＮｉめっき、Ｓｎめっきを施してリフロー処理することにより、Ｃｕ系基材とＳｎ系表面層との間にＮｉ−Ｓｎ金属間化合物層を形成するようにしてもよい。この場合は、メタルプレートとしては、回路基板部となる領域のＳｎ系表面層を除去することにより、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層の場合と同様な表面粗さのＮｉ−Ｓｎ金属間化合物層が露出するので、そのＮｉ−Ｓｎ金属間化合物層に絶縁層を接合すればよい。
また、実施形態では、Ｓを含有する芳香族化合物の光沢剤をＳｎめっき浴に添加したが、Ｃｕめっき浴に添加してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１ メタルコア基板
２ 回路基板部
３ コネクタ部
４ メタルプレート
５ 絶縁層
６ 回路導体
７ 電子部品
１１ 導電部材
１２ Ｃｕ系基材
１３ Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層
１４ Ｓｎ系表面層
１５ Ｃｕ３Ｓｎ層
１６ Ｃｕ６Ｓｎ５層
２１ Ｃｕめっき層
２２ Ｓｎめっき層
２３ マスク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板の芯材としてメタルプレートを配置したメタルコア基板、そのメタルコア基板のメタルプレート、及びこのメタルプレートとして用いて好適な導電部材並びにこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタルコア基板は、回路基板の芯材としてメタルプレートを配置してなるもので、放熱性、機械的強度、シールド性等に優れている。近年では、自動車の高機能化、広い車室空間の確保等の要請に伴い、小型で高密度実装を実現するための基板として車載用に広く用いられてきている。
この種のメタルコア基板としては、例えば特許文献１から特許文献５に記載のものがある。これら特許文献に記載のメタルコア基板は、コアとなるアルミニウムや銅等のメタルプレートの表面に絶縁層が形成されるとともに、その上面に回路パターンが形成され、その回路パターンに電子部品が搭載されるようになっている。
【０００３】
このうち、特許文献１記載のメタルコア基板は、絶縁層を介して回路パターンが形成された部分が放熱プレート部とされるとともに、両端部が外部接続用端子プレート部とされ、その端子プレート部においてはコアメタルプレートの一部が絶縁層から露出されている。そして、放熱プレート部に発熱素子や駆動部品を搭載した状態で、樹脂製の箱型のケースに収納固定されている。また、そのケースには、オスコネクタ部が一体形成されており、そのオスコネクタ部内に、メタルコア基板の端子プレート部が外方に向けて突出するように配置され、そのオスコネクタ部内の端子プレート部に外部のメスコネクタが接続できるようになっている。
【０００４】
また、特許文献２では、メタルコア基板の一部の絶縁層を除去して、メタルプレートを露出し、その露出部分にＮｉめっきやＡｕめっきを施して、はんだ接続用のパッドを形成している。特許文献３及び特許文献４にも、メタルプレートの一部を外部と電気的接続可能とするために、メタルプレートにめっき被膜を形成することが記載されている。
一方、特許文献５には、表面粗度が小さい圧延銅板からなるメタルプレートを用いる場合に、絶縁層との接着性を高めるために、メタルプレートの表面をエッチングやパルス電解技術により粗化処理することが記載されている。絶縁層との接着性向上のために、メタルプレートの表面を粗化処理することは、特許文献３にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２５３４２８号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２４２５号公報
【特許文献３】特開２００２−２２３０７０号公報
【特許文献４】特開２００３−３３２７５２号公報
【特許文献５】特開２００８−２２３０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、この種のメタルコア基板において、特許文献１に代表されるように、放熱プレート部のように電子部品が搭載される部分と、端子プレート部のように外部と電気接続される部分との両方を備えている場合、コアとなるメタルプレートは、前者では絶縁層により被覆され、後者では絶縁層から露出される。この形態においては、絶縁層に被覆される部分では、金属板の表面は一般に平滑であるために、特許文献３や特許文献５に記載のようにメタルプレートに直接絶縁層を形成するのではなく、絶縁層との接着性向上のためにメタルプレートに粗化処理しておくことが必要になり、一方、外部接続部分では、特許文献２〜４に記載のようにメタルプレートを絶縁層から露出するだけでなく、露出したメタルプレートにめっき処理することが必要になる。
