CN101682135A - 连接器和连接器用金属材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连接器和连接器用金属材料，所述连接器的公头和母头的至少一方的至少接点部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Cu浓度朝向表面逐渐减小的Cu－Sn合金层，所述连接器用金属材料是用于该连接器的金属材料，其最表面由Cu浓度朝向表面逐渐减小的Cu－Sn合金层构成。

Description

连接器和连接器用金属材料
技术领域
本发明涉及含有公头(オス端子)、母头(メス端子)而构成的连接器及用于该连接器的连接器用金属材料。
背景技术
例如用于汽车等的电线连接的连接器通常使用在铜(Cu)合金等导电性基体(以下为了方便起见记作基体)上设置有锡(Sn)、锡合金等金属被覆层的公头和母头。公头和母头各自被装在壳体中，分别构成公接头(オスコネクタ)、母接头(メスコネクタ)。已知，通过镀覆等在用作公头和母头的材料的Cu、Cu合金等导电性基体上设置有Sn、Sn合金等金属被覆层的金属材料是高性能导体，其具有基体的优异的导电性和强度以及金属被覆层的优异的电连接性、耐蚀性和钎焊性(例如参见专利文献1～4)。为了防止锌(Zn)等基体的合金成分(以下为了方便起见记作基体成分)扩散到所述金属被覆层，通常该金属材料通过镀覆等在基体上形成具有阻隔功能的镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)等的底层。
汽车的发动机室内等高温环境下，由于Sn的易氧化性，端子表面的Sn等金属被覆层在表面形成了氧化皮膜，该氧化皮膜较脆，所以在端子连接时发生破损，其下面的金属被覆层中的未氧化的Sn露出而得到良好的电连接性。
另外，近年来，在电子控制化的进展中，由于连接器的多极化，插拔公接头的端子组和母接头的端子组时需要很大的力量，特别是在汽车发动机室内等狭小的空间，难以进行插拔作业，所以非常期待减小上述插拔力。
作为减小上述插拔力的方法，有减小端子间的接触压力的方法，但是采用该方法时，有时在端子的接触面之间发生微动磨损(Fretting)现象，在端子间出现不能导通。
上述微动磨损现象是指由于振动、温度变化等原因而在端子的接触面之间发生的微小滑动所导致的端子表面的软质Sn镀覆层发生磨耗、氧化，从而形成比电阻大的磨耗粉的现象，在端子间发生该现象时，会发生连接不良。而且，端子间的接触压力越低，越容易发生该现象。虽然通过减薄连接器端子表面的Sn镀覆层，可以使该现象不易发生，但是难以完全防止发生该现象。
为了防止上述微动磨损现象，有人提出了在基材上形成不易发生微动磨损现象的硬质的Cu6Sn5等Cu-Sn金属间化合物层的方法(例如参见专利文献5、6)，但是，该方法存在有时Cu等基材成分大量向Cu-Sn金属间化合物层扩散，Cu-Sn金属间化合物层发生脆化的问题。
在上述基体和Cu-Sn金属间化合物层间设置Ni层来防止基体成分的扩散的金属材料(例如参见专利文献7)中，Ni层和Cu-Sn金属间化合物层间即不存在Sn层，也不存在Cu层，所以当依次在基体上层状镀覆Ni、Cu、Sn，对其进行热处理来进行制造时，需要严格基于Cu和Sn的化学计量比来设计镀覆层积体的镀覆厚度，并且还要在完全的控制下进行该热处理，其制造需要大量的人力。
另外，还提出了在基材上形成硬质的Cu6Sn5等Cu-Sn金属间化合物层，并在其表面的一部分附着有Sn块的这种结构(例如参见专利文献8)，但是，该Sn块是软质的，所以在端子的接触面之间发生微动磨损现象这方面与上述的专利文献1～4的技术没有实质性差异。
专利文献1：日本特开2004-179055号公报
专利文献2：日本特开2000-21545号公报
专利文献3：日本特开2003-082499号公报
专利文献4：日本特开2004-339555号公报
专利文献5：日本特开2000-212720号公报
专利文献6：日本特开2000-226645号公报
专利文献7：日本特开2004-68026号公报
专利文献8：日本特开2003-213486号公报
发明内容
根据本发明提供下述技术方案：
(1)一种连接器，其是具有公头的公接头和具有母头的母接头可相互连接地构成的，其特征在于，所述公头或所述母头的至少一方的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Cu-Sn合金层。
(2)一种连接器，其是具有公头的公接头和具有母头的母接头可相互连接地构成的，其特征在于，所述公头或所述母头的至少一方的接点部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Cu-Sn合金层。
(3)一种连接器，其特征在于，该连接器具有可相互连接的公头和母头，所述公头或所述母头的一方的至少接点部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Cu-Sn合金层；所述公头或所述母头的另一方的至少接点部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Sn层或Sn合金层。
(4)一种连接器用金属材料，其是用于权利要求1～3任一项所述的连接器的金属材料，其最表面是Cu-Sn合金层。
(5)如(4)所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Cu-Sn合金层中的Cu浓度朝向表面逐渐减小。
