JP2013508902A - はんだフリーの電気的接続装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気素子もしくは差し込みソケットもしくは打ち抜き板の接続のために、第１の挿入部材（１０，４６）と第２の挿入部材（２４，２６；４４）とをはんだ無しで電気的に接続する、電気的接続装置に関する。本発明によれば、前記第１の挿入部材のコンタクト面もしくは前記第２の挿入部材または前記第１の挿入部材および前記第２の挿入部材双方のコンタクト面（１４，４８，５４；３２，３４，５０）に、ＯＳＰコーティング（５６）が設けられる。

Description

従来技術
独国公開第１０２００５００５１２７号明細書から、電気コンタクトおよび電気コンタクトの製造方法が公知である。ここでの電気コンタクトは冷間コンタクト技術のための電気コンタクトであり、コーティングの設けられた金属基板を含む。コーティングは炭素粒子および／またはポリマーを金属中に分散させたものから成っている。この手段により、電気コンタクトが有利には差し込みコンタクトとして形成される。冷間コンタクト技術では２つの挿入部材が圧着されるが、これは、圧接コンタクトの形態で行われるかまたは圧接技術によって行われる。例えば、ピンを、コーティングを備えたクランプ部もしくはスリーブ部に挿入し、所定のチップ形状が発生するようにする。当該の独国公開第１０２００５００５１２７号明細書によれば、コーティングは、１つの挿入部材に設けても双方の挿入部材に設けてもよい。

独国公開第１０２００５０６２６０１号明細書は、潤滑化された挿入部材を備えた電気機器、および、当該の挿入部材の潤滑化方法に関している。当該の手段によれば、電気機器、特に制御装置の少なくとも１つの挿入位置に、第１の挿入部材、特にスリーブ部が設けられており、このスリーブ部と、第２の挿入部材、特にピン部とが協働する。挿入位置は、挿入すべき２つの部材のあいだに、少なくとも部分的に凝固した潤滑剤が設けられた接合部を有している。潤滑剤は複数の成分から成る物質であってよく、硬化された潤滑剤は、外側へ向かって、挿入位置の少なくとも一部、有利には軸端部を、密閉する。硬化された潤滑剤は少なくとも１つの金属チップを結合する。

グリコートＳＭＤオーガニックソルダラビリティプリザバティブＯＳＰ（www.electrochemicals.com）は、"Glicoat SMD F2 (LX)"なる物質名で知られており、電気コンタクト素子および配線板のコーティングに用いられている。これについては米国特許第５４９８３０１号および米国特許第５５６０７８５号を参照されたい。Enthoneなどの他のメーカからも、フェニルイミドアゾールもしくはベンズイミドアゾールをベースとした相応のＯＳＰコーティングが知られている。

圧着技術では、別のモジュールの差し込みソケットの端子ピンと配線板のメタライゼーション孔（スリーブ）とのはんだ無しでの電気的接続が形成される。端子ピンは中実の圧着領域もしくは弾性を有する圧着領域を有しており、その幾何学的形状はふつうメーカごとに異なっている。当該の圧着領域は配線板のスリーブへの挿入時に可塑的かつ弾性的に変形し、スリーブの直径に適合する。このようにして、ピンが直接にスリーブに接触する。

配線板のスリーブは主として銅から成り、その上に設けられる第２のコーティングは銅の酸化を防止する表面として用いられる。当該の第２のコーティングは熱錫めっき部であるかもしくは化学的に析出された金属化部であり、この金属化部は例えばニッケルもしくは金もしくはニッケル／金もしくは錫もしくは銀である。また、他のコーティング材料が、有機パシベーション層、いわゆるＯＳＰ（オーガニックサーフィスパシベーション）であってもよい。端子ピンの圧着領域は、通常、ベースである銅材料から成り、電解金属化されている。電解金属化部が錫から成る場合、いわゆる錫ウィスカが生じるおそれがある。これは、針状の錫の単結晶であって、直径数μｍまたは長さ数μｍに及ぶこともある。こうした導電性のウィスカは、配線板上もしくは端子ピン間に密に並べられた開放コンタクトのあいだに発生して、短絡を引き起こすおそれがある。また、電解金属化部が例えばニッケルもしくは金もしくは銀などの他の硬い表面から形成される場合には、圧着時に、端子ピンが許容不能な配線板の損傷を引き起こすことがある。

