KR20140117274A

KR20140117274A - 삽입 발출성이 우수한 주석 도금 구리 합금 단자재

Info

Publication number: KR20140117274A
Application number: KR1020140029378A
Authority: KR
Inventors: 나오키 가토; 유키 이노우에; 요시에 다루타니
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-10-07
Also published as: IN2014DE00802A; JP2014208878A; US20140287262A1; TW201447053A; EP2784190A1; JP6221695B2; CN104078782A

Abstract

(과제) 우수한 전기 접속 특성을 발휘하면서 동마찰 계수를 0.3 이하로까지 저감시켜, 삽입 발출성이 우수한 주석 도금 구리 합금 단자재를 제공한다.
(해결 수단) Cu 합금으로 이루어지는 기재 상의 표면에 Sn 계 표면층이 형성되고, 그 Sn 계 표면층과 기재 사이에 CuSn 합금층이 형성된 주석 도금 구리 합금 단자재로서, CuSn 합금층은 Cu₆Sn₅ 를 주성분으로 하고, 그 Cu₆Sn₅의 Cu 의 일부가 Ni 및 Si 로 치환된 화합물을 기재측 계면 부근에 갖는 합금층이며, CuSn 합금층의 산술 평균 조도 (Ra) 가 적어도 일 방향에 있어서 0.3 ㎛ 이상이고, 전체 방향에 있어서의 산술 평균 조도 (Ra) 가 1.0 ㎛ 이하이며, CuSn 합금층의 오일 고임 깊이 (Rvk) 가 0.5 ㎛ 이상이고, 또한 Sn 계 표면층의 평균 두께가 0.4 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하이며, 동마찰 계수가 0.3 이하이다.

Description

삽입 발출성이 우수한 주석 도금 구리 합금 단자재{TIN-PLATED COPPER-ALLOY MATERIAL FOR TERMINAL HAVING EXCELLENT INSERTION/EXTRACTION PERFORMANCE}

본 발명은 자동차나 민생 기기 등의 전기 배선의 접속에 사용되는 커넥터용 단자, 특히 다 (多) 핀 커넥터용 단자로서 유용한 주석 도금 구리 합금 단자재에 관한 것이다.

주석 도금 구리 합금 단자재는, 구리 합금으로 이루어지는 기재 상에 Cu 도금 및 Sn 도금을 실시한 후에 리플로우 처리함으로써, 표층의 Sn 계 표면층의 하층에 CuSn 합금층이 형성된 것으로, 단자재로서 널리 사용되고 있다.

최근, 예를 들어 자동차에 있어서는 급속하게 전장화 (電裝化) 가 진행되고, 이에 수반하여 전기 기기의 회로수가 증가하기 때문에, 사용하는 커넥터의 소형·다핀화가 현저해지고 있다. 커넥터가 다핀화되면, 단 (單) 핀당 삽입력은 작아도 커넥터를 삽입 장착할 때에 커넥터 전체에서는 큰 힘이 필요해져, 생산성의 저하가 염려되고 있다. 그래서, 주석 도금 구리 합금재의 마찰 계수를 작게 하여 단핀당 삽입력을 저감시키는 것이 시도되고 있다.

예를 들어, 기재의 표면 조도를 규정한 것 (특허문헌 1), CuSn 합금층의 평균 조도를 규정한 것 (특허문헌 2) 도 있지만, 동마찰 계수를 0.3 이하로 할 수 없다는 문제가 있었다.

여기서, 커넥터의 소형·다핀화가 진행됨에 따라 커넥터 끼워맞춤시의 삽입력이 커져, 생산성의 저하가 염려되고 있다. 이 삽입력 (F) 은, 암 단자가 수 단자를 가압하는 힘 (접압) 을 P, 동마찰 계수를 μ 로 하면, 통상 수 단자는 상하 2 방향으로부터 암 단자에 끼워지므로, F = 2 × μ × P 가 된다. 이 F 를 작게 하려면 P 를 작게 하는 것이 유효하지만, 커넥터 끼워맞춤시의 수·암 단자의 전기적 접속 신뢰성을 확보하기 위해서는 쓸데없이 접압을 작게 할 수 없어 3 N 정도는 필요하게 된다. 다핀 커넥터에서는 50 핀/커넥터를 초과하는 것도 있지만, 커넥터 전체의 삽입력은 100 N 이하, 가능하면 80 N 이하, 혹은 70 N 이하가 바람직하기 때문에, 동마찰 계수 (μ) 로는 0.3 이하가 필요하게 된다.

