JP5089452B2 - コネクタ用端子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はコネクタ用端子およびその製造方法に関し、詳しくは、低挿入力性と接続信頼性を両立したコネクタ用端子およびその製造方法に関する。

銅（Ｃｕ）、銅合金などの導電体の母材（以下、適宜、母材と記す。）上にスズ（Ｓｎ）、スズ合金などのめっき層を設けためっき材料は、母材の優れた導電性と強度、およびめっき層の優れた電気接続性と耐食性とはんだ付け性を備えた高性能導体材料として知られており、各種の端子やコネクタなどに広く用いられている。

ところで近年、電子制御化が進む中で嵌合型コネクタが多極化したため、オス端子群とメス端子群を挿抜する際に多大な力が必要になり、特に、自動車のエンジンルーム内などの狭い空間では挿抜作業が困難なため前記挿抜力の低減が強く求められている。

前記挿抜力を低減する方法として、コネクタ端子表面のＳｎめっき層を薄くして端子間の接触圧力を弱める方法があるが、この方法はＳｎめっき層が軟質のため端子の接触面間にフレッティング現象が起きて端子間に導通不良が起きることがある。

前記フレッティング現象とは、振動や温度変化などが原因で端子の接触面間に起きる微摺動により、端子表面の軟質のＳｎめっき層が摩耗し酸化して、比抵抗の大きい摩耗粉になる現象で、この現象が端子間に発生すると接続不良が起きる。そして、この現象は端子間の接触圧力が低いほど起き易い。

特許文献１には、銅または銅合金の母材に下地銅めっき層を形成し、さらにその表面にスズめっき層を形成し、その後、端子の嵌合部分における摺動面とは反対側の面にレーザ照射を行うことにより、摺動面におけるレーザのビームスポットに対応する部分が伝熱により加熱され、スズめっき層と下地銅めっき層との界面に銅スズ合金層が形成される嵌合型接続端子の製造方法が記載されている。
薄くスズめっき層を残存させるレーザ照射条件であれば、安定した接触抵抗を維持したまま端子の低挿入力化が可能で、かつ直接レーザ照射を行わないので、スズめっき層が溶融変化を起こさず、接触抵抗が悪化しないとされている。

特許文献２には嵌合型オス端子の平板形状のタブ部表面に、嵌合型メス端子の嵌合部ないにタブ部を挟み込むように設けられた凸部が弾性接触することによりタブ部表面に挿抜痕が形成される嵌合型オス端子のタブ部表面に施されるスズめっき層おいて、挿抜痕終端の接続痕近傍におけるめっき厚がすくなくとも挿抜痕が形成される部分よりも厚く表面処理された嵌合型オス端子が記載されている。
この嵌合型オス端子は、接続痕が形成されることになる接点部には接続信頼性を確保できるめっき層があり、その前部分の挿抜痕が形成される部分のめっき層は薄いため、挿入力低減効果と接続信頼性を両立することができるとされている。

特開平１１−２３３２２８号公報 特開２００５−３５３３５２号公報

しかしながら、上記の嵌合型接続端子でははんだ付けに使用する裏面から加熱することによりはんだ濡れ性が低下することや、挿入時に摺動が起こる部分の摩擦係数が高いことなどの点で、まだ低挿入力性と接続信頼性を十分に両立できるものではなかった。

