JP6488070B2 - 端子金具 - Google Patents

Description

本発明は、端子金具に関する。

例えば特許文献１に記載されているように、銅又は銅合金等の基材の表面にＳｎめっきが施されたコネクタ端子が知られている。コネクタ端子の表面にＳｎ層を形成することにより、相手方端子との間に良好な電気的接触が形成され、接触抵抗を低減することができる。

特開２００３−１４７５７９号公報

しかしながら、Ｓｎは他の金属に比べて非常に柔らかい。それ故、表面にＳｎ膜を有する端子金具は、上述したように相手方端子金具との接触抵抗を低減できる反面、相手方端子金具を接続する際に、Ｓｎ膜の表面が変形しやすいという特性を有する。

また、上記端子金具は、相手方端子金具を接続する際に、場合によっては相手方端子金具によりＳｎ膜の表面が削り取られるおそれがある。この場合には、Ｓｎの新生面が露出するため、Ｓｎ膜の凝着が起こり易いという問題がある。

そして、Ｓｎの性質に由来してＳｎ膜の変形や凝着が生じる結果、端子金具同士を接続する際に、端子金具間に生じる摩擦力が増大しやすい。そのため、表面にＳｎ膜を有する端子金具は、相手方端子との接続の際に加える挿入力が大きくなり、端子金具の接続作業が困難となる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、端子金具を接続する際の挿入力が小さく、接続信頼性に優れた端子金具を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、銅または銅合金よりなる基材と、
該基材上に形成された湿式めっき被膜とを有し、
該湿式めっき被膜は、最表面に露出した摩擦低減層を有し、
前記摩擦低減層は、略全面が均一な組成を有するＳｎ−Ｐｄ系合金相からなり、深さ方向におけるＳｎの濃度分布に偏析がないことを特徴とする端子金具にある。

上記端子金具は、Ｓｎ−Ｐｄ（スズ−パラジウム）系合金相からなる摩擦低減層を有するめっき被膜を有している。Ｓｎ−Ｐｄ系合金相は、純Ｓｎに比べて硬い。そのため、上記端子金具は、相手方端子金具を接続する際に、めっき被膜の変形が生じにくく、また、めっき被膜の表面が相手方端子金具に削り取られにくいものとなる。それ故、上記端子金具は、相手方端子金具との接続の際に生じる摩擦力が小さいものとなり、ひいては相手方端子金具を接続する際に要する挿入力を小さくできる。その結果、上記端子金具は、相手方端子金具との接続が容易なものとなる。

また、Ｓｎ−Ｐｄ系合金相を有するめっき被膜は、従来のＳｎ膜と同等の接触抵抗を示す。そのため、上記端子金具は、相手方端子との間の電気的接続が良好なものとなる。

また、摩擦低減層がＳｎ−Ｐｄ系合金相からなることにより、例えば使用時の温度上昇等に起因するめっき被膜の組織の変化を長期間にわたり抑制し、初期のめっき被膜の特性を長期間維持することができる。その結果、上記端子金具は、例えば接触抵抗等の特性を長期間維持することができ、接続信頼性に優れたものとなる。

