JP2002194464A

JP2002194464A - 金属材料並びに端子およびコネクタ

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Publication number: JP2002194464A
Application number: JP2000394484A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Fukamachi; 一彦深町; Hajime Asahara; 肇浅原
Original assignee: Nippon Mining and Metals Co Ltd; Nippon Mining Co Ltd
Current assignee: Nippon Mining Holdings Inc; Eneos Corp
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2002-07-10

Abstract

(57)【要約】【課題】自動車のエンジン回り等での高温環境下の経
時劣化と挿抜抵抗の両方を改善し、さらに長期間保管し
てもはんだ付け性等の特性が劣化しないという性能を併
せ持った金属材料を提供する。【解決手段】銅又は銅合金の母材に対し、ニッケルを
１０％〜５０％含有し、残部が錫および不可避不純物か
らなる合金めっき中間層と、錫又は錫合金めっきの表層
とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中間層に少なくと
も錫およびニッケルを含有し、表層に錫又は錫合金の表
層を有する銅又は銅合金に関するものである。特に、本
発明は、高耐熱性に優れ、ろう付け性および外観の時効
劣化性ならびにコンタクトに使用した場合の挿抜性に優
れた電子部品用金属材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子部品用金属材料において、錫又は錫
合金めっきを施した接触子等の金属材料は、主として民
生用のコネクター接点および自動車電装用ワイヤーハー
ネスとして大量に使用されている。しかしながら、錫又
は錫合金のめっき材では、下地金属である銅、ニッケル
等と表層のめっき層との間で相互拡散が進行し、経時的
に接触抵抗、耐熱剥離性、半田付け性といった諸特性が
劣化する。すなわち、時効により特性が劣化する。この
現象は高温であるほど促進されるため、自動車のエンジ
ン回り等では特に劣化が激しい。

【０００３】このような状況の中で、米国の３大自動車
メーカーにより設立された自動車部品の規格を決定して
いるＵＳＣＡＲにおいて、コネクタ材の耐熱性の要求が
高まってきており、最も厳しい使用条件では、常時の使
用温度が１５５℃、最高使用温度が１７５℃での耐熱性
が要求されている。また、国内においても、特に自動車
関連のコネクター材でやはり耐熱性の要求が高まってき
ており、１５０℃以下での耐熱性が求められてきてい
る。

【０００４】さらに、コネクタメーカーの生産拠点の海
外への移転により、材料がめっきされた後、長期間放置
されてから使用されるケースがある。このため、長期間
保存しても、めっき材の諸特性が劣化しない材料、すな
わち耐時効性が高い材料が求められてきている。なお、
めっき材の特性劣化は高温下で促進される。したがって
高温下での特性劣化が少ない材料は長期間保存しても特
性が劣化しない材料と言い換えることができる。したが
ってこの分野でも耐熱性の高いめっき材が求められてい
ることになる。

【０００５】上記のような特性の劣化は、銅又はニッケ
ルを中間層としてめっきするることによりある程度は緩
和され。しかしながら、銅を中間層とした場合、耐熱剥
離性が著しく劣化することが判明している。一方、ニッ
ケルのみを中間層とした場合には、ニッケルが銅の拡散
を抑制するため、銅を下地とした場合より特性は改善さ
れる。さらに、ニッケルの中間層に錫めっきを施してリ
フロー処理を施すことにより、はんだ付け性を比較的改
善する化合物拡散層（Ｓｎ_３Ｎｉ）が形成される。しか
しながら、めっき後のリフロー処理だけでは、拡散層が
十分成長せず、はんだ付け性がそれ程十分ではない。そ
の他、めっき後に封孔処理を施す等の後処理も試みられ
ているが、充分な改善には至っていない。

【０００６】また、銅の拡散を抑制する手段として、中
間に銅−ニッケル合金を存在させる手段が提案されてい
るが（ＰＣＴ／ＵＳ９６／１９７６８）、この手法では
接触抵抗の上昇を抑制することについて言及されている
ものの、半田付け性の時効劣化防止については解決され
ていない。

【０００７】さらに、錫めっき材では、その軟質性か
ら、コネクタの接点においてオスとメスを凝着させるガ
スタイト構造が採られる。このため、金めっき等で構成
されるコネクタに比べ、コネクタの挿入力が高いという
錫めっき材固有の欠点がある。

【０００８】このような状況の中で、近年自動車部品の
みならず一般のコネクタにおいて、小型化、軽量化およ
び多機能化の進展に伴い、コネクタの多芯化の要求が益
々強くなってきている。しかしながら、現在の錫めっき
材のままで多芯化を行うと、コネクタの挿入力が増大し
てしまう。したがって、錫めっきのコネクタが多く用い
られている自動車の組立工程では、コネクタの接合が人
力で行われているため、挿入力の増大は作業性の低下に
直結する。