일본 특허 제4024244호 일본 공개특허공보 2007-63624호

주석 도금재의 마찰 계수를 저감시키기 위해서는, Sn 계 표면층의 두께를 얇게 하고, Sn 에 비하여 단단한 CuSn 합금층을 표층에 노출시키면 마찰 계수를 매우 작게 할 수 있다. 그러나, 표층에 CuSn 합금층이 노출되면 Cu 산화물이 표층에 형성되고, 그 결과 접촉 저항의 증대, 땜납 젖음성의 저하를 일으키고 만다. 또 CuSn 합금층의 결정 입경이나 평균 조도를 제어해도 동마찰 계수를 0.3 이하로까지 저감시킬 수 없는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 우수한 전기 접속 특성을 발휘하면서 동마찰 계수를 0.3 이하로까지 저감시켜, 삽입 발출성이 우수한 주석 도금 구리 합금 단자재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

CuSn 합금층의 표면 노출을 억제한 경우, 동마찰 계수를 0.3 이하로 하기 위해서는 Sn 계 표면층의 두께를 0.1 ㎛ 미만으로 해야 하는데, 그 경우는 땜납 젖음성의 저하, 접촉 저항의 증대를 초래한다.

그래서 본 발명자들은 예의 연구한 결과, 미리 기재 표면을 조화 처리한 후에, Cu 도금 및 Sn 도금을 실시하고, 이것을 리플로우 처리함으로써 형성되는 CuSn 합금층의 표면 조도로서 산술 평균 조도 (Ra) 를 일 방향에서 0.3 ㎛ 이상, 전체 방향에 있어서는 1.0 ㎛ 이하로 하고, CuSn 합금층의 오일 고임 깊이 (Rvk) 를 0.5 ㎛ 이상으로 하고, 또한 Sn 계 표면층의 평균 두께를 0.4 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 함으로써, 동마찰 계수 0.3 이하를 실현할 수 있는 것을 알아내었다. 또, 바람직한 오일 고임 깊이 (Rvk) 를 얻기 위해서는, Ni 및 Si 의 존재가 중요한 것도 알아내었다. 이러한 지견하에서 이하의 해결 수단으로 하였다.

즉, 본 발명의 주석 도금 구리 합금 단자재는, Cu 또는 Cu 합금으로 이루어지는 기재 상의 표면에 Sn 계 표면층이 형성되고, 그 Sn 계 표면층과 상기 기재 사이에 CuSn 합금층이 형성된 주석 도금 구리 합금 단자재로서, 상기 CuSn 합금층은, Cu₆Sn₅ 를 주성분으로 하고, 그 Cu₆Sn₅ 의 Cu 의 일부가 Ni 및 Si 로 치환된 화합물을 상기 기재측 계면 부근에 갖는 합금층이며, 상기 CuSn 합금층의 산술 평균 조도 (Ra) 가 적어도 일 방향에 있어서 0.3 ㎛ 이상이고, 전체 방향에 있어서의 산술 평균 조도 (Ra) 가 1.0 ㎛ 이하이며, 상기 CuSn 합금층의 오일 고임 깊이 (Rvk) 가 0.5 ㎛ 이상이고, 또한 상기 Sn 계 표면층의 평균 두께가 0.4 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하이며, 동마찰 계수가 0.3 이하인 것을 특징으로 한다.