(6)如(4)或(5)所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Cu-Sn合金层中分散有Sn或Sn合金。
(7)如(6)所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Sn或Sn合金的至少一部分在所述Cu-Sn合金层的表面露出，截面视图中，Sn或Sn合金呈岛状或点状分散。
(8)如(4)所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Cu-Sn合金层设置在导电性基体上。
(9)如(4)所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述导电性基体和所述Cu-Sn合金层之间设置有由Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、Fe、Fe合金、Co、或Co合金构成的金属层。
(10)如(4)所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述导电性基体和所述Cu-Sn合金层之间设置有2种以上由Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、Fe、Fe合金、Co或Co合金构成的金属层。
(11)如(4)～(10)任意一项所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Cu-Sn合金层是通过相邻接的Cu或Cu合金的镀覆层与Sn或Sn合金的镀覆层的热扩散形成的。
(12)一种连接器用金属材料的制造方法，其是(11)所述的连接器用金属材料的制造方法，其特征在于，形成所述Cu或Cu合金的镀覆层和所述Sn或Sn合金的镀覆层后，进行热处理，使相邻接的Cu或Cu合金的镀覆层与Sn或Sn合金的镀覆层热扩散，形成所述Cu-Sn合金层。
(13)如(12)所述的连接器用金属材料的制造方法，其特征在于，所述热处理是将形成了所述Cu或Cu合金的镀覆层和所述Sn或Sn合金的镀覆层的金属材料在炉内温度300～800℃的回流炉内用3～20秒通过的处理。
(14)如(12)或(13)所述的连接器用金属材料的制造方法，其特征在于，所述热处理后，进行使所述金属材料在20～80℃的液体中用1～100秒通过的冷却处理。
(15)如(12)或(13)所述的连接器用金属材料的制造方法，其特征在于，所述热处理后，进行冷却处理，所述冷却处理是使金属材料在20～60℃的气体中用1～300秒通过，其后使所述金属材料在20～80℃的液体中用1～100秒通过的处理。
(16)如(4)～(10)任意一项所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Cu-Sn合金层是不进行相邻接的Cu或Cu合金的镀覆层与Sn或Sn合金的镀覆层的主动热扩散而形成的。
此外，本发明中，“最表面”与“最表层”含义相同。
结合附图由下述记载阐明本发明的上述的和其他的特征和优点。
附图说明
[图1]说明本发明的一个实施方式的连接器的公头的立体图。
[图2]说明本发明的一个实施方式的连接器的母头的内部结构的立体图。
[图3]说明本发明的连接器的连接状态的示意性截面图。
[图4]说明本发明的金属材料的实施方式的立体说明图。
[图5]本发明的金属材料的制造所用的镀覆层积体的立体说明图。
[图6]说明一个使用了AES装置的测定部位的例子的SEM照片。
[图7]说明图6所示的测定部位的使用AES装置的表面元素二维分布图像(Sn-Cu-Ni分布图(map))的图。
[图8]说明图6所示的测定部位的使用AES装置得到的表面元素二维分布图像(Sn分布图)的图。
[图9]说明图6所示的测定部位的使用AES装置得到的表面元素二维分布图像(Cu分布图)的图。
[图10]说明图6所示的测定部位的使用AES装置得到的表面元素二维分布图像(Ni分布图)的图。
[图11]说明一个使用了AES装置的测定部位的例子的SEM照片。
[图12]说明图11所示的测定部位的使用AES装置得到的表面元素二维分布图像(Sn-Cu-Ni分布图)的图。
[图13]说明图11所示的测定部位的使用AES装置得到的表面元素二维分布图像(Sn分布图)的图。
[图14]说明图11所示的测定部位的使用AES装置得到的表面元素二维分布图像(Cu分布图)的图。
[图15]说明图11所示的测定部位的使用AES装置得到的表面元素二维分布图像(Ni分布图)的图。
[图16]说明与图11所示的测定部位的一部分对应的Cu-Sn合金层表面的Cu-Sn合金和Sn的分布的一例的示意性平面图。
[图17]说明与图11所示的测定部位的一部分对应的Cu-Sn合金层表面的Cu-Sn合金和Sn的分布的另一例的示意性平面图。
[图18]微滑动试验方法的透视说明图。
[图19]实施例2的插入力试验的说明图。
[图20]实施例2的电阻值测定试验的电路图。
具体实施方式
本发明的连接器是具有公头的公接头和具有母头的母接头相互可连接地构成的连接器，公头和母头中至少一方的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Cu-Sn合金层。具有公头的公接头通常由1个以上的公头被装在壳体(未图示)而构成。具有母头的母接头也同样，通常由1个以上的母头被装在壳体(未图示)而构成。本发明中，与连接器相关的情况是通常情况，因此省略了图示和详细的说明。