圧着技術に代えて用いられる圧接技術では、例えば、モジュールもしくは打ち抜き板のワイヤと金属化された圧接部とのあいだに、はんだ無しでの電気的接続が形成される。圧接部は中実のもしくは弾性を有するＶ字状ノッチを有しているが、その幾何学的形状はふつうメーカごとに異なる。こうした圧接部およびワイヤはワイヤをＶ字状ノッチに圧着する際に可塑的および弾性的に変形し、相互の輪郭が適合する。このようにして、ワイヤが直接に圧接部へ接触する。

通常、ワイヤは銅もしくは銅合金もしくは鋼から形成され、酸化防止表面としてその上に別のコーティングが設けられる。当該の酸化防止のための別のコーティングは、例えば電解によって堆積された金属化部であり、例えば、銅および錫であるか、または、銅／ニッケルおよび錫である。圧接技術における圧接部は、通常、ベース材料である銅から成り、場合により電解によって金属化される。

２つの表面の双方が錫から形成される場合、いわゆる錫ウィスカが生じるおそれがある。これは、針状の錫の単結晶であって、直径数μｍから長さ数ｍｍに及ぶこともある。こうした導電性のウィスカは、密に並べられた開放コンタクトのあいだに発生して、短絡を引き起こすおそれがある。また、電解金属化部が例えばニッケルもしくは金もしくは銀などの硬い材料から形成される場合には、圧接技術の適用時に、気密の接続部が形成されなくなることがある。さらに、圧接部の表面がブランクの銅もしくは銅合金から形成される場合、"侵食"のおそれ、すなわち、ワイヤが圧接部とあまりに早期に結合して目標位置に到達せず、接続がいちじるしく損なわれるおそれもある。

発明の開示
本発明で提案される解決手段によれば、圧着技術の適用時に端子ピンの大きな領域にＯＳＰコーティングを被着することにより、錫ウィスカの発生のリスクを最小化し、ＯＳＰコーティングを有する配線板でこれを完全に回避することができる。本発明で提案される解決手段によれば、錫のチップ形成も回避され、最初の試行によって、錫もしくはニッケルでめっきされた端子ピンに比べ、小さな圧着力で、一定特性の圧着力を達成することができる。これにより、配線板の孔の金属化部の損傷も最小化される。

はんだ無しでの電気的接続装置を形成するために圧接技術を利用する場合、ＯＳＰ層を、一方の挿入部材（例えば圧接部もしくはワイヤ）または挿入部材の双方に被着することにより、錫ウィスカやチップが発生するおそれが最小化され、表面の両側がＯＳＰコーティングされている場合には当該の危険性が完全に回避される。こうして、許容不能な損傷のない保護された圧接部を形成することができる。

多くの適用分野では、端子ピンは、単に電解ニッケルめっきされる。充分に低い圧着力でスリーブを傷めない圧着装置を実現するには、たいていの場合、圧着の直前に潤滑剤が送出される。他の多くの適用分野においても、はんだフリーの電気的接続装置の製造に際して圧着技術もしくは圧接技術が使用されるときには、圧接もしくは圧着の前に、潤滑剤が用いられる。しかし、本発明で提案される解決手段では、当該のプロセスステップを完全に省略することができる。前述のプロセスステップに代えて、端子ピンの圧着技術において、メーカで、ＯＳＰコーティングが設けられ、このコーティングを圧着プロセスに対する潤滑剤として利用することができるのである。このことは、圧接技術の適用時にも当てはまる。

圧着技術および圧接技術のどちらも、１回もしくは複数回の電解めっきコーティングに代えて安価な無電解めっきコーティングを行い、付加的な潤滑剤塗布プロセスステップを省略することにより、コストの削減が達成される。

本発明を以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。

圧着技術によって、ＯＳＰコーティングされた圧着領域を有する端子ピンが圧着方向で配線板の金属化部を有する開口に挿入される様子を示す図である。 ＯＳＰコーティングを有する少なくとも１つの挿入部材によって圧接部を形成する様子を示す図である。

