JP3079765B2

JP3079765B2 - 電気接点用材料

Info

Publication number: JP3079765B2
Application number: JP04088092A
Authority: JP
Inventors: 篤中村; 功奥川
Original assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd
Current assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd
Priority date: 1992-03-11
Filing date: 1992-03-11
Publication date: 2000-08-21
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: JPH05258633A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば産業用機器、
自動車等に装備される配線接続用端子、リレー、スイッ
チ等の電気接点に使用される電気接点用材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】導電部材への接触により、その部材と電
気的に導通される電気接点は、その母材が、銅および銅
系合金、例えば黄銅等で構成されており、そのような母
材の表面に、耐蝕性および接点特性の向上を目的とし
て、金、ニッケル、スズ等の金属の被膜を形成するよう
にしている。このうち、経済性の観点からスズ（Ｓｎ）
が多く用いられ、一般的に電解メッキ法、無電解メッキ
法、ホットディップ法等、いわゆるウエットプロセス
（湿式法）により、母材の表面にスズ膜を形成するよう
にしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような電気接点で
は、接点特性の劣化の要因となる母材構成元素（Ｃｕ，
Ｚｎ）のスズ膜側への拡散が問題となっている。特に使
用環境温度が高く１００℃を越えると、上記拡散現象が
顕著に現れて、例えば母材の銅がスズ膜側に拡散して、
銅とスズとで合金を形成する。この銅とスズとの合金は
硬度が高く、導電部材への接触時に密着性を劣化させて
接触抵抗が大きくなる。また、母材の亜鉛元素が拡散す
ると、スズ膜表面に析出してスズ膜表面に導電率の低い
酸化亜鉛を形成して、上記と同様、接触抵抗が大きくな
る等、接点特性が劣化する。このため、従来の電気接点
は、例えば使用環境温度が高い自動車のエンジン周辺部
等では拡散が発生して接点特性が劣化するので、耐熱性
に劣るという問題があった。

【０００４】一方、母材とスズ膜との間に、純銅からな
る亜鉛拡散バリア層を形成し、このバリア層により、母
材構成元素の拡散を抑制する技術も開発されている。し
かしこの場合も、バリア層の銅とスズ膜のスズとの相互
拡散により上記と同様の硬度の高い合金が形成され、接
点特性を劣化させることにかわりない。特に、純銅とス
ズとの合金化が進みその合金層が母材との界面にまで到
達すると、むしろその合金層が母材の亜鉛元素の拡散を
助長させ、亜鉛元素がスズ膜表面に多量に析出し、上記
と同様の問題が発生する。

【０００５】この発明は、上記従来技術の問題を解消
し、高温下でも、接点特性の劣化の要因となる母材構成
元素の拡散を抑制でき、耐熱性に優れた電気接点用材料
を提供することを目的とする。

【０００６】＜従来品の分析＞ところで、従来例に基づ
き、亜鉛拡散バリア層として純銅を有する電気接点と、
バリア層を有しない電気接点とを形成し、これら電気接
点にそれぞれ熱老化試験を行って、Ｘ線光電子分光法
（ＸＰＳ）により母材構成元素の拡散について分析して
みると、以下の点が確認、推察された。

【０００７】まず、バリア層を有しない電気接点には、
スズ膜最表面に酸化スズ膜が形成されており、母材構成
元素の亜鉛の拡散が上記酸化スズ膜により抑制されて、
亜鉛の拡散がスズ膜最表面よりも少し内側で停止してい
る。これは、酸化スズ膜が緻密な構造で、その層により
亜鉛の拡散、析出を妨げていると考えられる。また、バ
リア層を有する電気接点においても、最表面に酸化スズ
膜が形成され、スズと純銅との相互拡散による合金層の
成長が上記酸化スズ膜により阻まれている。これは、銅
の拡散が酸化スズ膜により抑制されていると考えられ
る。

【０００８】これらの点と、酸化スズが導電率の高い
（１０^-4Ωｃｍ）酸化物である点とを考慮すると、母材
とスズ膜との間に、拡散バリア層として酸化スズ膜を形
成すれば、高温下でも母材構成元素の拡散を抑制できる
と考えられる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、実質的に銅
または銅系合金からなる母材と、前記母材の表面を被覆
するように形成されたスズ膜とを備えた電気接点用材料
であって、上記目的を達成するため、前記母材と前記ス
ズ膜との間に酸化スズ膜を形成している。

【００１０】

【作用】この発明の電気接点用材料においては、母材と
スズ膜との間に緻密な構造の酸化スズ膜を形成している
ため、高温下においても、酸化スズ膜により、接点特性
の劣化の要因となる母材構成元素のスズ膜側への拡散が
抑制される。