【０００９】これに対応する手段として、銅又はニッケ
ルを中間層としてめっきし、表層の錫めっき又は錫合金
めっきの摩擦抵抗を低減させ、挿抜性を改善させる手法
も提案されているが（特開平９−３２０６６８）この手
法によればコネクタの挿入に関する問題は回避できる
が、前述の通り耐熱性、特にはんだ付け性の経時劣化を
防ぐことはできない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、自動車のエ
ンジン回り等での高温環境下の経時劣化と挿抜抵抗の両
方を改善し、さらに、長期間保管してもはんだ付け性等
の特性が劣化しないという性能を併せ持った金属材料を
提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の金属材料は、銅
又は銅合金の母材に対し、ニッケルを１０％〜５０％含
有し、残部が錫および不可避不純物からなる合金めっき
中間層と、錫又は錫合金めっきの表層とを備えたことを
特徴としている。

【００１２】錫−ニッケル合金からなる中間層は、後述
するリンやホウ素を含有するためのベース合金としての
機能を有している。また、錫とニッケル合金を中間層と
して表層のめっきの前から存在させてることにより、錫
−ニッケル合金化合物からなる拡散層を、ニッケル単独
の中間層を下地としてリフローした場合よりも厚くする
ことができる。この拡散層は、母材からの銅の拡散によ
るはんだ付け性の劣化を抑止する効果があり、高温下で
のはんだ付け性の劣化、接触抵抗の増大等をより効果的
に抑えることが可能になる。

【００１３】また、錫−ニッケル合金めっきは、表層の
錫または錫合金めっきに比べ硬いという特徴がある。例
えば、３０％のニッケルを含む錫−ニッケル合金めっき
を行なえば、めっき条件を調整することにより、ビッカ
ース硬さ（Ｈｖ）で最大７００までの硬さを得ることが
できる。これに対し表層の錫又は錫合金のめっきの硬さ
は最大でＨｖ１０前後である。このように表層と中間層
の硬さが著しく異なるため、薄膜金属潤滑効果も起こ
り、挿抜抵抗を下げるという効果も期待できる。したが
って、このような金属材料により、耐熱性耐熱性と挿抜
性の双方に優れた端子およびコネクタを製造することが
できる。

【００１４】中間層中のニッケルの含有量は、要求され
る耐熱性に応じて決めればよいが、１０％未満では効果
が得られないため、下限を１０％とする。また、上限値
である５０％は、通常のＳｎ−Ｎｉめっきを行う場合の
Ｎｉ含有量の上限である。

【００１５】また、本発明の他の特徴は、端子またはコ
ネクタ用の金属材料であって、銅又は銅合金の母材に対
し、ニッケルを１０％〜５０％、リンを０．０５％〜２
０％含有し、残部が錫および不可避不純物からなる合金
めっき中間層と、錫又は錫合金めっきの表層とを備えた
ことを特徴としている。

【００１６】リンおよびホウ素は耐熱性および挿抜性を
さらに向上させる効果がある。これらの元素が添加され
ると、高温下でこれらの元素が表層に拡散し、めっき層
内部の酸化を防止することができ、耐熱性をより向上さ
せることが可能となる。また、これらの元素が表面に拡
散することにより、これらの酸化物皮膜が形成され、こ
の皮膜が、コネクタに使用した場合の挿抜抵抗を下げる
効果もある。

【００１７】中間層は、ニッケルを１０％〜５０％、リ
ンを０．０５％〜２０％、残部が錫および不可避的不純
物からなる合金であることが望ましい。また、中間層が
ニッケルを１０％〜５０％、ホウ素を０．０５％〜２０
％含有し、残部が錫および不可避不純物からなる合金で
あることも好ましい態様の一つである。さらに、中間層
がニッケルを１０％〜５０％、リンを０．０５％〜２０
％、ホウ素を０．０５％〜２０％、残部が錫および不可
避的不純物からなる合金であことも好ましい態様の一つ
である。リンおよびホウ素の含有量が０．０５％未満で
あると、それぞれの元素の効果が十分発揮されない。ま
た、上限である２０％は、これらの元素の合金めっきを
行なう上での上限値であり、これ以上これらの元素を含
有させることは困難である。