以上のように、上記端子金具は、挿入力が小さく、接続信頼性に優れたものとなる。

摩擦低減層を有する端子金具の断面図。 試験材１の断面にかかる（ａ）電子顕微鏡写真、（ｂ）Ｓｎ濃度マップ、（ｃ）Ｐｄ濃度マップ、（ｄ）Ｎｉ濃度マップ。 試験材１のめっき被膜にリフロー処理を施す前の状態の断面図。 試験材１における、めっき被膜の深さ方向分析により得られた元素濃度のプロファイル。 動摩擦係数の測定結果を示すグラフ。 接触荷重の増加に伴う接触抵抗の変化をプロットしたグラフ。 Ｓｎ−Ｐｄ系合金相がＳｎ母相中に分散した構造を有する試験材３の断面図。 試験材３の断面にかかる（ａ）電子顕微鏡写真、（ｂ）Ｓｎ濃度マップ（ｃ）Ｐｄ濃度マップ、（ｄ）Ｎｉ濃度マップ。 高温耐久試験後における試験材１の断面にかかる（ａ）電子顕微鏡写真、（ｂ）Ｓｎ濃度マップ、（ｃ）Ｐｄ濃度マップ、（ｄ）Ｎｉ濃度マップ。 高温耐久試験後における試験材３の断面にかかる（ａ）電子顕微鏡写真、（ｂ）Ｓｎ濃度マップ、（ｃ）Ｐｄ濃度マップ、（ｄ）Ｎｉ濃度マップ。

上記端子金具において、上記めっき被膜は、少なくとも相手方端子金具と接触する部分に形成されていればよい。

また、上記めっき被膜は、摩擦低減層のみから構成されていてもよく、摩擦低減層と、摩擦低減層とは別の作用を有する層とを含む多層積層構造であっても良い。多層積層構造の例としては、基材と摩擦低減層との間に、基材からの金属元素の拡散を防止する拡散防止層を設ける構成等がある。

また、上記Ｓｎ−Ｐｄ系合金相は、少なくともＰｄを含むＳｎ合金より構成されている。つまり、Ｓｎ−Ｐｄ系合金相は、ＳｎとＰｄとからなる２元系Ｓｎ合金、あるいは、少なくともＳｎ及びＰｄを含む多元系Ｓｎ合金から構成されている。Ｓｎ及びＰｄ以外にＳｎ−Ｐｄ系合金相に含まれる元素としては、例えばＮｉやＣｕ等がある。そして、上記摩擦低減層は、その全面が実質的に上記Ｓｎ−Ｐｄ系合金相のみによって構成されている。

摩擦低減層は、１〜２０原子％のＰｄを含有していることが好ましい。この場合には、摩擦低減層内におけるＰｄの濃度が均一になり易く、摩擦低減層内の機械特性等のばらつきを低減することができる。つまり、この場合には、摩擦低減層中に、相手方端子により変形を受け易い箇所や、加熱によりめっき組織が変化し易い箇所等が形成されにくくなる。その結果、上記端子金具は、挿入力がより小さく、接続信頼性により優れたものとなり易い。

摩擦低減層におけるＰｄ濃度が１原子％未満の場合には、摩擦低減層内のＰｄ濃度のばらつきが大きくなり易く、場合によってはＰｄ濃度が過度に低い箇所が形成されるおそれがある。Ｐｄ濃度が過度に低い箇所は、相手方端子により変形を受け易くなったり、加熱によりめっき組織が変化し易くなる等の問題の原因となる恐れがあるため、好ましくない。

かかる問題を回避するためには、摩擦低減層におけるＰｄ濃度を高くすることが好ましい。しかしながら、Ｐｄ濃度が２０％を超える場合には、材料コストが高くなる一方で、濃度に見合った効果を得ることが難しい。それ故、摩擦低減層のＰｄ濃度は、１〜２０原子％が好ましく、２〜１０原子％がより好ましく、４〜７原子％がさらに好ましい。

また、上記めっき被膜は、上記摩擦低減層上に、摩擦低減層よりもＳｎ濃度の高いＳｎリッチ層を有していることが好ましい。この場合には、摩擦低減層による摩擦力の低減効果を得ると共に、接触抵抗をより低減させることができる。その結果、上記端子金具は、接続信頼性により優れたものとなりやすい。

また、上記Ｓｎリッチ層の厚みは１０ｎｍ以下であることが好ましい。この場合には、例えば使用時等に上記端子金具が温度上昇した後における接触抵抗の増大をより抑制し易いものとなる。その結果、上記端子金具は、初期の接触抵抗が長期間維持され易く、接続信頼性により優れたものとなり易い。