【００１１】

【実施例】

＜第１の実施例＞図１はこの発明の第１の実施例である
電気接点用材料を製造するためのスパッタリング装置を
示す構成図である。同図に示すように、チャンバ１内に
は、上部にターゲット用の電極（カソード）２が配置さ
れるとともに、下部に母材用の電極３が配置される。そ
して、電極３は接地されるとともに、ターゲット用の電
極２は電源４により高周波電圧が印加されるように構成
している。この場合、電極２に直流電圧を印加するよう
にしてもよい。さらに、チャンバ１には、アルゴン（Ａ
ｒ）ガスを導入するためのアルゴンガス導入手段５が接
続されるとともに、酸素（Ｏ₂）ガスを導入するための
酸素ガス導入手段６が接続され、さらにチャンバ１内を
真空排気するための真空排気手段７が接続される。

【００１２】そして、電極２にターゲットとしてスズ
（Ｓｎ）１０をセットするとともに、電極３に銅または
銅系合金からなる例えば黄銅製の母材１１をセットす
る。この状態で、真空排気手段７によりチャンバ１内を
高真空に排気しておいて、アルゴンガス導入手段５およ
び酸素ガス導入手段６によりチャンバ１内にアルゴンガ
スおよび酸素ガスを導入し、電極２，３間に高周波電圧
を印加する。これにより、ターゲット（１０）と母材１
１との間にアルゴンガスと酸素ガスのプラズマを発生さ
せ、プラズマ中のアルゴンイオンをターゲット１０に衝
突させて、ターゲット粒子（スズ粒子）をたたき出す。
さらにそのターゲット粒子と酸素ガスのプラズマとを、
気相中または母材表面で反応させて酸化スズ（Ｓｎ
Ｏ₂）を形成し、その酸化スズを母材１１の上面に堆積
させる。

【００１３】こうして、母材１１の上面に酸化スズを所
定量（０．２ミクロン以上）堆積させ、拡散バリア層と
しての酸化スズ膜１２を形成する。

【００１４】酸化スズの堆積が完了すると、アルゴンガ
スの供給は続けながら、酸素ガス導入手段６による酸素
ガスの導入を停止させる。

【００１５】これにより、アルゴンガスのプラズマによ
りたたき出されたスズ粒子を酸化スズ膜１２の上面に堆
積させ、スズ膜１３を形成する。

【００１６】こうして、図２に示すように、母材１１の
上面に、酸化スズ膜１２を介してスズ膜１３が形成され
た電気接点用材料が形成される。

【００１７】この電気接点用材料によれば、母材１１と
スズ膜１３との間に、緻密な構造の酸化スズ膜１２が形
成されるため、高温下でも、接点特性の劣化の要因とな
る母材構成元素（Ｃｕ，Ｚｎ等）のスズ膜１３側への拡
散が抑制され、耐熱性に優れる。

【００１８】また、母材１１の被覆材料として安価なス
ズを用いているため、コストを低減できる。

【００１９】＜第２の実施例＞図３はこの発明の第２の
実施例である電気接点用材料を製造するためのイオンビ
ームミキシング装置である。同図に示すように、チャン
バ２１内には、その上部に母材３１をホールドするため
の試料ホルダー２２が配置されるとともに、下部に蒸発
源用のるつぼ２３が配置される。さらに、チャンバ２１
には、酸素供給手段２４が装備される。酸素供給手段２
４は、酸素ガス供給手段２５と、酸素ガスイオン源２６
とを備えており、酸素ガス供給手段２５から供給される
酸素ガスが、酸素ガスイオン源２６により、イオン化さ
れて、試料ホルダー２２上の母材３１にビーム状に照射
できるように構成している。また、チャンバ２１には、
その内部を真空排気するための真空排気手段２７が接続
されるとともに、るつぼ２３内の蒸発源および試料ホル
ダー２２上の母材３１を加熱するための加熱手段（図示
省略）がそれぞれ設けられる。

【００２０】次にこの装置において、図４に示すような
母材３１の一面側に拡散バリア層として酸化スズ膜３２
ａ，３２ｂを２層形成する場合について説明する。

【００２１】まず、試料ホルダー２２に銅または銅系合
金からなる例えば黄銅製の母材３１をセットするととも
に、るつぼ２３内に蒸発源としてスズ（Ｓｎ）を収容す
る。この状態で、真空排気手段２７によりチャンバ２１
内を高真空に排気しておいて、母材３１および蒸発源
（スズ）を上記各加熱手段により加熱する。これによ
り、蒸発源のスズを蒸発させて、そのスズ粒子を母材３
１の一面側に蒸着させながら、母材３１の一面側に酸素
供給手段２４より酸素ガスイオンを照射し、母材３１上
でスズと酸素とを反応させて、酸化スズを形成し、その
酸化スズを母材３１の一面側に堆積させていく。