いずれの場合も、メタルプレートをそのまま使用することはできず、粗化処理やめっき処理の部分的な加工が必要で生産性が悪い。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、絶縁層に被覆される部分と、外部と電気的接続される部分との二つの機能を併せ持つメタルプレートを簡単に製作することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために、本発明は、メタルプレート用導電部材、その導電部材から製造したメタルプレート及びそのメタルプレートを用いたメタルコア基板並びにこれらの製造方法を提案する。
本発明のメタルプレート用導電部材は、Ｃｕ系基材を有するとともに、表面にＳｎ系表面層が形成され、該Ｓｎ系表面層と前記Ｃｕ系基材との間にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物又はＮｉ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層が形成された導電部材であって、前記金属間化合物層の前記Ｓｎ系表面層と接する面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜０．３５μｍであり、かつ、十点平均粗さＲｚで０．５〜３．０μｍであることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、最外層に形成されるＳｎ系表面層は、導電部材として良好な接触性、はんだ付け性等の電気的特性を有し、コネクタ端子やリードフレーム等に広く用いられているものであるが、そのＳｎ系表面層の下に形成されるＣｕ−Ｓｎ金属間化合物又はＮｉ−Ｓｎ金属間化合物の金属間化合物層は、その膜厚が必ずしも一様ではなく、凹凸を有している。この凹凸の表面粗さを前記範囲とすることにより、この導電部材をメタルプレートとして利用する際に、絶縁層で被覆される部分については、Ｓｎ系表面層を除去すると、露出した金属間化合物層の表面が適度な凹凸を有し、絶縁層を高い接合強度で接合することができる。また、絶縁層により被覆されない部分は、Ｓｎ系表面層により導電部材として良好な電気的特性を有しているので、そのままの状態で外部との電気的接続部分として用いることができる。
この場合、金属間化合物層のＳｎ系表面層と接する面の表面粗さが前記範囲よりも小さいと、凹凸がほとんどなくなってしまい、絶縁層との良好な接合強度を得ることができず、また、前記範囲を超えると、絶縁層との接合強度は大きくなるが、Ｓｎ系表面層の下に凹凸の大きい金属間化合物層が存在することになるから、特にコネクタ端子として使用したときの挿抜時の抵抗が大きくなるため好ましくない。
【００１０】
また、本発明のメタルプレートは、前記導電部材の表面の一部のＳｎ系表面層が除去され、前記金属間化合物層の表面が露出していることを特徴とする。
さらに、本発明のメタルコア基板は、前記メタルプレートにおける前記金属間化合物層の露出部分が絶縁層により被覆されていることを特徴とする。
【００１１】
そして、本発明のメタルプレートの製造方法は、Ｃｕ系基材の表面に、Ｎｉ又はＮｉ合金、Ｃｕ又はＣｕ合金のいずれかをめっきし、その上にＳｎ又はＳｎ合金をめっきしてそれぞれのめっき層を形成した後、加熱してリフロー処理することにより、前記Ｃｕ系基材と最外層のＳｎ系表面層との間に、Ｎｉ−Ｓｎ金属間化合物又はＣｕ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層を形成した導電部材を製作する工程と、該導電部材における前記Ｓｎ系表面層の一部を除去して、前記金属間化合物層の表面を露出する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のメタルコア基板の製造方法は、前記メタルプレートの製造方法によってメタルプレートを製作し、露出した前記金属間化合物層の上に絶縁層を形成する工程を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、最外層のＳｎ系表面層の下の金属間化合物層が適度の凹凸を有しており、メタルプレートとして利用する際に、絶縁層で被覆される部分については、Ｓｎ系表面層を除去すると、露出した金属間化合物層表面の凹凸により絶縁層を高い接合強度で接合することができ、一方、絶縁層により被覆されない部分は、電気的特性に優れるＳｎ系表面層により、そのままの状態で外部との電気的接続部分として用いることができ、しかもコネクタ端子として用いた場合にも良好な挿抜性を得ることができる。したがって、特別の後加工を施すことなく、絶縁層との接合性を高めた部分と、電気的接続信頼性やコネクタ端子としての挿抜性を高めた部分との二つの異なる機能を併せ持つメタルプレートを簡単に製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るメタルコア基板の製造方法の一実施形態を工程順に示す断面図である。
