JP4320623B2

JP4320623B2 - コネクタ端子

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Publication number: JP4320623B2
Application number: JP2004228222A
Authority: JP
Inventors: 雅史鈴木; 圭一郎立石; 弘之小笠
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: CN100575560C; CN1733979A; JP2006049083A; KR20060048542A; KR100722072B1

Description

本発明はコネクタを構成する端子、特にフレキシブル基板等の別の部材との電気的接続のために機械的圧縮応力を付与される部分を有するコネクタ端子に関する。

コネクタを構成する端子は一般に全面にメッキ処理が施されている。メッキ処理としては、耐食性および摺動性の向上の観点から、ニッケル層上にスズ層を形成した後でリフロー処理を行うことが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２）。

しかしながら、上記の技術で得られる従来のコネクタ端子ではウィスカ（ひげ）が発生して、隣のコネクタ端子と接触し、短絡が発生する問題が生じていた。また、コネクタ端子のはんだ合金に対する濡れ性が低下したり、端子の接触抵抗が増大したりすることが問題となることがあった。
特開平６−７３５９３号公報特開２００１−５９１９７号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、機械的圧縮応力が付与される部分において短絡の発生および接触抵抗の増大を有効に防止し、はんだ付けされる部分においてはんだ合金に対する濡れ性に優れたコネクタ端子を提供することを目的とする。

本発明は、母材上に純ニッケル層、ニッケル−スズ金属間化合物層、ニッケル−スズ金属間化合物および純スズからなる混在層および酸化スズ層を順次、有するメッキ層構造を、機械的圧縮応力が付与される部分に有してなるコネクタ端子であって、混在層におけるニッケル−スズ金属間化合物の一部が酸化スズ層と接触しているコネクタ端子に関する。

従来のコネクタ端子におけるウィスカ発生のメカニズムの詳細は明らかではないが、以下のメカニズムに基づくものと考えられる。図５に示すように、母材５０上のニッケル層５１にスズ層５２を形成した後でリフロー処理すると、ニッケル層５１とスズ層５２との間でニッケル−スズ金属間化合物５３が生成し、表面では酸化スズ層５４が形成される。その際、処理条件が比較的弱くてリフロー処理が不十分であると、ニッケル−スズ金属間化合物が含有されないスズ層５２が存在する。そのようなスズ層は変形し易いため、機械的圧縮応力５５が付与されると、当該スズ層において内部応力が増大する。内部応力が増大すると、スズ原子の移動（転移）が起こり、メッキ時に形成されたスズ層の結晶状態が崩壊してスズ層が不安定化される。その後、安定状態へ移行する過程で、再結晶化が進行し、結果としてウィスカ５６や押出部分（ヨリ）５７が形成されるものと考えられる。

一方、リフロー処理条件が比較的強いと、ニッケル−スズ金属間化合物の生成が促進され、スズ層はニッケル−スズ金属間化合物層に変換されるため、当該ニッケル−スズ金属間化合物に起因してはんだ濡れ性が低下し、接触抵抗が増大するものと考えられる。

本発明のコネクタ端子は機械的圧縮応力が付与される部分でウィスカ（ひげ）の発生を抑制するので、短絡の発生を有効に防止できる。また機械的圧縮応力が付与される部分の接触抵抗は有効に低減されている。さらに本発明のコネクタ端子は、はんだ付けされる部分ではんだ合金に対する濡れ性に優れている。

本発明のコネクタ端子は、機械的圧縮応力が付与される部分に以下に示すメッキ層構造Ａを有してなるものである。

メッキ層構造Ａは、図１に示すように、母材１上に純ニッケルからなるニッケル層２、ニッケル−スズ金属間化合物６からなるＮｉ−Ｓｉ層３、ニッケル−スズ金属間化合物６および純スズ７からなる混在層４および酸化スズ層５を順次、有するものであり、混在層４におけるニッケル−スズ金属間化合物６の一部が酸化スズ層５と接触していることを特徴とする。すなわち、純ニッケル層および純スズ層を順次、形成した後、適度にリフロー処理を行うことにより、純ニッケル層と純スズ層との間で生成するニッケル−スズ金属間化合物（単に「Ｎｉ−Ｓｎ」ということがある）の一部が酸化スズ層に到達するまでＮｉ−Ｓｎを成長させてなっている。そのため、メッキ層構造Ａはニッケル−スズ金属間化合物を含有しない純スズからなるスズ層を有しない。