【００２２】こうして、母材３１上に酸化スズを所定量
（０．２ミクロン以上）堆積させて、第１の酸化スズ膜
３２ａを形成する。

【００２３】酸化スズの堆積が完了すると、スズの蒸発
は続けながら、酸素供給手段２４による酸素ガスイオン
の照射を停止させる。

【００２４】これにより、蒸発源より蒸発したスズ粒子
を母材３１の一面側に堆積させて、スズ膜３３ａを形成
する。

【００２５】次に、上記と同様にして、スズを母材３１
に蒸着させながら、酸素供給手段２４による酸素ガスイ
オンの照射を再開して、スズ膜３３ａ上に膜厚０．２ミ
クロン以上の第２の酸化スズ膜３２ｂを形成する。

【００２６】つづいて、酸素ガスイオンの照射を停止さ
せ、上記と同様に第２の酸化スズ膜３２ｂ上にスズ膜３
３ｂを形成する。

【００２７】こうして図４に示すように、拡散バリア層
として酸化スズ膜３２ａ，３２ｂが２層形成された電気
接点用材料が形成される。

【００２８】この電気接点用材料では、２層の酸化スズ
膜３２ａ，３２ｂにより母材構成元素の拡散が抑制され
るため、上記第１の実施例の電気接点用材料と比較して
も、母材構成元素の拡散をより確実に抑制でき、一層耐
熱性に優れている。

【００２９】＜第３の実施例＞図５はこの発明の第３の
実施例である電気接点用材料を示す要部拡大断面図であ
る。同図に示すように、黄銅からなる母材５１上に、例
えばウエットプロセスにより純銅からなる銅層（亜鉛拡
散バリア層）５４が形成されるとともに、その銅層５４
上に、上記実施例と同様な方法により、酸化スズ膜５２
およびスズ膜５３が形成される。

【００３０】この電気接点用材料では、母材５１の亜鉛
元素の拡散は、銅層５４および酸化スズ膜５２により抑
制されるとともに、銅層５４の銅とスズ膜５３のスズと
の相互拡散は酸化スズ膜５２により抑制される。

【００３１】この場合、母材構成元素の拡散は、後述の
実験例からも理解できるように、酸化スズ膜５２だけで
十分に抑制することができるが、純銅からなる銅層５４
には下地基板を整える機能も有しており、銅層５４を形
成することにより、その表面が平坦化され、酸化スズ膜
５３の密着性が向上する。

【００３２】＜変形例＞上記実施例では、酸化スズ膜を
１層または２層形成する場合について説明したが、３層
以上形成してもよい。

【００３３】また、酸化スズ膜およびスズ膜をスパッタ
リング法およびイオンビームミキシング法を利用して形
成しているが、その他の方法を利用して形成してもよ
い。

【００３４】＜実験例＞上記第１の実施例と同様にし
て、黄銅（Ｃｕ，Ｚｎ）からなる母材の一面に酸化スズ
膜（ＳｎＯ₂）を０．２ミクロン形成し、さらにその上
にスズ膜を形成して電気接点用材料を形成した。そし
て、その接点用材料の荷重に対する接触抵抗値を測定し
た。さらにその電気接点用材料を２００℃で２４時間加
熱処理した後、荷重に対する接触抵抗値の測定と、Ｘ線
光電子分光法（ＸＰＳ）による接点用材料中の元素分布
の測定とを行った。熱処理前の接触抵抗変化を図６、熱
処理後の接触抵抗変化を図７、ＸＰＳによる材料中の元
素分布を図８のグラフにそれぞれ示す。この場合、図６
および図７のグラフでは、それぞれ横軸に荷重（ｇｒａ
ｍ）を示し、縦軸に接触抵抗（ｏｈｍ）を示す。また図
８のグラフでは、横軸に表面からの深さ位置に対応する
エッチング時間（分）を示し、縦軸にＸＰＳにより測定
した各元素の存在量（％）を示し、さらに図８中、白抜
四角で銅、黒塗丸で亜鉛、ｘ印でスズ、および白抜丸で
酸素を示す。

【００３５】また、参考例として、従来の方法により、
つまり黄銅からなる母材の表面に電解メッキ法によりス
ズ膜を被覆して電気接点用材料を形成した。そして、そ
の接点用材料の荷重に対する接触抵抗変化を測定した。
さらにその電気接点用材料を２００℃で２４時間加熱処
理した後、荷重に対する接触抵抗変化の測定と、ＸＰＳ
による材料中の元素分布の測定とを行った。熱処理前の
接触抵抗変化を図９、熱処理後の接触抵抗変化を図１
０、ＸＰＳによる元素分布を図１１のグラフにそれぞれ
示す。

