JP4043834B2

JP4043834B2 - めっき材料とその製造方法、それを用いた電気・電子部品

Info

Publication number: JP4043834B2
Application number: JP2002130690A
Authority: JP
Inventors: 仁志田中; 晃松田; 智鈴木; 守正谷本
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-05-02
Also published as: JP2003328157A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はめっき材料とその製造方法、そのめっき材料を用いた電気・電子部品に関する。更に詳しくは、耐熱性が良好で、例えば自動車のエンジンルームのような高温環境下で使用するコネクタの材料として好適なめっき材料に関する。また、良好な耐熱性と挿抜性を兼ね備えているので、高温環境下で使用する嵌合型コネクタや接触子の材料として好適なめっき材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣｕやＣｕ合金から成る導電性基材の上に、ＳｎやＳｎ合金から成るめっき層を設けた材料は、基材の優れた導電性や強度と、ＳｎやＳｎ合金の良好な電気接触特性、耐食性、はんだ付け性とを兼ね備えた高性能導体として知られている。そして、この材料は各種の端子やコネクタなどに広く用いられている。
【０００３】
このような材料としては、通常、基材の上にＣｕまたはＮｉの下地めっきを施したのち、その上に、直接、ＳｎまたはＳｎ合金のめっきを施して製造したものが用いられている。この下地めっき層は、基材成分（ＣｕやＺｎなどの合金成分）が表面のＳｎまたはＳｎ合金へ熱拡散することを抑制するために設けられるものである。とくに、下地めっき層がＮｉやＮｉ合金から成るめっき層である場合には、高温環境下にあっても表面のＳｎまたはＳｎ合金への上記した熱拡散を遅延させる効果が大きい。そのため、長時間に亘って表面におけるＳｎやＳｎ合金の特性が確保されることになる。
【０００４】
しかしながら、ＮｉやＮｉ合金の下地めっき層を有する上記した材料の場合であっても、次のような問題が生じている。例えば自動車のエンジンルームのエンジン付近のようなとくに高温となる箇所で用いられると、やはり、基材のＣｕや、下地のＮｉ、Ｎｉ合金が経時的に表面めっき層側へ熱拡散していく。そしてある時間の経過後にあっては、表面めっき層は当初のＳｎやＳｎ合金でなくなり、事実上、ＳｎやＳｎ合金から成る表面めっき層が消失してしまう。その結果、そのめっき材料は本来の性能を発揮しなくなってしまう。
【０００５】
このような問題は、ＳｎやＳｎ合金から成る表面めっき層の厚みを厚くして、当該表面めっき層の消失時間を長くすることにより解消することができる。しかしながら、そのような対応策は資源の浪費を招く。しかも、それだけではなく、そのめっき材料が例えば多極の嵌合型コネクタに用いられる場合、ＳｎやＳｎ合金の厚みが厚いので嵌合時における摩擦力は大きくなり、組み付け作業が困難になるという問題を新たに引き起こすことがある。
【０００６】
ところで、嵌合型コネクタでは、オス端子とメス端子を嵌合して電気的接続をとっている。そして近年、自動車に搭載するコネクタ端子に関しては、伝送情報の多量化、電子制御化の進展が進んでいる。そのことに伴なって、コネクタの多極化が進んでいる。その場合、コネクタの多極化に伴い、嵌合する接点の数が増加するので、多極化したコネクタに対しては、嵌合時における挿入力を低減させることが強く要望されている。
【０００７】
