JP4813785B2 - 錫めっき材 - Google Patents

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Description

本発明は、錫めっき材に関し、特に、挿抜可能な接続端子などの材料として使用される錫めっき材に関する。
従来、挿抜可能な接続端子の材料として、銅や銅合金などの導体素材の最外層に錫めっきを施した錫めっき材が使用されている。特に、錫めっき材は、接触抵抗の経時変化が小さく、環境負荷の大きい自動車などの接続端子の材料として使用されている。
しかし、錫めっき材は、軟質で摩耗し易く、挿抜可能な接続端子として長期間使用することができないという問題がある。この問題を解消するため、錫を主体とする金属マトリクス中に耐摩耗性または潤滑性の固体粒子を複合化させた複合材の皮膜を電気めっきにより導体素材上に形成することにより、機械的な耐摩耗性を向上させることが提案され（例えば、特許文献１〜３参照）、このような複合めっき皮膜を応用した接続端子が提案されている（例えば、特許文献４参照）。また、錫または錫／鉛と黒鉛の分散めっき皮膜を導体素材上に形成することにより、耐摩耗性に優れた導電性皮膜を形成することが提案されている（例えば、特許文献５参照）。
特開昭５４−４５６３４号公報（第３頁） 特開昭５３−１１１３１号公報（第２頁） 特開昭６３−１４５８１９号公報（第２頁） 特表２００１−５２６７３４号公報（第８−９頁） 特開昭６１−２２７１９６号公報（第３頁）
しかし、上記の特許文献１〜５の方法により製造された錫めっき材は、優れた耐摩耗性を有するが、摩擦係数が比較的高いという問題がある。そのため、このような錫めっき材を挿抜可能な接続端子の材料として使用すると、挿入力が高くなるという問題がある。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、接触抵抗の経時変化が小さく、耐摩耗性に優れ且つ摩擦係数が低い錫めっき材を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、錫層中に炭素粒子が分散した複合材からなる皮膜を素材上に形成し、この皮膜の厚さを０．５〜１０．０μｍ、好ましくは１．０〜５．０μｍにすることにより、接触抵抗の経時変化が小さく、耐摩耗性に優れ且つ摩擦係数が低い錫めっき材を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明による錫めっき材は、錫層中に炭素粒子が分散した複合材からなる皮膜が素材上に形成され、この皮膜の厚さが０．５〜１０．０μｍ、好ましくは１．０〜５．０μｍであることを特徴とする。この錫めっき材において、皮膜が最外層に形成されているのが好ましい。また、皮膜中の炭素粒子の含有量が０．１〜１．０重量％であるのが好ましい。
また、本発明による接続端子は、雌端子とこの雌端子に嵌合する雄端子とからなり、雌端子と雄端子の少なくとも一方の少なくとも他方と接触する部分が、上記の錫めっき材からなることを特徴とする。
本発明によれば、接触抵抗の経時変化が小さく、耐摩耗性に優れ且つ摩擦係数が低い錫めっき材を製造することができる。
本発明による錫めっき材の実施の形態では、錫層中に０．１〜１．０重量％炭素粒子が分散した複合材からなる厚さ０．５〜１０．０μｍ、好ましくは１．０〜５．０μｍの皮膜が素材上に形成されている。複合材からなる皮膜の厚さが１０μｍより厚くなると、摺動時の磨耗深さと磨耗幅が大きくなって磨耗する接触面が大きくなるため、接触抵抗が高くなり、摩擦係数も大きくなる。したがって、複合材からなる皮膜の厚さを１０μｍ以下にするのが好ましく、５μｍ以下にするのがさらに好ましい。一方、複合材からなる皮膜の厚さが０．５μｍより薄くなると、摩擦係数は低くなるが、錫の酸化などによって接触抵抗の経時変化が大きくなる。したがって、複合材からなる皮膜の厚さを０．５μｍ以上にするのが好ましく、１．０μｍ以上にするのがさらに好ましい。
また、図１に示すように、雌端子１０とこの雌端子１０に嵌合する雄端子１２とからなる接続端子において、雌端子１０と雄端子１２の少なくとも一方を本発明による錫めっき材により形成すれば、接触抵抗の経時変化が小さく、耐摩耗性に優れ且つ摩擦係数が低い接続端子を提供することができる。この場合、雌端子１０と雄端子１２の少なくとも一方の他方と接触する部分のみを本発明による錫めっき材により形成してもよい。
以下、本発明による錫めっき材の実施例について詳細に説明する。
［実施例１〜３、比較例１、２］
