TWI642818B - Material for connecting components - Google Patents

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Abstract

一種連接元件用材料，其特徵在於：使用在金屬板表面形成鍍Ni層，且在該鍍Ni層表面之至少一方向的表面的粗糙度介面的平均深度R為1.0μm以上之鍍Ni金屬板，在該鍍Ni金屬板的鍍Ni層上係形成有厚度為0.3~5μm的鍍Sn層。

Description

連接元件用材料
本發明係有關於一種連接元件用材料。更詳言之，本發明係有關於一種例如能夠適合使用在電氣機器、電子機器等所使用的連接器、導線框架、線束插頭(Harness plug)等的電接點元件等之連接元件用材料。使用本發明的連接元件用材料時，例如在電連接端子等的連接元件嵌合時，在減低摩擦之同時，能夠抑制材料的磨耗且提高穩定的電連接之可靠性。
在汽車、行動電話等所使用的連接端子之數量，隨著在該等所使用的電子控制機器増加而有増加之傾向。從提升汽車的燃料消耗率、省空間化、行動電話的攜帶方便性等的觀點而言，連接端子係被要求小型化及輕量化。為了因應該等要求，在防止將連接端子之間嵌合時因所施加的力量(插入力)引起端子變形之同時，必須減小該連接端子且保持在連接端子的連接部之接觸壓。因此，被要求使用比先前的銅合金具有更高強度之材料，其中該銅合金係在以往使用的連接端子被使用作為素材。又，被使用在汽車的引擎室等高溫環境下之連接端子所使用的素材，為了使在連接端子的接點部之接觸壓，不會因熱而經時地低落，係被要求使用具有優異的耐應力緩和性之 材料。
近年來，藉由在銅合金添加各種金屬來提高連接端子的機械強度，且研究使耐應力緩和性提升之銅合金。但是目前銅合金的開發，係尚未達到能夠應用在經小型化的連接端子。
另一方面，相較於銅合金，因為不鏽鋼板係機機強度較高且具有優異的耐應力緩和性，而且比重較小且廉價，係適合小型化、輕量化、減低材料成本等之材料。作為使用不鏽鋼板之電接點，有提案揭示一種不鏽鋼製電接點，其係在母材的不鏽鋼上形成鍍Ni層，而且在其上面部分地形成鍍Au層(例如，參照專利文獻1)。但是在前述不鏽鋼製電接點，由於連接端子的接點部係重複地進行微滑動，使得鍍Au層產生磨耗且母材的不鏽鋼露出，而且由於該不鏽鋼產生氧化，致使在連接端子之間的接點部之接觸電阻有變高之可能性。
作為摩擦係數較低且能夠維持電連接的可靠性之連接元件用導電材料，有提案揭示一種連接元件用導電材料，其係在由Cu板條所構成之母材表面，將平均的厚度為3.0μm以下的Ni被覆層、平均厚度為0.2~3.0μm的Cu-Sn合金被覆層、Sn被覆層依照該順序形成之材料；在對前述材料的表面為垂直的剖面，前述Sn被覆層之最小內接圓的直徑為0.2μm以下，前述Sn被覆層之最大內圓接的直徑為1.2~20μm，前述材料的最表點與前述Cu-Sn合金被覆層的最表點之高度差為0.2μm以下(例如，參照專利文獻2)。又，作為因應端子的小型化、低插入力且具有優異的電性可靠性之連接元件用導電 材料，有提案揭示一種連接元件用銅板材，其係在最表面形成Cu-Sn合金被覆層及Sn或Sn合金被覆層之連接元件用銅板材，其在對連接時滑動力方向為平行方向之算術平均粗糙度Ra為0.5μm以上且4.0μm以下，相同方向的凹凸的平均間隔RSm為0.01mm以上0.3mm以下，歪斜度(skewness)Rsk為小於0，突出山部高度Rpk為1μm以下(例如，參照專利文獻3)。但是，前述連接元件用導電材料及前述連接元件用銅板材，任一者均是隨著連接元件之間重複地進行滑動，致使在連接部之接觸電阻有上升之可能性。