このような要望に応える端子としては、例えば端子表面にＡｕめっき層を形成したものがある。Ａｕめっき層を表面に設けることにより、その端子の挿入力は低減する。しかしながら、Ａｕは非常に高価であるため、製造されたコネクタ端子は高コストになるという問題がある。そのため、ごく一部の高信頼性が要求されるコネクタ端子にしか適用されていない。
【０００８】
なお、一般のコネクタ端子としては、Ｃｕのような導電性基材の表面にＳｎめっきが施されているものが使用されている。この端子の場合、Ｓｎは易酸化性材料であるため、大気中では、その表面に、常に、硬質なＳｎ酸化皮膜が形成された状態になっている。
そして、この端子を挿入すると、上記した硬質のＳｎ酸化皮膜が相手材との嵌合時に破れる。そして、その下に位置する未酸化のＳｎめっき層と相手材とが接触して、両者間では良好な電気的接続が実現する。しかしながら、形成されているＳｎめっき層が薄い場合には、そのめっき層全体が酸化皮膜化するため、嵌合時に当該酸化皮膜が破れにくくなる。しかも、基材がＣｕまたはＣｕ合金から成る場合は、高温環境下での実使用時に、表面の薄いＳｎめっき層のＳｎ成分と基材成分とが反応してＣｕ成分が表面に露出し、表面にはＣｕの酸化皮膜が形成される。その結果、相手材との接触信頼性を喪失してしまう。
【０００９】
このような問題は、表面のＳｎめっき層を厚くすることにより発生しにくくすることができる。しかしながら、その場合には、嵌合時に相手材との挿入力が大きくなるという新たな問題が生ずる。
このようなことから、とくに高温環境下で使用するコネクタ端子の場合には、高価なＡｕめっき端子か、または、表面のＳｎめっき層の厚みを厚くした極数の少ないＳｎめっき端子かのいずれかを使用せざるを得ないという問題があった。
【００１０】
ところで、端子の表面にＳｎまたはＳｎ合金から成るめっき層を形成する場合、一般に、光沢ＳｎめっきとリフローＳｎめっきが適用されている。
これらのうち、光沢Ｓｎめっきによって形成されためっき層の場合、そのめっき層にはめっき処理時に用いた添加剤成分が多く含有されている。また、めっきＳｎの結晶粒は微細になる。そのため、めっき層表面の潤滑性が優れ、かつ、嵌合・摺動時の削れ量も少なくなる。その結果、嵌合時の挿抜性は優れている。しかしながら、結晶粒が微細であるため粒界の数は多く、高温環境下で用いられると、基材成分がめっき層の上記粒界を通って表面まで拡散して、めっき層の表面を汚染することがある。そのため、光沢Ｓｎめっきの材料は耐熱性に劣り、また接続信頼性を損ねやすい。
【００１１】
一方、リフローＳｎめっきの場合は、全体のめっき処理終了後に、その表面めっき層を加熱溶融する。そのため、形成されたリフローめっき層では、結晶粒径は大きくなり、かつ、めっき処理時に混入した添加剤成分も除去されている。そのため、粒界は少なく、高温環境下においても、基材成分の拡散に基づく接続信頼性の低下は起こりにくく、耐熱性が向上しためっき材料になる。しかしながら、表面のＳｎの結晶粒径が大きいので、嵌合・摺動時の削れ量は大きくなり、かつ、添加剤成分も少ないので潤滑性に劣り、その挿抜性は低下する。
【００１２】
このようなことから、Ｓｎめっき層の耐熱性と挿抜性を高めるために、様々な方法が提案されている。
例えば、特開平８−７９４０号公報や特開平４−３２９８９１号公報には、耐熱性の向上を目的として、Ｓｎめっき層の下地として、高融点金属、とくにＮｉのめっき層を形成する方法が開示されている。この方法によれば、使用温度域が１００〜１２０℃程度である場合には、下地Ｎｉめっき層が基材成分（ＣｕやＺｎなどの合金成分）とＳｎめっき層のＳｎ成分との反応を抑制し、しかもＮｉとＳｎとの反応速度が小さいので耐熱効果が得られるとされている。しかしながら、１４０℃以上の高温環境下においては、ＮｉとＳｎとの反応速度が大きくなり、表面Ｓｎめっき層の変質が起こり、耐熱効果が得られなくなる。
【００１３】