まず、厚さ０．３ｍｍの黄銅Ｃ２６００からなる素材を、ニッケル（９０ｇ／Ｌ）と塩化ニッケル（２０ｇ／Ｌ）とホウ素（５ｇ／Ｌ）からなるニッケルめっき液中に入れ、液温５０℃、電流密度５Ａ／ｄｍ２で素材上に厚さ１μｍのニッケルめっきを施した。
また、錫めっき液（独シュレッター社製のアルカノールスルホン酸（１３０ｍｌ／Ｌ）、アルカノールスルホン酸錫（３００ｍｌ／Ｌ）、ＭＳＴ−４００（６０ｍｌ／Ｌ）からなる錫めっき液）に、平均粒径３．４μｍで粒度分布０．９〜１１μｍの鱗片状のグラファイト粒子（エスイーシー社製のグラファイトＳＧＰ−３）８０ｇ／Ｌを添加して分散させた。なお、グラファイト粒子の平均粒径は、グラファイト粒子０．５ｇを０．２重量％のヘキサメタリン酸ナトリウム溶液５０ｇに分散させ、さらに超音波により分散させた後、レーザー光散乱粒度分布測定装置を用いて測定し、累積分布で５０％の粒径を平均粒径とすることにより求めた。
上記の錫めっき浴中にニッケルめっきを施した素材を入れ、陽極として錫板を使用して、液温２５℃、電流密度２Ａ／ｄｍ２でスターラーにより攪拌しながら電気めっきを行い、ニッケルめっき上にそれぞれ表１に示す膜厚の錫とグラファイト粒子の複合めっき皮膜が形成された錫めっき材を作製した。なお、複合めっき皮膜の膜厚は、蛍光Ｘ線膜厚測定法により８点の平均値から算出した。
得られた錫めっき材を超音波洗浄して表面に付着したグラファイト粒子を除去した後、錫めっき材の複合めっき皮膜中のＣの含有量を算出するとともに、錫めっき材の摩擦係数、接触抵抗および磨耗性の評価を行った。
錫めっき皮膜中のＣの含有量は、得られた錫めっき材（素材を含む）から切り出した試験片をＳｎおよびＣの分析用にそれぞれ用意し、試験片中のＳｎの含有量（Ｘ重量％）をＩＣＰ装置（ジャーレル・アッシュ社製のＩＲＩＳ／ＡＲ）を用いてプラズマ分光分析法によって求めるとともに、試験片中のＣの含有量（Ｙ重量％）を微量炭素・硫黄分析装置（堀場製作所製のＥＭＩＡ−Ｕ５１０）を用いて燃焼赤外線吸収法によって求め、Ｙ／（Ｘ＋Ｙ）として算出した。
錫めっき材の摩擦係数として、得られた錫めっき材から切り出した試験片同士の間の動摩擦係数と、およびその試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数を求めた。なお、リフロー処理を施した錫めっき材として、厚さ０．２５ｍｍのＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金からなる素材（同和鉱業（株）製のＮＢ−１０９−ＥＨ材）に厚さ１μｍの錫めっきを施した後にリフロー処理を施した錫めっき材を使用した。試験片同士間の動摩擦係数（μ）は、２つの試験片の一方をインデント加工（Ｒ３ｍｍ、３インデント）して圧子とするとともに、他方を評価試料とし、ロードセルを使用して、圧子を荷重１５Ｎで評価試料の表面に押し付けながら移動速度１００ｍｍ／分で滑らせ、水平方向にかかる力（Ｆ）を測定し、μ＝Ｆ／Ｎから算出した。同様に、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数（μ）は、リフロー処理を施した錫めっき材をインデント加工した圧子を荷重１５Ｎで試験片の表面に押し付けながら移動速度１００ｍｍ／分で滑らせ、水平方向にかかる力（Ｆ）を測定し、μ＝Ｆ／Ｎから算出した。
錫めっき材の接触抵抗は、初期の接触抵抗、１６０℃で１５０時間加熱した後の接触抵抗、８５℃で湿度８５％の環境下に１４日間放置した後の接触抵抗について測定し、それぞれＪＩＳ Ｃ５４０２の交流四端子法によって、開放電圧２００ｍＶ、電流１０ｍＡで摺動荷重を０〜１００ｇｆに変化させ、１００ｇｆのときの値を測定した。
錫めっき材の磨耗性は、直径１０ｍｍのＳＵＳボールからなる圧子を１００ｇｆの荷重で錫めっき材上で１回および２０回摺動させた後、レーザー超深度顕微鏡（（株）キーエンス製のＶＫ−８５００）により観察し、磨耗幅と磨耗深さを測定することによって評価した。
これらの結果を表１〜表３に示す。これらの表に示すように、実施例１〜３のように複合めっき皮膜の厚さが１．１〜６．６μｍの場合には、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．１３〜０．１５であり、特に、実施例１および２のように複合めっき皮膜の厚さが１．１〜４．０μｍの場合には、試験片同士の間の動摩擦係数も０．１３〜０．１８であり、優れた耐摩耗性を維持しながら低い動摩擦係数が得られるが、比較例１および２のように複合めっき皮膜の厚さが１１．８〜１６．７μｍの場合には、いずれの動摩擦係数も０．２以上と高くなっている。
