JP2011012320A

JP2011012320A - コネクタ用金属材料

Info

Publication number: JP2011012320A
Application number: JP2009158867A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Kitagawa; 秀一北河; Kengo Mitose; 賢悟水戸瀬; Kazuo Yoshida; 和生吉田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: JP5479789B2

Abstract

【課題】接続信頼性と低摩擦係数を両立し、かつ、はんだ濡れ性が良好なコネクタ用金属材料を提供する。
【解決手段】ＣｕまたはＣｕ合金の母材上にＣｕ−Ｓｎ合金層とＳｎまたはＳｎ合金層がこの順で形成され、前記ＳｎまたはＳｎ合金層の平均厚さが０．００１〜０．０５μｍであるコネクタ用金属材料。
【選択図】なし

Description

本発明はコネクタ用金属材料に関し、さらに詳しくは、優れた挿抜性と優れたはんだ濡れ性を両立したコネクタ用金属材料に関する。

銅（Ｃｕ）、銅合金などの導電性基体（以下、適宜、基体と記す。）上にスズ（Ｓｎ）、スズ合金などのめっき層を設けためっき材料は、基体の優れた導電性と強度、およびめっき層の優れた電気接続性と耐食性とはんだ付け性を備えた高性能導体として知られており、各種の端子やコネクタなどに広く用いられている。
ところで近年、電子制御化が進む中で嵌合型コネクタが多極化したため、オス端子群とメス端子群を挿抜する際に多大な力が必要になっている。特に自動車のエンジンルーム内などの狭い空間で無理な姿勢で挿抜作業を行う場合、作業が困難なため、前記挿抜力の低減（挿抜性の向上）が強く求められている。
前記挿抜力を低減する方法として、コネクタ端子表面のＳｎめっき層を薄くして挿抜時の摺動抵抗を軽減したり、接触圧力を低くしたりする方法があるが、この方法ではＳｎめっき層が軟質のため端子の接触面間にフレッティング現象が起きて、端子間に導通不良が起きることがある。
フレッティング現象とは、振動や温度変化などが原因で端子の接触面間に起きる微摺動により、端子表面の軟質のＳｎめっき層が摩耗し酸化して、比抵抗の大きい摩耗粉になる現象で、この現象が端子間に発生すると接続不良が起きる。そして、この現象は端子間の接触圧力が低いほど起き易い。
フレッティング現象を防ぎ、かつ挿抜力を下げるため、コネクタ端子表面のＳｎめっき層を下地Ｃｕ層と加熱によって合金化することにより、端子表面の摩擦係数を低くする方法があるが、この方法はＣｕ−Ｓｎ合金層のはんだ濡れ性が悪いため、組み立て時にはんだ不良が起こることがある。
摩擦係数を低くした嵌合型端子用導電材料としては、特許文献１及び特許文献２に記載のものなどが提案されているが、コネクタとしたときの挿抜力の低減化や、はんだ濡れ性の点でまだ十分とはいえない。

特開２００６−７７３０７号公報特開２００６−１８３０６８号公報

本発明は、接続信頼性と低摩擦係数を両立させ、かつ、はんだ濡れ性も十分なコネクタ用金属材料を提供することを課題とする。

上記課題は以下の手段により達成された。
（１）ＣｕまたはＣｕ合金の母材上にＣｕ−Ｓｎ合金層とＳｎまたはＳｎ合金層がこの順で形成され、前記ＳｎまたはＳｎ合金層の平均厚さが０．００１〜０．０５μｍであることを特徴とするコネクタ用金属材料。
（２）前記ＳｎまたはＳｎ合金層において、ＳｎまたはＳｎ合金の粒子が一辺１００μｍの正方形の視野内において、面積比で１０〜９０％存在していることを特徴とする（１）に記載のコネクタ用金属材料。
なお、本明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。

