JP3766411B2

JP3766411B2 - ハンダ性に優れた表面処理Ａｌ板、それを用いたヒートシンク、およびハンダ性に優れた表面処理Ａｌ板の製造方法

Info

Publication number: JP3766411B2
Application number: JP2003296194A
Authority: JP
Inventors: 貴裕林田; 知之鶴田; 正雄駒井
Original assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Current assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: JP2005060809A

Description

本発明は表面処理Ａｌ板に関わり、特にハンダの濡れ性、ハンダ強度に優れるとともに熱伝導率や熱放射率が大きく、ハンダ付けが可能で優れた放熱性が求められるヒートシンクに好適に適用可能な表面処理Ａｌ板、それを用いたヒートシンク、およびその表面処理Ａｌ板の製造方法に関する。

電子機器の小型化や高密度化にともなって、狭い筐体内部や間隙が殆ど無い状態で装填された部品の温度上昇を抑制する必要が生じている。プリント基板においては、部品の温度上昇を抑制するために、放熱用のヒートシンクを取り付けた基板が用いられている。ヒートシンクは、例えば図１に示すように、プリント基板のような発熱体１の少なくとも１面に密着して設けられる。密着した面積が大きいほど熱伝導が大きくなる。ヒートシンクに用いる材料としては発熱体から急速に熱を吸収できるように、熱伝導性に優れた材料を用いることが好ましい。また、図１に示すように、ヒートシンク２を発熱体１から離れた部分まで延ばして設けると、延長部分から放熱するのでヒートシンクの表面は熱放射性に優れ好ましい。なお、図１において、矢印３は熱伝導の方向を示し、矢印４は熱放射の方向を示している。

鋼板ベースの材料からなるヒートシンクの場合は、プリント基板に直接ハンダ付けして接合することができる。放熱性がさらに要求される場合は、ヒートシンクとして鋼板よりも熱伝導性に優れたＡｌをベースとする材料を用いることが好ましいが、プリント基板に直接ハンダ付けして接合することが困難であるので、Ａｌベースのヒートシンクに専用のピンを取り付け、ピンを介してプリント基板にハンダ付けしている。このようなピンを介して接合する場合は、ピンとヒートシンクの強固な密着状態が得られず、またヒートシンクとプリント基板が直接密着する面積が少なくなるために熱伝導性が低下し、高い熱伝導性を有するＡｌの特性が十分に活かされていない。そのため、良好なハンダ性を有するＡｌ板を得るために、以下に示すような試みが行われている。

例えば、Ａｌ板またはＡｌ系合金金属材にＮｉ系めっき層を介してＳｎめっき層が形成されたハンダ付け性及びめっき密着性に優れたＡｌ系合金金属板を開示されている（例えば特許文献１参照）。このＡｌ系合金金属板においては、溶融Ａｌめっき鋼板などの基材に真空蒸着法を用いてＮｉめっきした後、続いてＳｎめっきを施す。この方法による場合、ＮｉおよびＳｎをめっきするために真空蒸着法を用いるが、真空装置などの大掛かりな装置が必要であり、また製膜速度が小さく生産性に乏しいため、安価に製造することが困難である。
また、アルミニウム基材上に錫又は錫合金層が、アルミニウム基材と錫又は錫合金層との界面に錫の濃度勾配層を形成して被覆されたことを特徴とする半田付性に優れる錫又は錫合金層を被覆したアルミニウム材料を開示されている（例えば特許文献２参照）。このアルミニウム材料においてはアルミニウム合金板に錫を電気めっきした後に加熱する、または溶融した錫合金中にアルミニウム合金板を通すことにより、アルミニウム基材と錫又は錫合金層との界面に錫の濃度勾配層を形成して錫めっきするが、アルミニウム基材と錫めっき層との密着性が不十分であり、特に曲げ加工を施した場合に、錫めっき被膜がアルミニウム基材から剥離しやすい欠点を有している。
特開平０５−３４５９６９号公報特開平０９−２９１３９４号公報

本発明は、めっき層の密着性、ハンダの濡れ性、ハンダ強度に優れるとともに熱伝導率や熱放射率が大きく、ハンダ付けが可能で優れた放熱性を有するヒートシンクに好適に適用可能な表面処理Ａｌ板、それを用いたヒートシンク、およびその表面処理Ａｌ板を安価に製造する方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の表面処理Ａｌ板は、Ａｌ基板表面に、基板表面側から順にＺｎ層、Ｎｉ層を形成させ、該Ｎｉ層の上にさらに、黒色顔料と水溶性ロジンを含有させた水系樹脂を塗布し乾燥させて形成してなる熱放射性を向上させる層を形成させてなることを特徴とする表面処理Ａｌ板である。Ａｌ基板は、純Ａｌ板に限らずＡｌ合金板であってもよい。前記表面処理Ａｌ板において、前記Ｚｎ層が５〜５００ｍｇ／ｍ^２の皮膜量で設けられてなることが望ましい。

