JP3998731B2 - 通電部材の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、過酷な環境下でも長期間安定に使用することができる端子、コネクター、リレー、スイッチ、ブスバー、ボリューム、ブレーカー、接点ばね、ソケット、リードフレーム等の電気・電子回路部品もしくはそれらの素材として使用される通電部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述したような電気・電子回路部材としては、Ｓｎめっきを施した銅板や銅合金板が従来から多く用いられている。
この種のＳｎめっき板を製造する場合、まず基材の表面を洗浄し、表面を活性化する等の前処理を施し、さらに必要に応じてＣｕ下地めっきを行った後、電解または無電解めっき法で厚さ０．５〜１．５μｍ程度のＳｎめっき層を形成する。このＳｎめっき板を通電部材としてそのまま使用に供する場合もあるが、さらにリフロー（溶融）処理を行って、Ｓｎめっき層の表面を平滑化してから使用することも行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで近年、電気・電子回路部品については小型化および高密度化の要求が一層強くなり、通電に伴なう部品自体の発熱量が増大するばかりでなく、例えば自動車用の部品に関しては、スペース確保等の観点からエンジン回りなどにも取り付けられることが多くなってきた。
【０００４】
しかし、自動車のエンジン回りは、温度的に過酷な環境にあるため、従来用いられている厚さ０．５〜１．５μｍ程度のＳｎ層を形成した通電部材では、表面が黒変色するうえ、接触抵抗が大きくなって電気回路の安定性を害するという問題が生じている。
【０００５】
上記問題を防ぐには、Ｓｎめっきを厚くすることが１つの解決策であるが、Ｓｎ層を厚くするとプレス加工を行う際にめっき粉が多く発生し、プレス金型の粉詰まりが起きやすい等の不都合が生じる。一方、Ｓｎめっきしたのちリフロー処理する場合には、Ｓｎめっきを溶融して凝固させるという処理方法のため、形成可能な厚さに限界がある。
【０００６】
そこで本発明者らは、熱環境下でＳｎめっき表面の接触抵抗が高くなる原因を詳細に検討し、その結果、基材または下地めっき層中のＣｕがＳｎめっき表面まで拡散し、酸化銅あるいは亜酸化銅を形成することが原因の一つであることを見いだした。したがって、基材あるいは下地めっき層中のＣｕが表面まで拡散するのを抑制することが、通電部材表面の接触抵抗増加を防ぐ手段として有効と考えられる。
【０００７】
Ｃｕの拡散防止のためには、Ａｕ，Ｐｔ等の貴金属を拡散防止層として基材表面に直接めっきすることが考えられた。しかし、本発明者らが実験した結果、母材表面にそのようなめっき層を形成した場合、十分なＣｕ拡散防止のためには一定以上の厚さを必要とし、コスト的に高いものとなることが判明した。
【０００８】
ところが、Ｓｎ層上にＡｕ，Ｐｔ等の貴金属をめっきして拡散防止層を形成した場合には、拡散防止層が薄くても十分なＣｕの拡散防止効果が得られ、コスト的に許容できることが判明した。
同様に、Ｎｉ，Ｃｒ等のめっき層をＳｎ層上に拡散防止層として形成した場合も、膜厚の薄さにも拘わらず十分な拡散防止効果が得られるうえ、この場合特に拡散防止層が硬いため、通電部材として必要な曲げ特性や端子、コネクタ等として必要な挿抜特性を損なうことなく、耐熱性を付与することができることを見い出した。
また、Ｓｎ層上にＺｎ，Ｐｂ等の異種金属をめっきした場合、さらには、Ｓｎ層上に形成方法の異なる別のＳｎ層を形成した場合にも、拡散防止効果が得られることを見いだした。
【０００９】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、高温環境での黒変色や接触抵抗増加が防止できる通電部材の製造方法を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る第１の通電部材の製造方法は、電気・電子回路部品もしくはそれらの素材として使用される通電部材の製造方法であって、銅板または銅合金板からなる基材上に、厚さ０．１〜３．０μｍのＳｎめっき層（以下、第１Ｓｎめっき層と称する）を形成する工程と、この第１Ｓｎめっき層上に拡散防止層を形成する工程とを有し、