另外，上述金属材料可以很好地通过对例如导电性基材进行主要为Ni、Cu、Sn等元素的镀覆处理来制作。另外，这些镀覆物质、镀覆厚度构成、有无热处理、有热处理时的热处理温度和热处理时间、以及有无冷却、有冷却时的冷却时间等需根据综合制造成本、以及使用部位所要求的品质来适当设定。
图1是说明本发明的一个实施方式的连接器的公头10的立体图。公头10具有接头片(タブ)11和线筒(ワイヤバレル)12，接头片(タブ)11是与母头20的连接部分、线筒12是进行与电线的压接(压着)的压接部分。接头片11是以平板状形成的，其上面和下面分别被精加工成平滑的面。
另外，图2是说明本发明的一个实施方式的连接器的母头20的内部结构的立体图。该图1所示的公头10和图2所示的母头20可以相互连接，构成连接器。图2中，母头20的与公头10的接点部分是中空的箱状，在其内部具有舌片21、凹窝(デインプル(dimple))22和压边筋(ビ一ド(bead))23。
凹窝22是设置在舌片21的上部的凸形的部件，与公头10连接时，与接头片11的下面进行点接触。舌片21具有产生接点压力(即将凹窝22压向接头片11的压力)的簧的功能。另外，压边筋23也是凸形的部件，与接头片11的上面接触，承受该凹窝22施加到接头片11的接点压力。
公头10和/或母头20中的至少一方的至少一部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料为Cu-Sn合金层。也可以仅部分公头10和/或母头20不是由上述金属材料形成，这种情况下，优选至少接点部分由上述金属材料形成。
公头10和母头20中的任一方的最表层由金属材料形成且该金属材料为Cu-Sn合金层的情况下，仅公头10具有Cu-Sn层合金时比仅母头20具有Cu-Sn合金层时更优选，进一步优选公头10和母头20均具有Cu-Sn合金层。
此外，本发明中，金属材料的最表层的状态是指金属材料被用作连接器的情况下，作为连接器的初期状态。
将公头10与母头20连接时，如图3的示意性截面图所示，将接头片11插入舌片21与压边筋23的间隙。此时，压边筋23与接头片11的上面滑动接触，同时，凹窝22与接头片11的下面滑动接触。这样，将接头片11完全插入时，在压边筋23和凹窝22各自与接头片11接触的状态下，接头片11被压接保持在它们之间，由此形成了公头10和母头20间实现电连接的结构。
如此形成连接时，对于公头10侧，其接头片11的上面和下面成为了接点部分。另一方面，对于母头20侧，其凹窝22和压边筋23成为了接点部分。
另外，公头10和母头20之间存在表面的硬度差的情况下，稍软的一侧容易被磨削(けずれ)，该磨削量(けずれ量)越小，插入力就越小。考虑到这点，优选对应连接时的公头、母头各自的接点部分的轨迹来加固接触面积大的一侧的材料。由此，能够在减小连接器插拔阻力的同时，减小组装连接器时所需的插入力，提高组装作业的作业效率，降低作业人员的疲劳。
本发明的优选方式的连接器中，具有可相互连接的公头和母头，所述公头或所述母头中的一方的端子表面全部或者至少仅接点部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Cu-Sn合金层；所述公头或所述母头的另一方的至少接点部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Sn层或Sn合金层。对于公头，由于接点部是平板状，所以存在以较大面积形成纯Sn层的可能，这是产生微动磨损以及高插入力的原因；另一方面，对于母头，由于接点部是半球状，所以其面积小。因此，优选公头的上述的最表面是Cu-Sn合金层，母头的上述的最表面是Sn层或Sn合金层。
该方式的连接器中，考虑到连接时的公头、母头各自的接点部分的轨迹，作为上述接点部分的接触面积大的一侧的、表面较硬的端子是公头，作为上述接点部分的接触面积小的一侧的、表面较软的端子是母头，因此，接触面积大的一侧的表面(每单位面积)的磨削量小，降低插入力的效果大。
另外，通常公头形成平坦形状以易于插入，而母头在内面上下的一方或者两方具有弯曲加工，并具有起到簧的作用的形状。另外，通常使母头侧的接点在被插入的公头侧突出。因此，公头有时是直接冲裁成平板而制造的，而母头大多是进行弯曲加工进行制造的，因此，从容易加工方面考虑，优选母头的金属材料的硬度比公头的金属材料的硬度低。特别是当为了适应近年来的小型化而在制造工序中进行严格的弯曲加工时，具有易加工的母头的本发明是理想的。
此外，从结构上来说，为了插入端子，公头的对应接点部分的轨迹的接触面积比母头的对应接点部分的轨迹的接触面积大也是一个理由——选择公头作为本实施方式的硬化处理对象是有效的。
该连接器例如被装在汽车上用作车载用连接器，但本发明的连接器的用途并不限于车载用，也可适用于电气电子设备等所有用途的连接器。
下面对构成本发明的连接器的连接器用金属材料进行说明。
本发明的连接器用金属材料是形成电气电子部件的公头或母头的至少一部分的金属材料，其最表面设置有Cu-Sn合金层。优选使用Cu浓度朝向表面逐渐减少的材料、Cu-Sn合金层中分散有Sn或Sn合金的材料等。Sn或Sn合金可以部分在Cu-Sn合金层的表面露出。