CuSn 합금층의 산술 평균 조도 (Ra) 를 크게 함과 함께, CuSn 합금 중에 Ni, Si 를 고용시킴으로써 Rvk 가 큰 CuSn 합금층을 형성하고, 이로써 CuSn 합금층의 오목부는 표층이 Sn 으로 덮이기 때문에 양호한 접촉 저항과 땜납 젖음성을 확보할 수 있고, 볼록부에서는 요철이 큰 CuSn 합금층에 의해 Sn 계 표면층을 얇게 하여 낮은 동마찰 계수를 실현할 수 있다.

이 경우, CuSn 합금층의 표면의 산술 평균 조도 (Ra) 를 후술하는 바와 같이 복수 방향에서 측정하고, 그 중에서 가장 높은 일 방향에 있어서의 산술 평균 조도 (Ra) 가 0.3 ㎛ 미만에서는, 오목부의 Sn 계 표면층의 두께가 얇아져 전기적 신뢰성, 땜납 젖음성을 확보할 수 없다. 그러나, 어느 방향에 있어서나 산술 평균 조도 (Ra) 가 1.0 ㎛ 를 초과하면, 오목부의 Sn 계 표면층이 지나치게 두꺼워져 마찰 계수가 증대된다.

또, 오일 고임 깊이 (Rvk) 가 0.5 ㎛ 미만에서는, 동마찰 계수를 0.3 이하로 할 수 없다.

Sn 계 표면층의 평균 두께를 0.4 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 한 것은, 0.4 ㎛ 미만에서는 땜납 젖음성의 저하, 전기적 접속 신뢰성의 저하를 초래하고, 1.0 ㎛ 를 초과하면 표층에 CuSn 합금층의 일부를 노출시킬 수 없어, Sn 만으로 점유되므로 동마찰 계수가 증대되기 때문이다.

또, Sn 계 표면층은, 동마찰 계수 측정시의 수직 하중이 작아지면 동마찰 계수가 증대되는 경향이 있지만, 본 발명품은 수직 하중을 낮추어도 동마찰 계수가 대부분 변화하지 않아 소형 단자에 이용해도 효과를 발휘할 수 있다.

본 발명의 주석 도금 구리 합금 단자재에 있어서, 상기 기재가 0.5 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 Ni, 0.1 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하의 Si 를 함유하고, 추가로 필요에 따라 Zn, Sn, Fe, Mg 의 군에서 선택된 1 종 이상을 합계로 5 질량％ 이하 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 구성되는 것이면 된다.

기재를 0.5 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 Ni 및 0.1 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하의 Si 함유로 규정한 것은, 리플로우 처리에 의해 형성되는 CuSn 계 표면층을 오일 고임 깊이 (Rvk) 0.5 ㎛ 이상으로 하기 위해서는, 리플로우시에 기재로부터 Ni 및 Si 가 공급되어, CuSn 합금층 중에 Ni 및 Si 가 고용되는 것이 필요하기 때문이다. Ni 가 0.5 질량％ 미만, Si 가 0.1 질량％ 미만에서는, 각각 Ni 또는 Si 의 효과가 나타나지 않고, Ni 에서는 5 질량％ 를 초과하면 주조나 열간 압연시에 균열을 일으킬 우려가 있고, Si 에서는 1.5 질량％ 를 초과하면 도전성이 저하되어 버리기 때문이다.

Zn, Sn 은 강도, 내열성 향상을 위해서 첨가하면 되고, 또, Fe, Mg 는 응력 완화 특성 향상을 위해서 첨가하면 되는데, 합계로 5 질량％ 를 초과하면 도전율이 저하되므로 바람직하지 않다.

본 발명에 의하면, 동마찰 계수를 저감시켰기 때문에, 저접촉 저항, 양호한 땜납 젖음성과 저삽입 발출성을 양립시킬 수 있고, 또 저하중에서도 동마찰 계수가 작다는 효과가 있어 소형 단자에 최적이다. 특히, 자동차 및 전자 부품 등에 사용되는 단자에 있어서, 접합시의 낮은 삽입력, 안정적인 접촉 저항, 양호한 땜납 젖음성을 필요로 하는 부위에 있어서 우위성을 가진다.