【００１８】リフロー処理を行うことにより、中間層と
表層との境界部に、厚みが０．５μｍ以上の錫−ニッケ
ル合金拡散層を設けることが望ましい。また、このよう
な拡散層は、表層をめっきした後に時効処理、あるいは
リフロー処理と時効処理の双方を行うことによっても得
ることができる。この拡散層はＳｎ_３Ｎｉであり、前述
のように、母材からの銅の拡散によるはんだ付け性の劣
化を抑止する効果があり、高温下でのはんだ付け性の劣
化、接触抵抗の増大等をより効果的に抑えることを可能
とする。

【００１９】中間層の厚みは、１．０μｍ未満である
と、前記の耐熱性の効果が得られ難くなるため、１．０
μｍ以上であることが望ましい。また、厚みが厚くなり
すぎるとプレス性が損なわれるため、厚みは３μｍ以下
であることが望ましい。

【００２０】表層の錫又は錫合金のめっき層の厚みは、
０．３μｍ未満では、接触抵抗が増大する傾向があるた
め、０．３μｍ以上であることが望ましい。また、表層
の厚みの増加とともに挿抜性が低下するため、３μｍ以
下であることが望ましい。リフロー処理を行うと、錫ま
たは錫合金めっき層の一部は中間層との間で拡散層を形
成し、純粋なめっき層の厚みが薄くなるため、リフロー
前の錫めっき層の厚みは０．５μｍ以上であることが望
ましく、生産性等も考慮すると１〜２μｍであると好適
である。

【００２１】金属の薄膜潤滑効果を得るために、表層の
錫又は錫合金めっき層と中間層の厚みの比は１：２〜
１：３の範囲にすることが好ましい。また、中間層と表
層との間で形成される拡散層の厚みは、０．５μｍ未満
では効果が十分でないため０．５μｍ以上とするのが望
ましい。

【００２２】表層めっき後のリフローおよび時効の効果
は、上記拡散層の形成のほか、中間層にリンおよびホウ
素を含有させた場合に、これらの元素の表層への拡散を
促し、めっき層内部の酸化を防ぐほか、表層にこれらの
酸化物の保護皮膜を形成する作用がある。

【００２３】表層のめっき層は、錫の他に錫合金、錫−
鉛合金で代表されるはんだめっきのほか、錫−銀、錫−
ビスマスといった鉛フリーはんだを選択することも可能
である。

【００２４】中間層のめっき液として、基本となる錫−
ニッケルの合金めっきは、公知の塩化ニッケル−塩化第
一錫−ピロリン酸カリウム−グリシン−アンモニア水系
等を用いることができる。ここで、グリシンは錯化材で
これを添加することでニッケルの共析が可能になる。ア
ンモニア水はめっきの応力を圧縮から引張り側に変える
作用があるほか、めっき皮膜の硬さを増す効果もある。
しかしながら、本発明においては、いずれのめっきにお
いても、めっき浴の組成や条件は任意に選択できる。ニ
ッケル他の合金元素はそれぞれ、ニッケルは次亜リン酸
ナトリウム、ホウ素はボランアミン錯体を必要量添加す
ることで合金化する。

【００２５】表層の錫めっき又は錫合金めっきについて
は、公知の硫酸系、メタンスルホン酸系、フェノールス
ルホン酸系等のめっき液が使用できる。めっきをした
後、リフロー処理を行い、或いは必要に応じてその後時
効処理、またはめっき直後に時効処理を行うことで、中
間層にリンおよびホウ素が含まれている時。これらを表
層に拡散させ、耐熱性、挿抜性のをさらに改善する。

【００２６】なお、本発明の請求項においては、ニッケ
ルを含む合金を中間層として規定しているが、本発明は
表層の錫又は錫合金めっき層の下に錫−ニッケルを含む
合金層が存在していればその下即ち母材である銅合金と
の間に別のめっき層があっても問題はなく、そのような
場合においても本発明は有効である。また、本発明は、
端子またはコネクタ用に特に適しているが、このような
用途に限定されるものではない。

【００２７】

【実施例】次に、本発明の効果を実施例に基づき具体的
に説明する。母材には、耐熱性の評価用として厚み０．
２ｍｍのリン青銅２種（ＪＩＳＣ５１９１）、挿抜性の
評価用として厚み０．５ｍｍの無酸素銅（ＪＩＳＣ１０
２０）を脱脂、酸洗したものを用いた。また、表層のめ
っきはリフロー錫について評価した。

