JP2006196323A - 接続端子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 経時的に低い接触抵抗が保持されたり、下地金属の拡散により皮膜の硬度上昇を招くというような不都合を防止でき、実装部の半田濡れ特性が維持される接続端子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 導電性基体の表面に直接または異種金属めっき層を介して錫めっき又は錫合金めっきを施した接続端子において、少なくとも嵌合部または接点部にリフローを施し、且つ、そのリフローについて、導電性基体に達しない表層近傍の溶融によりそこに溶融・再結晶化層を形成した。また、接続端子を構成する導電性基体の表面に直接または異種金属めっき層を介して錫めっき又は錫合金めっきを施してから、少なくとも嵌合部又は接点部にレーザー光線を走査して照射することによりリフローを施すとともに、その照射により導電性基体に達しない表層近傍に溶融・再結晶化層を形成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、リフローによりウィスカーの発生防止処理を施したコネクタ等の接続端子およびその製造方法に関する。

自動車や各種電気・電子機器の電気配線のコネクタに使用される特に嵌合型接続端子は、銅または銅合金といった金属からなる導電性基体の表面に錫めっき（または錫合金めっき）が施された構造を持つ。錫めっきの主な目的は、端子の接続時に端子部の錫めっきの表面酸化皮膜が摩擦によって破壊されることにより、新鮮な錫が凝着して低い接触抵抗を安定して得るためである。こうして得られる錫めっきの接触抵抗は、高価な銀めっきに匹敵するほど小さい。錫めっきには、その後に半田付けする場合の半田濡れ性にも優れており、光沢めっきが可能で、外観も美麗であるという利点もある。

錫めっきの一般的な問題として、めっき後の環境変化によりウィスカーと呼ばれるヒゲ状の析出物が生成し、短絡等の原因となることは良く知られている。このウィスカーを経時ウィスカーと称することもある。経時ウィスカーは、錫めっき皮膜の応力発生構造に原因があると考えられており、めっき皮膜の応力を解決するために、錫めっき後にリフローと呼ばれる熱処理により一端溶融し再結晶化が行われる。

リフローする目的は、めっき皮膜の内部応力を緩和することにあるが、これの代償として膜全体が高温下に晒されるので、錫が熱酸化する。また、下地金属の拡散により皮膜内部への酸素の供給が進み、皮膜全体が酸化する。例えば、導電性基体が黄銅のような亜鉛含有銅合金である場合、基体から亜鉛が錫めっき皮膜中に拡散して、めっき皮膜の表面に酸化亜鉛の層が生じる。特にリフロー部中には亜鉛の拡散が起こりやすい。めっき表面に生成した酸化亜鉛の層は、めっき皮膜の耐食性の低下と変色を生ずる上、接触抵抗の著しい増大をもたらす。

さらに、下地金属と錫の合金層が成長し、これらは錫に比べ硬度が高く、皮膜が脆い、また半田濡れ性も悪い。接点部は問題なく使用できたとしても、実装部は半田濡れ性が重視されるので、リフロー品はこの点で問題があった。図６は、リフロー前（ａ）には、錫めっき層の下に錫銅合金層を有する断面構造において、リフロー後（ｂ）には、その錫銅合金層が大きく成長した拡散層が生じ、めっき表面の凹凸が激しくなった状態を示す。この場合、その凹凸により接触抵抗が増大する。

この点について、ウィスカーの抑制には銅または銅合金の基体の表面に下地ニッケルめっきを施すことが有効であることが知られている（非特許文献１参照）。下地ニッケルめっきは、亜鉛等の成分が基体から錫めっき中に拡散するのを防止するバリア層として利用されるが、この場合であると、リフローによりニッケル錫金属間化合物が生じ（図７参照）、これが皮膜硬度上昇を招き、その結果、被接続部品を損傷させる不都合があった。

また、従来、表面溶融が遠赤外線の照射や、ガスバーナー、オーブンによる加熱により、実装部を含む全面リフローが行われていたので、実装部においてはリフローにより半田濡れ性を劣化させることになる不都合が生じていた。

電気鍍金研究会編「環境調和型めっき技術」２６頁

この発明は、上記のような実情に鑑みて、ウィスカーの発生を防止するためにリフローにより錫または錫合金めっき層を熱処理するものであるが、熱処理の際に導電性基体の金属または下地異種めっき層の影響を受けることがないので、経時的に低い接触抵抗が保持されたり、下地金属の拡散により皮膜の硬度上昇を招くというような不都合を防止できる等の改善がなされ、また、実装部の半田濡れ特性が維持される接続端子およびその製造方法を提供することを課題とした。

上記の課題を解決するために、この発明は、導電性基体の表面に直接または異種金属めっき層を介して錫めっき又は錫合金めっきを施した接続端子において、少なくとも嵌合部または接点部にリフローを施し、且つ、そのリフローについて、導電性基体に達しない表層近傍の溶融によりそこに溶融・再結晶化層を形成したことを特徴とする接続端子を提供するものである。

