JP6011129B2 - 挿抜性に優れた銅合金端子材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
近年、例えば自動車においては電装機器が急速に高集積化しており、これに伴い電気機器の回路数が増加するため、使用するコネクタの小型・多ピン化が顕著になっている。コネクタが多ピン化すると、単ピンあたりの挿入力は小さくても、コネクタを挿着する際にコネクタ全体では大きな力が必要となり、生産性の低下が懸念されている。そこで、銅合金材の摩擦係数を小さくして単ピンあたりの挿入力を低減することが試みられている。
そこで本発明者らは鋭意研究した結果、合金層にCoを含有させることにより、粒子間間隙の大きい微細な柱状型粒子からなるCuCoSn合金層を形成し、かつSn表面層の平均厚みを0.2μm以上0.6μm以下とすることで、動摩擦係数0.3以下を実現することができることを見出した。また、リフローSnめっき材は、動摩擦係数測定時の垂直荷重が小さくなると動摩擦係数が増大することが知られているが、本発明品は、垂直荷重を下げても動摩擦係数の増加が小さく、小型端子に用いても効果が発揮できることも見出した。
本発明は、これらの知見の下、以下の解決手段とした。
CuCoSn合金粒子のCo含有量を1at%以上25at%以下に限定したのは、1at%未満では平均断面径1.2μm以下、縦横比1以上の十分に微細な柱状結晶粒にならず、25at%を超える合金粒子は試験において確認されなかったためである。
なお、このCuCoSn合金層は、微細な柱状結晶のCuCoSn合金粒子によって大部分が占められていればよく、後述の実施例に示されるようにCuSn合金が一部に存在しているものも含まれる。
また、Sn系表面層の表面におけるCuSn合金層の露出面積率が10%未満では動摩擦係数を0.3以下とすることができず、40%を超えると、はんだ濡れ性等の電気接続特性が低下する。より好ましい面積率は、10%以上35%以下である。
上記のバリア層を有さない構造の場合、100℃を超える高温下で保持すると基材からCuが拡散し、表層のSnが全てCuSn合金化して電気的信頼性の低下を招くおそれがある。そこで基材とCuCoSn合金層との間にNi又はNi合金、あるいはCo又はCo合金のめっき層をバリア層として挿入することにより基材からのCuの拡散を防ぎ、100℃を超える高温下でも高い電気的信頼性を維持することができる。なお、バリア層が0.05μm未満では十分な障壁効果が得られず、0.5μmを超えると曲げ加工時にバリア層に割れを生ずるため、0.05μm以上0.5μm以下に限定している。
この場合も、CuCoSn合金層と基材の間に、Coを含有しないCuSn合金層が形成される場合と、形成されない場合との両方の形態が存在する。
リフロー処理においては、基材の表面温度が240℃以上360℃以下の温度になるまで昇温後、当該温度に12秒以下の時間保持した後、水冷することが重要である。温度が240℃未満の場合にはSnの溶解が進まず所望のCuCoSn合金層を得ることができず、360℃を超えあるいは保持時間が長すぎるとCuCoSn合金が成長し過ぎて表面への露出率が大きくなり過ぎ、またSn系表面層の酸化が進行して好ましくない。
本実施形態の銅合金端子材は、銅合金からなる基材の上に、Sn系表面層が形成され、Sn系表面層と基材との間にCuCoSn合金層が形成されている。
基材は、Cu又はCu合金からなるものであれば、特に、その組成が限定されるものではない。
そして、このSn系表面層の表面に、下層のCuCoSn合金層の一部が露出しており、その露出部分の面積率が10%以上40%以下とされる。
CuCoSn粒子のCo含有量を1at%以上25at%以下に限定したのは、1at%未満では図1、図3及び図4に示すような、平均断面径1.2μm以下、平均縦横比1以上の十分に微細な柱状結晶粒にならず、25at%を超えたCuCoSn粒子は試験において確認されなかったためである。
因みに、Coを含まないCuSn合金層の場合、図5および図7に示すように粗大で凹凸の小さいCuSn粒子がSn系表面層の直下に成長する。その結果、合金粒子間の間隙が小さく、適切な複合組織を得ることができない。
