JP3621365B2

JP3621365B2 - 電気コネクタ

Info

Publication number: JP3621365B2
Application number: JP2001259985A
Authority: JP
Inventors: 裕之森内; 芳一中野; 義浩田所
Original assignee: DDK Ltd
Current assignee: DDK Ltd
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: JP2002164106A; US20020064677A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、芯線導体や基板金属層部分と接合される金属端子又は金属シェルの部分に、下地層としてのＮｉ層と、鉛フリーの表面処理層とを施した電気コネクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気コネクタは、電子機器又は電気機器側の基板に取付けられたり、ケーブル用のものにあってはケーブルの芯線導体に接続される。この基板への取付け時には、コネクタの金属端子を基板側の金属スルーホールなどに挿入させて半田付けしたり、或いはコネクタの外装（ハウジング）をなす金属シェル自体やその一部（突出させた脚部）を基板側の金属層や金属スルーホールなどに半田付けすることが盛んに行われている。また、ケーブル用のコネクタでは、内蔵の金属端子（コンタクト）に芯線導体を半田付けすることが行われている。
【０００３】
このように後に半田付けされる金属端子や金属シェルの接合される部分には、この半田との接合性を向上させるため、前処理として予め半田めっきを施すことがよく行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このように頻繁に使用される半田や半田めっき部分にあっては、電子機器や電気コネクタが廃棄されたとき、その成分中に鉛（Ｐｂ）を含むため、このＰｂ成分が外界に溶け出すなどして環境を汚染するなどの問題があった。
【０００５】
このため、近年、接合用の半田にあっては、例えば、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕ（なお、元素記号前の数値はｍａｓｓ％を意味する。以下同じ）、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−２．５Ａｇ−１．０Ｂｉ−０．５Ｃｕ等の合金組成を有する鉛フリー半田の開発が試みられている。
しかしながら、電気コネクタの金属端子や金属シェル部分の接合される部分に施される表面処理層においては、鉛フリーだと十分な濡れ性が得られない等の理由から、未だ鉛フリー化されていないのが現状である。
【０００６】
本発明の目的は、このような現状に鑑みてなされたもので、基本的には、金属端子又は金属シェルに鉛フリーの表面処理層を施し、環境汚染などの問題を根本的に解消する電気コネクタを提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、芯線導体や基板金属層部分と、鉛フリー半田で接合される金属端子を有する電気コネクタにおいて、前記金属端子の少なくとも接合される部分に、下地層として、厚さ 0.5 〜 4.0 μｍのNi層を設け、該Ni層の上に、銅含有量が0.5〜5.0mass％であり、厚さ２〜８μｍのSn−Cu合金層をさらに設けたことを特徴とする電気コネクタにある。
【０００８】
請求項２記載の発明は、基板金属層部分と、鉛フリー半田で接合される金属シェルを有する電気コネクタにおいて、前記金属シェルの少なくとも接合される部分に、下地層として、厚さ 0.5 〜 4.0 μｍのNi層を設け、該Ni層の上に、銅含有量が0.5〜5.0mass％であり、厚さ２〜８μｍのSn−Cu合金層をさらに設けたことを特徴とする電気コネクタにある。
【０００９】
また、請求項１又は２記載の発明は、前記鉛フリー半田が Sn-Ag-Cu 系であること、及び / 又は前記Ni層及び前記Sn−Cu合金層は、いずれも湿式めっき法によって形成することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る電気コネクタの一実施例を示し、図２はその金属端子部分を示したものである。
