JP7121881B2 - 銀皮膜付端子材及び銀皮膜付端子 - Google Patents

銀皮膜付端子材及び銀皮膜付端子 Download PDF

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Description

本発明は自動車や民生機器等の電気配線の接続に使用されるコネクタ用端子として有用な銀皮膜付銅端子材及びその銅端子材を用いて製造した端子に関する。
自動車や民生機器等の電気配線の接続に使用されるコネクタ用端子は、一般に、銅又は銅合金基材の表面に錫、金、銀などのめっきを施した端子材が用いられる。このうち、金、銀などの貴金属をめっきした端子材は、耐熱性に優れるため、高温環境下での使用に適している。
従来、このような貴金属をめっきした端子材として、以下の特許文献に開示のものがある。
特許文献1には、銅又は銅合金からなる母材の表面に、母材側となる下層側の第一の銀めっき層と、第一の銀めっき層の上に形成され、銀めっき端子の表面に露出する上層側の第二の銀めっき層とからなる二層構造の銀めっき層を形成した端子材が開示されており、銅の表面への拡散を抑制して、端子の挿抜が良好で耐摩耗性に優れると記載されている。
特許文献2には、80~110g/Lの銀と70~160g/Lのシアン化カリウムと55~70mg/Lのセレンを含む銀めっき液中において、液温12~24℃、電流密度3~8A/dmで且つ銀めっき液中のシアン化カリウムの濃度と電流密度の積が840g・A/L・dm以下の範囲で電気めっきを行って、素材上に銀からなる表層を形成することにより、表層の優先配向面が{111}面であり、50℃で168時間加熱する前の{111}面のX線回折ピークの半価幅に対する加熱した後の{111}面のX線回折ピークの半価幅の比が0.5以上である銀めっき材を製造することが開示されており、高い硬度を維持したまま、接触抵抗の増加を防止することができると記載されている。
特許文献3には、銅または銅合金からなる素材上にニッケルからなる下地層が形成され、この下地層の表面に銀からなる厚さ10μm以下の表層が形成された銀めっき材において、下地層の厚さを2μm以下、好ましくは1.5μm以下にし、表層の{200}方位の面積分率を15%以上、好ましくは25%以上にすることが開示されており、曲げ加工性が良好であると記載されている。
特許文献4には、導電性金属基体と貴金属層との間に、平均結晶粒径が0.3μm以上である、ニッケル、コバルト、亜鉛、銅などのうちの1層以上の下地層が形成された電気接点用貴金属被覆材が開示されており、高温環境下での基体成分の拡散を抑制して、長期信頼性が高いと記載されている。
特許文献5には、金属材料の母材に対し,リンを0.05~20wt%含有し残部がニッケルと不可避不純物又はニッケルとコバルトと不可避不純物からなる合金めっきの中間層、ならびに、銀又は銀合金めっき表層とからなる高耐熱性を有する耐熱、耐食性銀めっき材が示されている。
特開2008-169408号公報 特開2015-110833号公報 特開2014-181354号公報 特開2015-137421号公報 特開2001-3194号公報
しかしながら、特許文献1~3記載の発明では銀めっき層の構造を最適化することにより接触抵抗など端子特性を向上させているが、二回めっきが必要であったり、銀めっき浴の組成が著しく限定されるなどのため、製造方法が煩雑になる。特許文献4記載の発明では下地めっきの結晶粒径を肥大化することにより貴金属接点の信頼性を向上させているが、下地めっき層肥大化のために熱処理を必要とすることから、銅合金の組織も肥大化し所望の材料特性が得られないという問題がある。特許文献5記載の発明では、合金めっき中間層であるニッケル合金めっき皮膜が微細結晶になり、結晶粒界を通じて銅が銀表面にまで拡散してしまうため、膜厚を厚くしないと200℃といった高温に曝された際の耐熱性が不十分であるという問題がある。また、熱負荷によりニッケル合金めっき層中のリンが銀表面に拡散し、接点信頼性を損なうことがあった。また、ニッケルやニッケル合金めっき層の厚みが厚いとプレス時の金型消耗が激しくなる。ニッケル合金めっき層は靭性が乏しいため、厚付けするとプレス加工時に割れが発生しやすい。このため、ニッケル合金めっき層などの厚みはできるだけ薄いことが望まれている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、表面に銀層を有する銀皮膜付端子材において、信頼性の高い端子および端子材を安価に製造することを目的とする。