本明細書中、純スズはニッケル−スズ金属間化合物を構成するスズと区別して使用され、当該金属間化合物を構成しないスズ（単体）を意味するものとし、本発明は純スズが銅、マグネシウム、リン等の不純物質を含有することを妨げるものではない。
また純ニッケルも同様に、ニッケル−スズ金属間化合物を構成するニッケルと区別して使用され、当該金属間化合物を構成しないニッケル（単体）を意味するものとし、本発明は純ニッケルが銅、マグネシウム、リン等の不純物質を含有することを妨げるものではない。

本発明においてはコネクタ端子における機械的圧縮応力が付与される部分を上記メッキ層構造Ａとすることにより、機械的圧縮応力を継続して付与されながら通電されても、長期にわたってウィスカや押出部分（ヨリ）の発生を防止する。詳しくは、図２に示すように、メッキ構造Ａ（８）に対して機械的圧縮応力９が継続して付与されても、混在層４において存在し、かつ酸化スズ層５と接触するニッケル−スズ金属間化合物６ａが当該応力を受けて支持柱として作用する。そのため混合層４における純スズ部分７で内部応力は増大することがなく、純スズ部分７が不安定化されることもない。その結果、再結晶化を抑制して、ウィスカや押出部分（ヨリ）の発生を有効に防止できる。

混在層４における酸化スズ層５と接触するニッケル−スズ金属間化合物６ａの存在割合は、当該ニッケル−スズ金属間化合物６ａが外部応力を支持することによってウィスカ等の発生を有効に防止できる限り特に制限できるものではない。例えば、酸化スズ層５を剥離した後の混在層表面における純スズ（Ｓｎ）とニッケル−スズ金属間化合物（Ｎｉ−Ｓｎ）との占有面積比率（Ｓｎ：Ｎｉ−Ｓｎ）で９９：１〜２０：８０、特に８０：２０〜５０：５０であることが好ましい。

占有面積比率は以下の方法によって測定可能である。しかし、当該方法によって測定されなければならないというわけではなく、混在層表面のＳｎとＮｉ−Ｓｎとの占有面積比率を測定可能な限り、いかなる方法によって測定されてもよい。
試料表面（酸化スズ層表面）に対して、オージェ電子分光法による測定とアルゴンイオンエッチング（エッチング深さ約１ｎｍ）とを繰り返し行い、酸化スズ層と接する層（酸化スズ層の直下に存在する層）の出現を知見する。酸化スズ層と接する層の出現はオージェ電子分光法における酸素の深さ方向の分布状態および錫スペクトルのケミカルシフト状態によって知ることができる。次いで、酸化スズ層と接する層の出現を知見したオージェ電子分光法による測定データよりＳｎとＮｉ−Ｓｎとの原子割合を求め、ＳｎとＮｉ−Ｓｎとの占有面積比率とした。

また混在層４における純スズの含有量は、ウィスカ等の発生をより有効に防止し、かつ電気的特性を維持させる観点から、２０〜８０重量％、特に４０〜６０重量％であることが好ましい。

純スズの含有量は以下の方法によって測定可能である。しかし、当該方法によって測定されなければならないというわけではなく、混在層の純スズ含有量を測定可能な限り、いかなる方法によって測定されてもよい。
占有面積比率の測定方法と同様にして、オージェ電子分光法による測定とアルゴンイオンエッチング（エッチング深さ約１ｎｍ）とを繰り返し行い、混在層の出現と混在層の終了を知見する。混在層の出現は酸化スズ層と接する層における錫とニッケルの原子割合によって知ることができる。ニッケル−スズ金属間化合物における錫とニッケルの原子割合が３：２であることから、この原子割合よりも錫の割合が高く、かつ、ニッケルが存在していることで混在層の存在を知ることができる。また混在層の終了は錫とニッケルの原子割合が３：２に達することによって知ることができる。次いで、混在層におけるオージェ電子分光法による全測定データより、純スズの含有量を平均値として求める。

