WO2017126283A1 - 車載用電子モジュール、カードエッジコネクタ、およびコネクタ - Google Patents

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良一 梶原
利昭 石井
勝 鴨志田
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Definitions

  • the present invention provides a circuit board on which electronic components are mounted, a protective member composed of a resin and a metal that shields and protects the circuit board from outside air, and is exposed from the protective member and electrically connected to an external electric circuit.
  • the present invention relates to an in-vehicle electronic module having a substrate terminal, a card edge connector connected to the substrate terminal, and a connection structure thereof.
  • an electronic device is composed of a circuit board on which electronic components are mounted, and a housing that houses the circuit board.
  • the housing includes a card edge connector that connects the board connection terminal of the circuit board and an external wire harness.
  • a card edge connector board having a structure having a connector housing space for housing and fixing and a circuit board housing space, and an end portion of the circuit board on which board connection terminals are formed protrudes from the board housing space to the connector housing space.
  • a structure is described in which the connector terminal and the board connection terminal are connected to each other by a spring mechanism on the connector side by being inserted into the insertion space.
  • the material of the connector terminal includes an example of Ni / Au plating on phosphor bronze, but there is no description regarding the material of the board connection terminal.
  • Patent Document 2 JP-A-2006-9126 (Patent Document 2) regarding a board connection terminal material of a circuit board connected by a card edge connector.
  • a 0.2-2.0 ⁇ m lead-free solder plating layer is formed on the wiring circuit of the connector fitting portion of the FPC board, and the wiring circuit of the component mounting portion of the FPC board has wettability due to the growth of CuSn intermetallic compound.
  • a lead-free solder plating layer with a thickness of 2.0 ⁇ m or more is formed in order to prevent deterioration of the lead, and the lead-free solder plating layer is heat-treated at 140 to 180 ° C for 1 hour or at a temperature above the solder melting point for 0.1 second or more.
  • An applied FPC board is described. In the connector fitting portion of the FPC board, an effect is described in which whiskers growing from a portion where the connector terminal is brought into contact can be suppressed.
  • Patent Document 3 JP-A-2014-139345 (Patent Document 3) regarding a surface treatment plating material for contact terminals.
  • This publication describes a structure in which a lower layer made of Ni or a Ni alloy and an upper layer made of an alloy plating containing Sn are sequentially formed on a metal substrate.
  • As an upper layer alloy Sn or Sn is described.
  • An alloy composed of + In and one or more selected from the group consisting of Ag, Au, Pd, Pt, Ru, Rh, Os, and Ir is described.
  • whisker generation is suppressed, solder wettability after high temperature exposure, and low contact resistance. It is described that a low insertion force of the connector can be obtained.
  • JP-A-2015-45042 discloses a lower layer composed of one or more selected from the group A constituent elements of Ni, Cr, Mn, Fe, Co, and Cu; Consists of one or two of the B and B element groups of Sn and In and one or more selected from the C group of element elements of Ag, Au, Pd, Pt, Ru, Rh, Os, and Ir Thickness of 0.01 ⁇ m or more composed of an upper layer of thickness 0.02 ⁇ m or more and less than 1.0 ⁇ m, one or more selected from the A constituent element group and one or two selected from the B constituent element group A middle layer of less than 0.4 ⁇ m or a middle layer having a thickness of 0.01 ⁇ m or more and less than 0.4 ⁇ m composed of one or more selected from the group consisting of C constituent elements.
  • Each layer is formed in order, and a structure having a treatment layer containing one or more selected from the group consisting of O, C, S, P, and N is described on the upper layer, and has a low whisker property and low adhesive wear. (Low insertion / extraction), strong durability even in corrosive environments And it can provide a metal material for electronic component having a connector terminal or FFC, application to the FPC terminal is described.
  • the card edge connector inserts the circuit board end of the electronic module into the board insertion space of the female connector, sandwiches the board connection terminal with a connector terminal having a spring mechanism built into the female connector, and mechanically contacts both terminals. This is a connector that obtains electrical continuity.
  • Patent Document 1 in the structure of a card edge connector in which wiring at the end of a circuit board is inserted into a female connector as a connection terminal to obtain an electrical connection, the tolerance when the connector housing is mounted on a housing housing the circuit board is taken into account. It is said that a mechanism to prevent the rattling is provided, and the relative movement between the connector and the circuit board is suppressed, and 2) the problem of resistance increase due to sliding wear is taken as a countermeasure. Certainly, it is possible to prevent the plating layer from being peeled off due to a large sliding motion such as structural rattling or the short circuit failure due to the stripped plating scraps.