この拡散防止層が前記通電部材の表面に配置され、
前記拡散防止層は、
（ａ）Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄから選択される１種または２種以上からなる厚さ０．００２〜０．２μｍのめっき層、
（ｂ）Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇから選択される１種または２種以上からなる厚さ０．０１〜１．０μｍのめっき層、
（ｃ）Ｚｎ，Ｐｂから選択される１種または２種以上からなる厚さ０．０５〜２．０μｍのめっき層、
（ｄ）前記Ｓｎめっき層とは異なる方法により形成された厚さ０．０５〜２．０μｍの第２Ｓｎめっき層、
から選択される１または２以上のめっき層によって構成され、
さらに、前記拡散防止層の厚さは２．５μｍ以下であることを特徴としたものである。
【００１１】
前記第１Ｓｎめっき層は、電解めっき法または無電解めっき法により形成されたもので、基材中のＣｕが通電部材の表面に拡散して酸化することを抑制するとともに、端子やコネクターなど電気・電子回路部品として使用する際の嵌合性を良好にし、通電安定性を向上する作用を果たす。しかし、第１Ｓｎめっき層の厚さが０．１μｍ未満では前記作用が十分に得られず、逆に第１Ｓｎめっき層の厚さが３μｍを越えると、通電部材をプレス加工する際にＳｎ粉の発生が多くなり、プレス金型のカス詰まりが起こり易くなるという不都合を有する。このため、第１Ｓｎめっきの厚さを０．１〜３μｍと定めた。より好ましい厚さ範囲は０．３〜２．０μｍである。
【００１２】
Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等からなるめっき層（ａ）は、基材からのＣｕの拡散を抑制するとともに、高温環境下でも化学的に安定であるから、電気・電子回路部品として通電時の接触抵抗を低く抑える作用を有する。ただし、めっき層（ａ）の厚さが０．００２μｍ未満ではその作用が十分でなく、一方、０．２μｍを越えると製造コストの負担が大きくなるので、その厚さを０．００２〜０．２μｍと定めた。より好ましい厚さ範囲は０．０１〜０．１μｍである。
【００１３】
Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇ等からなるめっき層（ｂ）は、基材からのＣｕの拡散を抑制するとともに、電気・電子回路部品として高温環境下での長期的に使用した場合に、接触抵抗を低く押さえる作用を有する。ただし、その厚さが０．０１μｍ未満では前記作用が十分ではない。一方、ＮｉまたはＣｒでめっき層を形成した場合には、その厚さが１．０μｍを越えると、プレス加工等での厳しい曲げ加工でクラックが生じ易くなる。また、Ａｇでめっき層を形成した場合には、厚さが１．０μｍを越えると製造コストの負担が大きくなる。よって、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇのいずれで形成した場合にも、めっき層（ｂ）の厚さは０．０１〜１．０μｍと定めた。より好ましい厚さ範囲は０．０３〜０．６μｍである。
【００１４】
Ｚｎ，Ｐｂ等からなるめっき層（ｃ）は、第１Ｓｎめっき層からのＣｕ拡散を抑制し、熱環境下での接触抵抗の増加を抑制する作用を有する。Ｚｎ，Ｐｂのいずれからなる場合にも、その厚さが０．０５μｍ未満では前記作用が十分ではなく、一方、その厚さが２．０μｍを越えると、端子やコネクターとして利用する場合の挿抜抵抗が大きくなり過ぎるとともに、プレス打抜き時のめっき粉の発生が多く不具合が生じるようになる。したがって、その厚さを０．０５〜２．０μｍと定めた。より好ましい厚さ範囲は０．３〜１．５μｍである。
【００１５】
拡散防止層として、第２Ｓｎめっき層（ｄ）を形成する場合には、第１Ｓｎめっきとは異なる方法で形成することが必要である。すなわち、第１Ｓｎめっき層を電解めっき法または無電解めっき法で形成した場合には、第２Ｓｎめっき層を蒸着法で形成し、第１Ｓｎめっき層をリフロー法で形成した場合には、第２Ｓｎめっき層を電着法あるいは蒸着法で形成すればよい。実施可能な組み合わせは、以下の通りである。