また、上記めっき被膜同士を摺動させる際の動摩擦係数が０．４以下であることが好ましい。上記端子金具が上記特定の範囲の動摩擦係数を有することにより、相手方端子金具を接続する際の挿入力を十分に小さくすることができる。また、この場合には、例えばＰＣＢ（Print Circuit Board）コネクタ等の、多数の端子金具を同時に接続する用途においても挿入力を十分に小さくすることができる。なお、上記端子金具は、電線の端末等に組みつけられる雄端子金具や雌端子金具の用途にも当然に用いることができる。

また、上記端子金具は、相手方端子金具との接触荷重が２Ｎ以上となる用途に好適に使用することができる。端子金具の接続信頼性は、相手方端子金具との接触抵抗が小さいほど向上する。それ故、接触抵抗を小さくするために、相手方端子金具との接触荷重を高くする手段がとられることがある。しかしながら、接触荷重が高くなると、一般的には相手方端子金具との接続を行う際に必要な挿入力が大きくなり、端子金具の接続が困難になるという問題が生じ易い。これに対し、上記めっき被膜を有する端子金具は、上述したように、相手方端子金具との接続の際に生じる摩擦力が小さいため、相手方端子金具との接触荷重を２Ｎ以上に設定した場合にも、挿入力が増大しにくいものとなる。その結果、上記端子金具は、相手方端子金具との接触荷重が２Ｎ以上となる場合にも十分に低い挿入力を示すものとなり、相手方端子金具との接続を容易に行うことができる。

上記めっき被膜を基材上に形成する方法としては、例えば、以下の方法を用いることができる。

まず、基材にめっき処理を施し、摩擦低減層のＰｄ源となるＰｄ膜と、Ｓｎ源となるＳｎ膜とを順次積層する。このとき、必要に応じて他の元素を含む膜を積層してもよい。例えば、実質的にＮｉよりなる拡散防止層を設ける場合には、基材とＰｄ膜との間に、Ｎｉ源となるＮｉ膜を設けてもよい。

それぞれの膜の膜厚は、得ようとする上記めっき被膜の組成及び構造等に応じて適宜選択することができる。例えば、実質的にＮｉよりなる拡散防止層と、拡散防止層に積層された摩擦低減層とを有する上記めっき被膜を形成する場合には、Ｎｉ膜の膜厚を１〜３μｍの膜厚とし、Ｐｄ膜の膜厚を１０〜２０ｎｍとし、Ｓｎ膜の膜厚を１〜２μｍとすることができる。

次いで、Ｓｎ膜及びＰｄ膜を加熱することにより、ＳｎとＰｄとを合金化させ、Ｓｎ−Ｐｄ系合金よりなる摩擦低減層を形成する。このときの加熱温度は、例えば２３０〜４００℃の範囲とすることができる。

また、上述した方法以外に、例えば、ＳｎとＰｄとの両方を少なくとも含むめっき液を使用し、ＳｎとＰｄとを共析させることにより摩擦低減層を形成する方法を採用しても良い。

上記端子金具の参考例を、図１〜図１０を用いて説明する。図１に示すように、端子金具１は、銅または銅合金よりなる基材２と基材２上に形成されためっき被膜３とを有している。そして、図１及び図２に示すように、めっき被膜３は、Ｓｎ−Ｐｄ系合金相４１からなる摩擦低減層４を有している。

本例においては、上述した端子金具１を作製するとともに、端子金具１との比較のために、基材２上に膜厚１．０μｍのＳｎめっき膜を積層させた従来公知の端子金具及びＳｎ−Ｐｄ系合金相４１がＳｎ母相４２中に分散した表面合金層４３を有する端子金具（図７参照）を作製した。そして、各々の端子金具について、めっき被膜３の組成分析や特性評価を行った。以下に、端子金具の作製方法及びより詳しい構成について説明する。なお、以下において、摩擦低減層４を有する端子金具１を「試験材１」、Ｓｎめっき膜を積層させた従来公知の端子金具を「試験材２」、表面合金相４３を有する端子金具を「試験材３」という。