本発明の銀皮膜付端子材は、銅又は銅合金からなる基材の上に、0.05μm以上5.0μm以下のニッケル又はニッケル合金からなるニッケル層、中間層、銀層がこの順に積層されており、前記中間層は、厚みが0.02μm以上1.0μm以下であり、銀とXとを含む銀合金であり、前記Xが、ガリウム、及びゲルマニウムのうちの一種類以上を含む。
この銀皮膜付端子材は、ニッケル層が基材からの銅の拡散を防止して耐熱性を向上させており、銀層は耐熱性に優れている。中間層は銀とXとを含む銀合金であり、その元素Xはニッケル層のニッケルと銀層の銀との双方と容易に合金化するため、相互の密着性を高め、加熱された際に銀層を拡散した酸素によりニッケル表面が酸化されて接触抵抗を上昇させるニッケル酸化物層が形成されることを抑制し、ニッケル層と銀層間の剥離を防止する効果がある。ただし、中間層の厚みが0.02μm未満では密着性を高める効果が十分でなく、厚みが1.0μmを超えると曲げ加工時に割れが発生する。
ニッケル層の厚みは、0.05μm未満では膜にピンホールを生じて銅の拡散を抑制できず耐熱性が劣化するおそれがあり、5.0μmを超えると曲げ加工時に割れが発生するおそれがある。
なお、中間層には、ニッケル層からニッケル成分が拡散するため、中間層のニッケル層側の部分は、一部ニッケルを含む場合がある。
本発明の銀皮膜付端子材の実施形態において、前記中間層は、前記ニッケル層側に位置する前記Xが主成分の層と、前記銀層側に位置する銀が主成分の層との二層構造となっているとよい。
元素Xが主成分の層により、ニッケル層と銀層との間の密着性を向上させることができる。また、銀が主成分の層により、銀層中の酸素拡散を阻害してニッケル酸化物の形成を抑制でき、加熱時の抵抗が上昇することを抑制できる。
本発明の銀皮膜付端子材の実施形態において、前記ニッケル層は、リン、ホウ素、タングステン、硫黄、亜鉛、錫のいずれか1つ以上を1at%以上40at%以下含有しているとよい。
この銀皮膜付端子材において、銀層による耐熱性は、ニッケル層における基材からの銅の拡散防止効果により保たれており、拡散防止効果が損なわれると銀層の表面にまで銅が拡散し、酸化銅を形成してしまい劣化するおそれがある。
ニッケル層がリン、ホウ素、タングステン、硫黄、亜鉛、錫のいずれか1つ以上を1at%以上40at%以下含有しているため、拡散防止効果が高い。これらの添加元素はニッケルの結晶粒界に濃縮し、ニッケル粒界を通じた基材からの銅の拡散を抑制する。リン、ホウ素、タングステン、硫黄、亜鉛、錫が1at%未満では基材からの銅の拡散を抑制する効果が十分でなく、40at%を超えると皮膜がもろくなり、加工時の割れを生じやすくなる。
本発明の銀皮皮膜付端子材の実施形態において、前記ニッケル層は、非晶質を含む組織構造であるとよい。
ニッケル層において非晶質の部位では、結晶粒界が消失することから銅の拡散経路が少なくなるため、銅の拡散をさらに抑制できる。
なお、ニッケル層の全体が非晶質化していることが好ましいが、非晶質と結晶質とが混在していても、銅の拡散を抑制できる。
本発明の銀皮膜付端子は、前記銀被覆付端子材からなるものである。
本発明によれば、基材の上にニッケル層を設けたので、基材からの銅の拡散を防止して銀層の耐熱性を有効に発揮することができ、そのニッケル層と銀層との間に前述した中間層を介在させたので、ニッケル層と銀層との密着性が高く、優れた耐熱性を維持することができる。この場合に、信頼性の高い端子材を提供できる。