도 1 은 실시예 1 의 구리 합금 단자재의 표면 상태를 나타내는 현미경 사진이다.
도 2 는 실시예 1 의 구리 합금 단자재의 기재와 CuSn 합금층의 계면 부근을 나타내는 현미경 단면 사진이다.
도 3 은 비교예 5 의 구리 합금 단자재의 표면 상태를 나타내는 현미경 사진이다.
도 4 는 비교예 5 의 구리 합금 단자재의 기재와 CuSn 합금층의 계면 부근을 나타내는 현미경 단면 사진이다.
도 5 는 도전 부재의 동마찰 계수를 측정하기 위한 장치를 개념적으로 나타내는 정면도이다.

본 발명의 일 실시형태의 주석 도금 구리 합금 단자재를 설명한다.

본 실시형태의 주석 도금 구리 합금 단자재는, 구리 합금으로 이루어지는 기재 상에 Sn 계 표면층이 형성되고, Sn 계 표면층과 기재 사이에 CuSn 합금층이 형성되어 있다.

기재는, Cu-Ni-Si 계 합금, Cu-Ni-Si-Zn 계 합금 등 Ni 및 Si 를 함유하고, 추가로 필요에 따라 Zn, Sn, Fe, Mg 의 군에서 선택된 1 종 이상을 합계로 5 질량％ 이하 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 구성되는 구리 합금이다. Ni 및 Si 를 필수 성분으로 한 것은, 후술하는 리플로우 처리에 의해 형성되는 CuSn 합금층을 오일 고임 깊이 (Rvk) 0.5 ㎛ 이상으로 형성하기 위해서이며, 그러기 위해서는 리플로우시에 기재로부터 Ni 및 Si 가 공급되어, CuSn 합금층 중에 Ni 및 Si 가 고용되는 것이 필요하기 때문이다. 기재 중의 Ni 의 함유량으로는 0.5 질량％ 이상 5 질량％ 이하가, Si 의 함유량으로는 0.1 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하가 바람직하다. Ni 가 0.5 질량％ 미만에서는 Ni 의 효과, Si 가 0.1 질량％ 미만에서는 Si 의 효과가 각각 나타나지 않고, Ni 가 5 질량％ 를 초과하면 주조나 열간 압연시에 균열을 일으킬 우려가 있고, Si 가 1.5 질량％ 를 초과하면 도전성이 저하되기 때문이다.

또, Zn, Sn 은 강도, 내열성을 향상시키고, Fe, Mg 는 응력 완화 특성을 향상시킨다. 이들 Zn, Sn, Fe, Mg 의 어느 1 종 이상을 첨가하는 경우에는, 그 합계의 함유량이 5 질량％ 를 초과하면 도전성이 저하되므로 바람직하지 않다. 특히, Zn, Sn, Fe, Mg 모두를 포함하는 것이 바람직하다.

CuSn 합금층은, 후술하는 바와 같이 기재 상에 Cu 도금층과 Sn 도금층을 형성하여 리플로우 처리함으로써 형성된 것으로, 그 대부분은 Cu₆Sn₅이지만, 기재와의 계면 부근에 기재 중의 Ni 및 Si 와 Cu 의 일부가 치환된 (Cu, Ni, Si)₆Sn₅ 합금이 얇게 형성된다. 또, 이 CuSn 합금층과 Sn 계 표면층의 계면은 요철상으로 형성되고, 산술 평균 조도 (Ra) 가 일 방향에 있어서 0.3 ㎛ 이상이고, 전체 방향에 있어서는 1.0 ㎛ 이하이며, 오일 고임 깊이 (Rvk) 가 0.5 ㎛ 이상으로 형성된다.