【図２】本発明に係るメタルプレート用導電部材の一実施形態の表層部分をモデル化して示した拡大断面図である。
【図３】本発明に係るメタルコア基板の一実施形態について使用状態を示す断面図である。
【図４】導電部材の動摩擦係数を測定するための装置を概念的に示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を説明する。
まず、メタルコア基板について説明すると、このメタルコア基板１は、図３に示すように、長さ方向の中央部に配置される回路基板部２と、両端部に配置されるコネクタ端子部３とを一体に形成してなるものである。回路基板部２は、コアとなるメタルプレート４の両面が絶縁層５により被覆され、この絶縁層５の上に回路導体６が形成されており、その上に電子部品７が搭載される。一方、コネクタ端子部３は、メタルプレート４の絶縁層５により被覆されていない両端部がそのままコネクタ端子部３とされ、外部のコネクタ端子８が二点鎖線で示すように嵌合状態に接続されるようになっている。
また、メタルプレート４は、以下に述べるメタルプレート用導電部材１１において、コネクタ端子部３となる中央部分の最表面層の一部を除去して、内層の表面を露出することにより形成したものである。
【００１６】
次に、このメタルプレート用導電部材１１について説明する。
この実施形態のメタルプレート用導電部材１１は、図２に示すように、Ｃｕ系基材１２の表面に、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３、Ｓｎ系表面層１４がこの順に形成されるとともに、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３はさらに、Ｃｕ３Ｓｎ層１５とＣｕ６Ｓｎ５層１６とから構成されている。
Ｃｕ系基材１２は、Ｃｕ又はＣｕ合金から構成された例えば板状のものである。Ｃｕ合金としては、その材質は必ずしも限定されないが、無酸素銅、タフピッチ銅、Ｃｕ−Ｚｒ系合金、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ系合金、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ系合金がプレス加工性に優れながら導電率と熱伝導率が高いため好適であり、例えば、三菱伸銅株式会社製ＯＦＣ，ＴＣ，ＴＡＭＡＣ４，Ｃ１５１，ＭＺＣ１，ＺＣ，ＴＡＭＡＣ１９４が好適に用いられる。
【００１７】
Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３は、後述するようにＣｕ系基材１２の上にめっきしたＣｕ合金と表面のＳｎとがリフロー処理によって拡散して形成された合金層である。このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３は、全体としては、０．０５〜２μｍの厚さ、好ましくは０．１μｍ以上の厚さに形成され、さらに、Ｃｕ系基材１２の上に配置されるＣｕ３Ｓｎ層１５と、該Ｃｕ３Ｓｎ層１５の上に配置されるＣｕ６Ｓｎ５層１６とから構成されている。また、このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３又はＳｎ系表面層１４の少なくともいずれかには、Ｓ（硫黄）が１０〜１００ｐｐｍの範囲で含有している。この場合、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３全体としては凹凸が形成されており、Ｓｎ系表面層１４に接する面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜０．３５μｍであり、かつ、十点平均粗さＲｚで０．５〜３．０μｍとされている。
【００１８】
算術平均粗さＲａが０．０５〜０．３５μｍとしたのは、コネクタ端子部３として用いる場合には、Ｒａが小さい方が挿抜力が低減して好ましいが、後述するようにＳｎ系表面層１４を除去したときの表面とが絶縁層５との良好な接合強度を確保するためにはＲａが０．０５μｍ以上必要であり、０．３５μｍを超えるほどに凹凸が大きくなると、Ｓｎ系表面層１４を被覆したままコネクタ端子部３として用いる際にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３の凹凸が抵抗となって挿抜力が増大して好ましくないからである。