＜試験材１の作製方法＞
まず、基材２として、黄銅からなる板材を準備した。なお、基材２の材質及び形態は、用途に応じて種々変更可能である。

基材２の表面に電解脱脂処理を実施した後、以下の条件でめっき処理を行った。これにより、図３に示すように、膜厚２．０μｍのＮｉ膜３０１と、膜厚０．０２μｍのＰｄ膜３０２と、膜厚１．０μｍのＳｎ膜３０３とを順次積層した。

次に、基材２に積層されたＮｉ膜３０１、Ｐｄ膜３０２及びＳｎ膜３０３を、大気雰囲気下において３００℃で１分間加熱するリフロー処理を行った。その後、基材２に曲げ加工等を施して端子金具１の形状に成形した。なお、曲げ加工等を行うタイミングは、めっき処理やリフロー処理の前であっても良い。以上により、試験材１を得た。

＜試験材２の作製方法＞
基材２の表面に電解脱脂処理を実施した後、試験材１と同様の条件を用いてめっき処理を行い、基材２にＳｎめっき膜を積層した。その後、基材２に曲げ加工等を施して端子金具１の形状に成形し、試験材２を得た。

＜試験材３の作製方法＞
試験材３は、リフロー条件を変更した以外は試験材１と同様の手順及び条件により作製した。

＜ＳＥＭ−ＥＤＸ分析＞
試験材１及び試験材３のＳＥＭ−ＥＤＸ（走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法）分析を以下の手順により行った。まず、試験材を板厚方向に切断し、断面の電子顕微鏡写真を取得すると共に、ＥＤＸによりＳｎ、ＰｄおよびＮｉのマッピングを行った。その結果を図２及び図８に示す。

試験材１は、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、基材２側から順に、Ｎｉを主成分とする拡散防止層３１、Ｎｉ及びＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ合金層３２、Ｓｎ、Ｐｄ及びＮｉを含有し、略全面が均一な組成を有するＳｎ−Ｐｄ系合金相４１よりなる摩擦低減層４が形成されていることを確認した。Ｓｎ−Ｐｄ系合金相４１中のＰｄ濃度は約６〜７原子％であった。

以上のように、試験材１のめっき被膜３は、実質的にＮｉよりなる拡散防止層３１と、Ｓｎ−Ｐｄ系合金相４１よりなる摩擦低減層４とを有する多層積層構造となった。

一方、試験材３のめっき被膜３は、図８（ｂ）、図８（ｃ）及び図８（ｄ）に示すように、基材２の上に、Ｎｉを主成分とする拡散防止層３１と、Ｎｉ及びＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ合金層３２と、Ｓｎ、Ｐｄ及びＮｉを含有する表面合金層４３が順に積層した多層積層構造を有していた。

また、試験材３の表面合金層４３は、略全面に渡って一様な組成のＳｎ−Ｐｄ系合金相４１よりなる試験材１の摩擦低減層４（図２参照）とは異なり、Ｓｎ−Ｐｄ系合金相４１が、Ｓｎ−Ｐｄ系合金相４１よりもＰｄ濃度の低いＳｎ母相４２に分散された構造（図８参照）を有していた。表面合金層４３におけるＳｎ−Ｐｄ系合金相４１中のＰｄ濃度は３０原子％以下であり、Ｓｎ母相４２中のＰｄ濃度は０原子％であった。

＜深さ方向分析＞
次に、試験材１におけるめっき被膜３の表面近傍をさらに詳細に分析するために、オージェ電子分光装置を用いた深さ方向分析を行った。図４にその結果を示す。図４の縦軸は各元素の濃度（原子％）であり、横軸はＳｉＯ_２膜厚に換算した深さ（ｎｍ）である。なお、このような深さ方向分析においては、ＳｉＯ_２膜厚に換算した深さの値を用いることが一般的である。ＳｉＯ_２膜厚に換算した深さの値と、実際に分析された深さとは必ずしも一致しないが、試験材の材質が同等であれば、得られた深さの値の大小を複数の試験材の間で互いに比較することができる。