また、この発明は、接続端子を構成する導電性基体の表面に直接または異種金属めっき層を介して錫めっき又は錫合金めっきを施してから、少なくとも嵌合部又は接点部にレーザー光線を走査して照射することによりリフローを施すとともに、その照射により導電性基体に達しない表層近傍に溶融・再結晶化層を形成することを特徴とする接続端子の製造方法を提供する。

この発明は上記のように構成したから、導電性基体として金属材料に錫又は錫合金めっきを施し、嵌合等の機械的圧力が加わる箇所にレーザーを照射することによってめっき表面を一旦溶融させ、錫又は錫合金めっき層（錫系めっき層）に溶融・硬化層を生成することによってウィスカーの発生を未然に防止できる。この場合、導電性基体に達しない表層近傍とは、リフローが錫系めっき層の中途に及ぶ場合と、その下地めっき層の中途に及ぶ場合とがあるものとする。

いずれにしても、表層近傍の溶融であるため、素材及び下地金属へのダメージがほとんどなく、全面リフローに比べ、下地金属の拡散により錫および錫合金皮膜の硬度上昇を招くような不都合を防止できる。その結果、ＦＰＣ、ＦＦＣ等の被接続部品の嵌合時にそれへのダメージが少ない。また、必要部のみの溶融であるため、実装部を除外することにより、全面リフロー時に発生する実装部の酸化膜の生成を抑制でき、半田濡れ性を劣化させる不都合が防止される。

ウィスカー発生について、さらに説明を加えると、めっき皮膜内の応力により酸化膜の欠陥箇所からウィスカーが出るといわれているので、めっき及び圧延後のめっき表層を欠陥なく均一な状態に保つことがウィスカー発生を防止する手段となっていると考えられる。部分リフローの場合、表層以外はめっき後の結晶の状態がそのまま残るので内部応力は残るが、溶融・再結晶化層が均一となるのに対して、全面リフローは溶融範囲が広いので、均一に溶融（応力緩和）ができなく、溶融が均一でないことで、ウィスカー発生を促進する結果となると考えられる。加えて言うならば、レーザー光線の照射による部分リフローでは、溶融・再結晶化層の均一性が得られやすい。

ちなみに、従来の全面リフローの場合は、前記の如く、溶融後再結晶化する際、表面状態が均一になりにくい。これは、めっきが厚いほど顕著になるため、一般的に最大３μｍのめっき厚で行われる。リフロー熱による下地金属の拡散を考慮すると、最小１．０μｍとなり、めっき厚の選択範囲が狭くなる（実際市場で流通している錫リフローのめっき厚は１〜２μｍ）。また、めっき外観が無光沢又は半光沢めっきに限られることになる。

これに対して、この発明による部分リフローは、表層付近のみの溶融なので、めっき厚に左右されず、薄めっきから厚めっき（０．３〜１５μｍ）まで対応可能である。めっき外観も無光沢、半光沢、光沢めっきに対応可能となる。そして、レーザー光線照射により部分リフローが容易になし得る。

以上説明したように、この発明によれば、ウィスカーの発生を防止するためにリフローにより錫めっき又は錫合金めっき層を熱処理するものであるが、表層付近のみを熱処理することによりウィスカーの発生を防止することに成功したものであって、そのために、熱処理の際に導電性基体の金属または下地異種金属めっき層の影響を受けることがないか、受けても少なくなり、安定して低い接触抵抗に保持され、また、皮膜硬度上昇を招く金属間化合物の発生を防止できるような改善をなすことができ、しかも、めっき厚の選択範囲が広くなり、外観も良好となる。さらに、実装部は熱処理しないことにより、その部分の半田濡れ特性が未リフローの錫・錫めっき層により維持されるという優れた効果がある。また、レーザー光線の照射によるときには、めっき層の表層付近の熱処理に適する。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて具体的に説明する。ただし、以下の説明は例示にすぎず、本発明はこれによって制限されるものではない。

接続端子Ｃとしては、図示される印刷配線用コネクタの他、例えば、リードフレーム、チップコンデンサ、半導体パッケージ、スイッチ、リレー等、およそ電気的接続のための嵌合部や接続部を有する接続端子に有効に実施され得る。

錫系めっき層の下層については、導電性基体の素材である場合と、異種金属層である場合とがある。異種金属層は様々となるが、導電性基体の表面に、下地ニッケル層と銅−ニッケル合金からなるバリア層とを介して当該錫系メッキ層を有する構造であると（本出願人に係る特願２００４−３５７１０３号の発明）、ウイスカーの発生がこの構造によっても抑制されるので、ウイスカーの発生防止について、本願発明はこれとの相乗効果を得ることを目的として実施できる。しかも、この場合、めっき皮膜の硬度上昇や接触抵抗の上昇も防止できる。