また、特開平１１−１２１０７５号公報や特開平１０−３０２８６４号公報には、挿抜性を向上させるために、表面のＳｎめっき層の厚みを薄くする方法が開示されている。
この方法で形成された表面Ｓｎめっき層の場合、嵌合・摺動時における削れ量は低減して挿抜性が良好になるとされている。しかしながら、Ｓｎめっき層の厚みが薄いので、高温環境下で使用されると、表面のＳｎめっき層は基材成分の拡散によって早期の段階で変質してしまい、電気的な接続信頼性を確保することが困難となる。
【００１４】
このように、表面にＳｎめっき層を形成した従来のめっき材料の場合、その耐熱性と挿抜性の両立は非常に困難であるという問題があった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、表面にＳｎまたはＳｎ合金のめっき層が形成されているめっき材料において、高温環境下にあっても、当該めっき層と基材や下地めっき層との間で拡散反応が遅くなるように設計されているので、耐熱性が良好であるめっき材料、また、上記した良好な耐熱性とともに挿抜性も良好であり、高温環境下で使用される嵌合型コネクタや接触子などの材料として好適なめっき材料の提供を目的とする。
【００１６】
更に、本発明は、上記しためっき材料の製造方法、およびそのめっき材料を用いた電気・電子部品、例えば嵌合型コネクタ、接触子の提供を目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、導電性基体の表面に、ＦｅもしくはＦｅ合金、ＮｉもしくはＮｉ合金、またはＣｏもしくはＣｏ合金のいずれか１種から成る下地めっき層と、Ｓｎ−Ｆｅ系金属間化合物、Ｓｎ−Ｎｉ系金属間化合物、またはＳｎ−Ｃｏ系金属間化合物のいずれか１種と、Ｓｎ−Ｃｕ系金属間化合物から成る第１の金属間化合物層と、Ｓｎ−Ｃｕ系金属間化合物から成る第２の金属間化合物層と、ＳｎまたはＳｎ合金から成る表面めっき層とが、この順序で形成されていることを特徴とするめっき材料が提供される。
【００１８】
また、本発明においては、導電性基材の表面に、ＦｅもしくはＦｅ合金、ＮｉもしくはＮｉ合金、またはＣｏもしくはＣｏ合金のいずれか１種から成る下地めっき層と、ＳｎまたはＳｎ合金から成る第１中間めっき層と、ＣｕまたはＣｕ合金から成る第２中間めっき層と、ＳｎまたはＳｎ合金から成る表面めっき層とをこの順序で形成し、その後熱処理して、前記第１中間めっき層がＳｎ−Ｆｅ系金属間化合物、Ｓｎ−Ｎｉ系金属間化合物、またはＳｎ−Ｃｏ系金属間化合物のいずれか１種と、Ｓｎ−Ｃｕ系金属間化合物から成る第１の金属間化合物層に転化し、前記第２中間めっき層がＳｎ−Ｃｕ系金属間化合物から成る第２の金属間化合物層に転化することを特徴とするめっき材料の製造方法が提供される。
【００１９】
また、本発明においては、上記しためっき材料を用いた耐熱性に優れる電気・電子部品、具体的には、嵌合型コネクタや接触子が提供される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明のめっき材料は、後述するような５層構造になっている。そして、各層の構成材料や厚みは、前記した耐熱性の向上や、耐熱性と挿抜性を同時に安定化して向上させることとの関係で後述するように設計される。
まず、本発明のめっき材料は、図１で示したように、全体として、導電性基材１の上に、後述する下地めっき層２、第１中間めっき層３、第２中間めっき層４、および表面めっき層５がこの順序で形成されている。このめっき材料は、下地めっき層２と表面めっき層５の間に、第１中間めっき層３と第２中間めっき層４が介在し、これら第１中間めっき３と第２中間めっき層４が後述する機能を発揮することにより、高温環境下における表面めっき層５の消失が抑制されるところに最大の特徴を有している。
【００２１】