（第１Ｓｎめっき層形成方法／第２Ｓｎめっき層形成方法）
湿式めっき法／蒸着法（乾式めっき法）
蒸着法／湿式めっき法
リフロー法／湿式めっき法または蒸着法
溶融Ｓｎ接触法／湿式めっき法または蒸着法
【００１６】
前記のように第１Ｓｎめっき層と異なる方法で第２Ｓｎめっき層を形成すれば、両者の界面において第１Ｓｎめっき層からのＣｕ拡散が抑制され、熱環境下での黒変色や接触抵抗の増加を抑制する作用が得られる。ただし、第２Ｓｎめっきの厚さが０．０５μｍ未満ではその作用が十分ではなく、逆に厚さが２．０μｍを越えると、プレス金型のカスづまりが起こり易くなる。したがって、その厚さを０．０５〜２．０μｍと定めた。より好ましい厚さ範囲は０．３〜１．５μｍである。なお、第１Ｓｎめっき層と第２Ｓｎめっき層との合計厚さは３．０μｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
拡散防止層として、上記の厚さ条件を満たした前記めっき層（ａ）〜（ｄ）を２種以上積層して形成した場合にも本発明の効果を得ることができる。その場合には、それらの合計厚さが２．５μｍ以下であることが必要で、より好ましくは０．０２〜１．８μｍとされる。合計厚さが２．５μｍを越えると、プレス打抜時のめっき粉発生が多くなり、プレス金型のかすつまりが起こり易くなる。
【００１８】
前記のような通電部材を製造するには、銅または銅合金からなる基材上に、電解めっき法または無電解めっき法の少なくとも一方により第１Ｓｎめっき層を形成する。次に、前記第１Ｓｎめっき層上に、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｂから選択される１種または２種以上の金属めっき層を、電解めっき法、無電解めっき法あるいは蒸着法から選択される１種または２種以上のめっき法により形成すればよい。
【００１９】
次に、本発明に係る第２の通電部材の製造方法について説明する。第２の通電部材の製造方法は、銅板または銅合金板からなる基材上に厚さ０．１〜２．０μｍのＣｕ−Ｓｎ合金層を形成する工程と、このＣｕ−Ｓｎ合金層上に厚さ０．０５〜２．０μｍの溶融後凝固したＳｎ層を形成する工程と、このＳｎ層上に拡散防止層を形成する工程とを有している。拡散防止層については、第１の通電部材の製造方法と同様であるから説明を省略する。
【００２０】
前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚さが０．１μｍ未満、あるいは溶融後凝固したＳｎ層の厚さが０．０５μｍ未満であると、基材中のＣｕが通電部材の表面まで拡散して酸化することを十分に抑制できないうえ、端子やコネクターなど電気・電子回路部品として使用する場合の嵌合性が悪化し、通電安定性が低下する。
【００２１】
一方、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚さが２．０μｍを越えると、熱環境下でＣｕ−Ｓｎ合金層からＳｎ層へ拡散するＣｕ量が増加し、めっきの耐熱性に悪影響を及ぼす。また、溶融後凝固したＳｎ層の厚さが２．０μｍを越えると、プレス時のＳｎ粉の発生や金型へのカス詰まりが起こり易くなる。したがって、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚さを０．１〜２．０μｍ、溶融後凝固したＳｎ層の厚さを０．０５〜２．０μｍと定めた。より好ましくはそれぞれ０．３〜１．２μｍ、０．１５〜１．２μｍである。
【００２２】
上記のような構成からなる第２の通電部材を製造するには、まず、銅または銅合金からなる基材上に、電解めっき法または無電解めっき法の少なくとも一方によりＳｎめっき層を形成する。リフロー前のＳｎめっき層の厚さは３μｍ未満が好ましい。３μｍを越えると、溶融時に液垂れが生じやすく、リフロー処理が難しくなる。
【００２３】
次いで、前記基材をリフロー処理することにより、基材表面にＣｕ−Ｓｎ合金層を形成するとともに、その上に溶融後凝固したＳｎ層を形成する。リフロー処理は一般的に行われている方法でよく、具体的には、不活性ガスを満たした加熱炉内で２４０〜４００℃に熱すればよい。