一方、十点平均粗さＲｚに関しては、Ｒｚが０．５μｍ以上あると、絶縁層５に対するアンカー効果が有効に機能し、接合強度を高めることができるが、局部的に山・谷が大き過ぎると、欠陥の原因となる。Ｒｚが３．０μｍを超えると、高温時にＣｕ系基材１２のＣｕが拡散してＣｕ−Ｓｎ合金層１３が成長し、そのＣｕ６Ｓｎ５層１６が導電部材１１の表面まで達し、これにより、表面にＣｕ酸化物が形成され、接触抵抗を増大させることになる。したがって、Ｒｚは最大３．０μｍまでが好ましい。
前述したＳは、このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３の表面の凹凸を適切な範囲に調整するために有効である。１００ｐｐｍを超えると、めっき膜がもろくなるので好ましくない。２０ｐｐｍ〜５０ｐｐｍがより好ましい。
【００１９】
また、このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３のうちの下層に配置されるＣｕ３Ｓｎ層１５は、Ｃｕ系基材１２を覆っており、その面積被覆率が６０〜１００％とされている。この面積被覆率が６０％未満となって低いと、高温時にＣｕ系基材１２のＣｕが拡散することにより、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３が成長して導電部材１１の表面まで達し、これにより、表面にＣｕ酸化物が形成され、接触抵抗が増大する。Ｃｕ系基材１２の少なくとも６０％以上がＣｕ３Ｓｎ層１５によって被覆されていることにより、高温時の接触抵抗の増大を防止することができる。より望ましくは８０％以上が被覆されているとよい。
この面積被覆率は、皮膜を集束イオンビーム（ＦＩＢ；Focused Ion Beam）により断面加工し、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ；Scanning Ion Microscope）で観察した表面の走査イオン像（ＳＩＭ像）から確認することができる。
【００２０】
また、このＣｕ３Ｓｎ層１５の平均厚さは０．０１〜０．５μｍとされ、その平均厚さが０．０１μｍ未満と少ない場合には、Ｃｕ系基材１１のＣｕの拡散を抑える効果が乏しくなる。また、０．５μｍを超えると、高温時にＣｕ３Ｓｎ層１５がＳｎリッチのＣｕ６Ｓｎ５層１６に変化し、その分、Ｓｎ系表面層１４を減少させ、接触抵抗が高くなるため好ましくない。この平均厚さは、Ｃｕ３Ｓｎ層１５が存在する部分で、その厚さを複数個所測定したときの平均値である。
なお、このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３は、Ｃｕ系基材１２の上にめっきしたＣｕと表面のＳｎとが拡散することにより合金化したものであるから、リフロー処理等の条件によっては下地となったＣｕめっき層の全部が拡散してＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３となる場合もあるが、そのＣｕめっき層が残る場合もある。このＣｕめっき層が残る場合は、そのＣｕめっき層は例えば０．０１〜０．１μｍの厚さとされる。
【００２１】
最表面のＳｎ系表面層１４は、Ｓｎ又はＳｎ合金を電解めっきした後にリフロー処理することによって形成されたものであり、例えば０．０５〜２．５μｍの厚さに形成される。このＳｎ系表面層１４の厚さが０．０５μｍ未満であると、高温時にＣｕが拡散して表面にＣｕの酸化物が形成され易くなることから接触抵抗が増加し、また、はんだ付け性や耐食性も低下する。一方、２．５μｍを超えると、柔軟なＳｎ系表面層１４の下層に存在するＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３による表面の下地を硬くする効果が薄れ、コネクタ端子部３としての使用時の挿抜力が増大する。
【００２２】
次に、このような導電部材１１及びこの導電部材１１からメタルコア基板１を製造する一連の方法について図１を参照しながら説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、Ｃｕ系基材１２として、Ｃｕ又はＣｕ合金の板材を用意し、これを脱脂、酸洗等によって表面を清浄にした後、Ｃｕめっき、Ｓｎめっきをこの順序で順次行うことにより、図１（ｂ）に示すように、Ｃｕめっき層２１、Ｓｎめっき層２２を形成する。また、各めっき処理の間には、酸洗又は水洗処理を行う。