本発明によれば、接続信頼性と低摩擦係数を維持しつつ、はんだ濡れ性も良好なコネクタ用金属材料を提供できる。

本発明のコネクタ用金属材料は、ＣｕまたはＣｕ合金の母材上にＣｕ−Ｓｎ合金層とＳｎまたはＳｎ合金層がこの順で形成されている。
母材は、通常、導電性材料に用いられているＣｕ基材を特に制限なく用いることができ、タフピッチ銅（ＴＰＣ）や黄銅、コルソン合金などがあげられる。形状としては、例えば、条材、角線などがあげられる。
母材上には、必要に応じＮｉ下地めっきを施すことができる。Ｎｉ下地めっきを施すことは、母材からの合金元素拡散防止の作用を奏する。Ｎｉ下地めっき厚は、常法に従い、０．１〜３．０μｍが好ましい。なお、本発明におけるめっき厚は、アノード溶解法（コクール法）によって算出される平均厚さをいう。ＮｉのかわりにＣｏ，Ｆｅ等を用いてもよい。

次いでＣｕ、Ｓｎの順に、めっきを行う。このときＣｕ／Ｓｎのめっき厚の比が１．５〜２．０となるようにするのが好ましい。また、Ｃｕのめっき厚を０．０１〜２．０μｍとするのが好ましく、Ｓｎのめっき厚を０．０１〜２．０μｍとするのが好ましい。
このめっき層に対し、Ｓｎの融点以上の温度でリフロー処理を行い、好ましくは厚さ０．１〜２．０μｍの、Ｃｕ−Ｓｎ合金層を形成する。このＣｕ−Ｓｎ合金層は、ＣｕＳｎ化合物（Ｃｕ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５など）の層である。リフロー処理の好ましい温度は３００〜８００℃であり、好ましい時間は３〜２０秒である。また、リフロー処理時の温度が低い場合には比較的長時間で、リフロー処理時の温度が高い場合には比較的長時間で処理することが好ましい。本発明においてはオーバーリフローによって表面までＣｕ−Ｓｎ合金層を露出させる。下地Ｃｕは残存してもよい。少し残存している方がリフロー時に純Ｓｎ層が残存しにくい場合がある。
このＣｕ−Ｓｎ合金層のＣｕ含有量は３０〜５０質量％であることが好ましく、３５〜４５質量％であることがより好ましい。

本発明においては、上記Ｃｕ−Ｓｎ合金層上にＳｎまたはＳｎ合金の薄層を、フラッシュめっき（無光沢浴）により形成する。電流密度を下げて長時間行ってもよいし、強い電流密度でごく短時間行ってもよい。またパルスめっきによってもよい。この層の厚さは平均厚さで０．００１〜０．０５μｍであり、０．００１〜０．０３μｍが好ましい。薄すぎると、はんだ濡れ性を確保する効果が生じない。一方、厚すぎると動摩擦係数（μｋ）が大きくなり、結果として挿抜力が大きくなる。また、ウィスカが発生しやすくなる。
なお、ここで用いることのできるＳｎ合金は、好ましくはＳｎの含有量が６０質量％以上、より好ましくはＳｎ８０〜９５質量％の合金である。合金に含まれる添加元素成分としては、例えばＣｕ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｉｎなどがあげられる。

本発明の金属材料では、前記ＳｎまたはＳｎ合金層において、ＳｎまたはＳｎ合金の粒子が一辺１００μｍの正方形の視野内において、面積比で１０〜９０％存在していることが好ましく、２０〜８０％存在していることがより好ましい。面積比が小さすぎるとはんだ濡れ性が確保できない場合がある。また、大きすぎると挿抜力が大きくなる場合がある。粒子の存在形状は、全面に均一でも、筋状になっていてもよい。
なお、上記粒子の存在割合（面積比）の測定は走査型電子顕微鏡によって行う。

このようにして得られる本発明の金属材料は次のような層構成を有する。
ＣｕまたはＣｕ合金母材／（Ｎｉ等の下地層）／（Ｃｕ層）／Ｃｕ−Ｓｎ合金層／平均厚さ０．００１〜０．０５μｍのＳｎまたはＳｎ合金層
この構成により、低挿抜力（低摩擦係数）と、表面のはんだ濡れ性が両立できる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、たとえばサンプルおよびその作製条件などは具体的一例にすぎず、本発明はこれに制限されるものではない。
なお、以下の実施例、比較例におけるめっき厚は、アノード溶解法（コクール法）により平均厚さを算出した。

実施例１
厚さ０．２５ｍｍのコルソン合金（古河電気工業社製商品名：ＥＦＴＥＣ−９７）にＮｉ下地めっきを０．５μｍ、銅めっきを０．３μｍ施した後、０．３μｍのスズめっきを行った。このときのめっき条件は下記表１のとおりである。その後、スズの融点以上で加熱しリフローを行った（リフロー処理は、バーナ温度を７３０℃とし、３〜３０秒の範囲で熱処理を行った）。Ｃｕ含有量４０質量％（残部Ｓｎ）、厚さ０．５μｍのＣｕ−Ｓｎ合金層が形成された。