因此，近年來，期待開發一種摩擦係數較小且即便連接元件重複地進行微滑動時，亦能夠抑制接觸電阻上升之連接元件用材料。
【先前技術文獻】 【專利文獻】
[專利文獻1]日本特開2004-300489號公報
[專利文獻2]日本特開2007-258156號公報
[專利文獻3]日本特開2011-204617號公報
本發明係鑒於前述先前技術而進行者，其課題係提供一種使用作為連接元件的素材之連接元件用材料，其摩擦係數較小且即便連接元件重複地進行微滑動時，亦能夠抑制接觸電阻的上升。
本發明係
(1)一種連接元件用材料，使用作為連接元件的素材，其特徵在於：使用在金屬板表面形成鍍Ni層，且在該鍍Ni層表面之至少一方向的表面的粗糙度介面(roughness motif)之平均深度R為1.0μm以上之鍍Ni金屬板，在該鍍Ni金屬板的鍍Ni層上係形成有厚度為0.3~5μm的鍍Sn層。
(2)如前述(1)所述之連接元件用材料，其中在與鍍Ni金屬板所形成之鍍Ni層表面的粗糙度介面的平均深度R相同方向之鍍Ni層表面的凹凸的平均間隔RSm，係大於0μm且200μm以下。
又，在本說明書，在本發明的連接元件用材料所使用的母材為金屬板，在該金屬板上形成鍍Ni層且具有預定粗糙度介面的平均深度R者為鍍Ni金屬板，在鍍Ni金屬板形成有預定厚度的鍍Sn層者為連接元件用材料。
依照本發明，能夠提供一種摩擦係數較小且即便連接元件重複地進行微滑動時，亦能夠抑制接觸電阻上升之連接元件用材料。
本發明的連接元件用材料，係如前述被使用作為連接元件的素材之連接元件用材料，其特徵在於：在金屬板的 表面形成鍍Ni層，且在該鍍Ni層表面之至少一方向的表面的粗糙度介面的平均深度R為1.0μm以上之鍍Ni金屬板，在該鍍Ni金屬板的鍍Ni層上係形成有厚度為0.3~5μm的鍍Sn層。
作為金屬板，例如，可舉出不鏽鋼板、銅板、銅合金板等，但是本發明係不被限定為只有此種例示。該等金屬板之中，從減小摩擦係數且即便連接元件重複地進行微滑動時亦可抑制接觸電阻上升的觀點而言，係以不鏽鋼板為佳。因而，在本發明係能夠適合使用不鏽鋼板作為連接元件用材料的母材。
作為不鏽鋼板，例如，可舉出在JIS所規定之SUS301、SUS304、SUS316等的沃斯田鐵(austenite)系不鏽鋼板；SUS430、SUS430LX、SUS444等的肥粒鐵系不鏽鋼板；SUS410、SUS420等的麻田散鐵(martensite)系不鏽鋼板等，但是本發明係不被限定為只有此種例示。
金屬板的板厚、長度及寬度，係任一者均沒有特別限定，以按照金屬板的種類、製造規模等而適當地設定為佳。例如，使用不鏽鋼板作為金屬板時，其板厚係通常以50μm~0.5mm左右為佳。