Ｃｕめっきの条件としては、めっき浴に硫酸銅（ＣｕＳＯ４）及び硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を主成分とした硫酸銅浴が用いられ、レベリングのために塩素イオン（Ｃｌ−）が添加される。めっき温度は３５〜５５℃、電流密度は２０〜６０Ａ／ｄｍ２とされる。
Ｓｎめっきの条件としては、めっき浴に硫酸（Ｈ２ＳＯ４）と硫酸第一錫（ＳｎＳＯ４）を主成分とした硫酸浴が用いられ、めっき温度は１５〜３５℃、電流密度は１０〜３０Ａ／ｄｍ２とされる。また、Ｓｎめっき浴中には、調整剤としてＳを含有する芳香族化合物の光沢剤（例えばベンゾチアゾール類）が０．１〜１０ｍｇ／Ｌの範囲で添加される。この添加剤成分により、Ｓｎめっき中にＳ成分が取り込まれ、リフロー処理の際にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層とＳｎ系表面層との界面の形状を微妙に調整することが可能となる。
【００２３】
Ｃｕめっきを２０Ａ／ｄｍ２以上の高電流密度とすることにより、粒子を粗くしてめっき表面を適度な凹凸にし、その後のリフロー処理によるＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層を良好な表面粗さとすることができる。その電流密度が６０Ａ／ｄｍ２を超えると、凹凸が大きくなり過ぎてコネクタ端子として使用したときの挿抜力が大きくなる。
また、Ｓｎめっきの電流密度は１０Ａ／ｄｍ２未満ではＳｎの粒界密度が低くなって緻密な表面層を形成する効果が乏しく、一方、電流密度が３０Ａ／ｄｍ２を超えると、電流効率が著しく低下するため望ましくない。
【００２４】
いずれのめっき処理も、一般的なめっき技術よりも高い電流密度で行われる。その場合に、めっき液の攪拌技術が重要となるが、めっき液を処理板に向けて高速で噴きつける方法やめっき液を処理板と平行に流す方法などとすることにより、処理板の表面に新鮮なめっき液を速やかに供給し、高電流密度によって均質なめっき層を短時間で形成することができる。そのめっき液の流速としては、処理板の表面において０．５ｍ／秒以上とすることが望ましい。また、この従来技術よりも一桁高い電流密度でのめっき処理を可能とするために、陽極には、アノード限界電流密度の高い酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を被覆したＴｉ板等の不溶性陽極を用いることが望ましい。
これらの各めっき条件をまとめると、以下の表１及び表２に示す通りとなる。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】
そして、この二種類のめっき処理を施した後、加熱してリフロー処理を行う。そのリフロー処理はＣＯ還元性雰囲気にした加熱炉内でめっき後の処理材を２４０〜３００℃の温度で１０〜９０秒加熱した後、１０〜９０℃の水を用いて冷却する処理とされる。
このリフロー処理を還元性雰囲気で行うことによりＳｎめっき表面に溶融温度の高いすず酸化物皮膜が生成するのを防ぎ、より低い温度かつより短い時間でリフロー処理を行うことが可能となり、所望の金属間化合物構造を作製することが容易となる。
【００２８】
以上のように、Ｃｕ系基材１２の表面に表１及び表２に示すめっき条件により二層のめっきを施した後、リフロー処理することにより、図２に示すように、Ｃｕ系基材１２の表面がＣｕ３Ｓｎ層１５によって覆われ、その上にさらにＣｕ６Ｓｎ５層１６が形成され、最表面にＳｎ系表面層１４が形成された導電部材１１が製作される。図１（ｃ）には、Ｃｕ系基材１２とＳｎ系表面層１４との間をＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３として表示している。
【００２９】
次いで、このようにして製作した導電部材１１を図３に示すメタルコア基板１のメタルプレート４として用いるために、図１（ｄ）に示すように、導電部材１１において回路基板部２となる領域の最表面層であるＳｎ系表面層１４を除去する。このＳｎ系表面層１４を除去する場合、導電部材１１におけるコネクタ端子部３となる領域にマスク２３を被覆しておき、例えばレイボルド株式会社製のＬ８０等の純ＳｎをエッチングしＣｕ−Ｓｎ合金を腐食しない成分からなるめっき被膜剥離用のエッチング液に５分間浸漬することにより、マスク２３により覆われていない領域のＳｎ系表面層１４が除去され、その下層のＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３が露出される。このＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３は、前述したようにＲａ，Ｒｚが所定の大きさの表面粗さに形成されており、一方、マスク２３により被覆しておいたコネクタ端子部３となる領域では、Ｓｎ系表面層１４により平滑な表面に維持される。この部分的にＳｎ系表面層１４が除去され、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３が露出した図１（ｄ）に示す状態がメタルプレート４である。