【００２８】錫−ニッケル、およびこれにリン、ホウ素
を添加した系のめっき条件と各合金組成を表１〜４に示
す。また、表層の錫めっきの条件を表５に示す。表層の
めっきの後処理については、リフローしたものの他、リ
フローせずに時効のみを行ったもの、リフローと時効を
両方行ったものを評価した。時効条件は１００℃で１０
時間とした。この他、比較材として中間層が無いもの、
０．５μｍの銅を中間層としたもの、Ｓｎ−３％Ｎｉ合
金を中間層としたものも用意した。

【００２９】耐熱性については、評価材を１５５℃、１
６時間加熱後の外観、はんだ付け性、熱剥離の有無、接
触抵抗の変化を評価した。また、挿抜性については、評
価材を図１に示すようにオスピン、メスピンの形状に加
工し、オスピンをメスピンに挿入する際の最大挿入力を
評価した。

【００３０】はんだ付け性は、２５％ロジン−エタノー
ルをフラックスとし、メニスコグラフ法によりはんだ濡
れ時間を測定することで評価した。熱剥離の有無は、め
っき材に対して９０℃で繰返し曲げを行い、曲げ部の状
況を目視で観察することで評価した。接触抵抗は、図１
に示すようにオスピン、メスピンを嵌合させ、この状態
で１５５℃、１６時間加熱した前後の接触抵抗（電気抵
抗）を評価した。以上の結果を表６に示す。Ｓｎ−１．
１％Ｎｉを中間層としたＮｏ．２６では、表層のＳｎめ
っきを厚くした場合とほぼ同等の条件となるため、耐熱
性は本発明の実施例と同様に良好であるが、その他の比
較例では耐熱性が実施材のものに比べて劣る。

【００３１】挿抜性の評価結果を表７に示す。これよ
り、端子の挿入力はいずれの合金系においても、比較例
に比べて優れていることが分かる。Ｓｎ−１．１％Ｎｉ
を中間層としたＮｏ．２６では、耐熱性では優れていた
が、単にＳｎめっきを厚くしたのと変わらないため、挿
抜性が劣っている。以上により、実施例は比較例と比
べ、耐熱性、はんだ付け性等の諸性能は勿論のこと、挿
抜性も良好であることが確認された。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】

【表３】

【００３５】

【表４】

【００３６】

【表５】

【００３７】

【表６】

【００３８】

【表７】

【００３９】

【発明の効果】以上記述した通り、本発明によれば、自
動車のエンジン回り等での高温環境下の経時劣化と挿抜
抵抗の両方を改善し、さらに長期間保管してもはんだ付
け性等の特性が劣化しないという性能を併せ持った金属
材料を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る挿抜性の評価テストを実施する
説明図である。

【符号の説明】

１メスピン２オスピン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅又は銅合金の母材に対し、ニッケルを
１０％〜５０％含有し、残部が錫および不可避不純物か
らなる合金めっき中間層と、錫又は錫合金めっきの表層
とを備えたことを特徴とする金属材料。
【請求項２】銅又は銅合金の母材に対し、ニッケルを
１０％〜５０％、リンを０．０５％〜２０％含有し、残
部が錫および不可避不純物からなる合金めっき中間層
と、錫又は錫合金めっきの表層とを備えたことを特徴と
する端子またはコネクタ用金属材料。
【請求項３】前記中間層がニッケルを１０％〜５０
％、リンを０．０５％〜２０％、残部が錫および不可避
的不純物からなる合金であることを特徴とする請求項１
または２記載の金属材料。
【請求項４】前記中間層がニッケルを１０％〜５０
％、ホウ素を０．０５％〜２０％含有し、残部が錫およ
び不可避不純物からなる合金であることを特徴とする請
求項１または請求項２記載の金属材料。
【請求項５】前記中間層がニッケルを１０％〜５０
％、リンを０．０５％〜２０％、ホウ素を０．０５％〜
２０％、残部が錫および不可避的不純物からなる合金で
あことを特徴とする請求項１または請求項２記載の金属
材料。
【請求項６】リフロー処理を行うことにより、前記中
間層と前記表層との境界部に、厚みが０．５μｍ以上の
錫−ニッケル合金拡散層を設けたことを特徴とする請求
項１〜５のいずれかに記載の金属材料。
【請求項７】時効処理を行うことにより、前記中間層
と前記表層との境界部に、厚みが０．５μｍ以上の錫−
ニッケル合金拡散層を設けたことを特徴とする請求項１
〜５のいずれかに記載の金属材料。
【請求項８】リフロー処理および時効処理を行うこと
により、前記中間層と前記表層との境界部に、厚みが
０．５μｍ以上の錫−ニッケル合金拡散層を設けたこと
を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属材
料。
【請求項９】請求項１〜８に記載の金属材料を接触子
としたことを特徴とする端子およびコネクタ。