在鍍Ni金屬板之形成有鍍Ni層的面之至少一方向的表面，其粗糙度介面的平均深度R係1.0μm以上。滿足該必要條件之本發明的連接元件用材料，重複微滑動時亦能夠抑制接觸電阻上升，依推斷認為是基於連接元件之間微滑動時，即便在接觸點之鍍Sn層因塑性流動而被除去，但是Sn係殘留在形成有鍍Ni層之金屬板的表面之凹部內。如此，因為 藉由在凹部內殘留的Sn提升滑動時的潤滑性，而能夠防止在其下層所存在的鍍Ni層因微滑動而被磨耗，所以能夠防止金屬板露出且能夠抑制因金屬板的氧化致使接觸電阻上升。而且認為因為即便重複微滑動，在前述凹部所殘留的Sn係作為導電路徑之功能，所以能夠維持初期的接觸電阻。
又，所謂「至少一方向」，係意味著該金屬板的長度方向(輥軋方向)及對該長度方向(輥軋方向)為直角的方向(寬度方向)之中的至少一方向。
在鍍Ni金屬板所形成之鍍Ni層的表面的粗糙度介面的平均深度R，係意味著在ISO12085規定之粗糙度介面的平均深度R。粗糙度介面的平均深度R係例如能夠藉由使用(股)東京精密製的接觸式粗糙度計(商品名：SURFCOM 1400B)且依據ISO12085而測定。在本發明，前述金屬板表面的粗糙度介面的平均深度R，係使用(股)東京精密製的接觸式粗糙度計(商品名：SURFCOM 1400B)而測得之值。
從即便因鍍Sn層滑動引起塑性流動而被除去，Sn層亦殘留在該面的凹部，且即便連接元件重複地進行微滑動時，亦可抑制接觸電阻變高的觀點而言，在鍍Ni金屬板形成之鍍Ni層表面的粗糙度介面的平均深度R為1.0μm以上，較佳為1.1μm以上，因為粗糙度介面的平均深度R為較深時，其製造有變為困難之傾向，所以較佳為8μm以下。
又，在與鍍Ni金屬板所形成之鍍Ni層表面的粗糙度介面的平均深度R相同方向之鍍Ni層表面的凹凸的平均間隔RSm，係與前述同樣地，從能夠得到即便因鍍Sn層滑動 引起塑性流動而被除去，Sn層亦殘留在該面的凹部，摩擦係數較小且即便連接元件重複地進行微滑動時，亦可抑制接觸電阻上升之連接元件用材料的觀點而言，其下限值係以大於0μm為佳，以0.005μm以上為較佳，0.01μm以上為又較佳，以10μm以上為更佳，以30μm以上為又更佳，以50μm以上為特佳，其上限值係以200μm以下為佳，以150μm以下為較佳，以100μm以下為更佳。
在鍍Ni金屬板所形成之鍍Ni層表面的凹凸的平均間隔RSm，係意味著在JIS B0601-1994所規定之凹凸的平均間隔RSm。凹凸的平均間隔RSm，係例如能夠藉由使用(股)東京精密製的接觸式粗糙度計(商品名：SURFCOM 1400B)且依據JIS B0601-1994而測定。在本發明，在鍍Ni金屬板所形成之鍍Ni層表面的凹凸的平均間隔RSm，係使用(股)東京精密製的接觸式粗糙度計(商品名：SURFCOM 1400B)而測得之值。
在鍍Ni金屬板所形成之鍍Ni層表面的粗糙度介面的平均深度R及凹凸的平均間隔RSm，係任一者均例如藉由使用表面經粗面化的工作輥(working roll)、研磨帶等使表面粗面化之構件而使其粗面化且施行鍍Ni，而能夠容易地調整。使金屬板的表面粗面化之後，為了將研磨屑等的殘留物從其表面除去，亦可依照必要使用溶劑且藉由超音波洗淨等將該金屬板洗淨。金屬板亦可依照必要而在施行鍍Ni之前，施行脫脂及酸洗之前處理。
金屬板的鍍Ni係能夠藉由電鍍法及無電解鍍覆法的任一種鍍覆法來進行。作為電鍍法，例如可舉出使用全硫酸 鹽浴之電鍍法；使用瓦特浴之電鍍法；及使用胺基磺酸浴之電鍍法等，但是本發明係不被限定為只有此種例示。