  • Ni / Au plating is exemplified as a material for the contact surface, and long-term reliability is obtained.
  • Ni / Au plating on connector terminals and circuit board wiring is expensive, and no consideration is given to cost reduction of members.
  • solder plating is selected as a surface treatment that reduces the contact resistance between the connector and wiring, eliminates continuity failure, and keeps costs low, and thin lead of 0.5 to 2.0 ⁇ m on the terminal part of the FPC Free solder plating can be used to prevent corrosion and to prevent whisker generation at the connector mating part.
  • a lead-free solder plating layer of 2.0 ⁇ m or more can be formed on the wiring circuit of the component mounting part to ensure solder wettability.
  • the contact resistance of the contact is small, for example, 10 m ⁇ or less under high temperature, high temperature and high humidity, or in a temperature cycle environment with a large temperature difference, such as in an automobile engine room. Difficult to hold for a long time.
  • the formation of a lead-free solder film by plating has a problem in that the cost of the plating solution management and waste liquid treatment is high, and the process cost cannot be reduced.
  • Patent Document 3 an alloy layer with 0.02 to 0.5 ⁇ m thick noble metal containing Sn is formed on the surface layer, and then surface treatment is performed with a liquid containing P to suppress whisker generation, ensuring solder wettability and low contact. It is described that resistance and low insertion force of the connector can be obtained, and it may be used for both the male terminal and the female terminal of the connector, or may be used for only one of them. However, there is no mention of the material of the other party when it is used on only one side. In our study, if the other side of the connector is a circuit board connection terminal and the connection terminal metallization is made of a material in which Cu wiring is coated with inexpensive Sn solder, Cu will appear on the surface of the connection terminal for a long time.
  • Patent Document 4 the thickness of the alloy layer with the noble metal containing Sn in the upper layer is described as 0.02 to 1.0 ⁇ m, the noble metal layer as 0.01 to 0.4 ⁇ m as the middle layer, and the metal layer such as Ni as the lower layer.
  • its use is the same as that of Patent Document 3, and when it is used as a card edge connector of an in-vehicle electronic module, it has the same problem as Patent Document 3 regarding reliability.
  • the connector terminal is manufactured by press-molding from the copper strip on which the metallized layer is formed, the upper layer of Sn and a noble metal alloy is hard, so a large number of crack defects occur on the surface of the convex contact portion, and the long term There is a problem that reliability cannot be obtained. If the connector terminal is metallized after press forming, the problem of crack defects is eliminated, but there is a problem that the manufacturing cost is increased.
  • the reliability that the connector connection part of the in-vehicle electronic module should have includes high temperature resistance, high temperature and high humidity resistance, temperature cycle resistance, mechanical vibration resistance, resistance in a complex environment, and electrical operation. Even when placed in various harsh environments such as resistance to the environment, the contact electrical resistance of the connection portion does not increase greatly. At the same time, another problem required for the in-vehicle electronic module is how to reduce the cost of the members used and the manufacturing process.
  • the object of the present invention is to increase the electrical resistance of the connector connecting portion over a long period of time even if it is placed in the severe environment assumed in the engine room without applying expensive Au plating to the circuit board or the connector part. It is an object to provide an in-vehicle electronic module, a card edge connector, and a connection structure thereof that are inexpensive and have high electrical connection reliability.
  • the present inventors made one terminal surface a soft noble metal surface such as Ag.
  • the noble metal facing the other terminal surface and the low melting point alloy layer containing Ag which does not form a brittle intermetallic compound as a main component, and has a predetermined thickness, is a harsh environment required in the automotive field. It has been found that high reliability can be obtained.
  • one terminal surface is made of noble metal Au
  • the other terminal surface is a low melting point alloy layer containing Sn as a main component and containing Ag
  • the AuSn intermetallic compound that is brittle under the use environment conditions of automobiles It was also confirmed that the contact resistance increased.
  • a low melting point alloy layer containing Sn as a main component and containing Ag is formed as thin as about 1 ⁇ m on Cu
  • the other terminal surface is a noble metal such as Ag
  • the CuSn intermetallic compound is rapidly released. It was confirmed that resistance increased in a relatively short time. That is, it has been found that the combination of metal species on the surfaces in contact with each other and the thickness of the layer of the metal species greatly affect the long-term reliability.