对所设置的上述Cu-Sn合金层的正下方的层无特别限定，例如，Cu-Sn合金层既可以设置在导电性基体上，也可以在导电性基体上设置含有Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、Fe、Fe合金、Co、或Co合金中的任意1种或者2种的金属或合金层，并在其上设置上述最表面的Cu-Sn合金层。
图4是说明本发明的一个优选实施方式的连接器用金属材料的立体图，该连接器用金属材料5在导电性基体1上设有由Ni构成的底层2、在其上设置有由Cu构成的中间层3、在其上设置有Cu-Sn合金层4。
连接器用金属材料5可以这样制造：在如图5的立体图所示的导电性基体1上依次镀覆Ni层(N层)2a、Cu层(C层)3a、Sn层(S层)4a，制作出镀覆层积体6，并对其进行热处理，使所述C层3a的Cu和S层4a的Sn热扩散、反应，形成最表面的Cu-Sn合金层，从而制造该连接器用金属材料5。该热处理期间，基体成分的热扩散被N层2a所阻止。S层4a和C层3a的体积比(S/C)这样确定：考虑Cu-Sn合金层4的必要厚度，并使热处理后S层4a消失，C层3a作为中间层保留下来。但无需对所述C层3a的热处理后的厚度(中间层3的厚度)进行特别严格的规定，因此，镀覆层积体6的设计和其热处理是容易进行的。因此，本发明的连接器用金属材料5的制造容易，生产率优异。
使上述的C层3a的Cu和S层4a的Sn热扩散、反应，形成最表面的Cu-Sn合金层时，优选在上述的热处理后进行冷却处理。通过在适当的条件进行冷却处理，能够使Cu和Sn以梯度扩散，而不是以层状扩散。另外，还可以在最表面部分地残留纯Sn。
上述热处理可以通过任意方法进行，但优选为使镀覆层积体6在炉内温度300～800℃的回流炉内用3～20秒通过的处理。
另外，上述的冷却处理可以通过任意方法进行，优选使其在20～80℃的液体中用1～100秒通过，进一步优选为使其在20～60℃的气体中用1～300秒通过，其后在20～80℃的液体中用1～100秒通过，由此进行冷却处理。另外，进一步优选使其在30～50℃的水中用5～15秒通过来进行冷却处理。
镀覆层积体6的C层3a的厚度通常设定为0.01μm以上。考虑到实用面、材料费、制造成本等，上限优选约为5.0μm。该C层3a的厚度更优选为0.05μm～0.5μm。另外，C层3a为Cu时，若C层3a薄，则有时在热处理后的C层(中间层3)出现大量的微孔，失去了作为中间层的阻隔功能，因此，C层3a是Cu时，优选C层3a的厚度比C层3a是Cu合金时的厚度更厚一些。
本发明中，S层4a完全反应所需的时间随其厚度的增加而加长，所以热处理后，有时Sn在Cu-Sn合金层4中分散成点状或岛状而残存下来，这样，连接器用金属材料5的功能几乎不降低。这种情况下，有时分散的Sn或Sn合金的一部分在Cu-Sn合金层4的表面露出，并且优选与分散的Sn或Sn合金的表面积相比露出的Sn或Sn合金的露出面积足够小。
回流(リフロ一)处理后的产品在基底残留了过厚的C层3a的情况下，通常若这些物质受到热负荷则一直扩散到表面，进而导致氧化/电阻升高，因此这不是优选的，在最表面层存在Cu-Sn且还分散(残存)有纯Sn时，纯Sn抵制在基底过量残存的Cu的扩散，能够抑制铜向最表面的扩散/氧化，防止电阻上升。
另外，使n分散到最表面的Cu-Sn合金层4中的情况下，即使残存厚的Cu层(中间层)3，分散的Sn也能与该过剩的部分反应、扩散，这种扩散效果在高温环境下明显。所以，能够使镀覆制造条件的设计范围更广，高温环境下也能长期维持特性。如此在Cu-Sn合金层4中分散有Sn或Sn合金的金属材料也是本发明的金属材料的一例。此处，截面视图中，关于呈点状或岛状分散的Sn或Sn合金，例如使用AES(Auger ElectronSpectroscopy：俄歇电子能谱)装置得到的表面二维元素分布(mapping)图像中，Cu-Sn合金层中的Sn或Sn合金的面积占有率(与体积占有率大致相等)达到0～60％。另外，截面视图中，呈岛状分散的Sn或Sn合金有在最表面露出一部分的Sn或Sn合金和未在最表面露出的Sn或Sn合金。典型的是，对于在最表面露出一部分的Sn或Sn合金，在截面视图中，在最表面露出的Sn或Sn合金在其内部存在Cu-Sn合金的部分，在最表面的平面视图中，还存在环状的Sn或Sn合金。另外，在所述Cu-Sn合金层4中分散残存的Sn或Sn合金之中，仅分散残存在表面附近的Sn或Sn合金用化学试剂溶解去除掉也可以。仅分散残存在所述Cu-Sn合金层4的表面附近的Sn或Sn合金以从Cu-Sn合金层4的表面突出的状态大量存在时，成为了上述的微动磨损的原因，所以有时也优选将其除去。
图6～图10是本发明的金属材料的一个例子使用AES装置得到的表面元素二维分布图像。此处，首先，用FIB(Focused Ion Beam：聚焦离子束)在试样倾斜60度下制作倾斜30度的截面，制成俄歇电子能谱测定(AES)分析用试样，将试样倾斜至30度倾斜的截面呈水平后进行AES分析，得到AES电子图像。此外，最表面的Cu-Sn合金层是混合存在Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu4Sn等Cu-Sn金属间化合物的层。
图6是试样截面的AES测定部位的SEM照片(横宽：11.7μm)。图7～图10是说明图6所示的测定部位的金属组织的表面二维元素分布图像。图7是用不同的色的浓淡表示Sn、Cu、Ni的Sn-Cu-Ni分布图；图8是用白色表示Sn的Sn分布图；图9是用白色表示Cu的Cu分布图；图10是用白色表示Ni的Ni分布图。