Figure 0004813785
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［実施例４、比較例３］
ニッケルめっき皮膜と厚さ１μｍの複合めっき皮膜との間に厚さ１μｍの錫めっき皮膜を形成した以外は実施例１〜３と同様の方法によって作製した錫めっき材（実施例４）と、ニッケルめっき皮膜と厚さ１μｍの錫めっき皮膜との間に厚さ１μｍの複合めっき皮膜を形成した以外は実施例１〜３と同様の方法によって作製した錫めっき材（比較例３）について、実施例１〜３と同様の方法により、摩擦係数および接触抵抗の評価を行った。その結果を表１〜３に示す。これらの表に示すように、実施例４では、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．１６、１６０℃に加熱して１５０時間保持した後の摩擦抵抗は０．６７ｍΩであり、複合めっき皮膜の下地として錫めっき皮膜を形成することにより、錫めっき皮膜の下地を形成しない実施例１と比べて、低い動摩擦係数を維持しながら摩擦抵抗を低くすることができる。一方、比較例３では、最外層が錫めっき皮膜であるため、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．２８と高くなっている。
［実施例５〜８、比較例４］
平均粒径５．８μｍで粒度分布１．１〜１８．５μｍの鱗片状のグラファイト粒子を使用した以外は実施例１〜３と同様の方法によって、それぞれ表１に示す膜厚の錫とグラファイト粒子の複合めっき皮膜が形成された錫めっき材を作製し、実施例１〜３と同様の方法により、錫めっき材の複合めっき皮膜中のＣの含有量を算出するとともに、錫めっき材の摩擦係数、接触抵抗および磨耗性の評価を行った。その結果を表１〜３に示す。これらの表に示すように、実施例５〜８のように複合めっき皮膜の厚さが１．２〜９．２μｍの場合には、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．１２〜０．１８であり、特に、実施例５および６のように複合めっき皮膜の厚さが１．２〜４．０μｍの場合には、試験片同士の間の動摩擦係数も０．１７〜０．１９であり、優れた耐摩耗性を維持しながら低い動摩擦係数が得られるが、比較例４のように複合めっき皮膜の厚さが１２．７μｍの場合には、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間および試験片同士の間の動摩擦係数がそれぞれ０．３７および０．５４と高くなっている。
［実施例９、１０、比較例５〜７］
平均粒径８．３μｍで粒度分布１．１〜３１μｍの鱗片状のグラファイト粒子を使用した以外は実施例１〜３と同様の方法によって、それぞれ表１に示す膜厚の錫とグラファイト粒子の複合めっき皮膜が形成された錫めっき材を作製し、実施例１〜３と同様の方法により、錫めっき材の複合めっき皮膜中のＣの含有量を算出するとともに、錫めっき材の摩擦係数、接触抵抗および磨耗性の評価を行った。その結果を表１〜３に示す。これらの表に示すように、実施例９および１０のように複合めっき皮膜の厚さが１．５〜３．４μｍの場合には、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．１３、試験片同士の間の動摩擦係数が０．１８〜０．２０であり、優れた耐摩耗性を維持しながら低い動摩擦係数が得られるが、比較例５〜７のように複合めっき皮膜の厚さが５．７〜１３．７μｍの場合には、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．２１〜０．３９、試験片同士の間の動摩擦係数が０．４１〜０．５６と高くなっている。
［実施例１１、１２、比較例８〜１０］
平均粒径４．０μｍで粒度分布０．６〜３７μｍの土状のグラファイト粒子を使用した以外は実施例１〜３と同様の方法によって、それぞれ表１に示す膜厚の錫とグラファイト粒子の複合めっき皮膜が形成された錫めっき材を作製し、実施例１〜３と同様の方法により、錫めっき材の複合めっき皮膜中のＣの含有量を算出するとともに、錫めっき材の摩擦係数、接触抵抗および磨耗性の評価を行った。その結果を表１〜３に示す。これらの表に示すように、実施例１１および１２のように複合めっき皮膜の厚さが０．９〜３．３μｍの場合には、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．１３〜０．１８、試験片同士の間の動摩擦係数が０．１２〜０．１９であり、優れた耐摩耗性を維持しながら低い動摩擦係数が得られるが、比較例８〜１０のように複合めっき皮膜の厚さが６．１〜１６．６μｍの場合には、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．２３〜０．３３、試験片同士の間の動摩擦係数が０．２５〜０．５４と高くなっている。