また、基材とCuCoSn合金層との間にバリア層としてNi又はNi合金、あるいはCo又はCo合金からなる層を設けても良い。このバリア層を設ける場合は、その膜厚は0.05μm〜0.5μmとされる。
Cu又はCu合金からなる基材の板材に脱脂、酸洗等の処理をすることによって表面を清浄にした後、Cuめっき、Coめっき、Snめっきをこの順序で施す。
バリア層としてCoめっき層を形成する場合は、前述のCoめっき層形成のためのめっき浴を用いて、前述の条件でめっきすればよい。
いずれもバリア層としてのめっき厚は0.05μm〜0.5μmとされる。
比較例として、Cuめっき厚、Coめっき厚、Snめっき厚を変量してSn系表面層の膜厚を規定外としたもの等を準備した。
これら試料の条件を表2に示す。
また、表面の動摩擦係数、はんだ濡れ性、電気的信頼性を評価した。
柱状結晶のCuCoSn合金粒子の平均断面径と平均縦横比は、電子顕微鏡(SEM)により観察して測定した。
また、その平均Co含有量は、エネルギー分散型X線分析検出器が付属した日本電子社製の走査型透過電子顕微鏡(JEM−2010F)を使用して測定した。
電気的信頼性を評価するため、大気中で150℃×500時間加熱し、接触抵抗を測定した。測定方法はJIS−C−5402に準拠し、4端子接触抵抗試験機(山崎精機研究所製:CRS−113−AU)により、摺動式(1mm)で0から50gまでの荷重変化−接触抵抗を測定し、荷重を50gとしたときの接触抵抗値で評価した。
これらの測定結果、評価結果を表3に示す。
図1〜図3は実施例1の試料の顕微鏡写真であり、図4は実施例2の試料の顕微鏡写真であり、図5〜図7は比較例1の顕微鏡写真であり、図8は比較例2の顕微鏡写真である。図2及び図6で黒い部分がSn、白い部分がCuCoSn合金あるいはCuSn合金である。これらの写真を比較してわかるように、実施例のものは、微細な柱状結晶からなるCuCoSn合金層が成長しており、これにより、表層部分がCuCoSn合金層とSn系表面層との複合構造とされ、Sn系表面層にCuCoSn合金層の一部が分散して露出している。図8からわかるように、Cuめっき層とSnめっき層の間のCoめっき層の厚みが厚い場合、主にプレート型形状を有するCoSn3が生成し、CuCoSn層の適切な成長は実現されない。
12 オス試験片
13 メス試験片
14 錘
15 ロードセル
Claims (3)
- Cu又はCu合金からなる基材上の表面にSn系表面層が形成され、該Sn系表面層と前記基材との間にCoを含有するCuCoSn合金層が形成された銅合金端子材であって、前記CuCoSn合金層は、Coを1at%以上25at%以下含む平均断面径1.2μm以下、平均縦横比1以上の微細な柱状結晶のCuCoSn合金粒子により構成され、かつ前記Sn系表面層の平均厚みが0.2μm以上0.6μm以下であり、前記Sn系表面層の表面に露出する前記CuCoSn合金層の面積率が10%以上40%以下であり、動摩擦係数が0.3以下であることを特徴とする銅合金端子材。
- 前記基材と前記CuCoSn合金層との間に厚みが0.05μm以上0.5μm以下のNi又はNi合金、あるいはCo又はCo合金からなるバリア層が設けられていることを特徴とする請求項1記載の銅合金端子材。
- Cu又はCu合金からなる基材上に、Cuめっき層、Coめっき層及びSnめっき層をこの順で形成した後に、リフロー処理することにより、前記基材の上にCuCoSn合金層を介してSn系表面層を形成した銅合金端子材を製造する方法であって、前記Cuめっき層の厚みを0.1μm以上0.5μm以下、前記Coめっき層の厚みを0.004μm以上0.06μm以下、前記Snめっき層の厚みを0.6μm以上1.5μm以下とし、前記リフロー処理を基材の表面温度が240℃以上360℃以下になるまで昇温後、当該温度に12秒以下の時間保持した後、水冷することにより行うことを特徴とする銅合金端子材の製造方法。
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