まず、導電性基材１の材料は格別限定されるものではなく、例えば接続コネクタとしての用途を考慮し、要求される機械的強度、耐熱性、導電性に応じて適宜選択すればよい。一般に使用される材料としては、例えば、純銅；リン青銅、黄銅、洋白、ベリリウム銅、コルソン合金のような銅合金；純鉄、ステンレス鋼のような鉄合金；各種のニッケル合金；Ｃｕ被覆Ｆｅ材やＮｉ被覆Ｆｅ材のような複合材料などから適宜に選定すればよい。
【００２２】
これらの材料のうち、ＣｕまたはＣｕ合金が好適である。
なお、導電性基材１がＣｕ系材料でない場合は、その表面にＣｕまたはＣｕ合金のめっきを施してから実使用に供すると、めっき膜の密着性や耐食性が更に向上する。
この導電性基材１の上に形成されている下地めっき層２は、基材１と表面めっき層５との密着強度を確保するために設けられるとともに、基材の成分が表層側に熱拡散することを防止するバリア層としても機能する。
【００２３】
具体的には、ＦｅまたはＦｅ合金、ＮｉまたはＮｉ合金、ＣｏまたはＣｏ合金などで下地めっき層２が形成される。
これらのＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏはいずれも融点が１０００℃以上の高融点金属である。そして、例えば接続コネクタの使用環境温度は一般に２００℃以下であるため、このような使用環境下では、この下地めっき層２は熱拡散を起こしにくいことはもち論のこと、基材成分の表層側への熱拡散を有効に防止する。
【００２４】
そして、それらを主成分とする合金としては、例えば、Ｎｉ−Ｐ，Ｎｉ−Ｓｎ，Ｃｏ−Ｐ，Ｎｉ−Ｃｏ，Ｎｉ−Ｃｏ−Ｐ，Ｎｉ−Ｃｕ，Ｎｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｚｎ，Ｎｉ−Ｆｅなどをあげることができる。
ここで、めっき材料における下地めっき層２の厚みは０．０５〜２μｍの範囲内に設定されていることが好ましい。
【００２５】
この下地めっき層２の厚みが薄すぎると上記した効果は充分に発揮されなくなり、また厚すぎると基材１との密着強度が低くなって基材１から剥離しやくすくなるからである。
次に、この下地めっき層２の上に形成される第１中間めっき層３は、ＳｎまたはＳｎ合金から成る。
【００２６】
この第１中間めっき層３は、表面めっき層５までのめっき形成が終了しためっき材料が高温処理を施されたり、または高温環境下に曝されたときに、後述する第２中間めっき層４の成分（Ｃｕ成分）と前記した下地めっき層２の成分（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ成分など）と反応する。そして、第２中間めっき層４との間ではＳｎ−Ｃｕ系金属化合物を形成し、また下地めっき層２との間ではＳｎ−（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ）系金属化合物を形成する。そのため、ＳｎまたはＳｎ合金から成る第１中間めっき層３の厚みは薄くなっていく。そして、第１めっき層３のＳｎ成分が全て消費され、Ｓｎ−Ｃｕ系金属間化合物やＳｎ−（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ）系金属間化合物になった時点で、この第１中間めっき層３は、全体としては、図２で示したように、第１の金属間化合物層３’に転化する。
【００２７】
この第１の金属間化合物層３’は、基材１の成分や下地めっき層２の成分が表面めっき層５の方に熱拡散していくことを遅延させて、当該表面めっき層５の変質を防止する働きをする。しかし、その反面、脆性である。
加熱処理や高温環境下で上記したように変化していく第１中間めっき層３の厚みは、０.０５〜０.５μｍに設定されることが好ましい。この厚みを薄くしすぎると、上記した第１の金属間化合物層３’が充分に形成されないため、表面めっき層５の変質を招くようになり、また厚くしすぎると、下地めっき層２や第２中間めっき層４の間で剥離が起きやすくなるからである。