本発明の一実施形態の端子材の表面部分を模式化した断面図である。 錫の濃度が60at%付近の錫主体の層と錫の濃度が20at%付近の銀主体の層とが形成された銅端子材のTEM画像である。 試料No.4の断面を示すTEM画像である。 図3に示した試料No.4の端面のEDS測定結果を示す図である。 試料No.8の断面を示すTEM画像である。 図5に示した試料No.8のニッケル層の制限視野回析像である。 試料No.15の加熱後の断面を示すTEM画像である。
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の銀皮膜付端子材1は、図1に示すように、銅(Cu)又は銅合金板からなる基材2と、この基材2の表面に形成されたニッケル(Ni)又はニッケル合金からなるニッケル層3と、このニッケル層3の上に形成された銀(Ag)とXとを含む銀合金からなる中間層4と、この中間層4の上に形成された銀又は銀合金からなる銀層5とを有している。
基材2は、銅又は銅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が、表面の加工変質層が除去されたものがよい。
ニッケル層3は、純ニッケル又はニッケル合金のいずれによって構成してもよいが、ニッケルにリン(P)、ホウ素(B)、タングステン(W)、硫黄(S)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)のいずれか1つ以上を含有した合金からなるものが好ましい。ニッケルにリン、ホウ素、タングステン、硫黄、亜鉛、錫のいずれか1つ以上を含有することにより、基材2からの銅の拡散を防止する効果があり、また、耐熱性が高められる。リン、ホウ素、タングステン、硫黄、亜鉛、錫のいずれか1つ以上の含有量は1at%以上40at%以下がよく、厚みは、0.05μm以上5.0μm以下がよい。
また、ニッケル層3は、非晶質を含む組織構造である。ニッケル層3において非晶質の部位では、結晶粒界が消失することから銅の拡散経路が少なくなるため、銅の拡散をさらに抑制できる。なお、ニッケル層3の全体が非晶質化していることが好ましいが、非晶質と結晶質とが混在していても、銅の拡散を抑制できる。
中間層4は、銀とXとを含む銀合金である。元素Xとしては、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)及びゲルマニウム(Ge)のうちの一種類以上を含むものとする。これら元素Xは、ニッケル層3のニッケルと銀層5の銀との双方と容易に合金化するため、相互の密着性を高め、加熱された際にニッケル表面が酸化されて抵抗層が形成されることを抑制して、ニッケル層3と銀層5間の剥離を防止し、抵抗の上昇を抑制する効果がある。例えば、中間層4は、元素Xが主成分の層とAgが主成分の層との二層構造となっており、ニッケル層3側に位置する元素Xが主成分の層により、ニッケル層3と銀層5との間の密着性を向上させることができ、銀層5側に位置する銀が主成分の層により、銀層5中の酸素拡散を阻害してニッケル酸化物の形成を抑制でき、加熱時の抵抗が上昇することを抑制できる。なお、中間層4は、単層構造であってもよい。また、中間層4には、ニッケル層3からニッケル成分が拡散するため、中間層4のニッケル層3側の部位(元素Xが主成分の層)は、一部ニッケルを含む場合がある。
ただし、中間層4の厚みが0.02μm未満では密着性を高める効果が十分でなく、厚みが1.0μmを超えると曲げ加工時に割れが発生する。
銀層5は端子材1の耐熱性を高める効果があり、厚みは0.5μm以上2.0μm以下が好ましい。
次に、この端子材1の製造方法について説明する。
基材2として、銅又は銅合金板を用意し、その表面を清浄化するとともに、表面を化学研磨液にてエッチングして基材2表面の加工変質層を除去し、基材2の結晶面を表面に露出させる。
次に、このようにして表面を調整した基材2の表面に電解めっきにより各めっき層を積層する。