從沿著在金屬板的表面所形成的凹凸而形成鍍Ni層之觀點而言，在金屬板上所形成的鍍Ni層之厚度為0.3μm以上，從形成Sn殘留用的凹部之觀點而言為5μm以下，以4μm以下為佳，較佳為3μm以下。
其次，藉由在使鍍Ni層形成在金屬板上而得到的鍍Ni金屬板的鍍Ni層上，施行鍍Sn而使鍍Sn層形成。鍍Sn係能夠藉由電鍍法及無電解鍍覆法的任一種鍍覆法來進行。作為電鍍法，例如可舉出使用甲磺酸浴、酚磺酸(phenol sulfonic acid)浴、鹵素浴等的鍍Sn浴之電鍍法等，但是本發明係不被限定為只有此種例示。
從在鍍Ni金屬板所形成的鍍Ni層之凹部，因滑動引起塑性流動而被除去後的Sn係充分地殘留之觀點而言，在鍍Ni層上所形成的鍍Sn層之厚度為0.3μm以上，因為該鍍Sn層太厚時，因滑動而形成Sn的氧化物層且接觸電阻上升，從抑制該接觸電阻上升之觀點而言，係以5μm以下為佳。
藉由如以上進行，在鍍Ni金屬板的鍍Ni層上形成鍍Sn層而得到之本發明連接元件用材料，係摩擦係數較小且即便連接元件重複地進行微滑動時亦能夠抑制接觸電阻上升。
[實施例]
其次，基於實施例而更詳細地說明本發明，本發明係不被限定為只有此種實施例。
實施例1~9及比較例1~5
使用不鏽鋼板(SUS430)作為為母材，藉由使用經粗面化的工作輥或研磨帶而對不鏽鋼板的表面適當地進行粗糙化處理，來得到具有各種表面粗糙度之板厚為0.2mm的不鏽鋼板。
將前述所得到的不鏽鋼板的粗糙度介面平均深度R及凹凸的平均間隔RSm，基於以下的方法而測定。將其結果各自顯示在表1的「介面深度R」及「平均間隔RSm」之欄。
[粗糙度介面平均深度R及凹凸的平均間隔RSm之測定方法]
從不鏽鋼板切取縱向50mm、縱向50mm大小的試片，使用丙酮而對試片施行超音波洗淨之後，使用接觸式粗糙度計[(股)東京精密製、商品名：SURFCOM 1400B]且依據ISO12085而測定試片的粗糙度介面平均深度R，依據JIS B0601-1994而測得凹凸的平均間隔RSm。
又，將求取粗糙度介面時之粗糙度介面的上限長度設為0.5mm。粗糙度介面平均深度R及凹凸的平均間隔RSm，係各自在對各試片的輥軋方向為垂直的方向測定3次且求取其測定值的平均值。
其次，使用常用的方法對各試片進行鹼脫脂及酸洗處理之後，在以下顯示的條件下，藉由對各試片施行觸擊鍍Ni及鍍Ni，而使試片形成鍍Ni層。與前述同樣地進行而測定形成有鍍Ni層之試片的粗糙度介面平均深度R及凹凸的平均間隔RSm。將其結果顯示在表1。隨後，藉由在以下顯示的條件下對形成有鍍Ni層之試片的鍍Ni層上施行鍍Sn，而得到 形成有表1所顯示厚度的鍍Sn層之試片。
[觸擊鍍Ni的條件]
．鍍Ni液(觸擊浴)：氯化鎳240g/L、鹽酸125mL/L(pH：1.2)
．鍍覆液的液溫：35℃
．電流密度：8A/dm2
(鍍Ni的條件)
．鍍Ni液(瓦特浴)：硫酸鎳300g/L、氯化鎳45g/L、硼酸35g/L(PH：3.9)
．鍍覆液的液溫：50℃
．電流密度：8A/dm2
[鍍Sn的條件]
．鍍Sn液[上村工業(股)製、製品名：TYNADES GHS-51](Sn2+50g/L、游離酸120mL/L)(PH：0.2)
．陽極：Sn板
．液溫：35℃
．電流密度：10A/dm2
又，基於以下的方法而測定鍍Ni層的厚度及鍍Sn層的厚度。將其結果顯示在表1。
[鍍Ni層的厚度及鍍Sn層的厚度之測定方法]