実施例
以下において、ＯＳＰコーティングとは、配線板技術で通常用いられる、有機パシベーション層（オーガニックソルダラビリティプリザバティブ）のことであると理解されたい。ＯＳＰコーティングは特に選択的に作用するＣｕ配位化合物であり、例えば、フェニルイミドアゾール、ベンズイミドアゾール、アミノチオール、アセテート、ポリアルコール、ジケトン、または、その他の物質である。

図１には、はんだ無しでの電気的接続装置４２を製造するための圧着技術の基本方式を示す概略図が示されている。

図１には、端子ピン１０が圧着方向２２で配線板２６の孔２４へ挿入される様子が示されている。図１からわかるように、端子ピン１０の頂部に圧着領域１４が延在している。圧着領域１４には開口が設けられており、これにより端子ピン１０の圧着領域１４内に互いに平行に延在する２つのウェブが存在している。端子ピン１０のコーティング領域２０にはＯＳＰコーティング５６が設けられている。コーティング領域２０は、ほぼ、圧着領域１４の上方から始まって端子ピン１０の頂部まで延在している。

はんだ無しでの電気的接続装置４２は、端子ピン１０を配線板２６へ挿入して圧着することによって形成される。配線板２６は複数の配線板開口２４を有しており、各配線板開口２４には銅金属化部３２およびその上のさらなるコーティング３４が設けられている。コーティング３４は下方の銅金属化部３２に対する酸化防止層として用いられ、圧着プロセスのあいだ、選択された材料に応じて、程度の差はあるものの、潤滑剤としても機能する。コーティング３４は、例えば、熱錫めっき部であるか、または、化学的に堆積された、ニッケルおよび金、もしくは、錫、もしくは、銀などの金属化部であるか、または、有機パシベーション層ＯＳＰである。

端子ピン１０の圧着領域１４は、通常、ベースである銅材料から成り、電解金属化されている。電解金属化される場合、圧着領域１４にはふつう錫金属化部が設けられる。本発明で提案されるように、上述した金属化部に代えてＯＳＰコーティング５６を端子ピン１０に（特に少なくとも圧着領域１４に沿って）被着することにより、錫ウィスカの発生する危険が最小化され、また、ＯＳＰコーティング５６を有する配線板２６では当該の危険が完全に回避される。本発明で提案される圧着領域１４内のＯＳＰコーティング５６により、特に有利には、錫チップの形成が回避される。コーティング領域２０に沿った圧着領域１４内のＯＳＰコーティング５６は、一方では、酸化に対する保護層として用いられ、他方では、錫めっきと同じ特性を有する潤滑剤として用いられる。本発明で提案される手段により、端子ピンの圧着前に潤滑剤を塗布するステップを省略できる。これに代えて、メーカにおいて、圧着領域１４にＯＳＰコーティング５６を設けてもよい。特に、端子ピン１０に電解めっきプロセスによってニッケルコーティングを設ける適用分野では、本発明で提案される手段が有利である。電解めっきプロセスによって形成されるニッケルコーティングを端子ピン１０に充分に低い圧着力で圧着させ、配線板２６を保護しながら圧着接合を達成するには、ふつうは、圧着の直前に、潤滑剤、例えば、シリコンゲルなどを被着しているが、本発明で提案される手段を適用する場合、すなわち、ＯＳＰコーティング５６を少なくとも端子ピンの圧着領域１４に被着する場合、前述のプロセスステップを省略できる。ＯＳＰコーティング５６を少なくともコーティング領域２０内の圧着領域１４に被着する前に、特に有利には、コーティング領域２０に沿って端子ピン１０に電解によってＣｕを被着する。これにより、端子ピン１０の表面では専らＣｕがＯＳＰコーティング５６に対する接合位置として用いられる。

端子ピン１０のコーティング領域２０内のＯＳＰコーティングの化学組成および厚さは、ＦＩＢプロセス（フォーカストイオンビーム法）、ＵＶ分光分析法、もしくは、光反射法（ＯＳＰｒｅｙ法）などによって求めることができる。

本発明にしたがってはんだ無しで圧接コンタクトとしての電気的接続装置を形成する第２の実施例が図２に示されている。

図２の実施例には、はんだ無しでの電気的接続装置４２の製造時の種々のステップが示されている。はんだ無しでの電気的接続装置４２は、電気機器もしくは打ち抜き板の接続のためのワイヤ４４が金属化部を有する圧接部４６もしくは金属化部を有さない圧接部４６に接続されることにより、形成される。