【００２４】
続いて、溶融後凝固したＳｎ層上に、電解めっき法、無電解めっき法あるいは蒸着法から選択される１種または２種以上のめっき法により、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｂから選択される１種または２種以上の金属めっき層を前述した厚さで形成すればよい。
【００２５】
第２の通電部材の他の製造方法としては、銅または銅合金からなる基材を、溶融Ｓｎと接触させることにより、前記基材表面にＣｕ−Ｓｎ合金層を形成するとともにその上に溶融後凝固したＳｎ層を形成してもよい。具体的には、２５０〜４００℃で溶融状態にあるＳｎに、基材を浸漬する等の方法が可能である。
【００２６】
後は前記方法と同様に、溶融後凝固したＳｎ層上に、電解めっき法、無電解めっき法あるいは蒸着法から選択される１種または２種以上のめっき法により、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｂから選択される１種または２種以上の金属めっき層を形成すればよい。
【００２７】
第１または第２の通電部材において、基材の表面に厚さ０．１〜１．０μｍのＣｕ下地めっき層が形成されていてもよい。このようなＣｕ下地めっき層を形成するには、銅または銅合金母材上にＣｕ下地めっきを施した基材を使用し、前述した製造方法を行えばよい。母材が純銅、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ合金）その他の銅合金の場合には、Ｃｕ下地めっき層を形成することにより、その上に形成したＳｎめっき層の光沢性、平滑性、密着性等を向上することができる。Ｃｕ下地めっき層の厚さが０．１μｍ未満であると前記作用は不十分となり、一方、Ｃｕ下地めっきの厚さが１．０μｍを越えても前記効果はそれ以上向上せず、めっきの生産性が悪化するのみである。したがって、Ｃｕ下地めっきの厚さは０．１〜１．０μｍであることが好ましい。
【００２８】
ただし、例えばりん青銅（４〜８％のＳｎを添加したＣｕ合金）等の特殊な銅合金を基材とする場合には、Ｃｕ下地めっき層を形成すると逆にＳｎめっき層の耐熱密着性に悪い影響を与えるので、Ｃｕ下地めっき層は基材の種類に応じて使い分ける必要がある。
【００２９】
【作用】
本発明に係る通電部材の製造方法では、基材を形成する銅合金の種類にかかわらず、厳しい熱環境下においても基材から通電部材表面への銅の拡散が抑止でき、銅拡散に起因する変色や接触抵抗の増加等の問題を防止できる通電部材を製造することができる。したがって、例えば電気・電子回路部品として自動車のエンジン回りなどの過酷な環境下に置かれた場合にも、長期に亘って高い信頼性が得られる。
【００３１】
【実施例】
次に、本発明の効果を実施例を挙げて具体的に説明する。
通常の銅板または銅合金板製造設備により、表１に示す組成からなる基材ａ〜ｎを製造した。なお、基材ｊ，ｋ，ｌとしては予め溶融Ｓｎめっきが施されている市販のりん青銅板を用いた。
【００３２】
【表１】

【００３３】
基材ａ〜ｎの表面に、電解めっき法または無電解めっき法により、必要に応じてＣｕ下地めっき層を形成した後、Ｓｎめっき層を形成した。さらに、一部の基材については、不活性ガスで満たされた炉内において種々の条件でリフロー処理を施し、Ｓｎ皮膜を一旦溶融して表面を滑らかにした。
【００３４】
こうして形成されたＳｎめっき層あるいは凝固Ｓｎ層上に、真空蒸着法、電解めっき法または無電解めっき法により、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｐｂから選択された１種または２種以上の金属膜を形成し、試料１〜３２とした。これらの膜構成を表２および表３に示す。各表中で（電）は電解めっき法、（無）は無電解めっき法、（蒸）は蒸着法で膜を形成したことを示している。また、各めっき層の膜厚を、電解式膜厚計（コクール膜厚計）、蛍光Ｘ線膜厚計あるいは断面ＳＥＭ観察等の手段を用いて測定した。それらの測定値を表２および表３に併せて示す。各測定値は５回計測の平均値である。