图6～图10中，31表示Cu-Sn合金层(最外层)的表面、32表示基体、33表示底层、34表示中间层、35表示Cu-Sn合金层(最外层)。另外，图8中，Cu-Sn合金层35用白色显示，表面31侧的更亮处表示含有大量Sn。另外，图9中，底层33用黑色表示，表示底层33实质不含Cu。图10中，仅底层33用白色表示，表示Ni没有扩散到底层33以外。
另外，如图7～图10所示，在Cu-Sn合金层35中几乎没有残存Sn或Sn合金(Sn或Sn合金所占的面积为0～10％)。另外，如图9所示，Cu向着表面方向逐渐减少。
图11～图15是本发明的金属材料的另一个例子与图7～图10同样地使用AES装置得到的表面元素二维分布图像。图11是试样截面的AES测定部位的SEM照片(横宽：11.7μm)。图12～图15是说明图11所示的测定部位的金属组织的表面元素二维分布图像。图12是用不同的色的浓淡表示Sn、Cu、Ni的Sn-Cu-Ni分布图，图13是用白色表示Sn的Sn分布图，图14是用白色表示Cu的Cu分布图，图15是用白色表示Ni的Ni分布图。图11～图15中，31表示Cu-Sn合金层的表面、32表示基体、33表示底层，34表示中间层，35表示Cu-Sn合金层。另外，图12中，Cu-Sn合金层35中，浓颜色所示的Sn或Sn合金36分散成岛状。另外，图13中，Cu-Sn合金层35用亮色表示，表面31侧的更白的岛状处表示含有Sn或Sn合金36。另外，图14表示底层33和岛状的Sn或Sn合金36实质上不含Cu。图15中，仅底层33用白色表示，表示Ni没有扩散到底层33以外。
另外，如图12～图15所示，Ni层上的Cu-Sn合金层中的Sn或Sn合金所占的面积为30～60％。另外，如图14所示，Cu向着表面方向逐渐减少。
此外，该例子的金属材料中，如图12所示，截面视图中，Cu-Sn合金层35中的Sn或Sn合金36分散成岛状，呈岛状分散的Sn或Sn合金36的一部分在Cu-Sn合金层35的表面31露出，另外，如图16和图17示意性所示，在Cu-Sn合金层的表面露出的Sn或Sn合金的内部存在Cu-Sn合金的部分(从表面可见Sn或Sn合金呈大致环状在Cu-Sn合金层露出)。此外，图16和图17中，4是最表面的Cu-Sn金属镀覆层，4b是Cu-Sn金属间化合物，4c是图2中形成了Sn层(S层)的Sn或Sn合金的一部分，Cu-Sn金属间化合物4b与Cu-Sn合金层4连结，形成最表面的层的一部分。
这样的状态在下述情况发生：镀覆层积体的S层与C层的体积比小于1.90(Sn全部Cu-Sn合金化时在金属材料的表面不残留Sn层的条件)，并且通过在Sn未被完全Cu-Sn合金化的状态下进行急冷等来结束热处理，这种情况下产生上述的状态。这样的状态下，Cu-Sn合金与接点等接触，Cu-Sn合金存在于在Cu-Sn合金层的表面露出的Sn或Sn合金的周围并且比其更硬，因此在Cu-Sn合金层的表面露出的Sn或Sn合金很少被磨削，不仅不易受到微动磨损的影响，而且高温放置时，存在于Cu-Sn合金层的下层侧的Cu和分散在Cu-Sn合金层中的Sn或Sn合金有发生反应形成Cu-Sn合金的余地，因此，还带来了不会在表面形成CuO等，接触电阻稳定的效果。
对本发明的连接器用金属材料5中的中间层3的厚度没有特别限定，优选为0.01～1.0μm，更优选为0.05～0.5μm。
另外，对本发明的连接器用金属材料5中的Cu-Sn合金层4的厚度没有特别限定，优选为0.05～2.0μm，更优选为0.1～1.0μm。
本发明的连接器用金属材料5设有由铜或铜合金构成的中间层3，但是，假设所述镀覆层积体6的热处理后，C层3a与S层4a也一起消失了，相对于本发明的连接器用金属材料5，所述金属材料的端子插拔性等也几乎没有降低。
本发明中，优选使最表面的Sn-Cu合金镀覆层中，Cu的浓度从基体侧朝向表面逐渐减少，这种情况下，Sn-Cu合金层不会与其下面的Cu层或者与基体形成明显的边界。
根据制造条件，上述的Cu浓度的分布既可以制作成层状的浓度分布又可以梯度的浓度分布。从制造的容易性方面出发，优选梯度浓度分布。
本发明中，可使最表面为金属材料，该金属材料包括作为Cu-Sn合金层(Cu浓度朝向表面逐渐减少)的端子接点部和作为Sn层的电线压接部，这种方式的金属材料可以如下制作：利用遮蔽(マスキング)等，将成为上所述端子接点部所在的地方的S层镀覆地较薄，将成为上述电线压接部所在的地方的S层镀覆地较厚，这样进行热处理，由此可以制造这种方式的金属材料。通过该方法，可以容易地制造最表面各部位的材质不同的金属材料。
通过回流处理(连续处理)实施所述镀覆层积体6的热处理的情况下，优选将镀覆层积体6的实体温度控制在232～500℃，进行0.1秒～10分钟、更优选100秒以下、进一步优选为10秒以下的加热来实施热处理。该回流处理例如通过将回流炉内的温度保持在500℃～900℃，实施10分钟以下、优选10秒以下的加热来实现。实际上，回流炉内的温度比实体温度表示的温度更容易测量，所以优选通过对回流炉内的温度进行控制来实施回流处理。此外，通过批量处理进行实施的情况下，优选将所述层积体在50～250℃的炉内保持几十分钟～几小时来实施。此外，通过回流处理来实施热处理的情况下的温度、加热时间需要设定成适合镀覆层积体6的N层2a、C层3a、S层4a的厚度等的条件，但如后述的实施例中说明的那样对各个具体的条件进行适当设定。
本发明中，导电性基体1适宜使用具有端子所要求的导电性、机械强度和耐热性的铜、磷青铜、黄铜、洋白、铍铜、科森铜镍硅合金等铜合金；铁、不锈钢等铁合金；铜包铁类材料、镍包铁类材料等复合材料；各种镍合金；各种铝合金等。