レーザー光線の照射によるリフローについては、レーザー光源または接続端子を移動させることにより、レーザー光線を嵌合部に全面的に走査させる。全面的走査の方法としては、一個の光源による走査でも良いが、多数の光源が配列されたレーザー光発射装置を用い、リフローの能率化を図ることもできる。なお、一個の照射範囲は例えば径３００μｍ、走査速度を例えば１００cm／ｓとする。

さらに具体的に説明するために、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

（実施例１）
図１ないし図５は、接続端子Ｃが二股嵌合型の印刷配線用コネクタに実施したもので、導電性基体１の基材料には青銅を使用し、図３（ａ）に示すように、全面にニッケルめっきを施し、そのニッケルめっき層６を下地として錫銅合金の錫系めっき層７が形成される。そして、嵌合部３にのみ部分リフローが施される（図１、図２）。４が部分リフロー部である。

図３（ａ）はリフロー前又は未リフロー部の顕微鏡写真の断面を示す。また、リフロー後（ｂ）として同図に断面を示す。部分リフローについては、超精密レーザー加工機（渋谷工業製）を使って、レーザー光線を走査させて行った。

リフロー後（ｂ）において、リフローにより形成された溶融・再結晶化層１０は、ニッケルめっき層６の中途に及んでいるため（図３（ｂ））、錫系めっき層７の下には錫ニッケル層８が生じているものの、表面にニッケル錫金属間化合物の生成がなく（図５）（図５に対応する図７参照）、また、下層における拡散もなく、表面１２の平坦性が維持されているため、接触抵抗の増加や硬度の上昇が抑制された。図２は、ＦＦＣ（フレキシブルフラットサーキット）・ＦＰＣ（フレキシブルプリントサーキット）等の被接続部品１５の嵌着状態を示し、二点鎖線の囲み内において最も圧接するが、これらに損傷は見られなかった。

なお、嵌合部３以外においてはリフローが施されていなく、表面が錫系めっき層７であるため、実装部５における半田濡れ性が確保されている。実装部５の半田濡れ性を維持するだけのことを考えると、それ以外の全部又は大部分にリフローを施しても良いことになる。

（実施例２）
コネクターの導電性基体が黄銅であって、その表面に錫めっき層を形成した（図示省略）。そして、嵌合部においてのみ、部分リフローを施し、この部分リフローについて、前記と同じように、超精密レーザー加工機を使ってレーザー光線を走査させることにより、錫めっき層の中途まで溶解し、溶融・再結晶化層を形成した。したがって、この場合は、めっき皮膜の耐食性の低下や変色、接触抵抗の増大の原因となる酸化亜鉛の発生が見られない。

コネクタ端子のめっきにおいて特に嵌合部が０．５mmピッチ以下品は、デジタル家電・携帯電話・デジタルスチールカメラなどに大量に使用されており、上記した問題の解決が見込める。よってそれらメーカーの他、コネクタメーカー、めっき加工メーカーへの工法の有効利用が望める。また、ＦＦＣメーカー、ＦＰＣメーカーにも同様の利点が望める。この点について、近年、コネクタの狭ピッチ化（０．５mmピッチ以下）が進んでおり、金属材料に錫または、Ｓｎ−Ｃｕなどのめっきを多用しているが、コネクタとＦＦＣ、又は、コネクタとＦＰＣの嵌合等の機械的圧力により皮膜内の内部応力が上昇し、錫ウィスカーの発生が助長される傾向にあるからである。

この発明の実施例を示す嵌合型接続端子の側面図である。 同接続端子の使用状態を示す側面図である。 同接続端子の表層を破断して斜め上から見た顕微鏡写真であって、（ａ）がリフロー前（又は未リフロー部分）を、（ｂ）がリフロー後を示す。 同接続端子の使用後の状態を示す顕微鏡写真である。 同接続端子のリフロー後の表層の一部を破断して斜め上から見た顕微鏡写真である。 図３に対応する従来例の説明のための顕微鏡写真であって、（ａ）がリフロー前を、（ｂ）がリフロー後を示す。 図５に対応する従来例の説明のための顕微鏡写真である。

符号の説明

Ｃ 接続端子
１ 導電性基体
３ 嵌合部
４ 部分リフロー部
６ 異種金属めっき層としてのニッケルめっき層
１０ 溶融・再結晶化層

Claims (3)

1. 導電性基体の表面に直接または異種金属めっき層を介して錫めっき又は錫合金めっきを施した接続端子において、少なくとも嵌合部または接点部にリフローを施し、且つ、そのリフローについて、導電性基体に達しない表層近傍の溶融によりそこに溶融・再結晶化層を形成したことを特徴とする接続端子。
2. 接続端子を構成する導電性基体の表面に直接または異種金属めっき層を介して錫めっき又は錫合金めっきを施してから、少なくとも嵌合部又は接点部にレーザー光線を走査して照射することによりリフローを施すとともに、その照射により導電性基体に達しない表層近傍に溶融・再結晶化層を形成することを特徴とする接続端子の製造方法。
3. リフローが実装部を除いて施されていることを特徴とする請求項１又は２記載の接続端子又はその製造方法。