【００２８】
次に、第１中間めっき層３の上に形成される第２中間めっき層４は、ＣｕまたはＣｕ合金から成る。
この第２中間めっき層４は、加熱処理時や高温環境下に曝されると、第２中間めっき層４のＣｕ成分と第１中間めっき層３のＳｎ成分との間でＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物を形成し、また、表面めっき層５のＳｎ成分との間でもＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物を形成する。その結果、第２中間めっき層４は、図２で示したように、第２のＳｎ−Ｃｕ系金属間化合物から成る層４’に転化していく。
【００２９】
この第２の金属間化合物層４’も、前記した第１の金属間化合物層３’と同様に、基材成分や下地めっき層の成分が表面めっき層５の方に熱拡散することを防止するバリヤとして機能する。加熱処理や高温環境下で上記したように変化していく第２中間めっき層４の厚みは０．０５〜０．２９μｍに設定されることが好ましい。この厚みを薄くしすぎると、第２の金属間化合物層４’が充分に形成されないため表面めっき層５の変質を招くようになり、また厚くしすぎると、例えば製造しためっき材料からコネクタ端子を加工するときに、めっき材料はこの第２中間めっき層４で剥離が起きやすくなるからである。
【００３０】
なお、上記した第１の金属間化合物層３’、第２の金属間化合物層４’は、高温環境下で自動的に形成されていくが、めっき材料の製造時における熱処理や、製造しためっき材料に更にリフロー処理を施して形成させることもできる。その場合には、初期状態で安定なめっき材料になる。
例えば、めっき材料の製造工程で形成させる場合には、１００〜６００℃で数時間以上のバッチ式熱処理、１８０〜２３０℃で数秒程度の走間熱処理（表面は未溶融）、実体温度２３０〜３００℃でのリフロー処理（表面は溶融・再凝固）などを適用することができる。
【００３１】
上記した金属間化合物から成る層３’，４’が形成されていくと、最表層の表面めっき層４は、その厚みが薄くなっていく。そして、第１中間めっき層３、第２中間めっき層４のいずれもが、それぞれ、第１の金属間化合物層３’、第２の金属間化合物層４’に転化し終わった時点で熱拡散に基づく金属間反応は終了する。したがって、図２で示したように、最表層にはＳｎまたはＳｎ合金から成る表面めっき層５を消失させることなく、ある厚みの表面めっき層を残存させることが可能である。
【００３２】
下地めっき層２、第１中間めっき層３、第２中間めっき層４の厚みをそれぞれ上記したように設定した場合、めっき形成時における表面めっき層５の厚みを０．１μｍ以上に設定しておけば、そのめっき材料は、高温加熱時や高温環境下に曝されても、表面めっき層５が消失してしまうという事態は防止可能である。本発明のめっき材料は、基材の表面に、各めっき層に関する所定の合金めっき浴を用いて、下地めっき層、第１中間めっき層、第２中間めっき層、および表面めっき層を順次めっき形成して製造することができる。
【００３４】
【実施例】
実施例１〜９，比較例１〜５
黄銅条に、電解脱脂、酸洗を順次行ったのち、下地めっき層、第１中間めっき層、第２中間めっき層、表面めっき層を順次形成して、表２で示した各種のめっき材料を製造した。
なお、各層形成時のめっき条件は表１に示したとおりである。
【００３５】
【表１】

【００３６】
製造した各めっき材料を表２で示した温度に加熱し、そのときの表面めっき層の残存厚み、接触抵抗を下記の仕様で測定した。また、初期時における動摩擦係数を下記の仕様で測定した。
残存厚み：めっき材料を温度１００〜１６０℃のエアバスの中に１２０時間放置したのち、定電流溶解法で測定。
【００３７】
接触抵抗：めっき材料を温度１６０℃で１２０時間加熱したのちに測定。