図中、１００はコネクタ本体、１１０は筒型で金属製の外装シェル、１２０は外装シェルの筒内の一方（前端）側にネジ込みなどにより装着される円柱状で絶縁樹脂製のブロック体からなるフロントインサート、１３０はこの背面側に添い合わせられる薄型円盤状で絶縁樹脂製のブロック体からなるリヤインサート、１４０はこれらの両インサート１２０及び１３０によって挟み込まれる形で保持される金属端子（コンタクト）、１５０は外装シェル１１０の筒内の他方〈後端〉側に組み込まれたケーブル用のクランプ部、２００はこのクランプ部１５０によって固定されると共に、外装シェル１１０の筒内に挿入されたケーブル、３００は外装シェル１１０の筒内の空きスペース部分に充填された絶縁材料からなる充填材である。なお、１６０は外装シェル１１０の外周に装着されて相手方コネクタとの固定用に用いられる筒形のカップリング、１７０はフロントインサート１２０の外方突出部に不使用時に被せられる樹脂製キャップである。
【００１１】
上記コンタクト１４０は、本例では、先端が筒型（パイプ型）のコンタクトからなり、ここに相手方コネクタのコンタクト（ピン型コンタクトの先端ピン部）が挿入されるようになっている。なお、これとは逆に、本コンタクト１４０をピン型として、相手方をパイプ型としてもよい。
【００１２】
このコンタクト１４０は、フロントインサート１２０のコンタクト穴１２１に内側（図１中右側）から挿入され、当該穴の縮径段部１２２に当接して固定される一方、その後端は、リヤインサート１３０のコンタクト穴１３１に嵌め込れ、その縮径段部１４１がコンタクト穴１３１内の縮径段部１３２に当接して固定されている。そして、このリヤインサート１３０のコンタクト穴１３１から突出させたコンタクト１４０の接合される部分１４２には、上記ケーブル２００の口出しされたケーブル芯線２１０のさらに口出しされた芯線導体２２０が、上述したＳｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕなどの鉛フリー半田によって半田付けされる。
【００１３】
このコンタクト１４０の少なくとも接合される部分１４２には、図２に示すように、銅合金などの金属素材１４０ａ上に、鉛を含有しない鉛フリーの表面処理層４００が設けてある。この表面処理層４００は、下地層として設けたＮｉ層４１０と、該Ｎｉ層４１０の上にさらに設けた、銅含有量が０．５〜５．０ｍａｓｓ％であるＳｎ−Ｃｕ合金層４２０とで構成したものである。
【００１４】
また、前記Ｎｉ層４１０及び前記Ｓｎ−Ｃｕ合金層４２０は、いずれも湿式めっき法によってめっき層として形成することが好ましい。
【００１５】
ここで、Ｎｉ層４１０は、金属素材に対するＳｎ−Ｃｕ合金層４２０の密着性を向上させるとともに、針状のウィスカーの発生を防止するために下地層としては不可欠な層である。すなわち、金属素材上にＳｎ−Ｃｕ合金層４２０を直接形成した場合や、例えば銅層のようなＮｉ層以外の金属層を下地層として形成した上にＳｎ−Ｃｕ合金層４２０を形成した場合は、いずれも針状のウィスカーが発生しやすく、針状のウィスカーが発生すると、端子間でショートが生じやすいという問題が生じるからである。
【００１６】
尚、Ni層410の厚さは0.5〜4.0μmの範囲とすることが必要である。Ni層410の厚さが0.5μm未満だと、金属素材中の含有元素が拡散する傾向があるからであり、また、4.0μmを超えると、バネ性が損なわれる傾向があるからである。
【００１７】
また、銅含有量が０．５〜５．０ｍａｓｓ％であるＳｎ−Ｃｕ合金層４２０を上層とする理由としては、前記Ｓｎ−Ｃｕ合金層４２０は、他の金属層や合金層に比べて半田付け等による溶接性が極めて優れており、溶接による接合を確実に行うことができるからである。後述する試験結果から明らかなように、銅含有量が０．５ｍａｓｓ％未満だと、Ｓｎ−Ｃｕ合金層４２０の表面に微細な針状の突起であるウィスカーが発生しやすくなるからであり、また、銅含有量が５．０ｍａｓｓ％を超えると、腐食ガスなどに対する耐食性や濡れ性が低下するようになるからである。
【００１８】
尚、Sn−Cu合金層420の厚さは２〜８μmの範囲とすること必要である。Sn−Cu合金層420の厚さが２μm未満だと、濡れ性が低下する傾向があるからであり、また、８μmを超えても、それ以上の向上効果は認められず、製品コストの上昇を招くにすぎないからであり、加えて、形成するめっき層の厚さが厚くなると、めっき速度が低下してめっき形成時間が長くなる等の製造上の点からも好ましくない。
【００１９】
このようにコンタクト１４０の表面処理層４００の最外側（表面側）にＳｎ−Ｃｕ合金層４２０を設けると共に、その後のケーブル２００の芯線導体２２０の接合時においても、上述の如く、鉛フリー半田のＳｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕなどを用いれば、完全な鉛フリー態様の接合が得られる。
これによって、後にコネクタ本体１００が廃棄されるようなことがあっても、鉛（Ｐｂ）成分が外部に排出されることがなくなる。
【００２０】