【００３０】
次に、図１（ｅ）に示すように、メタルプレート４のＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層１３が露出している部分に樹脂による絶縁層５を被覆する。この絶縁層５は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂の樹脂を熱圧着する、あるいはこれら熱硬化性樹脂を補強材のガラス布に含浸させて半硬化状態にした接着シート（プリプレグ）を積層する、樹脂を液状にして塗布し硬化させるなどの方法により形成される。
そして、その絶縁層５の上に回路導体６を形成すると、メタルコア基板１として完成する。この回路導体６は、絶縁層５に銅箔を積層してなるもので、必要な部分をパターンエッチングするなどの方法で形成される。
【実施例】
【００３１】
次に本発明の実施例を説明する。
Ｃｕ合金板（Ｃｕ系基材）として、厚さ０．２５ｍｍの三菱伸銅株式会社製ＴＣ材を用い、これにＣｕ、Ｓｎの各めっき処理を順次行った。この場合、表３に示すように、各めっき処理の電流密度を変えて複数の試料を作成した。各めっき層の目標厚さについては、Ｃｕめっき層の厚さは０．３μｍ、Ｓｎめっき層の厚さは１．５μｍとした。また、これら二種類の各めっき工程間には、処理材表面からめっき液を洗い流すための水洗工程を入れた。
本実施例におけるめっき処理では、Ｃｕ合金板にめっき液を高速で噴きつけ、なおかつ酸化イリジウムを被覆したＴｉ板の不溶性陽極を用いた。
上記の二種類のめっき処理を行った後、その処理材に対してリフロー処理を行った。このリフロー処理は、最後のＳｎめっき処理をしてから１分後に行い、２７０℃で２０秒間加熱した。
【００３２】
このようにしてめっき処理、リフロー処理を施して作製した処理材について、その断面を観察するとともに、Ｓｎ系表面層中のＳ含有量をグロー放電発光分光分析（ＧＤ−ＯＥＳ）により測定した。
本実施例の処理材断面は、透過電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型Ｘ線分光分析（ＴＥＭ−ＥＤＳ分析）の結果、Ｃｕ系基材の上に、Ｃｕ３Ｓｎ層、Ｃｕ６Ｓｎ５層、Ｓｎ系表面層の３層構造となっており、なおかつＣｕ６Ｓｎ５層の表面には凹凸があった。またＣｕ６Ｓｎ５層とＣｕ系基材の界面には不連続なＣｕ３Ｓｎ層があり、集束イオンビームによる断面の走査イオン顕微鏡（ＦＩＢ−ＳＩＭ像）から観察されるＣｕ３Ｓｎ層のＣｕ系基材に対する表面被覆率は６０％以上であった。また、この透過電子顕微鏡でＳｎ系表面層の厚さを測定し、その最小膜厚を求めた。
【００３３】
次に、この処理材について、コネクタ部を想定した領域をマスクにより被覆した状態として、前述しためっき被膜剥離用エッチング液を使用してＳｎ系表面層を除去し、露出したＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の表面粗さとして、算術平均粗さＲａと十点平均粗さＲｚとを測定した。
この表面粗さは、露出させたＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の表面に、オリンパス株式会社製の走査型共焦点赤外レーザ顕微鏡ＬＥＸＴ ＯＬＳ−３０００−ＩＲを用い、対物レンズ１００倍の条件でレーザ光を照射して、その反射光から距離を測定し、そのレーザ光をＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の表面に沿って直線的にスキャンしながら距離を連続的に測定することにより求めた。
以上の試験条件並びにＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層の表面粗さ、Ｓｎ系表面層の最小膜厚、Ｓ含有量の各測定結果を表３にまとめた。
【００３４】
【表３】
【００３５】
この表３のように作製された試料について、Ｓｎ系表面層を除去してＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層が露出している部分にＵＬ／ＡＮＳＩグレードでＦＲ−４のガラスエポキシ樹脂からなる絶縁層を熱プレスにより厚さ０．２ｍｍで形成した。
そして、Ｓｎ系表面層のままの状態としたコネクタ部については１０５℃×１０００時間経過後の接触抵抗、動摩擦係数、はんだ耐熱性を測定し、絶縁層を形成した回路基板部については絶縁層の剥離強度を測定した。