ニッケル層3を形成するためのニッケルめっき浴は、一般的なニッケルめっき浴を用いればよく、硫酸ニッケル(NiSO)、ホウ酸(HBO)を主成分としたワット浴、スルファミン酸ニッケル(Ni(NHSO))、ホウ酸(HBO)を主成分としたスルファミン酸浴等が用いられ、ニッケルリン合金の場合は亜リン酸が加えられる。浴の温度は40℃以上55℃以下、電流密度は1A/dm以上40A/dm以下が適切である。この際、ニッケルめっき浴中に、亜リン酸やジメチルアミンボラン、タングステン酸塩といった合金化成分を適量(例えば、亜リン酸を20g/L以上40g/L以下)加える。これにより、ニッケル層3のアモルファス化が達成され、ニッケル層3が非晶質を含む組織構造となる。
ニッケル層3として純ニッケルめっき層を形成するためのめっき浴は、ワット浴、スルファミン酸浴等が用いられる。
中間層4については、例えば銀と錫とを含む銀合金とする場合(元素XがSnの場合)は、既に形成したニッケルめっき層の上に、錫めっきを施した後に銀層5を形成するための銀めっきを施すことにより形成される。なお、この際、これらめっき間でニッケル、錫、銀の相互拡散が生じることから、中間層4は、銀と錫とニッケルとを含むこととなる。この相互拡散は、常温(5℃~35℃)以上で24時間以上放置しておくことにより徐々に進行するが、100~150℃、10~60分間の加熱処理により強制的に形成してもよい。
この場合、錫めっきを形成するための錫又は錫合金めっきは、公知の方法により行うことができるが、例えば有機酸浴(例えばフェノールスルホン酸浴、アルカンスルホン酸浴又はアルカノールスルホン酸浴)、硼フッ酸浴、ハロゲン浴、硫酸浴、ピロリン酸浴等の酸性浴、或いはカリウム浴やナトリウム浴等のアルカリ浴を用いればよい。浴の温度は15℃以上35℃以下、電流密度は1A/dm以上10A/dm以下が適切である。
この工程で形成される錫めっき層は、厚み0.02μm以上1.1μm以下が好ましく、薄過ぎると中間層の厚みが不足し、厚過ぎると、錫がニッケルを過剰に浸食し、ニッケル層3に欠陥が生じるおそれがある。
中間層4を構成する元素Xがビスマスである場合は、厚み0.02μm以上1.1μm以下が好ましい。
中間層4を構成する元素Xがガリウムである場合は厚み0.02μm以上1.1μm以下が好ましい。
中間層4を構成する元素Xがインジウムである場合は厚み0.02μm以上1.1μm以下が好ましい。
中間層4を構成する元素Xがゲルマニウムである場合は厚み0.02μm以上1.1μm以下が好ましい。
銀層5を形成するためのめっき浴は、一般的な銀めっき浴であるシアン化銀めっき浴を用いればよい。浴の温度は15℃以上35℃以下、電流密度は0.1A/dm以上3A/dm以下が適切である。この場合、銀めっきの前に、より密着性を高めるため銀ストライクめっきを施すとよい。
このようにして製造された端子材1は、端子の形状に加工されて使用に供される。自動車内配線等のコネクタにおいては高温環境に曝されるが、ニッケル層3がバリア層として機能するため、耐熱性に優れ、基材2からの銅の拡散を有効に防止することができ、銀層5が有する高い耐熱性、低い接触抵抗などの優れた特性を安定的に維持することができる。特に、ニッケル層3にリン、ホウ素、タングステン、硫黄、亜鉛、錫のいずれか1つ以上を含有する場合に効果的であり、ニッケル層3において非晶質の部位では、結晶粒界が消失することから銅の拡散経路が少なくなっており、拡散防止効果が高い。
また、このニッケル層3と銀層5との間に銀とXとを含む銀合金からなる中間層4が設けられているので、相互の密着性を高め、加熱された際に銀層5を拡散した酸素によりニッケル表面が酸化されて抵抗層が形成されることを抑制し、ニッケル層3と銀層5間の剥離を防止できる。さらに、中間層4が、元素Xが主成分の層と銀が主成分の層との二層構造である場合には、ニッケル層3と銀層5との密着性がさらに高められ、これらの剥離を防止するとともに、銀層5中の酸素拡散を阻害してニッケル酸化物の形成を抑制して、加熱時の抵抗が上昇することを抑制することができる。
しかも、基材2の表面をエッチング処理によって調整してめっきするという簡単な方法によって製造することができ、安価に製造することができる。