そこで、本発明は低挿入力性と接続信頼性を両立したコネクタ用端子およびその製造方法を提供すること目的とする。

上記課題は、以下の手段により達成される。すなわち、本発明は、
（１）銅または銅合金を母材とするコネクタ用金属材料から加工されたコネクタ用端子において、前記端子の表面の接点部にはスポット状に銅スズ合金層が形成され、前記金属材料の表面の残部にはスズ層またはスズ合金層が形成されていることを特徴とするコネクタ用端子、
（２）前記スズ層またはスズ合金層の下層に、銅層または銅合金層が形成されていることを特徴とする（１）項記載のコネクタ用端子、
（３）前記母材上に、ニッケル層またはニッケル合金層が形成されていることを特徴とする（１）項または（２）項記載のコネクタ用端子、
（４）銅または銅合金を母材とし、この母材上にスズめっき層またはスズ合金めっき層を形成してコネクタ用金属材料を得たのち、前記金属材料の特定箇所にスポット状のリフロー処理を行い、前記金属材料の表面の一部に銅スズ合金を露出させ、その後コネクタ用端子の形状に加工することを特徴とするコネクタ用端子の製造方法、
（５）銅または銅合金を母材とし、この母材上にスズめっき層またはスズ合金めっき層を形成してコネクタ用金属材料を得て、この金属材料をコネクタ用端子の形状に加工し、その後前記コネクタ用端子表面の接点部を含む特定箇所にスポット状のリフロー処理を行い、前記接点部に銅スズ合金を露出させることを特徴とするコネクタ用端子の製造方法、
（６）前記リフロー処理前の前記スズめっき層またはスズ合金めっき層の厚さが０．３〜０．８μｍであることを特徴とする（４）項または（５）項記載のコネクタ用端子の製造方法、
（７）前記母材と、前記スズめっき層またはスズ合金めっき層との間に、前記母材上に近い側から、ニッケルめっき層またはニッケル合金めっき層、銅めっき層または銅合金めっき層を設けて前記コネクタ用金属材料を得ることを特徴とする（４）項または（５）項記載のコネクタ用端子の製造方法、
（８）前記リフロー処理前の前記スズめっき層またはスズ合金めっき層の厚さが０．３〜０．８μｍであり、かつ前記銅めっき層の厚さ（Ｃｕ厚）に対する前記スズめっきまたはスズ合金めっき層の厚さ（Ｓｎ厚）の比（Ｓｎ厚／Ｃｕ厚）が２未満であることを特徴とする（７）項に記載のコネクタ用端子の製造方法、
（９）前記リフロー処理がレーザ照射によることを特徴とする（４）項〜（８）項のいずれか１項に記載のコネクタ用端子の製造方法、
を提供するものである。

本発明のコネクタ用端子は、接点部では低摩擦係数で且つ耐フレッティングに優れており、それ以外の部分はハンダ付け性や耐環境性に優れており、低挿入力と接続信頼性を両立することができる。

本発明のコネクタ用端子の母材としては、銅または銅合金が用いられ、コネクタに要求される導電性、機械的強度および耐熱性を有する銅、リン青銅、黄銅、洋白、ベリリウム銅、コルソン合金などの銅合金が好ましい。
母材の形状は、条、丸線、角線など任意である。

本発明では、母材上にＣｕ下地めっきを行い、Ｃｕめっき層を設けることが好ましいが、後述するリフローによって銅スズ合金が形成できるような構成であれば下地なしでもよい。Ｃｕめっき層を設けることにより、Ｃｕ濃度を減少させたＣｕ−Ｓｎ合金層の形成を容易にすることができる。Ｃｕめっき層の厚みは０．０１〜３．０μｍが好ましい。さらには０．０５〜１．０μｍが好ましい。

また、耐熱性を向上させるために、下層からの金属拡散を防止するバリア性を持つニッケル（Ｎｉ）下地めっきを母材と銅下地の間に施し、ニッケルめっき層を設けてもよい。ニッケル下地めっきは、Ｎｉ−Ｐ系、Ｎｉ−Ｓｎ系、Ｃｏ−Ｐ系、Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｐ系、Ｎｉ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ｃｒ系、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｆｅ系などのＮｉ合金めっきでもよい。ＮｉおよびＮｉ合金はバリア機能が高温環境下にあっても衰えない。
ニッケルめっき層の厚みは、０．０２μｍ未満ではそのバリア機能が十分に発揮されなくなり、３．０μｍを超えるとめっき歪みが大きくなって母材から剥離し易くなる。従って０．０２〜３．０μｍが好ましい。ニッケルめっき層の厚みの上限は端子加工性を考慮すると１．５μｍ、さらには１．０μｍが好ましい

本発明においては、材料の表層はスズめっき、またはスズ合金めっきが施されるが、該スズめっきまたはスズ合金めっきは、光沢より無光沢のものが、レーザの吸収率を上げるので好ましい。
また、スズめっきまたはスズ合金めっき厚が薄すぎるとスズの耐熱性、耐環境性が発現しにくいため、厚さは０．３μｍ以上が好ましく、０．３〜０．８μｍがさらに好ましく、０．３〜０．６μｍがより好ましい。
本発明において、Ｓｎめっきは、無電解めっきで行って形成しても良いが、電気めっきで形成するのが望ましい。また、Ｓｎ合金めっきとしては、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕなどのＳｎ主体の合金のめっきを好ましく用いることができる。
表層の電気Ｓｎめっきは、例えば硫酸スズ浴を用い、めっき温度３０℃以下、電流密度５Ａ／ｄｍ^２で行えばよい。ただし、条件はこの限りではなく適宜設定可能である。