はんだ無しで電気的に接続される第１の挿入部材は、金属化部を有する圧接部もしくは金属化部を有さない圧接部４６である。圧接部４６は図２でＶ字形に形成されたノッチ４８として構成された弾性領域を含む。圧接部４６の材料内のノッチ４８の深さにより、材料の弾性、もしくは、はんだ無しでの電気的接続装置４２の製造時に調達される力の大きさが定められる。

図２の圧接コンタクトの第１の実施例では、金属化部を有する圧接部４６もしくは金属化部を有さない圧接部４６内の、Ｖ字状ノッチ４８のコンタクト面に、ＯＳＰコーティング５６が設けられる。

第２の挿入部材としてのワイヤ４４は、銅もしくは銅合金もしくは鋼から形成され、酸化防止層５０を有する。図２の圧接コンタクトの代替的な実施例として、ワイヤ４４の套面にＯＳＰコーティング５６を設けてもよい。

また、基本材料が銅もしくは銅合金もしくは鋼であるワイヤ４４の套面とＶ字状ノッチ４８のコンタクト面との双方にＯＳＰコーティング５６を設けてもよい。

本発明の図２に示されている実施例では、第２の挿入部材すなわちワイヤ４４において、第１の挿入部材のコンタクトのためのコンタクト面、すなわち、金属化部を有する圧接部４６もしくは金属化部を有さない圧接部４６のコンタクトのためのコンタクト面の所定の領域のみを電解銅めっきする手段が着想の基礎となっている。このように形成された電解プレ銅めっき部はＯＳＰコーティング５６に対する接合位置として用いられる。

ＯＳＰコーティング５６は、一方では、酸化防止層として用いられ、他方では、圧接部４６のＶ字状ノッチ４８内部のコンタクト面の錫めっきに類似した特性を有する潤滑剤として用いられる。これにより、プロセスステップ全体において、圧接コンタクトを製造するための潤滑剤の塗布を省略することができる。

図２には、さらに、３つの図を比較することによって、ほぼ垂直方向で、すなわち、Ｖ字形に形成されたノッチ４８に圧着方向２２で挿入されるワイヤ４４が、金属化された圧接部４６もしくは金属化されていない圧接部４６の拡張部に水平方向でどのように作用するかが示されている。Ｖ字状ノッチ４８が存在することにより、金属化部を有する圧接部もしくは金属化部を有さない圧接部４６の上方領域に相応の弾性が内在し、このため、はんだ無しでの電気的接続装置４２に作用する力、特にワイヤ４４を圧接部４６に固定する力が、所定の大きさを上回らない。Ｖ字状ノッチ４８のコンタクト面にＯＳＰコーティング５６が設けられ、これが潤滑剤層として機能することから、ワイヤ４４の"侵食"は、Ｖ字状ノッチ４８への挿入が初期的に不完全である場合にも回避される。特に、ワイヤ４４が終端位置に達する前にあまりに早期にコンタクト面の材料に結合され、目標位置すなわち圧接部４６内に形成されたＶ字状ノッチ４８の底部へ到達しないという事態が回避される。

図２に関連する本発明の実施例によれば、図２の右方に示されているように、ワイヤ４４を圧着方向２２で見たとき、Ｖ字状ノッチ４８の底部の目標位置への到達が確実に達成される。圧接部４６は、コンタクト面の個別のプレ銅めっきに代えて、Ｖ字状ノッチ４８の所定の領域に、底部材料５２、例えば銅もしくは銅合金から、形成することもできる。

また、図２の実施例では、ＯＳＰコーティング５６の形態の酸化防止層５０をボンディングワイヤ４４の套面とＶ字状ノッチ４８のコンタクト面との双方に被着してもよい。ＯＳＰコーティング５６は、ここでは、実装の際の応力を低下させ、第１の挿入部材４６（金属化部を有する圧接部もしくは金属化部を有さない圧接部）に第２の挿入部材４４（ボンディングワイヤ）４４を挿入する際の早期の"侵食"を阻止するための潤滑剤として用いられる。