接触抵抗は、試料を１０５℃×１０００時間放置した後、山崎精機株式会社製電気接点シミュレーターを用い荷重０．４９Ｎ（５０ｇｆ）摺動有りの条件で測定した。
【００３６】
動摩擦係数については、嵌合型のコネクタのオス端子とメス端子の接点部を模擬するように、各試料によって板状のオス試験片と内径１．５ｍｍの半球状としたメス試験片とを作成し、アイコーエンジニアリング株式会社製の横型荷重測定器（Ｍｏｄｅｌ−２１５２ＮＲＥ）を用い、両試験片間の摩擦力を測定して動摩擦係数を求めた。図４により説明すると、水平な台３１上にオス試験片３２を固定し、その上にメス試験片３３の半球凸面を置いてめっき面どうしを接触させ、メス試験片３３に錘３４によって４．９Ｎ（５００ｇｆ）の荷重Ｐをかけてオス試験片３２を押さえた状態とする。この荷重Ｐをかけた状態で、オス試験片３２を摺動速度８０ｍｍ／分で矢印で示す水平方向に１０ｍｍ引っ張ったときの摩擦力Ｆをロードセル３５によって測定した。その摩擦力Ｆの平均値Ｆａｖと荷重Ｐより動摩擦係数（＝Ｆａｖ／Ｐ）を求めた。
剥離強度は、０．２５ｍｍの銅板では測定が困難なことから、３５μｍのＴＣ銅箔上に同様の条件でＳｎめっきを施してリフロー処理した後、ＪＩＳ Ｃ ６４８１の規定に準拠して測定した。
はんだ耐熱性は、ＪＩＳ Ｃ ６４８１の常態の測定方法の規定に準拠して測定し、絶縁層を形成した回路基板部に膨れ又ははがれが生じたものを×、生じなかったものを○とした。
これらの結果を表４に示す。
【００３７】
【表４】
【００３８】
この表４から明らかなように、本実施例のメタルプレートは、そのコネクタ部に関しては、高温時の接触抵抗が小さく、動摩擦係数も小さいことから、コネクタ使用時の挿抜力も小さく良好であり、また、耐熱性にも優れていると判断できる。また、回路基板部においては、絶縁層が強固に接合されており、剥離等が生じない接合信頼性の高いものであると判断できる。
【００３９】
また、絶縁層の耐マイグレーション性に関して、ＪＰＣＡ−ＥＴ０４−２００７の規定に準拠した条件で、絶縁層を挟んだメタルプレートと外層銅箔との間に印加電圧ＤＣ５０Ｖを加え、１０００時間経過後の絶縁抵抗値を測定した。
実施例試料としては、表３の試料１〜６の条件で製作したものを選択し、比較例としては、従来技術としての黒化処理をメタルプレートの粗化処理として施したものを使用した。絶縁抵抗値が１ＭΩ以下となったものを×とした。
【００４０】
【表５】
【００４１】
この表５から明らかなように、黒化処理による比較例では、絶縁抵抗が低下して不良となったが、実施例のものは不良とならなかった。これは、黒化処理ではＣｕを酸化物として粗化するため、加湿された際にＣｕ酸化物がイオン化して絶縁劣化を起こし易いためと考えられる。これに対して、実施例のＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層は、合金成分のＳｎが不動態化するため、金属イオンが溶出し難く、このため絶縁抵抗値が低下することなく維持されるのである。
【００４２】
なお、一実施形態の導電部材においては、Ｃｕ系基材の表面にＣｕめっき、Ｓｎめっきを施してリフロー処理することにより、Ｃｕ系基材とＳｎ系表面層との間にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層を形成したが、Ｃｕ系基材の表面にＮｉめっき、Ｓｎめっきを施してリフロー処理することにより、Ｃｕ系基材とＳｎ系表面層との間にＮｉ−Ｓｎ金属間化合物層を形成するようにしてもよい。この場合は、メタルプレートとしては、回路基板部となる領域のＳｎ系表面層を除去することにより、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層の場合と同様な表面粗さのＮｉ−Ｓｎ金属間化合物層が露出するので、そのＮｉ−Ｓｎ金属間化合物層に絶縁層を接合すればよい。
また、実施形態では、Ｓを含有する芳香族化合物の光沢剤をＳｎめっき浴に添加したが、Ｃｕめっき浴に添加してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１ メタルコア基板
２ 回路基板部
３ コネクタ部
４ メタルプレート
５ 絶縁層
６ 回路導体
７ 電子部品
１１ 導電部材
１２ Ｃｕ系基材
１３ Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層
１４ Ｓｎ系表面層
１５ Ｃｕ３Ｓｎ層
１６ Ｃｕ６Ｓｎ５層
２１ Ｃｕめっき層
２２ Ｓｎめっき層