  • Ni / Au plating and Ag plating are known to provide high reliability, but they are expensive and one terminal surface is made of an inexpensive Sn-based low melting point alloy. It has been found that, if configured, an increase in cost can be suppressed and sufficient reliability can be obtained.
  • the in-vehicle electronic module of the present invention completed based on the above knowledge includes a circuit board on which electronic components are mounted, a metal case that houses the circuit board and protects it from the surrounding environment, and a box-type case or metal having an internal space.
  • the connection terminal to be obtained has a structure in which a surface of the substrate end portion has a structure in which a solder layer containing Sn as a main component and containing Ag is formed on the outermost surface of the Cu wiring with an average thickness of 4 ⁇ m or more.
  • the card edge connector that obtains electrical connection by fitting one end of the board is composed of a core material of the connector connection terminal made of Cu alloy having excellent spring characteristics, and the outermost surface of the contact portion is made of Ag,
  • the first selected from Pd and Pt It has a multi-layer structure in which a metal layer, a second metal layer made of Sn and one or more of Au, Ag, Pd, and Pt, and Sn, and an intermediate layer of one to two layers are formed thereunder,
  • the connector has a structure in which the hardness of the first metal layer of the contact portion is less than 100 Hv and the hardness of the second metal layer therebelow is 100 Hv or more, and the connector structure is connected in this metallized configuration.
  • the surface layer of the Cu wiring at the end of the circuit board protruding into the external space is formed of an AgSn intermetallic compound having a particle size of 1 ⁇ m or more in the Sn-based solder layer. It has a dispersed structure or a structure in which an AgSn intermetallic compound is formed in layers on the surface of the Sn-based solder layer.
  • the core material of the connector connection terminal is made of a Cu alloy having excellent spring characteristics
  • the outermost layer metallization of the contact portion is selected from Ag, Pd, and Pt.
  • a structure in which a first metal layer having a thickness of 1.0 ⁇ m or more and a second metal layer made of Ni or a Ni alloy having a thickness of 1.0 ⁇ m or more are formed below the first metal layer is hard. The thickness is less than 100 Hv, and the hardness of the second metal layer below it is 100 Hv or more.
  • connection terminal is a first metal layer made of a metal selected from the group of Ag, Pd, Pt on the outermost surface of the Cu wiring / Ag, Pd, Pt, Au from the group A layer structure in which a second metal layer composed of a selected metal and Sn and an intermediate layer of one to two layers are formed thereunder, and the total thickness of the first and second metal layers is 1 ⁇ m or more on average
  • the card edge connector that has a structure and obtains an electrical connection by fitting one end of the board,
  • the core material of the connector connection terminal is composed of a
  • the core material of the connector connection terminal is made of a Cu alloy having excellent spring characteristics
  • the outermost layer metallization of the contact portion is made of Sn as a main component and has a thickness of 2.0 ⁇ m containing Ag.
  • the first metal layer made of the above Sn-based solder and the second metal layer made of Ni or Ni alloy with a thickness of 1.0 ⁇ m or more are formed below, and the second metal layer of the contact portion is hard. It is over 100Hv.
  • the metallized structure of the connection terminal at the end of the circuit board is Cu wiring / Ag-containing Sn-based solder with a thickness of 4.0 ⁇ m or more, and the metallized structure of the connector terminal is Cu base / Ni plating / SnAg / Ag.
  • the Sn-based solder layer of the board-side connection terminal is thinned due to creep deformation in a high-temperature environment, and at the same time, Cu diffuses and penetrates into the Sn-based solder, resulting in a CuSn intermetallic compound. Grows from the Cu side.
  • the CuSn intermetallic compound grows up to the outermost surface of the connection terminal depending on temperature and time.
  • the Ag of the connector terminal diffuses into the Sn-based solder of the board side connection terminal at the contact portion to form an AgSn intermetallic compound on the surface layer, and has grown from below Since the CuSn intermetallic compound is prevented from being exposed to the surface and the contact interface between Ag and AgSn intermetallic compound is maintained for a long period of time, low contact resistance can be maintained.
  • the contact resistance increases after a predetermined period of time due to the oxidation of Cu.
  • the thickness of the Sn-based solder layer on the board-side connection terminal is significantly thinner than 4.0 ⁇ m, the CuSn intermetallic compound grows to the surface before the AgSn intermetallic compound is formed, and the formation of the AgSn intermetallic compound This prevents the contact resistance from increasing.
