JP2004156147A - 多極端子用錫又は錫合金めっき銅合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車用の多極端子の挿入力を低減し、自動車を組み立てる際の作業者の疲労、作業性の低下を少なくする。
【解決手段】 厚さが０．１〜０．４μｍの銅と錫の金属間化合物又はニッケルと錫の金属間化合物からなる第１層と、さらにその上に、０．１〜１．２μｍの錫又は錫合金めっき層を有し、かつ、これらの同材の間の動摩擦係数が０．３以下であることを特徴とする多極端子用錫又は錫合金めっき銅合金。
このめっき材から得られた端子は摩擦係数が小さく、端子の挿入力が低減できる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、多極端子用錫又は錫合金めっき銅合金、特に、自動車用の多極端子用錫めっき銅合金に関わる。

自動車用端子・コネクターには、錫めっき銅合金が用いられている。錫めっきの目的は、一般に、良好な電気接点を得ること、耐食性を付与すること、はんだ付け性の向上等である。下記特許文献１，２には、錫めっき層中へのＣｕやＮｉの拡散を抑制し、長期にわたって、錫めっき材のはんだ濡れ性等を良好に保つことを目的として、錫めっき層の下部に金属間化合物層を設け、これにより錫中への元素の拡散を抑制し錫めっき層を長期にわたって保つ技術が開示されている。

特開平４−２３５２９２号公報 特開平４−３２９８９１号公報

一方、昨今、自動車の電装化が進むにつれて、端子を集合させて形成する多極コネクターの極数、すなわち、端子の数が増加している。このように極数が増加すると、コネクターを嵌合する際の挿入力が大きくなり、これが、自動車を組み立てる際の作業者の疲労、作業性の低下の原因となっている。

この挿入力が大きいことによる上記問題点を解決する手段として、メス端子の接圧力を低減する、あるいはタブクリアランスを大きくする等の端子設計側の対策が考えられるが、これらは、いずれも、端子本来の目的である電気的接点の安定性を損なう恐れがある。
そこで、本発明は、電気的接点の信頼性を損なうことなしに端子の挿入力を低下せしめることにより、上記問題点を解決することを目的とする。

本発明者らは、端子を形成する錫又は錫合金めっき銅合金の摩擦係数を低くすれば、接点の信頼性を損なうことなく端子の挿入力を低減できることに想到し、さらに研究を重ねた結果、銅と錫の金属間化合物又はニッケルと錫の金属間化合物からなる高硬度の金属間化合物を錫又は錫合金めっき層の下に形成することによって、低摩擦係数で端子の挿入力が小さくて済む錫又は錫合金めっき銅合金を得ることができることを見い出した。

本発明は、この知見に基づいてなされたもので、銅と錫の金属間化合物又はニッケルと錫の金属間化合物からなる第１層と、さらにその上に、０．３〜１．２μｍの錫又は錫合金めっき層を有し、かつ、これらの同材の間の動摩擦係数が０．３以下であることを特徴とする多極端子用錫又は錫合金めっき銅合金に関する。後述するように、金属間化合物の第１層の厚さは、下地の拡散を抑制し成形性を良好に保つためには、０．１〜０．４μｍとする必要がある。
なお、本発明の多極端子用錫又は錫合金めっき銅合金は、ヌープ硬さ（Ｈｋ２５ｇｆ）が９５〜２２０であることが好ましい。
この銅合金は、通常板又は条の形で供給されプレス加工により端子に成形される。

また、上記の多極端子用錫又は錫合金めっき銅合金は、板又は条等の形の銅合金上に０．０５〜０．２μｍの銅めっき、又は０．０８〜０．２５μｍのニッケルめっきを施し、さらに、その上に錫又は錫合金めっきを施した後に、リフロー処理（錫又は錫合金めっき層をその融点以上で溶解させる）を行うことによって、銅めっき又はニッケルめっきを全て銅と錫の金属間化合物又はニッケルと錫の金属間化合物に変化させることを特徴とする。

錫又は錫合金めっき銅合金材の摩擦係数、ひいては錫又は錫合金めっき端子の挿入力は、めっき皮膜の変形抵抗と剪断抵抗によって決定される。本発明では、錫めっき層のような柔らかい層の下に高硬度の金属間化合物層を有することにより、柔らかい錫めっき層が潤滑作用を生み出し、摩擦係数は小さくなると考えられる。そして、その錫めっき層の厚さは、薄い方が小さな摩擦係数を有する。
つまり、本発明は、錫又は錫合金めっき層の下に金属間化合物層を形成し、同時に錫又は錫合金めっき層の厚さを制限することによって、端子の挿入力を左右する材料の動摩擦係数の値を低く抑制し、多極端子用として優れた錫又は錫合金めっき銅合金を得ようというものである。