ニッケル層２、Ｎｉ−Ｓｎ層３、混在層４および酸化スズ層５の厚みは混在層４表面が上記占有面積比率（Ｓｎ：Ｎｉ−Ｓｎ）を有する限り特に制限されないが、通常はウィスカ抑制及び、良好な電気的特性維持の観点から以下に示す厚みを有することが好ましい。
ニッケル層；１〜５μｍ、特に２〜３μｍ；
Ｎｉ−Ｓｎ層；０．５〜２μｍ、特に０．５〜１μｍ；
混在層；０．１〜２μｍ、特に０．３〜１．０μｍ；および
酸化スズ層；０．００１〜０．０５μｍ、特に０．００１〜０．０１５μｍ。

上記のようなメッキ層構造Ａの形成方法としては、母材１上にニッケル層およびスズ層を順次、形成した後、適度なリフロー処理（加熱溶融処理）を行う。リフロー処理条件が比較的弱いと、前記したように、ニッケル−スズ金属間化合物が含有されないスズ層が存在する。すなわち、ニッケル層とスズ層との間で生成するニッケル−スズ金属間化合物が酸化スズ層に到達するほど成長しない。そのため、ニッケル−スズ金属間化合物が支持柱として作用できず、内部応力によってスズ層が不安定化され、結果としてウィスカや押出部分（ヨリ）が形成される。一方、リフロー処理条件が比較的強いと、ニッケル−スズ金属間化合物が容易に過度に生成し、混在層４における酸化スズ層５との界面がニッケル−スズ金属間化合物のみから構成されることとなり、接触抵抗が増大する。

ニッケル層の形成方法は特に制限されず、例えば、硫酸ニッケル３００〜３８０ｇ／ｌ、塩化ニッケル４０〜５０ｇ／ｌ、ホウ酸４５〜５０ｇ／ｌおよび添加剤（アニオン系界面活性剤を含む添加剤）２０〜４０ｍｌ／ｌの浴組成、ならびに４０〜５５℃および２０〜４０Ａ／ｄｍ^２の条件を採用すればよい。ニッケル層は厚みが通常、１〜４μｍ、好ましくは２〜３μｍとなるように形成されればよい。

スズ層の形成方法もまた特に制限されず、例えば、酸７０〜１４０ｍｌ／ｌ、錫１６０〜６００ｍｌ／ｌおよび添加剤（ノニオン系界面活性剤を含む添加剤）２０〜８０ｍｌ／ｌの浴組成、ならびに４０〜６０℃および２０〜４０Ａ／ｄｍ^２の条件を採用すればよい。スズ層は厚みが通常、１〜４μｍ、好ましくは２〜３μｍとなるように形成されればよい。

リフロー処理は、形成されたニッケル層−スズ層を加熱溶融することによって行う。加熱方式は所定のメッキ構造を達成できる限り特に制限されるものではなく、通常、温風加熱方式が採用される。温風加熱方式は所定温度の温風を所定の圧力および時間で吹き付けることによって加熱を達成する方式である。温風加熱方式によると、コネクタ端子における機械的圧縮応力が付与される部分のみにリフロー処理を行うことが容易で、さらには処理条件を比較的厳密に制御でき上記メッキ層構造Ａを比較的容易に形成できるため好ましい。他の加熱方式として、所定温度の炉内に所定時間載置することによって加熱を達成する炉内加熱方式が知られているが、当該方式によると、コネクタ端子における機械的圧縮応力が付与される部分のみにリフロー処理を行うことができない。さらには処理条件を厳密に制御できないため、上記メッキ層構造Ａを形成することは著しく困難である。

メッキ層構造Ａを形成するためのリフロー処理条件は、スズ層の厚み、加熱方式、コネクタ端子形状、材質等に依存するため、一概に規定できるものではない。
例えば、スズ層の厚みが約２μｍであって、風量０．８ｍ^３／ｍｉｎの温風加熱方式を採用する場合で、温風温度を３４０〜４４０℃、特に３８０〜４００℃、処理時間を２〜３秒間とすることが好ましい。

また例えば、スズ層の厚みが約４μｍであって、風量０．８ｍ^３／ｍｉｎの温風加熱方式を採用する場合で、温風温度を３８０〜４００℃、処理時間を２〜３秒間とすることが好ましい。

リフロー処理を行った後は通常、後処理を行う。後処理は冷却が達成されればよく、例えば、自然冷却によって冷却を行えばよい。

母材としては、従来からコネクタ端子の母材として使用されているいかなる金属材料も使用可能であり、例えば、銅、銅と錫、鉄、リン等との合金等が挙げられる。
母材には、通常、ニッケル層の形成に先立って、電解脱脂処理および酸活性処理が施される。