所述金属和合金(材料)之中，特别合适的是铜、铜合金等铜系材料，其导电性和机械强度的平衡优异。所述导电性基体1不是铜系材料的情况下，在其表面覆盖铜或铜合金时，耐蚀性和底层2的密合性提高。
设置在所述导电性基体1上的底层2中，适合使用具有防止基体成分向Cu-Sn合金层4热扩散的阻隔功能的Ni、Co、金属Fe、或者Ni-P系、Ni-Sn系、Co-P系、Ni-Co系、Ni-Co-P系、Ni-Cu系、Ni-Cr系、Ni-Zn系、Ni-Fe系等Ni合金、Fe合金、或Co合金。这些金属和合金的镀覆处理性好，而且价格方面也没有问题。其中，推荐Ni和Ni合金，因为即使在高温环境下Ni和Ni合金的阻隔功能也不衰减。
用于所述底层2的Ni等金属(合金)的熔点高达1000℃以上，连接连接器的使用环境温度低，为200℃以下，所以底层2其自身不易发生热扩散，并且能有效表现出阻隔功能。根据导电性基体1的材质，底层2也具有提高导电性基体1和中间层3的密合性的功能。
底层2的厚度不足0.05μm时，不能充分发挥其阻隔功能，而厚度大于3μm时，镀覆变形量变大，容易从基体剥落。所以，厚度优选为0.05～3μm。考虑到端子加工性时，底层2的厚度的上限优选为1.5μm，更优选为0.5μm。
底层2可以是1层也可以是2层以上。底层2是2层以上的情况下，由于与相邻接的层的关系，具有能够适当设定阻隔功能、提高密合性的功能等的优点。
本发明中，中间层3除可以使用铜之外，还可以使用Cu-Sn系等铜合金。铜合金的Cu浓度优选为50质量％以上。
用于本发明的镀覆层积体6中，S层4a是Sn、C层3a是Cu的情况下的S层4a和C层3a的体积比(S/C)优选为1.85以下，所述S层4a的厚度优选为9.5μm以下。
所述镀覆层积体6的N层2a(Ni等)、C层3a(Cu等)、S层4a(Sn等)等也可通过PVD法等来形成，但湿式镀覆法简单且成本低，所以是优选的。
本发明中，作为形成Cu-Sn合金层4的Cu-Sn金属间化合物，可以举出Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu4Sn等。Cu6Sn5是相对1体积Cu反应1.90体积Sn而生成的。Cu3Sn是相对1体积Cu反应0.76体积Sn而生成的。Cu4Sn是相对1体积Cu反应0.57体积Sn而生成的。
因而，对S层4a和C层3a的体积比(S/C)例如是1.90～1.80的镀覆层积体进行长时间热处理时，形成了以Cu6Sn5为主体的Cu-Sn合金层；对上述体积比例如是0.76～0.70的镀覆层积体进行长时间热处理时，形成了以Cu3Sn为主体的Cu-Sn合金层；对上述体积比例如是0.57～0.50的镀覆层积体进行长时间热处理时，形成了以Cu4Sn为主体的Cu-Sn合金层。此外，对于热处理的温度高且热处理的时间短的情况等，有时这些反应没有完全进行，Cu-Sn合金层的厚度薄；也有时是以Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu4Sn混在的层的形式形成的。
本发明中，由Cu6Sn5层和Cu3Sn层这2层构成Cu-Sn合金层4的情况下，对各层的厚度没有特别规定，但优选Cu6Sn5层为0.01～5.0μm、Cu3Sn层为0.008～4.0μm。
本发明的连接器用金属材料5即使在Cu-Sn合金层4的表面形成了厚度100nm以下的氧化膜也不会对其性能造成不良影响。本发明的连接器用金属材料5中，热处理前的最外层4a是Sn或Sn合金，这种情况下，作为氧化物，形成的是Sn的氧化物。与Cu的氧化物等相比，Sn的氧化物的导电性高，据认为不会对作为金属材料的导电性造成不良影响。氧化膜的厚度优选为30nm以下。
本发明中，导电性基体1和底层2之间、底层2和中间层3之间、中间层3和Cu-Sn合金层4之间可以夹着比相邻的层薄的异种材料。
另外，本发明的金属材料可以在导电性基体1上设置Cu-Sn合金层4，也可以在设于导电性基体1上的底层2上设置Cu-Sn合金层4。
另外，本发明的连接器用金属材料的形状只要是形成连接器的公头或母头的至少一部分的形状，则可以是条状、板状等任意形状。
另外，本发明的另一个实施方式中，这样的连接器用金属材料是至少构成接点部的连接器，特别优选多极的连接器或接触子。本发明的连接器用金属材料可以通过通常的方法加工成例如汽车用、电气电子设备用的连接器、接触子等。
本发明的连接器用金属材料应用于电气部件的公头、母头的情况下，可以用于公头侧、母头侧的任意之一或者两者。另外，还可以仅用于必要的部分。
本发明能提供一种电气电子部件用连接器和用于该连接器的连接器用金属材料，所述连接器容易制造且电连接性稳定，其是包括公头、母头而构成的、插拔性得到改善的电气电子部件用连接器，所述连接器用金属材料适合用于公头、母头的接点部位等。
本发明的连接器是由公头和母头中的至少一方的最表面为金属材料——Cu-Sn合金层形成的，所以，即使减薄最表面的金属层，以减小端子间的接触压力，也不易发生微动磨损现象。因此，本发明的连接器可以稳定得到良好的插拔性和电连接性。在上述公头或上述母头的至少一方的接点部分的最表面是Cu浓度朝向表面逐渐减少的Cu-Sn合金层的情况下，也可同样地发挥该效果。在相同镀覆厚和相同热处理温度下制作的情况下，与制作成层状相比，呈梯度地制作时所用的热处理时间更短，另外，如果选择相同的热处理时间，则能够进一步降低热处理温度。因此，能够提高制造的速度或降低热能耗。