下地銅めっきを施した場合、下地銅めっき層の厚さ（Ｃｕ厚）に対する表層スズめっきまたはスズ合金めっき層の厚さ（Ｓｎ厚）の比（Ｓｎ厚／Ｃｕ厚）が２未満であることが好ましく、１．０〜２．０であることがさらに好ましい。

本発明のコネクタ用端子は、銅または銅合金を母材とし、表面にスズ層またはスズ合金層が形成されたコネクタ用金属材料から形成され、コネクタ端子の接点部に銅スズ合金が形成されている。この端子を得るためには、コネクタ用金属材料に対して、またはコネクタ用金属材料からプレス加工されて端子の形状に加工された後に、該端子の接点部（または該端子の接点部となる金属材料上の箇所）にのみリフロー処理（めっきその他の型の被覆を溶融・再固化させる処理）を施し、該接点部に銅スズ合金層を露出させる。リフロー処理は、材料表面における特定部分（限定された部分）に、すなわちスポット状にリフローできる方法であれば、それに限定されるものでないが、レーザ照射によるレーザのビームスポットに対応する部分の処理が好適に用いることができる。例えば、材料加工で使用されるＹＡＧレーザ照射装置または半導体レーザ照射装置を用いて、接点部を限定的に加熱リフロー処理することができる。ここで、リフロー処理されるスポット状の領域の面積には数値的基準はないが、該スポット状の領域には、少なくとも端子の接点部となる箇所を含むことが必要とされる。

以下、レーザ照射を用いたリフロー処理について説明する。
本実施形態では、端子の接点部の表面側、すなわち摺動面側に銅スズ金属間化合物を成長させるために摺動面側からレーザを照射する。

レーザの照射は、表面にＳｎめっきまたはＳｎ合金めっき層が残存しないようなレーザ照射条件で行われる。レーザ出力は１Ｗ〜６０Ｗが好ましい。

上記のレーザ加熱によってリフローされる深さは、材料に施した全めっき厚よりも浅くスズめっき厚よりも深くなるように調整する。
また、リフローが過剰になることを防ぐため、レーザを照射する側と反対側から材料を冷却しながらレーザ照射してもよい。
レーザ処理は大気中で行ってもよいが、還元雰囲気下で行ってもよい。

また、上記の接点部以外の上記リフローを行わない部分を含めた形式で予備的にリフローしてもよい。ただし、当該予備的リフロー処理により表面に銅スズ金属間化合物が露出しないことが必要である。予備的リフロー処理は、例えば、電磁誘導加熱炉、バーナー加熱炉、雰囲気炉などの加熱装置により行うことができる。

図１は、本発明の端子の製造方法の１例を拡大断面図によりも模式的に示した説明図である。図１（ａ）は、銅合金からなる母材１に、ニッケル下地めっきと銅下地めっきをこの順に施し、Ｎｉ層２とＣｕ層３を形成し、Ｃｕ層３上にスズめっきによりＳｎ層４を形成した状態のめっき材（コネクタ用金属材料）を示す。次いで、このめっき材を常法によるプレス加工などにより、端子の形状に加工した後、バーナー加熱炉により予備リフローを行い、図１（ｂ）に示すように、Ｃｕ層３とそれに接するＳｎ層４とから銅スズ金属間化合物を含むＣｕＳｎ合金層５を形成する。次いで、接点部のみを表面側からレーザ照射してスポット状にリフローし、ＣｕＳｎ合金層５を表面側に成長させ、図１（ｃ）に示すように、ＣｕＳｎ合金層５が表面に露出する。

