JP4255939B2 - プレスフィット用端子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、高温環境下で使用される自動車のエンジン等を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）の半導体装置等の部品の接続に使用されるプレスフィット用端子及びその製造方法に関する。

例えば、自動車にはエンジン等の設置機器の制御を行うＥＣＵと称される電子制御装置が複数設けられている。それぞれのＥＣＵは、各センサー等で検出される電子情報に基づいて動作するマイクロコンピュータを有し、論理的な制御演算を行う制御回路系統と、演算結果に従って制御対象を動作するパワー回路系統とを有している（例えば、特許文献１参照）。この制御回路系統及びパワー回路系統と外部との接続は、特許文献２の図１に示されるように、プレスフィット用端子が使用されている。そして、プレスフィット用端子の表面には、鉛フリーを考慮して接続基板のスルーホールとの接触性を高めるために、その表面にＳｎめっきがなされている。

特開２０００−３２３８４８号公報 特開２００４−１２７６１０号公報

しかしながら、プレスフィット用端子を基板のスルーホールに差し込む前には、外方向に拡幅しており、スルーホールに差し込まれると、プレスフィット用端子の外周面がスルーホールによって大きな加圧力を受けて、比較的柔らかいＳｎめっきが削れてしまい、削られた破片（即ち、端子めっきの削れかす）が周囲に飛散し、場合によっては隣り合う端子のショートを引き起こすことがあるという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、接触性の低下を生じることなく、しかも表面が硬くなったプレスフィット用端子及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係るプレスフィット用端子は、母材の表面に、Ｃｕ含有率が３５〜７５ａｔ％であるＣｕ−Ｓｎ合金層を設け、該Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面に露出Ｓｎを点在させ、かつ該Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面に残存して露出する前記露出Ｓｎの面積を５０％以下とし、しかも基板のスルーホールに接する部位のめっき厚を他の部分より薄くした。硬度が高いＣｕ−Ｓｎ合金層を表面に設けることによって、スルーホールに挿入時にＣｕ−Ｓｎ合金層の削れを低減できる。なお、Ｃｕ−Ｓｎ合金層のＣｕ含有率が３５ａｔ％未満であると、硬度が十分でないため削れに対して有効でない。７５ａｔ％を超えると、耐食性が悪化し、接触抵抗が増加する。なお、プレスフィット用端子の表面層の硬度は荷重１０ｇｆでＨｖ９０〜３００（より好ましくはＨｖ２００〜３００）とするのがよい。

また、第２の発明に係るプレスフィット用端子は、第１の発明に係るプレスフィット用端子において、前記母材がＣｕ又はＣｕ合金であって、前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚みが０．２〜５μｍの範囲にある。ハンドリングやアセンブリ時に付く疵で母材が露出しないことを考慮して、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚みの下限値を０．２μｍとした。また、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚みが５μｍを超えるとめっき加工費がコストアップとなり、更には曲げ加工性が悪くなる。

第３の発明に係るプレスフィット用端子は、第１及び第２の発明に係るプレスフィット用端子において、前記母材とＣｕ−Ｓｎ合金層との間に下地Ｎｉめっき層を有する。そして、この場合、下地Ｎｉめっき層の厚みが０．２〜５μｍの範囲にあるのがよい。下地Ｎｉめっき層は母材からのＣｕの拡散を防止するバリア層として機能するが、０．２μｍ未満であると、耐食性（塩水噴霧試験）と接触抵抗が悪化し、５μｍを超えると曲げ加工性が低下する。この場合、基板のスルーホールに挿入する部位の下地Ｎｉめっき層とＣｕ−Ｓｎ合金層とを含むめっき層の厚みを他の部位より薄くする。これによって、挿入時に合金層の削れが減少する。

また、第１の発明に係るプレスフィット用端子は、前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面に残存して露出するＳｎの面積が５０％以下である。Ｃｕ−Ｓｎ合金は理論的にはＣｕが５３．５ａｔ％以下の場合にＳｎの全部がＣｕ−Ｓｎ合金層に入り込むが、Ｃｕが部分的に５３．５ａｔ％未満である場合、又はめっき条件及びリフローの条件によって、Ｓｎが部分的に過剰となって表面に散在的に露出する。表面に露出したＳｎは、金属Ｓｎの性質を有するので柔らかく、プレスフィット用端子を基板等に装入する場合にＳｎがめくれることになる。実際に実験を行って確認すると、表面に露出するＳｎの面積を５０％以下にするのが好ましく、これによって、プレスフィット用端子をスルーホールに挿入する場合、表面の合金層の削れが少なくなる。