また、上記目的を達成する本発明のヒ−トシンクは、Ａｌ基板表面に、基板表面側から順にＺｎ層、Ｎｉ層を形成させ、該Ｎｉ層の上にさらに、黒色顔料と水溶性ロジンを含有させた水系樹脂を塗布し乾燥させて形成してなる熱放射性を向上させる層を形成させてなることを特徴とする表面処理Ａｌ板、あるいは該表面処理Ａｌ板においてＺｎ層が５〜５００ｍｇ／ｍ^２の皮膜量で設けられている表面処理Ａｌ板を用いてなることを特徴とするヒ−トシンクであり、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であること、及び又は熱放射率が０．２〜０．９であることが望ましい。

本発明の表面処理Ａｌ板の製造方法は、Ａｌ基板にＺｎを置換めっきし、次いでＮｉめっきし、さらにＮｉめっき層の上に黒色顔料と水溶性ロジンを含有させた水系樹脂を塗布し乾燥させて熱放射性を向上させる層を形成させてなることを特徴とする表面処理Ａｌ板の製造方法である。

本発明の表面処理Ａｌ板は、Ａｌ基板表面に置換めっきによりＺｎ層を形成させ、その上にＮｉ層をめっきにより形成させているので、Ａｌ基板とめっき層の密着性に優れている。また最表面にＮｉ層を設けているので、ハンダ濡れ性に優れるとともに、高いハンダ強度が得られる。さらに基板がＡｌ板であるので、熱伝導率が大きく、放熱性に優れている。さらにこの本発明の表面処理Ａｌ板に、ハンダフラックス性を有し熱放射性を向上させる層を設けることにより、ハンダ性をさらに向上させるとともに放熱性を向上させることができる。そのため、本発明の表面処理Ａｌ板は、ハンダ付けが可能な放熱性に優れたヒートシンクとして好適に適用することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の表面処理Ａｌ板の基板となるＡｌ板としては、純Ａｌ板およびＪＩＳ規格の１０００系、２０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系のいずれのＡｌ合金板も用いることができる。これらのＡｌ合金板を脱脂し、次いで酸性エッチングし、次いでスマットを除去した後、Ｚｎを置換めっきする。Ｚｎの置換めっきは、硝酸浸漬処理、第一Ｚｎ置換処理、硝酸亜鉛剥離処理、第二Ｚｎ置換処理の工程を経ておこなう。この場合、各工程の処理後には水洗処理を実施する。この第一Ｚｎ置換処理および第二Ｚｎ置換処理により形成するＺｎ層は、この置換処理後にＮｉめっきを施す際にわずかに溶解するので、Ｚｎ層の皮膜量としてはＮｉめっき後の状態で５〜５００ｍｇ／ｍ^２であることが好ましく、３０〜３００ｍｇ／ｍ^２であることがより好ましい。皮膜量は処理液中のＺｎイオンの濃度および第二Ｚｎ置換処理において処理液中に浸漬する時間を適宜選択して調整する。皮膜量が５ｍｇ／ｍ^２未満であるとＺｎ層の上に形成させるＮｉめっき層との密着性に乏しくなり、曲げ加工を施した際にめっき層が剥離しやすくなる。一方、皮膜量が５００ｍｇ／ｍ^２を超えるとＮｉめっきが不均一になり、ハンダ強度が低下する。

次いで、このようにして形成されたＺｎ層の上にＮｉ層をめっきする。Ｎｉめっき層は、電気めっき法または無電解めっき法のいずれのめっき法を用いて形成させてもよい。無電解めっき法を用いる場合は、還元剤としてＰ化合物やＢ化合物を用いるので、Ｎｉめっき膜はＮｉ−Ｐ合金やＮｉ−Ｂ合金からなる皮膜として形成するが、電気めっき法による純ニッケルからなる皮膜と同様に、めっき皮膜のＡｌ基板に対する優れた密着性や、優れたハンダ濡れ性およびハンダ強度が得られる。このようにして得られるＮｉ層は、皮膜量として０．２〜５０ｇ／ｍ^２であることが好ましく、１〜１０ｇ／ｍ^２であることがより好ましい。皮膜量が０．２ｇ／ｍ^２未満であるとＮｉ層がＺｎ層の全面を均一に被覆することができないので十分なハンダ強度が得られない。一方、皮膜量が５０ｇ／ｍ^２を超えるとハンダ濡れ性およびハンダ強度の向上効果が飽和し、コスト的に有利でなくなる。