本発明において、リフロー前の材料は、プレス加工などの常法により、端子の形状に加工することができる。図２は、本発明のコネクタ用端子の１例の側面図で、オス端子１１およびメス端子１２から構成されている。破線で囲まれた部分は、それぞれ、１３がオス端子のタブ、１４がメス端子の舌片、１５がメス端子のビードそれぞれ示す。舌片１４の上部には凸状のディンプルが形成されている。オス端子１１をメス端子１２に挿入接合する際には、タブ１３を舌片１４とビード１５との間隙に挿入する。そして、タブ１３を完全に挿入すると、舌片１４及びビート１５がそれぞれタブ１３に強く接触した状態で、タブ１３がそれらの間に圧接保持される。これによりオス端子１１及びメス端子１２間の良好な電気的接続がなされる。オス端子１１側のタブ１３の上面および下面が接点部となり、一方メス端子１２側の舌片１４（ディンプル）およびビード１５が接点部となる。
また、リフロー工程は端子形状加工後に行われるが、リフロー後に再度加工を行ってもよい。なお、コネクタ用金属材料からプレス加工される端子の接点部の位置が特定されうる場合、例えばコネクタ用金属材料に位置決め用の穴が設けられている場合には、コネクタ用金属材料にリフロー工程を実施し、その後プレス加工しても差し支えない。

本発明のコネクタ用端子は、例えば自動車用の嵌合型コネクタをはじめ、各種電気電子機器用の嵌合型接続端子に好適に用いることができる。本発明のコネクタ用端子は、接点部では、低摩擦係数で且つ耐フレッティングに優れており、それ以外の部分はハンダ付け性や耐環境性に優れており、低挿入力と接続信頼性を両立することができる。

以下に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
なお、以下の実施例および比較例において、銅めっきは硫酸浴、ニッケルめっきはスルファミン酸浴、スズめっきは硫酸浴を用いて行った。

実施例１
幅０．６４ｍｍの７／３黄銅角線に銅の下地めっきを厚さ０．３μｍ施した後、厚さ０．３μｍのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、ＹＡＧレーザ（出力３０Ｗ、波長１０６４ｎｍ）を接点部に照射してリフローした。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。

実施例２
幅０．６４ｍｍのコルソン合金（古河電気工業（株）製、ＥＦＴＥＣ−９７：以下同様）の角線に銅の下地めっきを厚さ０．５μｍ施した後、厚さ０．６μｍのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、ＹＡＧレーザ（出力３０Ｗ、波長１０６４ｎｍ）を接点部に照射してリフローした。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。

実施例３
幅０．６４ｍｍの７／３黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ０．５μｍ、銅の下地めっきを厚さ０．３μｍ施した後、厚さ０．３μｍのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、ＹＡＧレーザ（出力３０Ｗ、波長１０６４ｎｍ）を接点部に照射してリフローした。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。

実施例４
幅０．６４ｍｍのコルソン合金角線にニッケルの下地めっきを厚さ０．５μｍ、銅の下地めっきを厚さ０．５μｍ施した後、厚さ０．６μｍのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、ＹＡＧレーザ（出力３０Ｗ、波長１０６４ｎｍ）を接点部に照射してリフローした。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。

実施例５
幅０．６４ｍｍの７／３黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ０．３μｍ、銅の下地めっきを厚さ０．３μｍ施した後、厚さ０．３μｍのスズめっきを行った。当該材料をオス端子の形状に加工後、接点に供される部分に対して半導体レーザ（出力５Ｗ、波長９１５ｎｍ）を照射して加熱し、リフロー処理を施した。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。

実施例６
幅０．６４ｍｍのコルソン合金角線にニッケルの下地めっきを厚さ０．３μｍ、銅の下地めっきを厚さ０．５μｍ施した後、厚さ０．６μｍのスズめっきを行った。当該材料をオス端子の形状に加工後、接点に供される部分に対して半導体レーザ（出力５Ｗ、波長９１５ｎｍ）を照射して加熱し、リフロー処理を施した。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。

比較例１
幅０．６４ｍｍの７／３黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ０．５μｍ、銅の下地めっきを厚さ０．５μｍ施した後、厚さ０．６μｍのスズめっきを行った。その後、当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工した。

比較例２
幅０．６４ｍｍの７／３黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ０．５μｍ、銅の下地めっきを厚さ０．５μｍ施した後、厚さ０．６μｍのスズめっきを行った。当該材料の全面をバーナーによってＳｎの融点以上に加熱してリフローした後、プレスによって接続端子のオス端子の形状に加工した。

比較例３
幅０．６４ｍｍの７／３黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ０．５μｍ、銅の下地めっきを厚さ０．５μｍ施した後、厚さ０．６μｍのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、全面をバーナーによってＳｎの融点以上に加熱してリフローした。