また、第４の発明に係るプレスフィット用端子は、第１〜第３の発明に係るプレスフィット用端子において、基板のスルーホール挿入時、長さ３００μｍ以上（より好ましくは、１００μｍ以上）の端子めっきの削れかすが発生しないことを特徴とする。なお、削れかすの評価方法は、コンプライアントタイプのプレスフィット用端子を、１ｍｍ直径のスルーホールに接触する外寸法を１．２ｍｍとした後、該スルーホールにハンドプレスで挿入したときの削れかすの長さで評価する。これによって、端子めっきの削れかすの一般的評価を行うことができ、端子めっきの良否の判定ができる。なお、この方法と実質的に等価の評価方法で削れかすの長さを評価する場合も本発明は適用される。

第５の発明に係るプレスフィット用端子の製造方法は、母材に下地めっきを行い、該下地めっき層の上にＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕめっき層を形成し、更に、該Ｃｕめっき層の上にＳｎ又はＳｎ合金からなるＳｎめっき層を形成する第１工程と、前記第１工程で下地めっき、Ｃｕめっき及びＳｎめっきが行われた前記母材を加熱して、該母材の表面にＣｕ含有率が３５〜７５ａｔ％であるＣｕ−Ｓｎ合金層を形成し、加熱処理された前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面に露出Ｓｎを点在させ、かつ該Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面から露出する前記露出Ｓｎの面積を５０％以下とし、しかも基板のスルーホールに接する部位のめっき厚を他の部分より薄くする第２工程とを有する

なお、この第５の発明において、好ましくは下地めっき層（通常はＮｉめっき層）の厚みは、０．２〜５μｍ程度、Ｃｕめっき層の厚みは０．０５〜１．５μｍ、表面のＳｎめっき層の厚みは０．１〜４μｍ程度が好ましく、更に、第２工程の加熱温度は、Ｃｕ−Ｓｎ合金層を形成させる３５０〜４５０℃程度で２〜２０秒程度の加熱を行うのがよい。
通常はＳｎの融点は２３２℃であるが、高い温度で短時間にＳｎを溶かすことが望ましい。

そして、最終的に前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層は、Ｃｕ含有率が３５〜７５ａｔ％であってその厚みが０．2〜５μｍ（更に好ましくは、１〜４μｍ）の範囲にあるのがよい。なお、第１〜第４の発明に係るプレスフィット用端子の製造にあっては、第５の発明に係る製造方法に限定されず、下地めっき層の上に直接Ｃｕ−Ｓｎ合金めっき、又はＣｕ−Ｓｎ合金めっきをしてＳｎめっきをしてもよい。この場合、組織の合金化を高めるために更に加熱（リフロー）するのが好ましい。

更に、第５の発明に係るプレスフィット用端子の製造方法は、加熱処理された前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層から露出するＳｎの面積を５０％以下とする。理由は、第１の発明に係るプレスフィット用端子と同じである。

また、以上の発明に係るプレスフィット用端子の用途は自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に使用されているのが好ましいが、その他の場合、例えば、工場等で使用される電気機器、航空機、船舶等の電子機器にも適用できる。
前記各金属のめっき処理は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるプレスフィット用端子材をプレス成形した後の後めっきで行うのがよい。これによって、切断端面も含むプレスフィット用端子全体のめっきができる。

本発明に係るプレスフィット用端子及びその製造方法によって製造されたプレスフィット用端子は、その表面が硬化しているので、このプレスフィット用端子を使用した電子部品を、電子回路基板のスルーホール等に挿入した場合には、表面の端子めっき（即ち、合金めっき）の削れかすが発生しにくく、仮に発生した場合でも使用する機器に影響を与えない範囲となる。従って、削れかすによって回路ショート等を起こすことが極めて減少した。
更には、Ｃｕ含有率が３５〜７５ａｔ％のＣｕ−Ｓｎ合金層は、接触抵抗性もＳｎめっき層を表面に用いた場合と遜色がなく、しかも腐食性を有するガス（例えば、亜硫酸ガス）に対しても耐食性を有し、長期の寿命を有する。