基材2として三菱伸銅株式会社製のCu-Zn系合金「MNEX」(登録商標)を用い、硫酸100g/L、過酸化水素30g/L、塩化物イオン10mg/L、1-プロパノール2mL/Lの組成の化学研磨液にて20秒間エッチングし、銅表面を清浄化して表面を調整した。
その後、硫酸ニッケル六水和物240g/L、塩化ニッケル35g/L、ホウ酸30g/L、亜リン酸10g/L、PH=2.6の浴を用いて、基材2の上にニッケルリン合金めっきを0.1μmの厚さで成膜した。なお、上記ニッケルめっき浴中には、亜リン酸やジメチルアミンボラン、タングステン酸塩といった合金化成分を適量(50g/L)加えたものも作製した。さらに、メタンスルホン酸浴を用いて、錫めっきを0.05μm成膜した後、シアン浴を用いて銀ストライクめっきと銀めっきとを順次行って、1μmの厚さの銀層5を成膜し端子材1を得た。
また、ニッケル層3の解析は、収束イオンビーム加工装置で観察試料を薄膜化し、Thermo Fisher Scientific社製球面収差補正走査透過型電子顕微鏡(Cs-STEM; Spherical aberration correction Scanning Transmission Electron Microscope)Titan G2 ChemiSTEMを用いてめっき/基材界面の断面観察を実施した。観察倍率は2500~80000倍で実施し、STEM-EDSによるライン分析により、界面での元素分布を確認した。この際、500nmの視野の中で見える10%以上非晶質がある場合をアモルファス相の存在を「有」と判断し、10%未満の場合を「無」と判断した。
各めっき層の厚みは、蛍光X線膜厚計にて測定した。それぞれ、上に被覆されるめっき層が形成される前に測定した。この中間層厚は、表1に示す通りであり、()内の元素記号は、上述した元素Xに相当する。例えば、試料No.1では、中間層厚がビスマスを含む銀合金からなり、その厚さが1.0μmであることがわかる。
さらに、中間層が単層構造であるか、二層構造であるかの判断は、STEM-EDSにおける錫(Sn)の濃度プロファイルにより判断した。例えば、図2では錫の濃度が60at%付近の錫主体の層と錫の濃度が20at%付近の銀主体の層とが形成されている。
また、各試料に対して、加熱後の接触抵抗、ニッケル層3と銀層5とのめっき間剥離、曲げ加工性を評価した。
接触抵抗測定は、半径1.0mmの半球状凸部を有する試料を作製し、ロードセルを有する圧縮試験機を用いて上記半球状凸部を平板状の試料に当接させた。この状態において平板試料と半球状凸部を有する試料の間の接触抵抗の測定を開始し、両者の間に付与する接触荷重を徐々に増加させた。荷重2Nに達した際の接触抵抗を、四端子法を用いて測定した。その際の電流値は10mAとした。平板試料と半球状凸部を有する試料ともに200℃500時間加熱した後に接触抵抗を測定した。
ニッケル層3と銀層5とのめっき間剥離は、半径1.0mmの半球状凸部に加工した試料を200℃で500時間加熱し、その凸部の断面をSEMにより観察し、銀層5とニッケル層3間の剥離の有無を判定した。銀とニッケルの界面に0.1μm以上の幅の隙間が0.5μm以上の長さで存在した場合に剥離有と判定した。
曲げ加工性については、圧延方向に対して曲げの軸が直交方向になるように特性評価用条材から幅10mm×長さ30mmの試験片を複数採取し、JCBA(日本伸銅協会技術標準)T307の4試験方法に準拠して、曲げ角度が90度、曲げ半径が0.5mmのW型の治具を用い、9.8×103Nの荷重でW曲げ試験を行った。その後、実体顕微鏡にて観察を行った。曲げ加工性の評価は、試験後の曲げ加工部に明確なクラックが認められないレベルを優「◎」と評価し、めっき面に部分的に微細なクラックが発生しているが銅合金母材の露出は認められないレベルを良「○」と評価し、銅合金母材の露出はないが良「○」と評価したレベルより大きいクラックが発生しているレベルを可「△」と評価し、発生したクラックにより銅合金母材が露出しているレベルを不可「×」と評価した。
これらの結果を表1に示す。
Figure 0007121881000001