鍍Ni層的厚度及鍍Sn層的厚度，係任一者均是使用電解式鍍覆厚度測定器[(股)中央製作所製]且基於JIS H8501所規定的「電解式試驗法」而測定。
其次，作為前述所得到之形成有鍍Sn層之試片的 特性，係基於以下的方法而調查微滑動磨耗試驗中的最大接觸電阻及摩擦係數。將其結果顯示在表1。
[微滑動磨耗試驗中的最大接觸電阻]
模擬在嵌合型連接元件之電接點部，使用(股)山崎精機研究所製造的滑動試驗機而進行評價材料之間的微滑動部的接觸電阻之變化。
首先，將從形成有鍍Sn層之試片所切取的板狀試片(陽試片)固定在水平的試驗台，在其上放置從與形成有前述鍍Sn層之試片相同試片所切取的半球加工材(內徑：1.5mm、陰試片)，且使鍍覆層之間接觸。隨後，使用彈簧對陰試片施加2.0N的荷重而按壓陽試片，且在陽試片與陰試片之間施加定電流，而且使用步進馬達使陽試片在水平方向滑動(滑動距離：50μm、滑動頻率：1.0Hz)，藉由四端子法且在釋放電壓20mV、電流10mA的條件下測定至滑動次數2000次為止之最大接觸電阻。又，將至滑動次數2000次為止的最大接觸電阻為100mΩ以下設為合格基準。
[摩擦係數]
從形成有鍍Sn層之試片，切取縱向40mm、橫向40mm大小的試片，使用直徑10mm的不鏽鋼球，且藉由摩擦磨耗試驗機[(股)Rhesca製]來測定荷重4N、半徑7.5mm、旋轉速度12.7rpm、50旋轉後的動摩擦係數。又，將動摩擦係數為0.3以下設為合格基準。
實施例10
在實施例1，除了將鍍Ni的條件變更成為以下的條件下以 外，係與實施例1同樣地進行而製成形成有鍍Sn層之試片。
[鍍Ni的條件]
．鍍Ni液(瓦特浴+光澤劑)：硫酸鎳300g/L、氯化鎳45g/L、硼酸35g/L(PH：3.9)、糖精鈉2g/L、2-丁炔-1,4-二醇0.2g/L
．鍍覆液的液溫：50℃
．電流密度：8A/dm2
其次，作為前述所得到之形成有鍍Sn層之試片的特性，與前述同樣地進行而調查微滑動磨耗試驗的最大接觸電阻及摩擦係數。將其結果顯示在表1。
實施例11
在實施例1，除了使用銅合金板((股)神戶製鋼所製、產品號碼：CAC60、板厚：0.2mm)來代替不鏽鋼板以外，係與實施例1同樣地進行而製成形成有鍍Sn層之試片。
其次，作為前述所得到之形成有鍍Sn層之試片的特性，係與前述同樣地進行而調查微滑動磨耗試驗的最大接觸電阻及摩擦係數。將其結果顯示在表1。
比較例6
在實施例1，除了將鍍Ni的條件變更成為以下的條件下以外，係與實施例1同樣地進行而製成形成有鍍Sn層之試片。
[鍍Ni的條件]
．鍍Ni腋(瓦特浴)：硫酸鎳300g/L、氯化鎳45g/L、硼酸35g/L(PH：3.9)
．鍍覆液的液溫：50℃
．電流密度：2A/dm2
其次，作為前述所得到之形成有鍍Sn層之試片的特性，與前述同樣地進行而調查微滑動磨耗試驗的最大接觸電阻及摩擦係數。將其結果顯示在表1。
比較例7
在實施例1，除了將鍍Ni的條件變更成為以下的條件下以外，係與實施例1同樣地進行而製成形成有鍍Sn層之試片。
[鍍Ni的條件]
．鍍Ni液(氯化物浴)：氯化鎳300g/L、硼酸35g/L(PH：3.9)。鍍覆液的液溫：50℃
．電流密度：2A/dm2
其次，作為前述所得到之形成有鍍Sn層之試片的特性，係與前述同樣地進行而調查微滑動磨耗試驗的最大接觸電阻及摩擦係數。將其結果顯示在表1。