図２の実施例の変形形態によれば、圧接部の材料を保護しつつ製造を行うことができ、その際に、第１の挿入部材もしくは第２の挿入部材の損傷が確実に回避され、また、金属化部としての錫の使用が回避される。これにより、錫ウィスカ発生の危険が回避される。

図２に示されている実施例においても、あらかじめコンタクト面に電解によって銅を析出もしくは被着させて、当該の銅を専らＯＳＰコーティング５６に対する接合位置として用いることができる。

ＯＳＰコーティング５６の化学的組成および厚さは、ＦＩＢステップ（フォーカストイオンビームステップ）もしくはＵＶ分光法もしくは光反射法（ＯＳＰｒｅｙ）によって定めることができる。特には、選択的に作用するＣｕ配位化合物、例えば、フェニルイミドアゾール、ベンズイミドアゾール、アミノチオール、アセテート、ポリアルコール、ジケトンなど、もしくは、その他の物質が用いられる。

Claims (12)

1. 電気素子もしくは打ち抜き板の接続のために、第１の挿入部材（１０，４６）と第２の挿入部材（２４，２６；４４）とをはんだ無しで電気的に接続する
   電気的接続装置（４２）において、
   前記第１の挿入部材（１０，４６）もしくは前記第２の挿入部材（２４，４４）、または、前記第１の挿入部材および前記第２の挿入部材双方（１０，４４；２４，２６，４６）において、該挿入部材のコンタクト面（１４，４８，５４；３２，３４，５０）に、ＯＳＰコーティング（５６）が設けられる
   ことを特徴とする電気的接続装置（４２）。
2. 前記第１の挿入部材は、端子ピン（１０）であるか、または、金属化部（５４）を有する圧接部（４６）もしくは金属化部を有さない圧接部（４６）である、請求項１記載の電気的接続装置（４２）。
3. 前記第１の挿入部材（１０，４６）は、ＣｕもしくはＣｕ合金から形成されており、さらに金属化層（５４）を有する、請求項２記載の電気的接続装置（４２）。
4. 前記第２の挿入部材は、配線板（２６）内のコーティング（３４）を有する孔（２４）であるか、または、配線板（２６）内のコーティングなしのＣｕ金属化部を有する孔（２４）である、請求項１記載の電気的接続装置（４２）。
5. 前記第２の挿入部材はワイヤ（４４）であり、さらに酸化防止層（５０）を有する、請求項１記載の電気的接続装置（４２）。
6. 前記配線板（２６）内の孔（２４）はスリーブ状のＣｕから成る金属化部（３２）を有しており、該金属化部は、電解によって堆積されており、かつ、その上に、例えばＮｉ，Ａｕ，Ｓｎ，Ａｇから成るコーティング（３４）を有するかまたは有機パシベーション層ＯＳＰ（５６）を有する、請求項４記載の電気的接続装置（４２）。
7. 前記第１の挿入部材（１０，４６）の前記ＯＳＰコーティング（５６）は電解プレ銅めっきされている、請求項２記載の電気的接続装置（４２）。
8. 前記第１の挿入部材（１０，４６）、または、前記第１の挿入部材および前記第２の挿入部材の双方（１０，４４；２４，２６，４６）は、前記ＯＳＰコーティング（５６）の設けられたコンタクト面（１４，４８，５４，３２，３４，４４，５０）で、電解プレ銅めっきされている、請求項１記載の電気的接続装置（４２）。
9. 前記第１の挿入部材（４６）は、弾性の切欠領域（４８）、例えばＶ字状ノッチを有し、該切欠領域のコンタクト面は電解プレ銅めっきされている、請求項５記載の電気的接続装置（４２）。
10. 前記第１の挿入部材（１０，４６）の箇所もしくは前記第２の挿入部材（２４，２６，４４）の箇所の前記酸化防止層（５０，５４）は前記ＯＳＰコーティング（５６）である、請求項３記載の電気的接続装置（４２）。
11. 前記ＯＳＰコーティング（５６）は選択的に作用する少なくとも１つのＣｕ配位化合物を含む、請求項１記載の電気的接続装置（４２）。
12. 前記選択的に作用する少なくとも１つのＣｕ配位化合物は、フェニルイミドアゾール、ベンズイミドアゾール、アミノチオール、アセテート、ポリアルコール、および／または、ジケトンのグループから選定される、請求項１１記載の電気的接続装置（４２）。

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