この結果から明らかなように、錫、ビスマス、ガリウム、インジウム及びゲルマニウムのうちの一種類以上を含む銀合金からなる中間層を備えている試料No.1~11の端子材は、加熱後の接触抵抗が小さく、ニッケル層と銀層との剥離も認められず、銅の拡散が抑制されていると考えられる。また、曲げ加工性も良好であることがわかる。その中でも、中間層を備え、かつ、ニッケル層にリン、ホウ素、タングステン、硫黄、亜鉛、錫のいずれか1つ以上を1at%以上40at%以下含有している試料No.4~11は特に接触抵抗が小さく良好であった。
図3は、試料No.4の断面を示すTEM画像であり、図4は、試料No.4の端面のEDS測定結果を示す図である。なお、図3のTEM画像におけるA-B線における各成分は、図4のEDS測定結果に示されており、左端がA点であり、右端がB点である。
試料No.4では、図3に示すように、銀(Ag)及び錫(Sn)を含む中間層が形成されており、ニッケル層側に錫主体の層が位置するとともに、銀層側にも錫が拡散し、銀主体のAg-Sn合金層が形成されている。ニッケル層から拡散したNi成分は、特に錫主体の層に多く存在している。
図5は、試料No.8の断面を示すTEM画像であり、図6は、試料No.8のニッケル層の制限視野回析像である。
図5及び図6に示すように、試料No.8では、ニッケル層(Ni-P層)、中間層、銀層がこの順で重なった層構造となっているため、加熱後の接触抵抗が最も小さく、ニッケル層と銀層との剥離も認められず、銅の拡散が抑制されていた。この中でも、図5に示す画像における四角で囲まれた領域Ar1の制限視野回析像では、図6に示すように、ニッケル層の構造を制限視野回析により解析した際に、明確な回折スポットが見られなかったため、アモルファス構造であることがわかった。
これに対して、試料No.12は、中間層を有していないため、接触抵抗が大きく、ニッケル層と銀層との間の剥離が認められた。試料No.13は、ニッケル層が薄すぎるためにバリア効果が十分でなく、ニッケル層と銀層との間の剥離が認められ、また、中間層の厚さが大きいため曲げ加工時に割れが認められた。試料No.14は中間層の厚さが小さいためニッケル層と銀層との密着性が悪く、剥離が認められ、また、ニッケル層が厚すぎることから曲げ加工時に割れが認められた。
図7は、試料No.15の加熱後の断面を示すTEM画像である。図7に示すように、中間層を有していない試料No.15を加熱すると、ニッケル層と銀層との界面にニッケル酸化物層(NiO層)が形成される。このニッケル酸化物層が高抵抗層(絶縁体や高抵抗)となることから、銅が銀層の表面に拡散していなくても接触抵抗が増大する。このため、試料No.15では、ニッケル層と銀層との間の剥離が認められた。
1 端子材(銀皮膜付端子材)
2 基材
3 ニッケル層
4 中間層
5 銀層

Claims (5)

  1. 銅又は銅合金からなる基材の上に、0.05μm以上5.0μm以下のニッケル又はニッケル合金からなるニッケル層、中間層、銀層がこの順に積層されており、前記中間層は、厚みが0.02μm以上1.0μm以下であり、銀とXとを含む銀合金であり、前記Xが、ガリウム、及びゲルマニウムのうちの一種類以上を含むことを特徴とする銀皮膜付端子材。
  2. 前記中間層は、前記ニッケル層側に位置する元素Xが主成分の層と、前記銀層側に位置する銀が主成分の層との二層構造となっていることを特徴とする請求項1に記載の銀皮膜付端子材。
  3. 前記ニッケル層は、リン、ホウ素、タングステン、硫黄、亜鉛、錫のいずれか1つ以上を1at%以上40at%以下含有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の銀皮膜付端子材。
  4. 前記ニッケル層は、非晶質を含む組織構造であることを特徴とする請求項3に記載の銀皮膜付端子材。
  5. 請求項1から4のいずれか一項に記載の銀皮膜付端子材により形成されている銀皮膜付端子。
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