比較例8
使用銅合金板(板厚：0.2mm)代替不鏽鋼板，藉由將依據特開2011-204617號公報所記載的方法且以一定的間距形成有精細的凹凸之模具，按壓接觸表面而進行粗面化處理，來得到具有凹凸形狀之銅合金板。前述同樣地進行而測定所得到之具有凹凸形狀之銅合金板的粗糙度介面平均深度R及凹凸的平均間隔RSm。將其結果顯示在表1。
其次，在以下的鍍Cu條件下對前述所得到之具有凹凸形狀的銅合金板施行鍍Cu之後，藉由與實施例1同樣地進行而施行鍍Sn，而製成形成有鍍Sn層之試片。隨後，在280℃的溫度下，對前述所得到之形成有鍍Sn層之試片施行回流 處理10秒鐘。
[鍍Cu條件]
．Cu鍍覆液(硫酸銅鍍覆浴)：硫酸銅200g/L、硫酸45g/L
．鍍覆液的液溫：30℃
．電流密度：15A/dm2
．鍍Cu的膜厚：0.15μm
又，該銅合金板不是在其表面形成鍍Ni層，而是在其表面形成鍍Cu層者。因而，在表1的鍍Ni金屬板之欄係記載為鍍Cu層的厚度、形成有鍍Cu層之金屬板表面的介面深度R及鍍Cu層表面的平均間隔RSm。
其次，作為前述所得到之形成有鍍Sn層之試片的特性，與前述同樣地進行而調查微滑動磨耗試驗的最大接觸電阻及摩擦係數。將其結果顯示在表1。
從表1所顯示的結果，得知在各實施例所得到的試片，係任一者均是摩擦係數較小且即便連接元件重複地進行微滑動時，亦能夠抑制最大接觸電阻上升。得知因為實施例11所得到的試片，係使用比不鏽鋼更柔軟的銅合金板作為母材，所以相較於實施例1~10所得到的試片，摩擦係數及最大接觸電阻係稍微較高。
相對於此，各比較例所得到的試片，係任一者均是摩擦係數較大且連接元件重複地進行微滑動時，最大接觸電阻上升。又，比較例1~3、比較例6及比較例7所得到的試片，因為形成鍍Ni層之後的粗糙度介面平均深度R較淺，Sn不殘留在鍍Ni層的凹部，鍍Ni層磨耗且母材的金屬板磨耗之緣故，所以最大接觸電阻變高。因為在比較例4所得到的試片，雖然Sn係殘留在鍍Ni層的凹部，但是不具有充分厚度的鍍Sn層，所以最大接觸電阻上升。又，比較例5所得到的試片，雖然Sn係殘留在鍍Ni層的凹部，但是鍍Sn層較厚之緣故，所以因微滑動而形成Sn氧化物，致使最大接觸電阻上升。
又，先前的比較例8所得到的試片，因為使用較軟的銅合金板作為母材，硬而脆的薄膜之CuSn合金層係容易被削掉，而且在CuSn合金層被削掉之後，摩擦係數變高。因為在CuSn合金被削掉之後，滑動次數増加時銅合金板產生磨耗，致使最大接觸電阻上升。
產業上之可利用性
本發明的連接元件用材料，係例如能夠期待使用在電氣機器、電子機器等所使用的連接器、導線框架、線束插 頭等的電接點元件等。

Claims (1)

  1. 一種連接元件用材料，係用於作為連接元件的素材，其特徵在於：使用一鍍Ni金屬板，該鍍Ni金屬板在金屬板表面形成有鍍Ni層，且在該鍍Ni層表面之至少一方向的表面的粗糙度介面(roughness motif)之平均深度R為1.0μm以上，且在與該鍍Ni層表面的粗糙度介面的平均深度R為相同方向之鍍Ni層表面的凹凸的平均間隔RSm係大於0μm且200μm以下；且在該鍍Ni金屬板的鍍Ni層上係形成有厚度為0.3~5μm的鍍Sn層。
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