산술 평균 조도 (Ra) 는 JIS B0601 에 의해 측정되고, CuSn 합금층의 표면을 일 방향뿐만 아니라, 압연 방향으로 평행한 방향과 이와 직교하는 방향의 2 방향을 포함하는 복수 방향에 대하여 측정하고, 그 적어도 일 방향의 산술 평균 조도가 0.3 ㎛ 이상이고, 전체 방향의 산술 평균 조도가 1.0 ㎛ 이하이다. 복수 방향에 대하여 측정하는 것은, 일반적으로 압연 방향으로 평행한 방향보다 이와 직교하는 방향에 대하여 측정한 산술 평균 조도 (Ra) 가 크고, 어느 일 방향의 산술 평균 조도 (Ra) 가 0.3 ㎛ 이상이면 효과를 발휘하기 때문이다. 단, 산술 평균 조도 (Ra) 가 1.0 ㎛ 를 초과하면, 오목부의 Sn 계 표면층이 지나치게 두꺼워져 마찰 계수가 증대된다.

오일 고임 깊이 (Rvk) 는, JIS B0671-2 로 규정되는 표면 조도 곡선의 돌출 골부 평균 깊이이고, 평균적인 요철보다 깊은 부분이 어느 정도 있는지를 나타내는 지표가 되어, 이 값이 크면, 매우 깊은 골 부분의 존재에 의해 급준한 요철 형상으로 되어 있는 것을 나타낸다.

Sn 계 표면층은 평균 두께가 0.4 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하로 형성된다. 그 두께가 0.4 ㎛ 미만에서는 땜납 젖음성의 저하, 전기적 접속 신뢰성의 저하를 초래하고, 1.0 ㎛ 를 초과하면 표층을 Sn 과 CuSn 합금의 복합 구조로 할 수 없어, Sn 만으로 점유되므로 동마찰 계수가 증대되기 때문이다.

이와 같은 구조의 단자재는, CuSn 합금층과 Sn 계 표면층의 계면이 급준한 요철 형상으로 형성되어 있음으로써, Sn 계 표면층의 표면으로부터 수백 nm 의 깊이의 범위에서, 단단한 CuSn 합금층의 급준한 골부에 부드러운 Sn 이 개재되고, 또한 표면에 있어서는, 그 단단한 CuSn 합금층의 일부가 Sn 계 표면층에 약간 노출된 상태가 되고, 골부에 개재되는 부드러운 Sn 이 윤활제 작용을 하여, 동마찰 계수 0.3 이하가 된다.

이어서, 이 단자재의 제조 방법에 대하여 설명한다.

기재로서, Cu-Ni-Si 계 합금, Cu-Ni-Si-Zn 계 합금 등 Ni 및 Si 를 함유하고, 추가로 필요에 따라 Zn, Sn, Fe, Mg 의 군에서 선택된 1 종 이상을 합계로 5 질량％ 이하 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 구성되는 구리 합금으로 이루어지는 판재를 준비한다. 이 판재 표면을 화학 에칭이나 전해 연마, 조화시킨 롤을 사용한 압연, 연마, 숏 블라스트 등의 수법으로 조면화한다. 조면화의 정도로는, 산술 평균 조도 (Ra) 로 0.3 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하가 바람직하다. 그 후, 탈지, 산세 등의 처리를 함으로써 표면을 청정하게 하고, Cu 도금, Sn 도금을 이 순서로 실시한다.

Cu 도금은 일반적인 Cu 도금욕을 이용하면 되고, 예를 들어 황산구리 (CuSO₄) 및 황산 (H₂SO₄) 을 주성분으로 한 황산구리욕 등을 이용할 수 있다. 도금욕의 온도는 20 ℃ 이상 50 ℃ 이하, 전류 밀도는 1 A/dm² 이상 20 A/dm² 이하가 된다. 이 Cu 도금에 의해 형성되는 Cu 도금층의 막두께는 0.03 ㎛ 이상 0.15 ㎛ 이하가 된다. 0.03 ㎛ 미만에서는 합금 기재의 영향이 커서, 표층에까지 CuSn 합금층이 성장하여 광택도, 땜납 젖음성의 저하를 초래하고, 0.15 ㎛ 를 초과하면, 리플로우시에 기재로부터 Ni, Si 가 충분히 공급되지 않아, 원하는 CuSn 합금층의 요철 형상을 얻을 수 없기 때문이다.