動摩擦係数：バウデン型摩擦試験器を用い、荷重２９４mN、摺動距離１０mm、摺動速度１００Ｍ／min、摺動回数１回の条件下で測定。なお、相手材としては、板厚０.２５mmの黄銅条にリフローＳｎめっきを１μｍ施したのち、０.５mmRに張り出し加工を行ったものを用いた。
以下の結果を一括して表２に示す。
【００３８】
【表２】

【００３９】
表２から次のことが明らかである。
実施例と比較例を対比すると、実施例は、全体として、環境温度が高温になっても、表面めっき層（Ｓｎ）が残存しており、しかも動摩擦係数が小さくなっている。そして、形成した表面めっき層の厚みが厚い実施例のものほど加熱後における表面めっき層（Ｓｎ）の残存厚みは厚くなっていて耐熱性を保持している。しかし、他方では、動摩擦係数は、表面めっき層の厚みが薄い実施例の方が小さくなっている。このようなことから、表面めっき層の厚みが薄いものの方が挿抜性の点で有利である。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のめっき材料は、下地めっき層と表面めっき層の間に第１中間めっき層と第２中間めっき層を介在させており、そして表面めっき層とこれら中間めっき層の厚みを、高温環境下にあっても表面めっき層のＳｎまたはＳｎ合金が残存するように設計されている。
【００４１】
したがって、このめっき材料は、耐熱性が良好であり、また良好な耐熱性と挿抜性を兼ね備えていて、例えば自動車エンジンルーム内のような高温環境下に配置されるコネクタ、また嵌合型コネクタ、接触子などの各種電気・電子部品用の材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のめっき材料の１例を示す断面図である。
【図２】図１のめっき材料を高温環境下に曝したときの層構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１導電性基材
２下地めっき層
３第１中間めっき層
３’ 第１の金属間化合物層
４第２中間めっき層
４’ 第２の金属間化合物層
５表面めっき層

Claims

導電性基体の表面に、ＦｅもしくはＦｅ合金、ＮｉもしくはＮｉ合金、またはＣｏもしくはＣｏ合金のいずれか１種から成る下地めっき層と、Ｓｎ−Ｆｅ系金属間化合物、Ｓｎ−Ｎｉ系金属間化合物、またはＳｎ−Ｃｏ系金属間化合物のいずれか１種と、Ｓｎ−Ｃｕ系金属間化合物から成る第１の金属間化合物層と、Ｓｎ−Ｃｕ系金属間化合物から成る第２の金属間化合物層と、ＳｎまたはＳｎ合金から成る表面めっき層とが、この順序で形成されていることを特徴とするめっき材料。
導電性基材の表面に、ＦｅもしくはＦｅ合金、ＮｉもしくはＮｉ合金、またはＣｏもしくはＣｏ合金のいずれか１種から成る下地めっき層と、ＳｎまたはＳｎ合金から成る第１中間めっき層と、ＣｕまたはＣｕ合金から成る第２中間めっき層と、ＳｎまたはＳｎ合金から成る表面めっき層とをこの順序で形成し、その後熱処理して、前記第１中間めっき層がＳｎ−Ｆｅ系金属間化合物、Ｓｎ−Ｎｉ系金属間化合物、またはＳｎ−Ｃｏ系金属間化合物のいずれか１種と、Ｓｎ−Ｃｕ系金属間化合物から成る第１の金属間化合物層に転化し、前記第２中間めっき層がＳｎ−Ｃｕ系金属間化合物から成る第２の金属間化合物層に転化することを特徴とするめっき材料の製造方法。
前記下地めっき層の厚みを０．０５〜２μｍ、前記第１中間めっき層の厚みを０．０５〜０．５μｍ、かつ、前記第２中間めっき層の厚みを０．０５〜０．２９μｍにする請求項２のめっき材料の製造方法。
製造しためっき材料に、更にリフロー処理を行う請求項２または３のめっき材料の製造方法。
請求項１のめっき材料を用いたことを特徴とする、耐熱性に優れた電気・電子部品。
電気・電子部品が、嵌合型コネクタまたは接触子である請求項５の電気・電子部品。