図３及び図４は本発明に係る電気コネクタの他の実施例を示したものである。図３及び図４に示すコネクタ本体５００は、絶縁樹脂製のブロック体からなるコネクタハウジング５１０の表側に多数のコネクタネジ５２０や締付け金具５３０を設けると共に、その底面側に締付け金具５３０側と連結された金属端子１４０を配置させたもので、使用時には、電子機器側に取付けられ、その金属端子１４０は、基板側の金属層（ランド）部分に半田付けされる部分である。
【００２１】
本発明では、この金属端子１４０の接合される部分１４２に、上記コネクタ本体１００の場合と同様、Ｎｉ層と、銅含有量が０．５〜５．０ｍａｓｓ％であるＳｎ−Ｃｕ合金層とからなる表面処理層４００が設けてある。
そして、この金属端子１４０と基板側の金属層との接合においても、鉛フリー半田のＳｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕなどを用いるため、完全な鉛フリー態様の接合が得られる。
【００２２】
さらに、図５は本発明に係る電気コネクタのさらに他の実施例を示したものである。
図５に示すコネクタ本体６００は、絶縁樹脂製のブロック体からなるコネクタハウジング６１０の表側に金属シェル６２０が外装されたもので、使用時には、電子機器側に取付けられ、その際、金属シェル６２０の側方から延設させた脚部６２１を、基板側の金属スルーホールなどに嵌合させて半田付けしたり、或いは金属シェル６２０の基板側の金属層（ランド）部分と接触する部分６２２を半田付けして取り付けられる。なお、表側の開口部６３０は、相手方コネクタの嵌合部が挿入される嵌合穴で、この内部に所定の金属端子が内蔵してある。
【００２３】
本発明では、この金属シェル６２０の脚部６２１や基板側と接触する部分６２２からなる接合される部分に、上記コネクタ本体１００の場合と同様、Ｎｉ層と、銅含有量が０．５〜５．０ｍａｓｓ％であるＳｎ−Ｃｕ合金層とからなる表面処理層４００が設けてある。そして、この脚部６２１や接触する部分６２２と基板側の金属層との接合においても、鉛フリー半田のＳｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕなどを用いるため、完全な鉛フリー態様の接合が得られる。
【００２４】
【実施例】
表1に示すように、本発明の条件を満たすSn−Cuめっき層をNiめっき層の上層として設けたサンプル（実施例１〜４）、本発明の条件を欠くSn−Cuめっき層をNiめっき層の上層として設けたサンプル（比較例１〜２）、本発明の条件を満たすSn−Cuめっき層を金属素材上に直接設けたサンプル（比較例３）、本発明の条件を満たすSn−Cuめっき層をCuめっき層の上層として設けたサンプル（比較例４）、及び従来の鉛含有の通常半田めっき層をNiめっき層の上層として設けたサンプル（従来例）について、各種の試験（耐食性、ウィスカー発生の有無、濡れ性、剥離強度、接触抵抗）を行った。なお、サンプルの製造は、簡略化のため、前記金属素材として、端子用の銅合金プレート（縦32mm、横15mm、厚さ0.25mm）を用い、この銅合金プレートを各サンプルに付き５個用意した。また、実施例１〜４については、これらの所定部分に厚さ１μｍのニッケルめっき層を設けた後、厚さ４μｍのSn−Cu合金めっき層を設けた。また、これらの試験結果は、表１に総合判定と共に併記した。
【００２５】
耐食性試験は、上記各サンプルを、腐食性ガス環境下におき、変色の度合いを観察した。なお、このときの試験温度は４０℃、湿度は８０％、ガス種は５ｐｐｍの硫化水素ガス（Ｈ_２Ｓ）、試験時間（放置時間）は３００時間とした。そして、各サンプルにおいて、変色のなかったものを、良好として「○」で表示し、変色のあったものを、不良として「×」で表示した。
【００２６】
また、ウィスカー発生の有無を調べるための試験は、上記各サンプルについて作製した４枚の試験片のそれぞれを、下記に示す４種類の試験１〜４を行った後、Ｓｎ−Ｃｕ合金めっき層を電子顕微鏡により２０００倍に拡大して観察することによって行い、これによって、微細な針状の突起であるウィスカーの有無を調べた。そして、各サンプルについて異なる試験を行った４枚の試験片のいずれにおいても、ウイスカーの発生のないものを、良好として「○」で表示し、ウィスカーの発生のあったものを、不良として「×」で表示した。
記
（１）試験１ → ３ヵ月間自然（大気中）放置した。
（２）試験２ → −４０℃で３０分間保持してから昇温して８５℃で３０分間保持し、その後、降温して−４０℃で３０分間保持するまでを１サイクルとし、これを２０００サイクル繰り返す熱衝撃試験を行った。
（３）試験３ → ８５℃、湿度８５％で２０００時間保持する恒温高湿試験を行った。
（４）試験４ → ５０℃で２０００時間保持する恒温試験を行った。
【００２７】