Sn 도금층 형성을 위한 도금욕으로는, 일반적인 Sn 도금욕을 이용하면 되고, 예를 들어 황산 (H₂SO₄) 과 황산제일주석 (SnSO₄) 을 주성분으로 한 황산욕을 이용할 수 있다. 도금욕의 온도는 15 ℃ 이상 35 ℃ 이하, 전류 밀도는 1 A/dm² 이상 30 A/dm² 이하가 된다. 이 Sn 도금층의 막두께는 0.8 ㎛ 이상 2.0 ㎛ 이하가 된다. Sn 도금층의 두께가 0.8 ㎛ 미만이면, 리플로우 후의 Sn 계 표면층이 얇아져 전기 접속 특성이 손상되고, 2.0 ㎛ 를 초과하면, 표면으로의 CuSn 합금층의 노출이 적어져 동마찰 계수를 0.3 이하로 하기가 어렵다.

리플로우 처리 조건으로는, 환원 분위기 중에서 기재의 표면 온도가 240 ℃ 이상 360 ℃ 이하가 되는 조건에서 1 초 이상 12 초 이하의 시간 가열하고, 급랭이 된다. 더욱 바람직하게는 250 ℃ 이상 300 ℃ 이하에서 1 초 이상 10 초 이하의 시간 가열 후 급랭이다. 이 경우, 유지 시간은 도금 두께가 얇을수록 짧고, 두꺼워지면 길어지는 경향이 있다.

실시예

판두께 0.25 ㎜ 의 구리 합금 (Ni ; 0.5 질량％ 이상 5.0 질량％ 이하 - Zn ; 1.0 질량％ - Sn ; 0 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하 - Si ; 0.1 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하 - Fe ; 0 질량％ 이상 0.03 질량％ 이하 - Mg ; 0.005 질량％) 을 기재로 하고, 연마 처리하여 표면을 조화시킨 후, Cu 도금, Sn 도금을 차례로 실시하였다. 이 경우, Cu 도금 및 Sn 도금의 도금 조건은, 표 1 에 나타내는 바와 같이 하였다. 표 1 중, Dk 는 캐소드의 전류 밀도, ASD 는 A/dm² 의 약기이다.

표 2 에 나타내는 두께로 도금 처리 후, 실시예, 비교예 모두 리플로우 처리로서 환원 분위기 중에서, 기재 표면 온도가 표 2 에 나타내는 소정 온도 및 소정 시간이 되는 조건으로 유지한 후, 수랭시켰다.

비교예로서 Cu 도금 두께, Sn 도금 두께를 변량하여 Sn 계 표면층의 막두께를 규정외로 한 것 등을 준비하였다.

이들 시료의 조건을 표 2 에 나타낸다.

이들 시료에 대하여, 리플로우 후의 Sn 계 표면층의 두께, CuSn 합금층의 산술 평균 조도 (Ra), CuSn 합금층의 오일 고임 깊이 (Rvk) 를 측정함과 함께, 동마찰 계수, 땜납 젖음성, 광택도, 전기적 신뢰성을 평가하였다.

리플로우 후의 Sn 계 표면층의 두께는, SSI·나노테크놀로지 주식회사 제조 형광 X 선 막두께계 (SFT9400) 로 측정하였다. 처음에 리플로우 후의 시료의 전체 Sn 계 표면층의 두께를 측정한 후, 예를 들어 레이볼드 주식회사 제조의 L80 등의, 순 Sn 을 에칭하여 CuSn 합금을 부식시키지 않는 성분으로 이루어지는 도금 피막 박리용 에칭액에 몇 분간 침지시킴으로써 Sn 계 표면층을 제거하고, 그 하층의 CuSn 합금층을 노출시켜 순 Sn 환산에 있어서의 CuSn 합금층의 두께를 측정한 후, (전체 Sn 계 표면층의 두께 - 순 Sn 환산에 있어서의 CuSn 합금층의 두께) 를 Sn 계 표면층의 두께로 정의하였다.