本発明のコネクタ端子はさらに、はんだ付けされる部分に別のメッキ層構造Ｂを有している。メッキ層構造Ｂは、表面が純スズ層からなっている限り特に制限されるものではないが、コネクタ端子における前記メッキ層構造Ａを有する部分との同時処理による工程簡略化の観点から、母材上に純ニッケル層および純スズ層を順次、有してなることが好ましい。母材は前記と同様のものである。

そのような好ましいメッキ層構造Ｂは、リフロー処理および後処理を行わないこと以外、メッキ層構造Ａの形成方法と同様の方法によって形成可能である。ニッケル層の厚みは通常、１〜４μｍ、特に２〜３μｍが好ましい。スズ層の厚みは通常、１〜４μｍ、特に２〜３μｍが好ましい。

本発明のコネクタ端子がコネクタ基板にはんだ付けされるときに使用される好ましいはんだ合金は、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕである。

本発明のコネクタ端子における、機械的圧縮応力が付与される部分およびはんだ付けされる部分以外の部分は、いかなる構造のメッキ層を有していてよいし、またはメッキ層を有さなくてもよい。腐食防止の観点からは、母材上に純ニッケル層のみを有してなることが好ましい。母材は前記と同様のものである。
ニッケル層は、メッキ層構造Ａを形成する際のニッケル層と同様の方法によって形成可能である。ニッケル層の厚みは通常、１〜４μｍ、特に２〜３μｍが好ましい。

本発明のコネクタ端子は例えば、図３に示すような形状を有するものである。図３に示すコネクタ端子１０において、１１が機械的圧縮応力が付与される部分であって、上記メッキ層構造Ａを有している。図３において１２ははんだ付けされる部分であって、上記メッキ層構造Ｂを有している。なお、コネクタ端子１０はメッキ処理を容易にし、かつ本発明の効果をより確実に得る観点から、通常は図３に示すように、Ｘ領域全体がメッキ層構造Ａを、Ｙ領域全体がメッキ層構造Ｂを有するように処理される。

図３に示すコネクタ端子１０は例えば、図４に示すような形態で使用される。詳しくは、コネクタ端子１０ははんだ付けされる部分１２において、はんだ合金１５によってコネクタ基板１６に良好に固定される。一方、端子１０内には、当該端子との電気的接続を達成されるべき別の部材（例えば、フレキシブル基板１７等）が挿入される。その後、さらにスライダー１８も挿入されて、部分１１がフレキシブル基板１７等を介して機械的圧縮応力を付与されることにより、部分１１とフレキシブル基板１７等との電気的接続が達成される。

＜実施例１＞
図３に示すような形状を有する銅製母材（全長（図３のＬ）約４ｍｍ）に対して順次、以下に示す処理を行い、コネクタ端子を得た。

（電解脱脂処理）
母材全面を濃度５％のアルカリ性洗浄剤に１０秒間浸漬し、乾燥した。
（酸活性処理）
電解脱脂処理された母材全面を濃度５％の硫酸水溶液に１０秒間浸漬し、乾燥した。

（ニッケルめっき処理）
酸活性処理された母材の全面に対して表１の条件でニッケルめっき処理を行った（ニッケル層厚み；２μｍ）。
（スズめっき処理）
ニッケルめっき処理された母材の両端（詳しくは図３のＸ領域およびＹ領域）に対して順次、表１の条件でスズめっき処理を行った（スズ層厚み；２μｍ）。

（リフロー処理）
スズめっき処理された母材のＸ領域（図３参照）に対して表２の条件でリフロー処理を行った。

（後処理）
リフロー処理された母材全面を濃度１０％の水溶性潤滑剤に５秒間浸漬し乾燥した。

＜実施例２および３、比較例１および２＞
リフロー処理条件を表３に記載の条件に変更したこと以外、実施例１と同様の方法によりコネクタ端子を得た。

＜物性評価＞
得られたコネクタ端子におけるＸ領域（図３参照）のメッキ層構造を分析した。
（占有面積比率）
表面の酸化スズ層を剥離して得られた表面における占有面積比率（Ｓｎ：Ｎｉ−Ｓｎ）を測定した。