そして、本発明のプレスフィット用端子の製造方法によって、下地めっき層の上に、Ｃｕめっき層とＳｎめっき層を形成し、これらを加熱して合金を生成しているので、比較的簡便にＣｕ−Ｓｎ合金層を形成できる。
また、本発明に係るプレスフィット用端子及びその製造方法において、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面に残存して露出するＳｎの面積を５０％以下にすることによって、使用時の端子めっきの削れかすが小さくなる。これによってより信頼性の増すプレスフィット用端子を提供できる。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）は本発明の一実施の形態に係るプレスフィット用端子の斜視図、（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＹ−Ｙ断面図、図２（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の他の実施の形態に係るプレスフィット用端子の説明図、図３はそれぞれプレスフィット用端子の合金層の平面及び断面の説明図である。

図１（Ａ）に本発明の一実施の形態に係るコンプライアント型のプレスフィット用端子１０を示すが、上下方向中間位置に中央に切れ目１１を入れて横方向に広げた膨出部１２を備えている。図１（Ｂ）に示すように、プレスフィット用端子１０を基板のスルーホール１３（図２参照）に差し込んで使用する。ここで、１３ａはスルーホール１３と膨出部１２との接触部を示している。また、膨出部１２の開き幅は、スルーホール１３の直径（例えば、１ｍｍ）の１．１〜１．３倍の範囲（例えば、１．２ｍｍ）にあり、スルーホール１３にプレスフィット用端子１０を差し込んだ場合、一定の押圧力を発生するようになっている。

なお、プレス加工直後のプレスフィット用端子の膨出部は、断面矩形になっており、スルーホール１３に挿入した場合、図１（Ｂ）に示すように、その角部がスルーホール１３の内側に接するので、角部を面付け加工（丸み付け加工）するのが好ましい。角部の面付けは、プレス加工の金型内で行う。面付けされた角部の内接円の半径はスルーホールの半径と一致させるのが好ましい。

図２（Ａ）〜（Ｅ）には本発明の他の実施の形態に係るプレスフィット用端子の膨出部１４〜１８を示すが、（Ａ）〜（Ｄ）においては部材の弾性力を用いて、（Ｅ）の場合は部材自体の変形を考慮して、スルーホール１３に密着状態で嵌入させている。なお、これらの膨出部１４〜１８においても、その角部に丸み付け加工を行って、スルーホール１３により広い面積で密着させるようにするのが好ましい。
また、プレスフィット用端子１０の表面にはめっきが成されているが、基板のスルーホール１３に接する部位（即ち、膨出部１２）のめっき厚が他の部分より薄いのが好ましい。これによって、削りかすの発生が少なくなる。この膨出部１２のめっき厚は、めっき電流密度を低下させること、及びリフロー時にめっき金属を他の部分に流すことによって薄くすることができる。

このプレスフィット用端子１０はＣｕ合金板（又はＣｕ板）からなる素材をプレス加工によって形成する。プレス加工されたプレスフィット用端子材、即ち、Ｃｕ合金母材上に後めっきをすることによって、Ｃｕ−Ｓｎ合金層を形成した。この手順は以下の通りである。
即ち、プレス加工後のＣｕ合金母材にＮｉめっきによる下地めっきを行い、この下地めっき層の上にＣｕめっき、更に、その上にＳｎめっきを行った。この場合のＣｕめっき層の厚みは約０．２４μｍ、０．１７μｍ、０．６８μｍであり、Ｓｎめっき層は、Ｃｕめっき層の厚みの２倍とした。この母材を、約４００℃の雰囲気で１０秒間程度加熱して表面のＳｎめっき層をリフローさせて、Ｃｕとの間に合金層（Ｃｕ含有率が５３ａｔ％）を形成した。この場合の合金層の厚みは約０．７μｍ、０．５μｍ、２μｍであり、Ｃｕ含有率が３５〜７５ａｔ％（詳細には、Ｃｕ含有率が約５３．５ａｔ％、５３．４ａｔ％、５３．５ａｔ％）のＣｕ−Ｓｎ合金層であった。このようにして製造されたプレスフィット用端子の試験結果を表１に、その比較例と共に示す。なお、めっき表面に散在的に生じるＳｎについては無視している。なお、Ｃｕめっき層及びＳｎめっき層の厚みを制御して、厚みが０．２〜５μｍのＣｕ−Ｓｎ合金層を形成することは可能である。

なお、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚みはミクロトーム法によって加工した供試材（プレスフィット用端子）の表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察し、画像解析処理にて平均厚さとして算出した。