CuSn 합금층의 산술 평균 조도 (Ra) 및 오일 고임 깊이 (Rvk) 는 Sn 도금 피막 박리용 에칭액에 침지시켜 Sn 계 표면층을 제거하고, 그 하층의 CuSn 합금층을 노출시킨 후, 주식회사 키엔스 제조 레이저 현미경 (VK-9700) 을 이용하여, 대물 렌즈 150 배 (측정 시야 94 ㎛ × 70 ㎛) 의 조건으로 5 점 측정한 값의 평균값으로부터 구하였다. 표면 조화 처리시에 실시한 연마 방향으로 직각인 방향 (평균 조도가 가장 크게 나오는 방향) 에서 측정한 값이 평균 조도 1 및 오일 고임 깊이이며, 연마 방향으로 평행한 방향에서 측정한 값이 평균 조도 2 이다.

동마찰 계수에 대해서는, 끼워맞춤형 커넥터의 수 단자와 암 단자의 접점부를 모의하도록, 각 시료에 대하여 판상의 수 시험편과 내경 1.5 ㎜ 의 반구상으로 한 암 시험편을 제작하고, 주식회사 트리니티 랩 제조의 마찰 측정기 (μV1000) 를 사용하여, 양 시험편간의 마찰력을 측정하여 동마찰 계수를 구하였다. 도 5 에 의해 설명하면, 수평인 받침대 (11) 상에 수 시험편 (12) 을 고정시키고, 그 위에 암 시험편 (13) 의 반구 볼록면을 놓고 도금면끼리를 접촉시켜, 암 시험편 (13) 에 추 (14) 에 의해 100 gf 및 500 gf 의 하중 (P) 을 가하여 수 시험편 (12) 을 누른 상태로 한다. 이 하중 (P) 을 가한 상태에서, 수 시험편 (12) 을 슬라이딩 속도 80 ㎜/분으로 화살표에 의해 나타낸 수평 방향으로 10 ㎜ 잡아당겼을 때의 마찰력 (F) 을 로드 셀 (15) 에 의해 측정하였다. 그 마찰력 (F) 의 평균값 (Fav) 과 하중 (P) 으로부터 동마찰 계수 (=Fav/P) 를 구하였다.

땜납 젖음성에 대해서는, 시험편을 10 ㎜ 폭으로 잘라내고, 로진계 활성 플럭스를 사용하여 메니스코그래프법으로 제로 크로스 타임을 측정하였다 (땜납욕 온도 230 ℃ 의 Sn - 37 ％ Pb 땜납에 침지시키고, 침지 속도 2 ㎜/sec, 침지 깊이 2 ㎜, 침지 시간 10 sec 의 조건으로 측정하였다). 땜납 제로 크로스 타임이 3 초 이하를 양호로 평가하고, 3 초를 초과한 경우를 불량으로 평가하였다.

광택도는, 닛폰 전색 주식회사 제조 광택도계 (형번 : PG-1M) 를 사용하고, JIS Z 8741 에 준거하여, 입사각 60 도로 측정하였다.

전기적 신뢰성을 평가하기 위해, 대기 중에서 150 ℃ × 500 시간 가열하여, 접촉 저항을 측정하였다. 측정 방법은 JIS-C-5402 에 준거하여, 4 단자 접촉 저항 시험기 (야마자키 정기 연구소 제조 : CRS-113-AU) 에 의해, 슬라이딩식 (1 ㎜) 으로 0 부터 50 g 까지 하중을 변화시켰을 때의 하중과 접촉 저항의 관계를 측정하고, 하중을 50 g 으로 했을 때의 접촉 저항값으로 평가하였다.

이들의 측정 결과, 평가 결과를 표 3 에 나타낸다.

이 표 3 으로부터 분명한 바와 같이, 실시예는 모두 동마찰 계수가 0.3 이하로 작고, 땜납 젖음성이 양호하고, 광택도도 높아 외관이 양호하며 접촉 저항도 10 mΩ 이하를 나타내었다.