【００３５】
（接触抵抗試験）
各試料から、幅：４０ｍｍ×長さ：４０ｍｍの試験片をそれぞれ切り出し、先端を金めっきした直径：３ｍｍ、先端の曲率半径が１．５ｍｍのプローブを接触荷重：５０ｇで試験片表面に当接させ、接触抵抗を１０回測定した。さらに、各試験片を大気中で温度１６０℃において５００時間加熱したうえ、加熱後の試験片の接触抵抗を同条件で１０回測定し、加熱前後の接触抵抗の平均値の差を接触抵抗の増加量として求めた。結果を表２および表３に示す。
【００３６】
【表２】

【００３７】
【表３】

【００３８】
表２および表３から明らかなように、基材の種類、Ｃｕ下地層の有無に拘わらず、比較品では接触抵抗の増加が２００ｍΩ以上だったのに対し、本発明品では３５ｍΩ以下だった。特に、本発明品は、比較品に比べてＳｎ層の厚さを小さくした場合にも、１６０℃という厳しい熱環境下において接触抵抗の増加が効果的に防止できることが判明した。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る通電部材の製造方法では、基材を形成する銅合金の種類にかかわらず、厳しい熱環境下においても基材から通電部材表面への銅の拡散が抑制でき、銅拡散に起因する変色や接触抵抗の増加等の問題も防止できる通電部材を製造することができる。したがって、例えば電気・電子回路部品として自動車のエンジン回りなどの過酷な環境下に置かれた場合にも、長期に亘って高い信頼性が得られる。

Claims (3)

1. 電気・電子回路部品もしくはそれらの素材として使用される通電部材の製造方法であって、
   銅板または銅合金板からなる基材上に、厚さ０．１〜３．０μｍのＳｎめっき層を形成する工程と、このＳｎめっき層上に拡散防止層を形成する工程とを有し、
   この拡散防止層が前記通電部材の表面に配置され、
   前記拡散防止層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄから選択される１種または２種以上からなる厚さ０．００２〜０．２μｍのめっき層、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇから選択される１種または２種以上からなる厚さ０．０１〜１．０μｍのめっき層、Ｚｎ，Ｐｂから選択される１種または２種以上からなる厚さ０．０５〜２．０μｍのめっき層、および前記Ｓｎめっき層とは異なる方法により形成された厚さ０．０５〜２．０μｍのＳｎめっき層、から選択される１または２以上のめっき層によって構成され、
   さらに、前記拡散防止層の厚さは２．５μｍ以下であることを特徴とする通電部材の製造方法。
2. 電気・電子回路部品もしくはそれらの素材として使用される通電部材の製造方法であって、
   銅板または銅合金板からなる基材上に厚さ０．１〜２．０μｍのＣｕ−Ｓｎ合金層を形成する工程と、このＣｕ−Ｓｎ合金層上に厚さ０．０５〜２．０μｍの溶融後凝固したＳｎ層を形成する工程と、このＳｎ層上に拡散防止層を形成する工程とを有し、
   この拡散防止層が前記通電部材の表面に配置され、
   前記拡散防止層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄから選択される１種または２種以上からなる厚さ０．００２〜０．２μｍのめっき層、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｇから選択される１種または２種以上からなる厚さ０．０１〜１．０μｍのめっき層、またはＺｎ，Ｐｂから選択される１種または２種以上からなる厚さ０．０５〜２．０μｍのめっき層、および前記Ｓｎ層とは異なる方法により形成された厚さ０．０５〜２．０μｍのめっき層、から選択される１または２以上のめっき層によって構成され、
   さらに、前記拡散防止層の厚さは２．５μｍ以下であることを特徴とする通電部材の製造方法。
3. 請求項１または２記載の通電部材の製造方法であって、前記基材の表面に、厚さ０．１〜１．０μｍのＣｕ下地めっき層を形成する工程を有することを特徴とする通電部材の製造方法。