表１において、「耐食性（亜硫酸ガス試験）」は、２５ｐｐｍ、３５℃、７５％ＲＨ、９６ｈｒの条件で行った。耐食性評価基準は、試験後の供試材の断面を観察し、母材の腐食が認められないレベルを◎として、部分点状変色が認められるレベルを○、全面変色が認められるレベルを×と評価した。
また、「削れ」は、供試材をコンプライアントタイプの端子にプレス加工した後、図１に示す膨出部１２の幅を１．２ｍｍにし、１ｍｍ径のスルーホールにハンドプレスで圧入した時の削れを２０倍の実体顕微鏡で観察した。削れが認められないものを◎、削れが粉状屑（３００μｍ未満の削れかす）となっているものを○、ヒゲ状屑（３００μｍ以上の削れかす）となっているものを×と評価した。
そして、高温放置後の「接触抵抗」は、供試材に対し大気中にて１２０℃×１０００ｈｒの熱処理を行った後、接触抵抗を四端子法により、開放電圧２０ｍＶ、電流１０ｍＡ、無摺動の条件にて測定した。０．５ｍΩ未満を◎、０．５ｍΩ以上３ｍΩ未満を○、３ｍΩ以上を×とした。

次に、Ｃｕ−Ｓｎ合金中のＣｕ含有率（ａｔ％）の影響を調べるために、Ｃｕめっき層とＳｎめっき層の厚みを変えて、Ｃｕ−Ｓｎ合金中のＣｕ含有率（ａｔ％）を５５％、４０％、７０％、２０％、８５％とした場合の「耐食性」、「削れ」、「接触抵抗」について観察したものを表２に示す。なお、ここでは、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚みは全て０．７μｍとした。この表２から、Ｃｕ−Ｓｎ合金中のＣｕ含有率は、３５〜７５ａｔ％が適当であることが分かる。

そして、下地Ｎｉめっき層の厚みの影響を調べるための実験結果を表３に示す。この実験においては、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚みは０．７μｍ、Ｃｕ−Ｓｎ合金層のＣｕ含有率は５５ａｔ％として行った。この表３からは、下地Ｎｉめっき層の厚みは０．２〜５μｍが適当である事が伺える。なお、表３において、「耐食性（塩水噴霧試験）」はＪＩＳ１３５に準じ、３５℃、５％ＮａＣｌ中で６時間放置を標準とした。「曲げ加工性」は、試験片を圧延方向が長手となるように切り出し、曲げ試験治具を用い、圧延方向に対して直角方向となるようにＲ／ｔ＝１で曲げ加工を施した。その後、ミクロトーム法にて、断面を切り出し観察を行った。曲げ加工性評価は、クラックが全く発生しないレベルを◎、曲げ加工部に発生したクラックが銅合金母材に伝播しないレベルを○、銅合金母材へ伝播し銅合金母材にクラックが発生するレベルを×と評価した。

次に、プレスフィット用端子１０を形成する合金母材２０（図３参照）上に厚み２μｍの下地Ｎｉめっきを行って下地Ｎｉめっき層２１を形成し、その上にＣｕめっきを、更にその上にＳｎめっきを行って、４００℃で１０秒間リフローを行った母材２０表面のめっき層の断面を示すが、Ｃｕのめっき厚みが減るとＣｕ−Ｓｎ合金層２２を形成するＳｎに余りができて、Ｃｕ−Ｓｎ合金層２２の表面に露出Ｓｎ２３が点在する。なお、条件によってはＣｕ−Ｓｎ合金層２２の下部にη層（Ｃｕ₆Ｓｎ₅）が形成される。なお、露出Ｓｎ２３は必ずしもＣｕめっき層の厚みとＳｎめっき層の厚みに対応して発生するものではなく、同一めっき厚であっても、めっき状態及びリフロー状態によって変化する。

この場合、点在する露出Ｓｎ２３は表面に露出するので、表面からその面積を計測することが可能となり、露出Ｓｎ２３の面積が広いことはＳｎが表面層に多いことを意味し、このプレスフィット用端子１０を基板のスルーホール１３に差し込んだ場合に、削れが発生する。この削れが発生すると、電気回路のショートの原因となるので、極力減らす必要があり、一般には３００μｍ以下（更に好ましくは）１００μｍ以下であることを要求されている。
表４は、露出Ｓｎ２３の露出面積と削れとの関係を示したものである。