図４に示すように、試験材１のめっき被膜３は、摩擦低減層４よりもＳｎ濃度の高いＳｎリッチ層３３を最表面に有していることを確認した。Ｓｎリッチ層内のＳｎ濃度は、摩擦低減層４側から表面へ向かうにつれて徐々に高くなり、最表面近傍において最大となった。Ｓｎリッチ層内のＳｎ濃度の最大値は８２．７原子％であった。また、図４より知られるように、Ｓｎリッチ層の膜厚は、ＳｉＯ_２膜厚換算で約１０ｎｍであった。

＜動摩擦係数の測定＞
試験材１及び試験材２を用いて端子金具１の接続過程を模擬した摩擦試験を行い、動摩擦係数を測定した。試験方法は以下の通りである。

半径１ｍｍの半球状エンボス部を備え、表面に上述しためっき被膜３を有する相手部材を準備した。試験材のめっき被膜３に半球状エンボス部を当接させ、半球状エンボス部に３Ｎの荷重を印加した。そして、この荷重を維持しつつ、半球状エンボス部を試験材に対して６ｍｍ／秒の速度で移動させ、この時の動摩擦係数を測定した。

動摩擦係数の測定結果を図５に示す。図５の縦軸は動摩擦係数の値であり、横軸は半球状エンボス部の移動距離（ｍｍ）である。また、図５においては、試験材１の測定結果を実線により示し、試験材２の測定結果を破線により示した。

図５より知られるように、試験材１の動摩擦係数は、半球状エンボス部の移動を開始した直後に０．２８程度まで上昇し、その後、さらに上昇することなく、０．２８程度の値を維持した。一方、摩擦低減層４を具備していない試験材２の動摩擦係数は、半球状エンボス部の移動を開始した直後に０．４程度まで上昇した。そして、半球状エンボス部の移動距離が大きくなるにつれて動摩擦係数が徐々に増加した。このように、摩擦低減層４を備えためっき被膜３同士を摺動させる際の動摩擦係数は、０．４以下となった。

このように、摩擦低減層４を備えためっき被膜３を有する端子金具１は、十分に小さい動摩擦係数を有するため、相手方端子金具との接続の際に生じる摩擦力の小さいものとなりやすい。それ故、端子金具１は、相手方端子金具を接続する際の挿入力が十分に小さく、相手方端子との接続を容易に行うことができるものとなる。

＜接触抵抗の測定＞
試験材１及び試験材２を用いて端子金具１の接続状態を模擬した接触抵抗の測定を行った。接触抵抗の測定は、作製した直後の試験材を用いた測定（初期評価）と、高温耐久試験後の試験材を用いた測定（高温耐久試験後評価）との２条件にて行った。なお、高温耐久試験とは、試験材を１２０℃の高温下に１００時間保持する試験である。

接触抵抗の測定は、以下のように行った。まず、上述した半球状エンボス部を有する相手部材を試験材のめっき被膜３に当接させた。そして、試験材と相手部材との間に付与する荷重を徐々に増加させつつ、両者の間の接触抵抗を測定した。それぞれの条件における接触抵抗の測定は、複数の試料を用いて少なくとも２回以上行った。なお、図には示さないが、試験材１及び試験材２とも、複数回の測定において、再現性のある測定結果となった。

図６に、試験材１を用いた初期評価の結果の一例を示す。図６の縦軸は接触抵抗（ｍΩ）であり、横軸は接触荷重（Ｎ）である。

図６に示すように、試験材１の接触抵抗は、接触荷重が２Ｎ以下の領域においては、接触荷重が増加するにつれて急激に減少した。そして、接触荷重が２Ｎを超えると、接触荷重の増分に対する接触抵抗の減少の割合が緩やかになった。このことから、めっき被膜３を有する端子金具１は、相手方端子金具との接触荷重が２Ｎ以上で使用される用途において、接触抵抗が十分小さくなり、好適に使用できると考えられる。