その後、形成されたＣｕ−Ｓｎ合金層上に再度スズめっきを０．００１μｍ施し金属材料の試料を得た。このときのめっき条件は以下のとおりである。
石原薬品（株）製の５２４Ｍ（商品名）液を使用し、浴温度３０℃、電流密度０．１Ａ／ｄｍ^２、めっき時間は３秒以内とした。めっき時間はめっき厚が０．００１μｍとなるように適宜調整した。

実施例２、３
Ｃｕ−Ｓｎ合金層上のスズめっき厚を０．０１μｍ、０．０５μｍとした以外は実施例１と全く同様にして各金属材料の試料を得た。

実施例４〜６
Ｎｉ下地めっきを行わなかった以外は実施例１〜３と全く同様にして金属材料の試料を得た。
実施例７〜９
めっき前の母材の表面を、銅のエッチング液に浸漬して溶解し、表面平滑化の処理を行った以外は実施例１〜３と全く同様にして金属材料の試料を得た。
実施例１０〜１２
母材（基体）を黄銅（Ｚｎ３０質量％含有）とした以外は実施例４〜６と全く同様にして金属材料の試料を得た。

比較例１〜８
母材、Ｎｉ下地めっき、処理については、各々表２に示すとおりとし、上記実施例と同様の条件でめっき、リフロー処理を行った。表中、再Ｓｎ厚が０となっているものは再スズめっきを行わず、０．１μｍとなっているものは、石原薬品（株）製の５２４Ｍ（商品名）液を使用し、浴温度３０℃、電流密度５Ａ／ｄｍ^２で再スズめっきを行った、金属材料の試料である。

得られた試料に対し以下の評価を行った。結果を表２に示した。
（表面形状）
得られた試料の表面形状を拡大して観察した。
筋Ｓｎ粒子が筋状に存在
平面Ｓｎ粒子が均一に存在
結晶粒大平均結晶粒径が１μｍ以上
（摩擦係数）
バウデン試験により摩擦係数を測定した。圧延筋に直角方向に摺動を行い、荷重は３００ｇｆ、摺動速度は１００ｍｍ／ｍiｎ、摺動距離１０ｍｍ、１回摺動で行った。
◎（優）０．２５未満
○（良）０．２５以上０．３未満
×（否）０．３以上
（はんだ濡れ）
メニスコグラフ法のゼロクロスタイムを測定した（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ温度２４５℃、ロジン）。
◎ ２秒以下
○ ２秒を超え３秒未満
× ３秒以上
（ウィスカ）
５０℃で５００時間および１０００時間加熱して、拡大鏡を使用して目視で評価した。
◎ 発生なし
× 発生あり

摩擦係数、はんだ濡れ、ウィスカの３つの特性について、比較例ではそのいずれか１つ以上が×になっているのに対し、各実施例の試料は×がなく、３つの特性を併せて良好に維持できていることがわかる。

次に、上記実施例および比較例について、一辺１００μｍの正方形の視野内におけるＳｎまたはＳｎ合金の粒子の面積比を表３に示す。

表２および表３によれば、ＳｎまたはＳｎ合金の粒子が一辺１００μｍの正方形の視野内において、面積比で１０〜９０％存在しているものは、摩擦係数、はんだ濡れ、ウィスカの３つの特性が優れており、面積比で２０〜８０％である実施例２、実施例５、実施例８、実施例１１については、摩擦係数、はんだ濡れ、ウィスカの３つの特性が特に優れていた。

Claims

ＣｕまたはＣｕ合金の母材上にＣｕ−Ｓｎ合金層とＳｎまたはＳｎ合金層がこの順で形成され、前記ＳｎまたはＳｎ合金層の平均厚さが０．００１〜０．０５μｍであることを特徴とするコネクタ用金属材料。
前記ＳｎまたはＳｎ合金層において、ＳｎまたはＳｎ合金の粒子が一辺１００μｍの正方形の視野内において、面積比で１０〜９０％存在していることを特徴とする請求項１に記載のコネクタ用金属材料。