なお、図３、表４において露出Ｓｎ２３は円に近い形状をしているので、面積比率の計算においては円として行った。また、Ｌは隣合う露出Ｓｎ２３の中心間距離を露出Ｓｎ２３の直径（１と仮定）と比較して記載した。実際のφの値はめっき条件、リフロー条件にもよるが、０．１〜２μｍ程度である。
実施例１６では２０倍の顕微鏡で削れは確認できなかった（◎）。実施例１７においては殆ど削れは確認できなった（◎）。一方、比較例１８では約０．１ｍｍ程度の削れが確認された（○）。よって、削れに対しては、露出Ｓｎ２３の表面積が全体の面積に対して５０％以下とするのがよいことが分かる。
このように、露出Ｓｎ２３の間隔は非常に小さいので、ビッカース硬度計が測定した合金層の硬度は、下地の影響をうけて、合金層表面の平均硬度となる。なお、Ｃｕ−Ｓｎ合金層を含むめっき層の硬度は、荷重１０ｇｆでＨｖ９０〜３００の範囲にあるのがよい。
また、本発明はプレスフィット用端子に限定して説明したが、本発明の技術をリードフレームのアウターリードにも適用可能である。

（Ａ）は本願発明の一実施の形態に係るプレスフィット用端子の斜視図、（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＹ−Ｙ断面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は本発明の他の実施の形態に係るプレスフィット用端子の説明図である。 プレスフィット用端子の合金層の断面及び平面の説明図である。

符号の説明

１０：プレスフィット用端子、１１：切れ目、１２：膨出部、１３：スルーホール、１３ａ：接触部、１４〜１８：膨出部、２０：合金母材、２１：下地Ｎｉめっき層、２２：Ｃｕ−Ｓｎ合金層、２３：露出Ｓｎ

Claims (10)

1. 母材の表面に、Ｃｕ含有率が３５〜７５ａｔ％であるＣｕ−Ｓｎ合金層を設け、該Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面に露出Ｓｎを点在させ、かつ該Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面に残存して露出する前記露出Ｓｎの面積を５０％以下とし、しかも基板のスルーホールに接する部位のめっき厚を他の部分より薄くしたことを特徴とするプレスフィット用端子。
2. 請求項１記載のプレスフィット用端子において、前記母材がＣｕ又はＣｕ合金であって、前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚みが０．２〜５μｍの範囲にあることを特徴とするプレスフィット用端子。
3. 請求項１及び２のいずれか１項に記載のプレスフィット用端子において、前記母材とＣｕ−Ｓｎ合金層との間に下地Ｎｉめっき層を有することを特徴とするプレスフィット用端子。
4. 請求項３記載のプレスフィット用端子において、前記下地Ｎｉめっき層の厚みが０．２〜５μｍの範囲にあることを特徴とするプレスフィット用端子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレスフィット用端子において、基板のスルーホール挿入時、長さ３００μｍ以上の端子めっきの削れかすが発生しないことを特徴とするプレスフィット用端子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のプレスフィット用端子において、前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層を含むめっき層の硬度が荷重１０ｇｆでＨｖ９０〜３００の範囲にあることを特徴とするプレスフィット用端子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のプレスフィット用端子において、自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に使用されていることを特徴とするプレスフィット用端子。
8. 母材に下地めっきを行い、該下地めっき層の上にＣｕ又はＣｕ合金からなるＣｕめっき層を形成し、更に、該Ｃｕめっき層の上にＳｎ又はＳｎ合金からなるＳｎめっき層を形成する第１工程と、
   前記第１工程で下地めっき、Ｃｕめっき及びＳｎめっきが行われた前記母材を加熱して、該母材の表面にＣｕ含有率が３５〜７５ａｔ％であるＣｕ−Ｓｎ合金層を形成し、加熱処理された前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面に露出Ｓｎを点在させ、かつ該Ｃｕ−Ｓｎ合金層の表面から露出する前記露出Ｓｎの面積を５０％以下とし、しかも基板のスルーホールに接する部位のめっき厚を他の部分より薄くする第２工程とを有することを特徴とするプレスフィット用端子の製造方法。
9. 請求項８記載のプレスフィット用端子の製造方法において、前記Ｃｕ−Ｓｎ合金層の厚みが０．２〜５μｍの範囲にあることを特徴とするプレスフィット用端子の製造方法。
10. 請求項８及び９のいずれか１項に記載のプレスフィット用端子の製造方法において、前記母材は、予めプレス加工されたプレスフィット用端子材であって、前記下地めっきはＮｉめっきであることを特徴とするプレスフィット用端子の製造方法。

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