また、濡れ性試験は、上記各サンプルのＳｎ−Ｃｕ合金めっき層上に、ロジン３０％を混合した鉛フリー半田のＳｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕフラックスを塗布することによって行い、その付着の度合いによって濡れ性を評価した。この際の鉛フリー半田バス（槽）温度は２４５℃であった。そして、各サンプルにおいて、付着性のよいものを、良好として「○」で表示し、付着性の悪いものを、不良として「×」で表示した。
【００２８】
また、剥離強度は、上記各サンプルのＳｎ−Ｃｕ合金めっき層上に、ロジン３０％を混合した鉛フリー半田のＳｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕフラックスを塗布し、サンプルのケーブル芯線を接続し、この接続部分に外力を加えることによって測定した。そして、各サンプルにおいて、剥離強度の高いものを、良好として「○」で表示し、剥離強度の低いものを、不良として「×」で表示した。
【００２９】
また、接触抵抗の測定は、上記各サンプルに金めっきを施したプローブを接触させ、その接触荷重を０〜５Ｎに変化させることによって行った。そして、各サンプルにおいて、抵抗が安定していたものを、良好として「○」で表示し、抵抗が不安定のものを、不良として「×」で表示した。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１の試験結果から、実施例１〜４では、全ての試験において良好な結果が得られ、鉛含有の通常半田めっき層を設けた従来例とほぼ同様であることが分かる。これに対して、本発明の条件を欠く比較例１、３及び４では、ウィスカーの発生が認められ、また、比較例２では、耐食性や濡れ性が劣っていることが分かる。
【００３２】
なお、本発明において、金属端子や金属シェルが用いられる電気コネクタは、上記各実施例に限定されるものではない。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る電気コネクタによると、芯線導体や基板金属層と接合される金属端子又は金属シェルの部分に設けた表面処理層が、Ｎｉ層と、銅含有量が０．５〜５．０ｍａｓｓ％であるＳｎ−Ｃｕ合金層からなる鉛フリーの表面処理層であるので、金属端子や金属シェルの接合される部分の鉛フリー化が図れる。
したがって、このＳｎ−Ｃｕ合金層への接合時に鉛フリー半田を用いれば、完全な鉛フリー態様の接合が得られ、後の廃棄によって環境を汚染するなどの問題は根本的に解消される。
【００３４】
しかも、このＮｉ層とＳｎ−Ｃｕ合金層とからなる表面処理層の特性は、従来の鉛含有の半田めっき層と比較して何ら遜色なく、ウィスカーが発生しないほぼ同等の性能が得られる。
【００３５】
また、Ｓｎ−Ｃｕ合金めっき層は、例えばＡｇを含有するめっき層などに比較して、安価な形成が可能であり、さらにＳｎ−Ｃｕ合金めっき層を形成するためのめっき液も安定性がよく、光沢剤などの添加剤の量も少なくて済むため、保守管理が楽に行えるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気コネクタの一実施例を示した一部断面を有する側面図である。
【図２】図１の電気コネクタにおける金属端子（コンタクト）の部分拡大図である。
【図３】本発明に係る電気コネクタの他の実施例を示した部分欠載斜視図である。
【図４】図３の電気コネクタの一部の欠載底面図である。
【図５】本発明に係る電気コネクタの他の実施例を示した部分欠載斜視図である。
【符号の説明】
１００コネクタ本体
１１０外装シェル
１２０フロントインサート
１３０リヤインサート
１４０金属端子（コンタクト）
１４２接合部
２００ケーブル
２１０ケーブル芯線
２２０芯線導体
４００表面処理層
４１０Ｎｉ層
４２０Ｓｎ−Ｃｕ合金層
５００コネクタ本体
５１０コネクタハウジング
６００コネクタ本体
６１０コネクタハウジング

Claims

芯線導体や基板金属層部分と、鉛フリー半田で接合される金属端子を有する電気コネクタにおいて、前記金属端子の少なくとも接合される部分に、下地層として、厚さ 0.5 〜 4.0 μｍのNi層を設け、該Ni層の上に、銅含有量が0.5〜5.0mass％であり、厚さ２〜８μｍのSn−Cu合金層をさらに設けたことを特徴とする電気コネクタ。
基板金属層部分と、鉛フリー半田で接合される金属シェルを有する電気コネクタにおいて、前記金属シェルの少なくとも接合される部分に、下地層として、厚さ 0.5 〜 4.0 μｍのNi層を設け、該Ni層の上に、銅含有量が0.5〜5.0mass％であり、厚さ２〜８μｍのSn−Cu合金層をさらに設けたことを特徴とする電気コネクタ。
前記鉛フリー半田が Sn-Ag-Cu 系である請求項１又は２記載の電気コネクタ。
前記Ni層及び前記Sn−Cu合金層は、いずれも湿式めっき法によって形成してなる請求項１、２又は３記載の電気コネクタ。