［比較例１１］
実施例１〜３と同様に厚さ１μｍのニッケルめっきを施した後、グラファイトを添加しない以外は実施例１〜３と同様のアルカノールスルホン酸浴を使用し、実施例１〜３と同様の方法により厚さ１．４μｍの無光沢Ｓｎめっきを施すことによって作製した錫めっき材について、実施例１〜３と同様の方法により、摩擦係数、接触抵抗および磨耗性の評価を行った。その結果を表１〜３に示す。これらの表に示すように、この比較例では、Ｓｎめっき皮膜の厚さが１．４μｍと薄いにもかかわらず、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．２４と高くなっている。
［比較例１２］
厚さ０．２５ｍｍのからなるＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金からなる素材（同和鉱業（株）製のＮＢ−１０９−ＥＨ材）を、硫酸（６０ｇ／Ｌ）、硫酸第一錫（６０ｇ／Ｌ）、クレゾールスルホン酸（３０ｇ／Ｌ）および界面活性剤（１ｍｌ／Ｌ）からなるめっき浴中に入れ、液温２５℃、電流密度２Ａ／ｄｍ２で電気めっきを行い、素材上に厚さ１．１μｍの錫めっきを施した後、リフロー処理を施すことにより作製した錫めっき材について、実施例１〜３と同様の方法により、摩擦係数、接触抵抗および磨耗性の評価を行った。その結果を表１〜３に示す。これらの表に示すように、この比較例では、試験片同士（この比較例のリフロー処理を施した錫めっき材同士）との間の動摩擦係数が０．２であり、実施例１〜１２の錫めっき材は、この比較例のリフローＳｎめっき材と同等またはそれ以下の低い動摩擦係数を有している。
［比較例１３］
比較例１２と同様の素材に、厚さ１μｍの光沢Ｃｕめっき、厚さ０．２μｍのＳｎＮｉ合金めっき、厚さ０．４μｍのＳｎめっきを順次施すことによって作製した錫めっき材について、実施例１〜３と同様の方法により、摩擦係数、接触抵抗および磨耗性の評価を行った。その結果を表１〜３に示す。これらの表に示すように、この比較例では、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数が０．１７と低いが、１６０℃に加熱して１５０時間保持した後の摩擦抵抗が２．４４ｍΩと高くなっている。
［比較例１４］
Ｓｎめっきの厚さを０．１μｍとした以外は比較例１２と同様の方法により作製した錫めっき材について、実施例１〜３と同様の方法により、摩擦係数、接触抵抗および磨耗性の評価を行った。その結果を表１〜３に示す。これらの表に示すように、この比較例では、１６０℃に加熱して１５０時間保持した後の摩擦抵抗は１．２３ｍΩと低くなるが、試験片とリフロー処理を施した錫めっき材との間の動摩擦係数は０．２９と高くなっている。
上述したように、実施例１〜１２の錫めっき材は、比較例１１のリフローＳｎめっき材や比較例１０の無光沢Ｓｎめっき材と比べて動摩擦係数が低く、挿入力が小さい端子の材料として使用することができる。
本発明による錫めっき材を使用した接続端子の例を説明する概略図である。
符号の説明
１０ 雌端子
１２ 雄端子

Claims (4)

  1. 錫層中に炭素粒子が分散した複合材からなる皮膜が素材上に形成された錫めっき材において、皮膜の厚さが０．５〜５．０μｍ、皮膜中の炭素粒子の含有量が０．１〜１．０重量％であり、錫めっき材から切り出した試験片同士の間の動摩擦係数が０．１２〜０．１９であることを特徴とする、錫めっき材。
  2. 前記皮膜中の炭素粒子の平均粒径が３．４〜８．３μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の錫めっき材。
  3. 前記皮膜が最外層に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の錫めっき材。
  4. 雌端子とこの雌端子に嵌合する雄端子とからなり、雌端子と雄端子の少なくとも一方の少なくとも他方と接触する部分が、請求項１乃至３のいずれかの錫めっき材からなることを特徴とする、接続端子。
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