另外，对于具有下述特征的连接器，可以通过表面硬度的不均化来局部提高与对象材料的抵接压力，确保导通，并能将电阻抑制在较低水平，该连接器的特征在于，其具有可相互连接的公头和母头，所述公头或所述母头的一方的端子表面全部或者至少仅接点部分是由最表面为Cu-Sn合金层——金属材料形成的，上述公头或上述母头的另一方的端子表面全部或者至少仅接点部分是由最表面为Sn层或Sn合金层的金属材料形成的。另外，仅使接点部分Cu-Sn化的情况下，通过在端子的弯曲加工部等残存柔软的纯Sn，能够抑制母材的露出，与全部是Cu-Sn层的情况相比，能够进一步提高耐蚀性。
另外，本发明的连接器用金属材料能够容易地形成具有上述那样的特性的连接器。
实施例
下面基于实施例对本发明进行更详细地说明，但例如试样和其制作条件等不过是具体的一个例子，本发明并不限于此。
[实施例1]
对厚度0.25mm的铜合金(黄铜)条依次实施脱脂和酸洗，接下来按表1所示的条件在所述铜合金条上将Ni、Cu、Sn电镀成层状，制作镀覆层积体。各金属的镀覆条件见表1。
[表1]
改变所制作的镀覆层积体的S层和C层的不同的体积比(S/C)。接下来，对该镀覆层积体实施热处理，制作如图4、图6～图17所示构成的金属材料试样No.1～3。图4对应金属材料的试样No.1，图6～图10对应金属材料的试样No.2，图11～图17对应金属材料的试样No.3。
具体地说，制作镀覆层积体，其S层和C层的体积比(S/C)如表2所示，通过表2所示的热处理法(批量处理法或回流处理法)对该镀覆层积体进行处理，制造金属材料试样No.1～3。此处，关于表2中的“热处理条件”，批量处理的情况下给出的是热处理炉内的温度，回流处理的情况下给出的是回流炉内的温度，表2中，将回流炉内的温度固定为740℃。
得到的各金属材料首先用FIB(Focused Ion Beam：聚焦离子束)在试样倾斜60度下制作倾斜30度的截面，制成俄歇电子能谱测定(AES)分析用试样，然后使试样倾斜至30度倾斜的截面水平，进行AES分析，得到AES电子图像，测定各层的厚度，其构成见表2。
[表2]
Figure G2008800194851D00172
对得到的试样No.1～3的金属材料进行下述的微滑动试验，直至滑动往复次数1000次，连续测定接触电阻值的变化。微滑动试验如下进行。
即，如图18所示，准备各2片金属材料41、42，金属材料41设置曲率半径1.8mm的半球状凸起部(凸出部分外面为厚度1μm的回流镀锡(リフロ一Snめつき))41a，在分别脱脂清洗后使金属材料42的Cu-Sn合金层面42a以接触压力3N接触该半球状凸起部(張出部)41a，在该状态下使两者在温度20℃、湿度65％的环境下以滑动距离30μm往复滑动，在两金属材料41、42间负载开路电压20mV，流通5mA的恒定电流，利用4端子法测定滑动中的电压降低，求出每秒的电阻变化。微滑动试验前的接触电阻值(初期值)和微滑动试验中的最大接触电阻值(最大值)见表3。此外，以约3.3Hz的频率进行往复运动。另外，对于动摩擦系数，使用バウデン型摩擦试验机，在负荷2.94N、滑动距离10mm、滑动速度100mm/min、滑动次数1次的条件下进行测定。此外，作为对象材料，使用对板厚0.25mm的黄铜条实施了1μm回流镀Sn(リフロ一Snめつき)后进行了0.5mmR鼓凸加工的材料。各摩擦系数的测定结果并列于表3。
[表3]
Figure G2008800194851D00181
(初期值：○≤3mΩ；x＞3mΩ)
(滑动最大值：○≤10mΩ；x大于10mΩ)
[实施例2]
对铜合金基体与实施例1同样地将Ni、Cu、Sn电镀成层状，制作具有表4所示的各厚度的镀覆层的层积体，在表1所示的热处理条件(温度和时间)进行回流处理，使用经如此处理的材料，制成如图1和图2所示那样的比较例1和本发明例1～4的由公头、可与该公头连接的母头构成的连接器。通过上述的回流处理，如图6～10那样，本发明例1的母头和本发明例3的公头的整个表面全部是Cu-Sn合金；如图11～15那样，本发明例2的母头和4的公头的表面是Sn在Cu-Sn合金层中局部地分散而形成的。
[表4]
Figure G2008800194851D00191
接着，使用本发明例以及比较例的公头和母头，通过用图19的示意性侧面图构成的说明图所表示的方法，进行插入力试验。即，将母头51用夹具53固定，将公头52在轴向(连接器嵌合时的端子的正常(正規)插入方向)以50mm/min的速度插入按压夹具(押し治具)54。通过与负荷传感器55和位移计56连接的监视器57监视此时的位移-负荷曲线，将端子到达正常插合(正規嵌合)位置期间的负荷峰值作为端子单体插入力进行记录。此外，为了便于理解，监视器57用立体图表示。测定各进行5次，求出平均值。结果见表5。
[表5]
  N
 比较例1   2.58
 本发明例1   2.48
 本发明例2   2.32
 本发明例3   2.26
 本发明例4   2.22
如表5，与比较例1的连接器相比，本发明例1～4的连接器的插入力降低了0.1N以上，具有良好的插拔性。
下面，将压接好电线的端子插入分别设置于母头51、公头52的连接器壳体，以嵌合状态放入恒温槽，在120±3℃放置120小时。其后，从恒温槽取出，回到常温后，如图20的电路图所示那样进行安装，利用电源61通电，断开时20±5mV、短路时10±0.5mA，分别在距公头/母头100mm的位置用电压计62测定电压。根据测定的电压和通电电流的值求出电阻值，减去相当于200mm电线的电阻值6.54mΩ，由此求出端子部分的高温放置后电阻值。结果见表6。另外，对于放入恒温槽前的状态的连接器也同样求出电阻值，求出初期电阻值，同时求出到上述的高温放置后电阻值的上升值，这些也均见表6。此外，表6中的电阻值的单位是mΩ。