また、表１に、試験材１及び試験材２について、相手部材に１０Ｎの接触荷重を印加したときの接触抵抗の値を示す。

表１より知られるように、めっき被膜３を有する試験材１は、初期評価と高温耐久試験後評価との間で接触抵抗がほぼ同等の値となった。一方、めっき被膜３を有さない試験材２は、高温耐久試験後評価において得られた接触抵抗が初期評価において得られた接触抵抗の３倍程度となり、高温耐久試験によって接触抵抗が増大した。このように、めっき被膜３を有する試験材１は、高温耐久試験後においても十分小さな接触抵抗を維持し、接続信頼性に優れることを確認した。

＜接続信頼性の評価＞

接続信頼性を評価するため、試験材１及び試験材３を用いて、高温耐久試験の前後におけるめっき被膜３の組織の観察を行った。試験後の試験材１及び試験材３について、板厚方向に切断した断面の電子顕微鏡写真及びＳｎ、Ｐｄ、Ｎｉのマッピングを行った結果を図９及び図１０に示す。

高温耐久試験の前後において、試験材１におけるＳｎ−Ｐｄ系合金相４１の組成はほとんど変化しなかった。また、図２及び図９より知られるように、試験材１においては、高温耐久試験を行うことにより、高温耐久試験前に比べて、摩擦低減層４と拡散防止層３１との間に形成されるＮｉ−Ｓｎ合金層３２の膜厚が２倍程度に厚くなった。

一方、図８及び図１０より知られるように、試験材３は、高温耐久試験によって表面合金層４３の構造が変化し、略全面に渡って均一なＰｄ濃度を呈する構造となった。また、試験材３においては、高温耐久試験後を行うことにより、高温耐久試験前に比べて、表面合金層４３と拡散防止層３１との間に形成されるＮｉ−Ｓｎ合金層３２の膜厚が３倍程度に厚くなった。

また、図９及び図１０より知られるように、高温耐久試験後における試験材３のＮｉ−Ｓｎ合金層３２の膜厚は、試験材１に比べて１．５倍程度の厚みであった。Ｎｉ−Ｓｎ合金層３２は、摩擦低減層４や拡散防止層３１等に比べて電気抵抗が高い。それ故、試験材１は、試験材３に比べて高温耐久試験による接触抵抗の増加量が少なくなると考えられる。

以上のように、試験材１は、略全面に渡って一様な組成のＳｎ−Ｐｄ系合金相４１よりなる摩擦低減層４を有することにより、加熱等によるめっき被膜３の組織の変化が起こりにくいものとなる。それ故、摩擦低減層４を有する端子金具１は、初期のめっき被膜３の特性を長期間維持することができ、接続信頼性に優れたものとなる。

１ 端子金具
２ 基材
３ めっき被膜
４ 摩擦低減層
４１ Ｓｎ−Ｐｄ系合金相

Claims (4)

1. 銅または銅合金よりなる基材と、
   該基材上に形成された湿式めっき被膜とを有し、
   該湿式めっき被膜は、最表面に露出した摩擦低減層を有し、
   前記摩擦低減層は、略全面が均一な組成を有するＳｎ−Ｐｄ系合金相からなり、深さ方向におけるＳｎの濃度分布に偏析がないことを特徴とする端子金具。
2. 上記摩擦低減層は、１〜２０原子％のＰｄを含有していることを特徴とする請求項１に記載の端子金具。
3. 上記湿式めっき被膜同士を摺動させる際の動摩擦係数が０．４以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の端子金具。
4. 相手方端子金具との接触荷重が２Ｎ以上で使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の端子金具。