ところで、端子の接点の電気的特性は、それらが実装される自動車の使用される間十分に安定でなければならない。錫めっき層はＣｕやＮｉの高速拡散媒体であることがすでに知られており、これらの元素は、室温付近の温度でも、錫めっき層中に拡散し、金属間化合物を形成する。そして、例えば、１０年間の間のこれら元素の錫めっき層中への拡散が起こっても、接点の電気的特性が損なわれないだけの十分な厚さの錫又は錫合金めっき層が必要である。
しかし、錫又は錫合金めっき層を厚くすると、摩擦係数が大きくなり、接点の安定性が確保できても、実装の際の挿入力が低く作業性にすぐれた多極端子を製造することが困難となる。従って、本発明では、めっき厚さを従来より薄くしても信頼性を落とさないように、錫めっき層中への拡散を抑制する適切な厚さの金属間化合物層を下地に設けた。

また、従来は、錫又は錫合金めっき皮膜の厚さは、はんだ濡れ性を良好に保つためには厚い方がよいとされてきた。しかし、最近の自動車用の端子には、信頼性の観点等から、はんだ付けに代わってカシメによるワイヤーの結線方法を用いるようになっており、このような結線方法を用いる場合、従来のようなはんだ濡れ性の観点からめっき皮膜の厚さを厚くしておく必要がない。むしろ、本発明では従来と反対に、錫又は錫合金めっき皮膜を一定の厚さ以下にすることによって摩擦係数を低く制御し、端子の挿入力を低減している。
従って、本発明は、はんだ付けを行わず、かつ、挿入力を低く抑えたい多極端子用に特に適するということができる。しかし、本発明ははんだ付けを行わない多極端子のみに限定されるわけではない。

なお、錫めっき層中へのＣｕやＮｉの拡散を抑制し、長期にわたって、錫めっき材のはんだ濡れ性等を良好に保つことを目的として、錫めっき層の下部に金属間化合物層を設け、これにより錫中への元素の拡散を抑制し錫めっき層を長期にわたって保つ技術は、前記特許文献１，２にすでに開示されている。
これに対し、本発明は、先にも述べたように、金属間化合物層の上の錫又は錫合金めっき層の厚さを制限することによって、端子の挿入力を左右する材料の動摩擦係数の値を低く抑制し、特に多極端子用として優れた錫又は錫合金めっき銅合金を得ようというものである。

本発明により、従来よりも摩擦係数の低い錫めっき又は錫合金めっき銅合金条を得ることができ、そのめっき材を用いた端子は挿入力を低くすることが可能となり、多極端子、特に多ピン化した自動車用多極コネクターの用途に適する。

ここで、銅と錫又はニッケルと錫の金属間化合物層の厚さを０．１−０．４μｍとした理由を説明する。厚さを０．１μｍ以上としたのは、銅合金からの錫めっき層への元素の拡散を抑制するには少なくとも０．１μｍ以上の厚さが必要だからである。一方、金属間化合物層の厚さの上限を０．４μｍ以下としたのは、厚さがこれを越えると端子の成型加工時にめっき皮膜にクラックが入り、耐食性を低下させたり、割れの原因になったりする恐れがあり、また、プレス加工時のカスの発生が多くなるという弊害がでるためである。

錫又は錫合金めっき厚さに関しては、薄い方が摩擦係数が低下し挿入力が小さくてすむ。しかし、０．１μｍ未満であると、めっき皮膜の欠陥や母材からの銅元素のめっき皮膜中への拡散により、下地に拡散を抑制する金属間化合物層を設けたとしても、自動車の寿命以上に要求される接点の接触抵抗の安定性を確保することが困難になるからである。従って、めっき厚さとしては、０．１μｍ以上必要である。一方、めっき厚さの上限は１．２μｍとした。これは、これを越える厚さになると摩擦係数が上昇するためである。上記範囲内では０．３〜０．８μｍが端子の挿入力及び接触抵抗値の長期にわたる安定化のために好ましい。

ヌープ硬さに関しては、これが大きいほどめっき材の摩擦係数が小さくなり、挿入力が小さくなる傾向にある。従って、Ｈｋ２５ｇｆの値が９５以上が望ましく、上限は加工時に表面クラックが入るのを防止する観点から２２０以下にするのが望ましい。このヌープ硬さの条件は、錫又は錫合金めっき厚さ０．３〜０．８μｍの範囲で得ることができる。

また、本発明方法では、銅合金上に０．０５〜０．２μｍの銅めっき又は０．０８〜０．２５μｍのニッケルめっきを施し、その上に錫又は錫合金めっきを施した後に、このめっき層を溶融するリフロー処理を行い、銅めっき又はニッケルめっき層を金属間化合物層に変化させるが、０．１〜０．４μｍの厚さの金属間化合物層を得るには、銅めっき層の場合０．０５〜０．２μｍ、ニッケルめっき層の場合０．０８〜０．２５μｍの厚さが必要である。
なお、この金属間化合物層は、リフロー処理の他に、錫又は錫合金めっきを行った後に低温焼鈍することによっても形成することができる。また、錫又は錫合金めっきは電解、無電解のいずれの方法でもよく、さらに、めっき層の厚さを制御することが難しいが、溶融錫めっきにより形成してもよい。
また、錫合金めっきとしては、例えば錫−鉛（はんだ）、錫−亜鉛、錫−ニッケル等の合金が挙げられる。