  • Ag is present in the Sn-based solder, the oxidized Sn film on the board side surface is easily broken at the interface between the board side connection terminal and the connector terminal, and the diffusion movement of Ag from the connector side to the board side is likely to occur. effective. For this reason, when Sn is contained in the Sn-based solder, the low resistance is easily maintained for a long period of time, and as the Ag content is increased, the low resistance can be maintained for a longer period of time.
  • the surface of the connector terminal side is a first metal layer selected from the group of Ag, Pd, Pt and a second metal layer composed of a metal selected from the group of Ag, Pd, Pt, Au and Sn below it Due to the formed structure, even if the connector terminal part is molded from the metallized copper strip by pressing, the surface of the protrusion that forms the contact portion of the card edge connector is the first metal layer having excellent ductility. The state of being covered without defects can be maintained, and the connector terminal of the present invention can be easily manufactured.
  • the outermost surface of one of the connection terminals is the first metal selected from the group of Ag, Pd, and Pt.
  • the connection terminal is made of a combination of a structure in which a low melting point alloy with a thickness of 4 ⁇ m or more containing Sn as the main component and containing Ag is formed on Cu, so that the connection part is in a severe environment of high temperature, high humidity, and temperature cycle.
  • connection terminal surfaces Even if it is placed, it is possible to suppress an increase in the electrical resistance of the contact connection part, and one of the connection terminal surfaces does not have to be a precious metal plating member. It can be provided. In addition, it is possible to provide a card edge connector connection structure with high connection reliability over a long period even in a harsh environment.
  • FIG. 1 It is another example of the figure which shows the relationship between the surface material of a circuit board connecting terminal and a connector terminal, a film thickness, and reliability. It is an example of the block diagram of the resin mold type vehicle-mounted electronic module of a card edge connector structure. It is an example of the cross-section figure of the connection part of the circuit board connection terminal of a resin mold type vehicle-mounted electronic module and a card edge connector.
  • FIG. 1 is an example of a configuration diagram of an in-vehicle electronic module having a card edge connector structure.
  • electronic components 6, 7, 8, and 9 are mounted on a circuit board 3 composed of an organic insulating substrate 1 and Cu wiring 2 by soldering.
  • a connection terminal 5 is formed by coating the Cu wiring 2 ′ with Ag-containing Sn-based solder 4.
  • Sn-based solder is supplied by dipping into molten solder after an electronic component is mounted on a circuit board and an insulating member is formed.
  • Organic protective films 17 are formed on the upper and lower surfaces of the electronic component mounting region so as to cover the substrate and the electronic components.
  • the organic protective film is made of a resin having moisture resistance and heat conductivity and excellent heat radiation characteristics.
  • the electronic module case is composed of an Al die-cast metal heat radiating member 11, a resin case 10 for protecting the circuit board from the outside air, and a rear cover 14, and has a connector housing portion 12 for housing and fixing the card edge connector.
  • the space between the connector housing space 20 and the circuit board housing space 19 is blocked by the resin wall 13, and an opening 21 for projecting the connection terminal 5 from the circuit board housing space to the connector housing space is provided.
  • the back of the circuit board is inserted and fixed in a board insertion groove 15 provided in the rear lid 14, and although not shown, the side surface is also fixed with the same structure to improve resistance to mechanical vibration. .
  • the electronic component 9 that generates a large amount of heat is thermally connected to the metal heat radiating member 11 by a high thermal conductive grease 18, and a heat dissipation path is secured.
  • FIG. 2 shows an example of a cross-sectional view of the connection terminal 5.
  • an Sn-based solder 4 containing 3 wt% of Ag is coated on a Cu wiring 2, and a reaction layer 22 of Cu and Sn is formed at the interface.
  • the thickness of the Sn-based solder layer is 3 to 10 ⁇ m, and the thickness of the CuSn reaction layer is about 1 ⁇ m.
  • Ag in the Sn-based solder varies depending on the content, but is present as an AgSn intermetallic compound dispersed almost uniformly in the solder layer.
  • FIG. 3 is an example of a cross-sectional structure of a connection portion when a card edge connector is mounted on the in-vehicle electronic module of FIG.
  • a card edge connector 30 has a plurality of pairs of connector terminals 31 having spring characteristics, and a board insertion space 35 into which a terminal part of a circuit board is inserted is formed.
  • the connector terminal is coupled to a wire harness 34 made of a metal conductor 32 and an insulation coating material 33.