【００３６】まず接触抵抗変化から比較すると、実施例
に基づく電気接点用材料（図６および図７）では、従来
例のもの（図９および図１０）に対し、全般的に接触抵
抗値が低く、接点特性に優れているのが判る。さらに、
実施例の接点用材料では、ばらつきがほとんど認められ
ないのに対し、従来の接点用材料ではばらつきが多く認
められ、実施例の接点用材料は品質が安定しているのが
判る。

【００３７】また、実施例に基づく接点用材料では、熱
処理後（図７）の各接触抵抗値は熱処理前（図６）のそ
れと比べてもほとんど変化がみられず、耐熱性に優れて
いるのが判る。これに対し、従来例では、熱処理後（図
１０）の各接触抵抗値を熱処理前（図９）と比べると、
ばらつきが大きくなり、しかも接触抵抗値が高くなって
おり、耐熱性に劣っているのが判る。

【００３８】また、耐熱性に関しては、図８および図１
１の元素分布からも、実施例の電気接点用材料が優れて
いるのが判断できる。

【００３９】すなわち、図８に示すように、実施例の電
気接点用材料では、エッチング時間が０分のスズ膜表面
から１４分付近のスズ膜と酸化スズ膜との境界部まで、
つまりスズ膜中には、スズ元素（ｘ印）が多量に存在
し、母材構成元素の銅元素（白抜四角）や亜鉛元素（黒
塗丸）がほとんど存在していない。さらに、エッチング
時間が１４分付近から２３分付近までの酸化スズ膜中に
は、その膜の構成元素であるスズおよび酸素が多量に存
在し、他の元素（銅および亜鉛）はほとんど存在してい
ない。これらの点から、母材構成元素の拡散が、酸化ス
ズ膜により抑制されて、亜鉛元素のスズ膜表面への析出
および銅とスズとの合金の形成がともに防止されている
と考えられる。このように実施例の電気接点用材料は、
２００℃の高温下でも、接点特性の劣化の要因となる母
材構成元素の拡散を抑制でき、耐熱性に優れているのが
判る。

【００４０】これに対し、図１１の従来の接点用材料で
は、まずエッチング時間が０分付近のスズ膜表面部に、
すでに母材構成元素である亜鉛元素（黒塗丸）が酸素
（白抜丸）とともに存在しているのが確認できる。これ
は、母材から拡散した亜鉛元素がスズ膜側に拡散してス
ズ膜表面に析出し、導電率の低い酸化亜鉛を形成してい
ると考えられる。さらに従来では、エッチング時間が０
分から１８分付近のスズ膜と母材との境界部まで、つま
りスズ膜中には、スズ元素（ｘ印）とともに銅元素（白
抜四角）が多量に存在しているのが確認される。これ
は、母材からスズ膜内に銅が多量に拡散して銅とスズと
で硬度の高い合金を形成していると考えられる。このよ
うに従来の電気接点用材料は、高温下では、接点特性の
劣化の要因となる母材構成元素の拡散が著しく発生して
おり、耐熱性に劣っているのが判る。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、この発明の電気接点用材
料によれば、母材とスズ膜との間に緻密な構造の酸化ス
ズ膜を形成しているため、高温下においても、接点特性
の劣化の要因となる母材構成元素のスズ膜側への拡散が
抑制されて、耐熱性に優れるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例である電気接点用材料
を製造するためのスパッタリング装置を示す構成図であ
る。

【図２】上記第１の実施例の電気接点用材料を示す要部
拡大断面図である。

【図３】この発明の第２の実施例である電気接点用材料
を製造するためのイオンビームミキシング装置を示す構
成図である。

【図４】上記第２の実施例の電気接点用材料を示す要部
拡大断面図である。

【図５】この発明の第３の実施例である電気接点用材料
を示す要部拡大断面図である。

【図６】実施例に基づく電気接点用材料の熱処理前の接
触抵抗変化を示すグラフである。

【図７】実施例に基づく電気接点用材料の熱処理後の接
触抵抗変化を示すグラフである。

【図８】実施例に基づく電気接点用材料の熱処理後のＸ
ＰＳによる元素分布を示すグラフである。

【図９】従来例に基づく電気接点用材料の熱処理前の接
触抵抗変化を示すグラフである。

【図１０】従来例に基づく電気接点用材料の熱処理後の
接触抵抗変化を示すグラフである。

【図１１】従来例に基づく電気接点用材料の熱処理後の
ＸＰＳによる元素分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１１，３１，５１母材１２，３２ａ，３２ｂ，５２酸化スズ膜１３，３３ａ，３３ｂ，５３スズ膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01H 1/02 - 1/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に銅または銅系合金からなる母材
と、前記母材の表面を被覆するように形成されたスズ膜とを
備えた電気接点用材料と、前記母材と前記スズ膜との間に酸化スズ膜を形成したこ
とを特徴とする電気接点用材料。