０．２５ｍｍのＣｕ−６ｗｔ％Ｓｎ−０．０４５ｗｔ％Ｐからなるりん青銅板に表１に示すめっき条件でめっきを施し、リフロー処理により金属間化合物層を形成した。銅と錫の金属間化合物層を設けた場合の実施例を表２に、ニッケルと錫の金属間化合物層を設けた場合の実施例を表３にまとめた。
表２又は表３において、リフロー処理を行う前の初期Ｃｕめっき、初期Ｎｉめっき、初期Ｓｎめっきの厚さは、いずれも、それぞれのめっきを実施例と同じ条件でりん青銅の表面に直接めっきし、蛍光Ｘ線膜厚計でめっき厚さを求め、これを各実施例のそれぞれのめっき厚さとしたものである。また、金属間化合物層の厚さ及びＳｎめっきの厚さ（リフロー処理後）は、めっき層の断面をミクロトームにより切断した後、ＳＥＭ像から求めたものである。

摩擦係数は、作成した試験材同士（同じ錫めっきりん青銅板）を一定面積接するようにして、オートグラフを用いて測定した。すなわち、図１に模式的に示すように、面積１ｃｍ^２の試験材１を荷重（Ｎ）１ｋｇｆのブロック２をその重心が試験材１と合うように張り付け、それを他方の試験材３の表面で移動速度０．３８ｍｍ／ｓｅｃで滑らせ、その水平方向にかかる力（Ｆ）から動摩擦係数（μ）を次式により計算した。
μ＝Ｆ／Ｎ
なお、図１において、４は試験材を引っ張るワイヤー（弾性の少ないもの）、５はプーリー、６はロードセルである。また、錫めっき材の摩擦面に潤滑油などは一切塗布していない。

接触抵抗値は、端面を防水塗装した後、温度４０℃、湿度８５％の雰囲気に２４時間放置した錫めっき材を用いて、四端子法により、開放電圧２０ｍＶ、電流１０ｍＡ、摺動加重１００ｇｆで測定した値である。
Ｗ曲げ加工性は、幅１０ｍｍの試験片を曲げ半径０．５ｍｍ、線圧１００ｋｇｆ／ｍｍで曲げた後、曲げ部を実体顕微鏡で４０倍に拡大して観察し、評価した。

表２に示すように、Ｎｏ．１〜８の初期の銅めっき厚さが０．０５〜０．２μｍのものは、リフロー処理後の金属間化合物層の厚さが０．１〜０．４μｍとなった。金属間化合物層の厚さが０．１〜０．４μｍであり、錫めっき層の厚さが０．１〜１．２μｍの範囲にあるＮｏ．１〜８の場合、摩擦係数は０．３以下となり、かつ、湿潤試験後の接触抵抗値も２．２ｍΩ以下と低い値を維持している。一方、金属間化合物層の厚さが０．４μｍを越えるＮｏ．９では、動摩擦係数及び接触抵抗値はよいが、曲げ加工後にめっき層にクラックが入る。また、錫めっき層が２．２μｍのＮｏ．１０では、摩擦係数が０．３５と大きくなる。

表３に示すように初期のニッケルめっき厚さが０．０８〜０．２５μｍの場合にリフロー処理後の金属間化合物層の厚さが０．１〜０．４μｍになった。金属間化合物層の厚さが０．１〜０．４μｍであり、錫めっき層の厚さが０．１〜１．２μｍの範囲内にあるＮｏ．１〜８の場合、摩擦係数は０．３以下となり、かつ、湿潤試験後の接触抵抗値も２．４ｍΩ以下と低い値を維持している。一方、金属間化合物層の厚さが０．４μｍを越えるＮｏ．９では、動摩擦係数及び接触抵抗値はよいが、曲げ試験によりめっき皮膜にクラックが入った。錫めっき厚さが２．２μｍのＮｏ．１０では、摩擦係数が０．３８と大きくなった。

本発明における摩擦係数の測定方法を模式的に表した図である。

符号の説明

１、３ 錫めっき試験材
２ 荷重用のブロック

Claims (3)

1. 銅と錫の金属間化合物又はニッケルと錫の金属間化合物からなる第１層と、さらにその上に、０．１〜１．２μｍの錫又は錫合金めっき層を有し、かつ、これらの同材の間の動摩擦係数が０．３以下であることを特徴とする多極端子用錫又は錫合金めっき銅合金。
2. 厚さが０．１〜０．４μｍの銅と錫の金属間化合物又はニッケルと錫の金属間化合物からなる第１層と、さらにその上に、０．１〜１．２μｍの錫又は錫合金めっき層を有し、かつ、これらの同材の間の動摩擦係数が０．３以下であることを特徴とする多極端子用錫又は錫合金めっき銅合金。
3. 銅合金上に０．０５〜０．２μｍの銅めっき、又は０．０８〜０．２５μｍのニッケルめっきを施し、さらに、その上に錫又は錫合金めっきを施した後に、リフロー処理を行うことによって、銅めっき又はニッケルめっきを全て銅と錫の金属間化合物又はニッケルと錫の金属間化合物に変化させることを特徴とする請求項２に記載された多極端子用錫又は錫合金めっき銅合金の製造方法。

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