[表6]
  初期   高温放置后   上升值
 比较例1   2.12   2.72   0.60
 本发明例1   2.15   2.48   0.33
 本发明例2   2.22   2.76   0.54
 本发明例3   2.29   2.58   0.29
 本发明例4   2.19   2.52   0.33
与比较例1的连接器相比，本发明例1～4的连接器的金属层虽然薄，但由表6可知，其电阻上升值均小于比较例1，作为连接器，稳定地得到了良好电连接性。
产业上的可利用性
本发明的连接器适合作为例如汽车用、电机电子设备用、电气电子部件用的连接器。
另外，本发明的连接器用金属材料除了适合用作公头、母头的接点部等之外，还适合作为所述各种连接器、接触子等的材料。
上面将本发明与其实施方式一同进行了说明，但是只要没有特别指定，本发明并不限于说明中的任何细节，应在不违反权利要求书所示的发明的精神和范围的范围的条件下广义地解释本发明的范围。
本申请基于2007年4月9日在日本国提出的专利申请特愿2007-102099要求优先权，并以参考的形式将其内容作为本说明书的一部分记入本说明书。

Claims (16)

1、一种连接器，其构成为，具有公头的公接头和具有母头的母接头可相互连接，其特征在于，所述公头或所述母头的至少一方的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Cu-Sn合金层。
2、一种连接器，其构成为，具有公头的公接头和具有母头的母接头可相互连接，其特征在于，所述公头或所述母头的至少一方的接点部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Cu-Sn合金层。
3、一种连接器，其特征在于，该连接器具有可相互连接的公头和母头，所述公头或所述母头的一方的至少接点部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Cu-Sn合金层；所述公头或所述母头的另一方的至少接点部分的最表面由金属材料形成，所述金属材料是Sn层或Sn合金层。
4、一种连接器用金属材料，其是用于权利要求1～3任一项所述的连接器的金属材料，其特征在于，其最表面由Cu-Sn合金层构成。
5、如权利要求4所述的连接器用金属材料，其特征在于，在所述Cu-Sn合金层中，Cu浓度朝向表面逐渐减小。
6、如权利要求4或5所述的连接器用金属材料，其特征在于，在所述Cu-Sn合金层中分散有Sn或Sn合金。
7、如权利要求6所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Sn或Sn合金的至少一部分在所述Cu-Sn合金层的表面露出，在截面视图中，Sn或Sn合金呈岛状或点状分散。
8、如权利要求4所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Cu-Sn合金层设置在导电性基体上。
9、如权利要求4所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述导电性基体和所述Cu-Sn合金层之间设置有由Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、Fe、Fe合金、Co或Co合金构成的金属层。
10、如权利要求4所述的连接器用金属材料，其特征在于，在所述导电性基体和所述Cu-Sn合金层之间设置有2种以上由Cu、Cu合金、Ni、Ni合金、Fe、Fe合金、Co或Co合金构成的金属层。
11、如权利要求4～10任意一项所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Cu-Sn合金层是通过相邻接的Cu或Cu合金的镀覆层和Sn或Sn合金的镀覆层的热扩散形成的。
12、一种连接器用金属材料的制造方法，其是如权利要求11所述的连接器用金属材料的制造方法，其特征在于，形成所述Cu或Cu合金的镀覆层和所述Sn或Sn合金的镀覆层后，进行热处理，使相邻接的Cu或Cu合金的镀覆层与Sn或Sn合金的镀覆层热扩散，形成所述Cu-Sn合金层。
13、如权利要求12所述的连接器用金属材料的制造方法，其特征在于，所述热处理是使形成了所述Cu或Cu合金的镀覆层与所述Sn或Sn合金的镀覆层的金属材料在炉内温度为300～800℃的回流炉内用3～20秒通过的处理。
14、如权利要求12或13所述的连接器用金属材料的制造方法，其特征在于，所述热处理后，进行使所述金属材料在20～80℃的液体中用1～100秒通过的冷却处理。
15、如权利要求12或13所述的连接器用金属材料的制造方法，其特征在于，所述热处理后，进行冷却处理，所述冷却处理是使所述金属材料在20～60℃的气体中用1～300秒通过，其后使所述金属材料在20～80℃的液体中用1～100秒通过的处理。
16、如权利要求4～10任意一项所述的连接器用金属材料，其特征在于，所述Cu-Sn合金层是不进行相邻接的Cu或Cu合金的镀覆层与Sn或Sn合金的镀覆层的主动热扩散而形成的。
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