  • the card edge connector is pushed and connected to the resin wall in the connector housing space of the electronic module, and the connection terminal 5 pushed into the board insertion space is mechanically pressed by the force determined by the spring characteristics of the connector terminal. Electrical continuity is ensured.
  • the contact portion between the two is coated with a liquid oil 36 that is thermally and chemically stable.
  • PFPE perfluoropolyether
  • FIG. 4 shows an example of a cross-sectional structure of the contact connection portion between the connector terminal and the connection terminal.
  • the connector terminal 31 has a structure in which an AgSn compound layer 42 is formed on a Cu alloy core 40 having excellent spring characteristics and conductivity via a Ni barrier layer 41, and an Ag layer 43 is formed thereon.
  • the connector terminals are manufactured in the state of copper strip, Ni plating film: 1 ⁇ m / Sn plating film: 0.2 ⁇ m / Ag plating film: 1 ⁇ m plating treatment, heat treatment, Sn layer reacts with Ag, AgSn compound layer
  • the connector terminals are formed by press cutting.
  • the contact portion of the connector terminal is pressed from the back surface and extruded into a convex shape.
  • the Ag-containing Sn-based solder layer of the connection terminal 5 is composed of a soft thick film, it has a structure in which a dent is formed and contacted when the connector terminal is pressed, and the dent increases and contacts with time due to creep deformation. It shows the changing behavior with increasing area.
  • the soft Sn-based solder and the soft Ag film are in close contact.
  • the liquid oil 36 of the protective coating agent acts as a lubricant in the process of inserting the board end into the connector, improves the sliding of both metal surfaces, reduces surface wear, and reduces the board insertion force. do.
  • a coating film is formed with the surface tension of the oil filling the gap at the contact interface and covering the metal surface in the vicinity of the interface, creating a state where the contact interface is shielded from outside moisture and the atmosphere. . Since liquid oil does not affect the contact pressure of the connector terminal, it does not affect the metal contact state between the connector terminal and the connection terminal.
  • the outermost surface of the Cu alloy connector terminal is soft Ag
  • the lower layer is a hard AgSn intermetallic compound
  • the lower barrier layer is Ni
  • the connection terminal of the circuit board contains Ag in the Cu wiring.
  • the structure is made of a thick Sn-based solder, and fluorine liquid oil is applied to the contact interface, so that a small and light card edge connector type electronic module can be installed in a place exposed to harsh environments such as in an engine room. Even in this case, high connection reliability can be secured over a long period of time. As a result, it is possible to reduce the cost of the highly reliable card edge connector type electronic module.
  • the card edge connector has a structure where the contact area is coated with chemically stable fluorine-based oil, and the terminal surface to be connected is made of a combination of soft Ag and Sn-based solder. It is possible to reduce wear damage during sliding and sliding, and with the effect of blocking the contact part from moisture and air, the connector connection part is greatly improved in resistance to high temperature, high humidity, temperature cycle, and mechanical vibration over a long period of time. It can be done.
  • FIG. 5 is an example of a method of forming the connection terminal 5 at the end of the circuit board of FIG.
  • electronic components 6, 7, 8, 9 are mounted on a circuit board 3.
  • the connection terminal 4 forming region at the end of the circuit board is dipped in the molten solder 122 in the solder bath 121 for a short time to wet the Cu wiring 2 and pull it up.
  • a leveling brush 123 that blows off excessively adhered molten solder with an air knife 124 is disposed in the lifting portion, and the thickness of the adhered solder is adjusted.
  • a thick solder layer is formed on the connection terminal portion with high productivity without greatly affecting the mounting area and using expensive equipment on the circuit board on which the electronic component is mounted. Since it can form, the circuit board with a substrate terminal for card edge connector connection can be manufactured at low cost.
  • the thickness of the solder layer can be controlled by adjusting the gap between the leveling brush and the circuit board and the air pressure.
  • Fig. 6 shows the surface material of the connector terminal, the first outermost layer is Ag and the second lower layer is AgSn compound layer, and the low melting point alloy formed on the Cu wiring of the connection terminal is changed.
  • the reliability evaluation result at the time of combining by changing a film thickness is shown.
  • connection reliability evaluation a contact resistance of 10 m ⁇ or less after 2,000 times in a temperature cycle test at -40 ° C./125° C. after 1500 hours at a high temperature of 150 ° C. was judged as “good”.
  • Fig. 7 shows Ag and Sn soldering when the surface material of the connector terminal is Ag / Ni on the first / second layer of the surface and the surface material of one of the board side connection terminals is Ag-containing Sn solder. An evaluation result of connection reliability corresponding to the film thickness is shown.