이에 비하여, 각 비교예는 이하와 같은 문제가 관찰되었다.

비교예 1 은, Sn 계 표면층이 지나치게 얇기 때문에, 땜납 젖음성이 나쁘고, 접촉 저항이 크다. 비교예 2 는, CuSn 합금층의 오일 고임 깊이 (Rvk) 가 작기 때문에 마찰 계수가 크다. 비교예 3 은, Sn 계 표면층이 지나치게 두껍기 때문에, 마찰 계수가 크다. 비교예 4 는, 기재 표면의 조화를 강하게 한 결과, 리플로우 후의 CuSn 합금층의 산술 평균 조도 (Ra) 가 1 ㎛ 를 초과하여 오목부의 Sn 계 표면층이 두꺼워져 마찰 계수가 크다. 비교예 5, 6 은, 기재의 조화 처리를 하고 있지 않기 때문에 산술 평균 조도 (Ra) 및 오일 고임 깊이 (Rvk) 모두 작아 동마찰 계수가 크다. 비교예 7 은, Cu 도금을 생략한 결과, 기재의 합금 성분의 영향이 커서, 표층에까지 CuSn 합금층이 성장하여 땜납 젖음성이 나쁘다. 비교예 8 은, 기재 중의 Ni, Si 의 함유량이 적기 때문에, CuSn 합금층의 오일 고임 깊이 (Rvk) 가 작아 동마찰 계수가 크다.

도 1 및 도 2 는 실시예 1 의 시료의 기재와 CuSn 합금층의 계면 근방을 TEM-EDS 관찰한 현미경 사진이며, 도 3 및 도 4 는 비교예 5 의 동일한 현미경 사진이다. 이들 사진을 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 것은, CuSn 합금층이 적당히 표면에 노출되어, CuSn 합금층의 기재측 계면 부근 (도 2 의 파선보다 하방) 에 Cu 의 일부가 Ni 및 Si 로 치환된 화합물 (Cu, Ni, Si)₆Sn₅ 가 약간 관찰된다. 비교예의 것은, 도 4 에 나타내는 바와 같이, CuSn 합금층의 하부에 비교적 두꺼운 Cu₃Sn 층이 관찰되고, 그 위에 Cu₆Sn₅층이 적층된 구조로 되어 있어, 표면으로의 노출도 적다.

11 받침대
12 수 시험편
13 암 시험편
14 추
15 로드 셀

Claims

Cu 합금으로 이루어지는 기재 상의 표면에 Sn 계 표면층이 형성되고, 그 Sn 계 표면층과 상기 기재 사이에 CuSn 합금층이 형성된 주석 도금 구리 합금 단자재로서, 상기 CuSn 합금층은, Cu₆Sn₅ 를 주성분으로 하고, 그 Cu₆Sn₅ 의 Cu 의 일부가 Ni 및 Si 로 치환된 화합물을 상기 기재측 계면 부근에 갖는 합금층이며, 상기 CuSn 합금층의 산술 평균 조도 (Ra) 가 적어도 일 방향에 있어서 0.3 ㎛ 이상이고, 전체 방향에 있어서의 산술 평균 조도 (Ra) 가 1.0 ㎛ 이하이며, 상기 CuSn 합금층의 오일 고임 깊이 (Rvk) 가 0.5 ㎛ 이상이고, 또한 상기 Sn 계 표면층의 평균 두께가 0.4 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하이며, 동마찰 계수가 0.3 이하인 것을 특징으로 하는 주석 도금 구리 합금 단자재.
제 1 항에 있어서,
상기 기재가 0.5 질량％ 이상 5 질량％ 이하의 Ni, 0.1 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하의 Si 를 함유하고, 추가로 필요에 따라 Zn, Sn, Fe, Mg 의 군에서 선택된 1 종 이상을 합계로 5 질량％ 이하 함유하고, 잔부가 Cu 및 불가피 불순물로 구성되는 것인 것을 특징으로 하는 주석 도금 구리 합금 단자재.