２３ マスク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ系基材を有するとともに、表面にＳｎ系表面層が形成され、該Ｓｎ系表面層と前記Ｃｕ系基材との間にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物又はＮｉ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層が形成された導電部材であって、前記金属間化合物層の前記Ｓｎ系表面層と接する面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜０．３５μｍであり、かつ、十点平均粗さＲｚで０．５〜３．０μｍであることを特徴とするメタルコア基板のメタルプレート用導電部材。
【請求項２】
請求項１記載のメタルプレート用導電部材における一部のＳｎ系表面層が除去され、前記金属間化合物層の表面が露出していることを特徴とするメタルコア基板用メタルプレート。
【請求項３】
請求項２記載のコアメタル基板用メタルプレートにおける前記金属間化合物層の露出部分が絶縁層により被覆されていることを特徴とするメタルコア基板。
【請求項４】
Ｃｕ系基材の表面に、Ｎｉ又はＮｉ合金、Ｃｕ又はＣｕ合金のいずれかをめっきし、その上にＳｎ又はＳｎ合金をめっきしてそれぞれのめっき層を形成した後、加熱してリフロー処理することにより、前記Ｃｕ系基材と最外層のＳｎ系表面層との間に、Ｎｉ−Ｓｎ金属間化合物又はＣｕ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層を形成した導電部材を製造する工程と、該導電部材における前記Ｓｎ系表面層の一部を除去して、前記金属間化合物層の表面を露出する工程とを有することを特徴とするメタルコア基板用メタルプレートの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の製造方法によってメタルプレートを製作し、露出した前記金属間化合物層の上に絶縁層を形成する工程を有するメタルコア基板の製造方法。
【請求項１】
Ｃｕ系基材を有するとともに、表面にＳｎ系表面層が形成され、該Ｓｎ系表面層と前記Ｃｕ系基材との間にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物又はＮｉ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層が形成された導電部材であって、前記金属間化合物層の前記Ｓｎ系表面層と接する面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．０５〜０．３５μｍであり、かつ、十点平均粗さＲｚで０．５〜３．０μｍであることを特徴とするメタルコア基板のメタルプレート用導電部材。
【請求項２】
請求項１記載のメタルプレート用導電部材における一部のＳｎ系表面層が除去され、前記金属間化合物層の表面が露出していることを特徴とするメタルコア基板用メタルプレート。
【請求項３】
請求項２記載のコアメタル基板用メタルプレートにおける前記金属間化合物層の露出部分が絶縁層により被覆されていることを特徴とするメタルコア基板。
【請求項４】
Ｃｕ系基材の表面に、Ｎｉ又はＮｉ合金、Ｃｕ又はＣｕ合金のいずれかをめっきし、その上にＳｎ又はＳｎ合金をめっきしてそれぞれのめっき層を形成した後、加熱してリフロー処理することにより、前記Ｃｕ系基材と最外層のＳｎ系表面層との間に、Ｎｉ−Ｓｎ金属間化合物又はＣｕ−Ｓｎ金属間化合物を有する金属間化合物層を形成した導電部材を製造する工程と、該導電部材における前記Ｓｎ系表面層の一部を除去して、前記金属間化合物層の表面を露出する工程とを有することを特徴とするメタルコア基板用メタルプレートの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の製造方法によってメタルプレートを製作し、露出した前記金属間化合物層の上に絶縁層を形成する工程を有するメタルコア基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２４５０９８（Ｐ２０１０−２４５０９８Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８９０３２（Ｐ２００９−８９０３２）
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【出願人】（０００１７６８２２）三菱伸銅株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１日（２００９．４．１）
【出願人】（０００１７６８２２）三菱伸銅株式会社 (116)
【Ｆターム（参考）】
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