試験例
上記実施例１〜６、比較例１〜３の接続端子の接触抵抗、はんだ濡れ性、動摩擦係数について、評価試験を行った。
（接触抵抗）
接触抵抗は、４端子法によって測定し、接触子にはＡｇプローブを用い１Ｎの荷重をかけて測定した。５ｍΩ以内が合格○、それ以上を不合格×とした。
（はんだ濡れ性）
はんだ濡れ性は、メニスコグラフ法によって測定を行った。
装置はレスカ（株）製ソルダーチェッカーＳＡＴ−５１００を用いた。
はんだはＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの鉛フリーはんだを用いて、２５％ロジンフラックスを使用した。
判定基準は、浸漬面積の９５％以上が濡れている場合に良好◎、浸漬面積の９０％以上９５％未満が濡れている場合に合格○、それ以下を不合格×とした。
（動摩擦係数）
動摩擦係数の測定には、バウデン試験器を用いた。
摺動子にはメス端子を模擬したディンプルを取り付けて測定した。
判定基準は、μｋ＜０．２５を良好◎、０．２５≦μｋ＜０．３を合格○とし、それ以上を不合格×とした。

表１に示されるように実施例１〜６では、いずれも接触抵抗、はんだ濡れ性が合格基準を満たし、かつ、動摩擦係数がμｋ＜０．２５の良好◎であるのに対し、比較例１および３では動摩擦係数が不合格であり、比較例２で動摩擦係数が０．２５≦μｋ＜０．３となるものであった。

本発明のコネクタ用端子の製造方法の１例を拡大断面図により模式的に示した説明図である。 本発明のコネクタ用端子の１例の側面図である。

符号の説明

１ 銅合金からなる母材
２ Ｎｉ層
３ Ｃｕ層
４ Ｓｎ層
５ ＣｕＳｎ合金層
１１ オス端子
１２ メス端子
１３ タブ
１４ 舌片
１５ ビード

Claims (9)

1. 銅または銅合金を母材とするコネクタ用金属材料から加工されたコネクタ用端子において、前記端子の表面の接点部にはスポット状に銅スズ合金層が形成され、前記端子の表面の残部にはスズ層またはスズ合金層が形成されていることを特徴とするコネクタ用端子。
2. 前記スズ層またはスズ合金層の下層に、銅層または銅合金層が形成されていることを特徴とする請求項１記載のコネクタ用端子。
3. 前記母材上に、ニッケル層またはニッケル合金層が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のコネクタ用端子。
4. 銅または銅合金を母材とし、この母材上にスズめっき層またはスズ合金めっき層を形成してコネクタ用金属材料を得たのち、前記金属材料の特定箇所にスポット状のリフロー処理を行い、前記金属材料の表面の一部に銅スズ合金を露出させ、その後コネクタ用端子の形状に加工することを特徴とするコネクタ用端子の製造方法。
5. 銅または銅合金を母材とし、この母材上にスズめっき層またはスズ合金めっき層を形成してコネクタ用金属材料を得て、この金属材料をコネクタ用端子の形状に加工し、その後前記コネクタ用端子表面の接点部を含む特定箇所にスポット状のリフロー処理を行い、前記接点部に銅スズ合金を露出させることを特徴とするコネクタ用端子の製造方法。
6. 前記リフロー処理前の前記スズめっき層またはスズ合金めっき層の厚さが０．３〜０．８μｍであることを特徴とする請求項４または請求項５記載のコネクタ用端子の製造方法。
7. 前記母材と、前記スズめっき層またはスズ合金めっき層との間に、前記母材上に近い側から、ニッケルめっき層またはニッケル合金めっき層、銅めっき層または銅合金めっき層を設けて前記コネクタ用金属材料を得ることを特徴とする請求項４または請求項５記載のコネクタ用端子の製造方法。
8. 前記リフロー処理前の前記スズめっき層またはスズ合金めっき層の厚さが０．３〜０．８μｍであり、かつ前記銅めっき層の厚さ（Ｃｕ厚）に対する前記スズめっきまたはスズ合金めっき層の厚さ（Ｓｎ厚）の比（Ｓｎ厚／Ｃｕ厚）が２未満であることを特徴とする請求項７に記載のコネクタ用端子の製造方法。
9. 前記リフロー処理がレーザ照射によることを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれか１項に記載のコネクタ用端子の製造方法。

Images