この本発明の表面処理Ａｌ板は６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有しており、熱伝導性に優れたヒートシンクとして発熱体から熱を好適に吸収して放熱することができるが、Ｎｉ層上に熱放射性を向上させる層を設けることにより、放熱性をさらに向上させることが可能となる。本発明の表面処理Ａｌ板の熱放射率は０．０５〜０．１前後であるが、熱放射性を向上させる層を設けることにより、熱放射率は０．２〜０．９程度まで向上させることができる。熱放射性を向上させる層は以下のようにしてＮｉ層上に形成させる。すなわち、Ｚｎ層、Ｎｉ層を順に形成させた表面処理Ａｌ板、またはこの表面処理Ａｌ板に上記の加熱拡散処理を施した後、黒色顔料と水溶性ロジンを含有させた水系アクリル樹脂を塗布し、乾燥させて処理皮膜とする。この処理皮膜はフラックス効果を有しており、ハンダ濡れ性も向上させる。これらの水系樹脂の濃度は１００〜９００ｇ／Ｌであることが好ましく、黒色顔料は樹脂中に樹脂の固形分に対して５０重量％以下で含有させることが好ましい。５０重量％を超えて含有させるとハンダ濡れ性およびハンダ強度が不良となる。乾燥後の処理皮膜の厚さは０．０５〜１０μｍであることが好ましい。０．０５μｍ未満では放熱性の向上効果に乏しく、１０μｍを超えると熱伝導性が損なわれるようになり、放熱性を向上させることが不可能になる。このようにＮｉ層上に熱放射性を向上させる層を設けることにより、ヒートシンクの放熱性を向上させることができる。

（供試板の作成）
Ａｌ合金板（ＪＩＳ５０５２Ｈ１９、板厚０．５ｍｍ）をめっき基板として、アルカリ液で脱脂し、次いで硫酸中でエッチング処理を施し、次いで硝酸中で脱スマット処理を施した後、水酸化ナトリウム：１５０ｇ／Ｌ、ロッシェル塩：５０ｇ／Ｌ、酸化亜鉛：２５ｇ／Ｌ、塩化第一鉄１．５ｇ／Ｌを含む処理液中に浸漬して第一Ｚｎ置換処理を行い、次いで４００ｇ／Ｌの硝酸水溶液中に浸漬して置換析出したＺｎを除去した後、第一Ｚｎ置換処理で用いたのと同一の処理液中に浸漬して第二Ｚｎ置換処理を行った。この第二Ｚｎ置換処理において、浸漬する時間を種々変化させ、表１に示す皮膜量のＺｎ層を形成させたＺｎめっきＡｌ板を得た。

次いで、ＺｎめっきＡｌ板に無電解めっき法により、Ｚｎ層上にＮｉ−１２重量％Ｐ合金めっき皮膜を表１に示す皮膜量で形成させた。また他の一部の供試板については、表２に示す液組成の処理液を用いて熱放射性を向上させる層を形成させた。

また、比較用として、上記のＡｌ合金板にＺｎ置換めっき層を設けずに直接Ｎｉめっき層を設けた供試板（試料番号１）、上記のＡｌ合金板にＺｎ置換めっき層を設けたがＮｉめっき層を設けなかった供試板（試料番号３）、低炭素鋼板（板厚０．５ｍｍ）にＳｎめっき層を５ｇ／ｍ^２のみを設けた供試板（試料番号１３）を作成した。

（供試板の特性評価）
上記のようにして得られた供試板を、下記の特性について評価した。
[ハンダ濡れ性]
メニスコグラフ法（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｂ）により、ＳＯＬＤＥＲＣＨＥＣＫＥＲ（ＭＯＤＥＬＳＡＴ−５０００、ＲＨＥＳＣＡ製）を使用し、上記の各供試材から切り出した幅７ｍｍの試片をフラックス（ＣＦ１１０ＶＨ２Ａ、タムラ化研製）に浸漬し、その後２５０℃に保持したハンダ浴（ＪＩＳＺ３２８２：Ｈ６０Ａ）に前記のフラックスを塗布した試片を浸漬速度：２ｍｍ／秒で２ｍｍ浸漬し、ハンダが濡れるまでの時間ゼロクロスタイムを測定し、下記に示す基準でハンダ濡れ性を評価した。短時間であるほどハンダ濡れ性が良好であることを示す。
◎：５秒未満
○：５〜７秒未満
△：７〜１０未満
×：１０秒以上