（純スズ含有量）
表面の酸化スズ層直下の層における純スズ含有量を測定した。

（層構成および厚み）
また層構成および各層の厚みを走査型オージェ電子分光装置（日本電子社製）によって測定（分析換算）した。すなわち、オージェ電子分光法による測定とアルゴンイオンエッチング（エッチング深さ約１ｎｍ）とを繰り返し行い、測定データに基づいて層構成および厚みを調べた。層構成および各層の厚みは、隣接する各層に固有の原子の有無または／および構成原子の割合およびその変化等に基づいて各層の境界を知ることにより求めることができる。

それらの結果をまとめて表４に示した。

それらの結果より、実施例１〜３では混在層を有することがわかった。
比較例１では、混在層と酸化スズ層との間に純スズ層が存在することがわかった。
比較例２では、混在層が存在せず、酸化スズ層の直下にＮｉ−Ｓｎ層が存在することがわかった。

＜機能評価＞
（機械的圧縮応力が付与される部分での短絡）
コネクタ端子を組み込んだコネクタにＦＰＣを勘合し、室温で５００時間放置後電子顕微鏡でウィスカを確認する。評価基準を以下に示す。
○；ウィスカ全長が０μｍであった（ウィスカは全く発生しなかった）；
△；ウィスカ全長が３０μｍ以下であった（実用上問題ない）；
×；ウィスカ全長が３０μｍを越えていた。

（機械的圧縮応力が付与される部分の接触抵抗）
コネクタ端子を組み込んだコネクタにＦＰＣを勘合し、回路素子測定器にて４端子法で測定する。評価基準を以下に示す。
○；接触抵抗が２１ｍΩ以下であった；
△；接触抵抗が４０ｍΩ以下であった（実用上問題ない）；
×；接触抵抗が４０ｍΩを越えていた。

５０ピンのコネクタ端子を組み込んだコネクタを次の条件でプリント基板に実装しフィレットが形成されているか否かを確認する。（実装条件、はんだ種類：Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ、マスク厚：０．１２、実装温度ピーク値２３５℃。）
実施例、比較例ともに良好な濡れ性を有し全てのピンでフィレット形状を確認できた。
○；全てのピンでフィレットを確認；
×；フィレットの未形成あり。

本発明のコネクタ端子における機械的圧縮応力が付与される部分が有するメッキ層構造の模式的断面図である。本発明のコネクタ端子がウィスカ等の発生を防止するメカニズムを説明するための模式的断面図である。本発明のコネクタ端子の一例の概略見取り図である。本発明のコネクタ端子の使用形態を説明するための概略断面図である。従来のコネクタ端子がウィスカ等を発生するメカニズムを説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１：母材、２：ニッケル層、３：Ｎｉ−Ｓｎ層、４：混在層、５：酸化スズ層、６：ニッケル−スズ金属間化合物部分、７：純スズ部分、８：メッキ層構造Ａ、９：機械的圧縮応力、１０：コネクタ端子、１１：機械的圧縮応力が付与される部分、１２：はんだ付けされる部分、１５：はんだ合金、１６：コネクタ基板、１７：フレキシブル基板、１８：スライダー、５０：母材、５１：ニッケル層、５２：スズ層、５３：ニッケル−スズ金属間化合物、５４：酸化スズ層、５５：機械的圧縮応力、５６：ウィスカ、５７：押出部分（ヨリ）。

Claims

母材上に純ニッケル層、ニッケル−スズ金属間化合物層、ニッケル−スズ金属間化合物および純スズからなる混在層および酸化スズ層を順次、有するメッキ層構造を、機械的圧縮応力が付与される部分に有してなるコネクタ端子であって、混在層におけるニッケル−スズ金属間化合物の一部が酸化スズ層と接触しているコネクタ端子。
混在層と酸化スズ層との界面における混在層表面の純スズ（Ｓｎ）とニッケル−スズ金属間化合物（Ｎｉ−Ｓｎ）との占有面積比率（Ｓｎ：Ｎｉ−Ｓｎ）が９９：１〜２０：８０である請求項１に記載のコネクタ端子。
混在層における純スズの含有量が２０〜８０重量％である請求項１または２に記載のコネクタ端子。
コネクタ端子がさらに、表面に純スズ層を有するメッキ層構造を、はんだ付けされる部分に有してなる請求項１〜３のいずれかに記載のコネクタ端子。