[ハンダ強度]
上記の各供試材から切り出した幅７ｍｍ、長さ５０ｍｍの試片をＬ字型に折り曲げた２つの切り出し片を、評価面を向かい合わせてＴ字状になるように重ね、Ｔ字の縦棒の部分の間に厚さ：０．５ｍｍの鋼板を挟み、Ｔ字の縦棒の下部に０．５ｍｍの空隙部を形成させた試片を作成した。この試片の空隙部に上記のハンダ濡れ性の評価に用いたのと同様のフラックスを塗布した後、ソルダーチェッカー（ＳＡＴ−５０００、レスカ製）を用い、２５０℃に保持したハンダ浴（ＪＩＳＺ３２８２：Ｈ６０Ａ）に試片の空隙部を１０ｍｍの深さまで浸漬し５秒間保持して空隙部にハンダを充填させた後取り出し、Ｔピール試験片とした。次いでテンシロンを用い、Ｔピール試験片のＴ字の横棒部をチャックで挟んで引張ってＴ字の縦棒部のハンダ充填部を引き剥がし、ハンダ強度を測定し、下記に示す基準でハンダ強度を評価した。
◎：４ｋｇｆ／７ｍｍ以上
○：３〜４ｋｇｆ／７ｍｍ未満
△：１〜３ｋｇｆ／７ｍｍ未満
×：１ｋｇｆ／７ｍｍ未満

[めっき皮膜の密着性]
上記の各供試材から幅１５ｍｍ、長さ５０ｍｍの試片を切り出し、９０°折り曲げ、折り曲げ部にスコッチテープを貼り付け、次いで引き剥がした後、めっき皮膜の剥離の有無を肉眼観察し、下記の基準でめっき皮膜の密着性を評価した。
○：剥離は認められない。
×：剥離が認められる。

[放熱性]
上記の各供試材から幅５ｍｍ、長さ１０ｍｍの試片を切り出し、光交流法熱定数測定装置（ＰＩＴ−Ｒ２型、真空理工製）を用いて熱伝導率を測定した。また、放射率計（ＤａｎｄＳＡＥＲＤ放射率計、京都電子工業製）を用いて熱放射率を測定し、下記に示す基準で放熱性を評価した。
◎：熱伝導率６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でかつ熱放射率０．２０以上
○：熱伝導率６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上でかつ熱放射率０．０５〜０．２０未満
△：熱伝導率４０〜６０Ｗ／ｍ・Ｋ未満
×：熱伝導率４０Ｗ／ｍ・Ｋ未満

その結果、表３に示すように、Ａｌ板にＺｎ層、Ｎｉ層を形成させた本発明の表面処理Ａｌ板はハンダの濡れ性に優れ、ハンダ強度が高く、かつ熱伝導率が大きく放熱性に優れている。また、この表面処理Ａｌ板のＮｉ層上に熱放射性を向上させる層を設けることにより、放熱性がさらに向上していることが確認された。そのため、本発明は、ハンダ付けが可能な放熱性に優れたヒートシンクとして好適に適用できる。

本発明の表面処理Ａｌ板は、ハンダ特性及び放熱性に優れているので、高密度のプリント基板等の放熱用ヒートシンクとして利用可能であるばかりでなく、ハンダ特性及び放熱性が要求される種々の基板に利用可能である。

ヒートシンクと発熱体の接合状態の例を示す概略図。

符号の説明

１発熱体
２ヒートシンク

Claims

Ａｌ基板表面に、基板表面側から順にＺｎ層、Ｎｉ層を形成させ、該Ｎｉ層の上にさらに、黒色顔料と水溶性ロジンを含有させた水系樹脂を塗布し乾燥させて形成してなる熱放射性を向上させる層を形成させてなることを特徴とする表面処理Ａｌ板。
前記Ｚｎ層が５〜５００ｍｇ／ｍ^２の皮膜量で設けられてなる、請求項１に記載の表面処理Ａｌ板。
請求項１または２に記載の表面処理Ａｌ板を用いてなるヒ−トシンク。
熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項３に記載のヒートシンク。
熱放射率が０．２〜０．９である、請求項３又は４に記載のヒートシンク。
Ａｌ基板にＺｎを置換めっきし、次いでＮｉめっきし、さらにＮｉめっき層の上に黒色顔料と水溶性ロジンを含有させた水系樹脂を塗布し乾燥させて熱放射性を向上させる層を形成させてなることを特徴とする表面処理Ａｌ板の製造方法。