  • the figure also shows the results when the connector and board connection terminals are Ag / Ag and Au / Au.
  • the substrate cost at that time is also evaluated.
  • the surface material of the connector terminal is Ag / Ni, as in the case of Ag / AgSn, if the Ag layer is thinner than 1.0 ⁇ m, the connection reliability is insufficient, and the Sn-type solder thickness of the board side connection terminal is thinner than 4 ⁇ m. And connection reliability is insufficient.
  • the required reliability is when the Ag of the connector terminal is 1.0 ⁇ m or more and the Sn-type solder thickness of the board side connection terminal is 4 ⁇ m or more.
  • the connector / board terminal material is Ag / Ag or Au / Au, high reliability is obtained even if the surface metallization on the connector side or board side is thin, but the board cost is high and practical. I can't say that.
  • the surface material of the connector terminal is Ag / AgSn layer or Ag / Ni layer
  • the thickness of the layer containing Ag is 1 ⁇ m or more
  • the surface material of the board side connection terminal is Ag containing 4 ⁇ m or more in thickness.
  • the precious metal Ag is used as the surface material on the connector terminal side, and the Sn-containing solder containing Ag is used as the surface material on the board side connection terminal. Even if they are replaced, the same connection reliability is obtained, and the combination is technically satisfactory.
  • a special process such as partial selective plating is required on multiple substrates or individual substrates. is there.
  • thermosetting resin an example of a resin mold type vehicle-mounted electronic module in which a mounting area of a circuit board is sealed with a thermosetting resin
  • FIG. 9 is an example of a cross-sectional structure of an in-vehicle electronic module in which a card edge connector housing sleeve member is assembled to a resin mold type electronic module.
  • electronic components 105, 106, 107, and 108 are mounted by solder bonding on a circuit substrate 103 composed of an organic insulating substrate 101 and a Cu wiring 102, and a high heat conduction member 109 is fixed to the electronic component 108 that generates a large amount of heat.
  • the mounting area of the circuit board is molded with thermosetting sealing resin 110 covering all the electronic components on both the front and back surfaces.
  • connection terminals 104 are formed by dip-coating Ag-containing Sn-based solder on Cu wiring to an average thickness of 6 ⁇ m.
  • a connector housing sleeve member 111 having a function of housing and fixing the card edge connector is formed integrally with the mold resin so as to cover the end portion of the substrate.
  • the connector housing sleeve member is formed by injection molding of a thermoplastic resin after forming the mold and the connection terminal.
  • Reference numeral 112 denotes a connector housing space.
  • FIG. 9 is an example of a cross-sectional structure of a connection portion when a card edge connector is attached to the in-vehicle electronic module of FIG.
  • the card edge connector 115 has a plurality of pairs of connector terminals 116 having spring characteristics, and a board insertion space 119 into which a terminal part of a circuit board is inserted is formed.
  • the connector terminals are coupled to a wire harness 117 made of a metal conductor and an insulating coating material.
  • the surface layer of the connector terminal has a multilayer structure in which the outermost surface is Ag and the AgSn layer is formed thereunder, and the Ni layer is formed thereunder.
  • the card edge connector is pushed into and connected to the connector housing space formed by the connector housing sleeve member of the electronic module, and the connection terminal 104 at the end of the board pushed into the board insertion space has a spring characteristic of the connector terminal. It is mechanically pressed with a determined force to ensure electrical continuity.
  • the contact portion of both is protectively coated with a liquid oil 118 that is thermally and chemically stable.
  • the circuit board of the electronic module is molded with a thermosetting sealing resin, and the horizontal size to be molded is slightly larger than the size of the circuit board excluding the connection terminal forming region at the end of the board. Since the size and the height of the mold are slightly higher than the electronic component mounting height, the case member for protecting the circuit board is not required, and the size of the electronic module main body can be greatly reduced.
  • solder joints of electronic parts are fixed by the shrinkage force of the sealing resin and a compressive stress is applied, the thermal fatigue life of the solder joints is greatly improved, and the circuit board mounting part has high reliability.
  • An in-vehicle electronic module having the above can be provided.
  • a vehicle-mounted electronic module having a connector connection structure with high connection reliability of the card edge connector, a connector, and a connection structure.

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Abstract

非貴金属製の接続端子の接触部には、高温環境や温度サイクルの微摺動摩耗によって、接触界面に酸化膜や高抵抗の摩耗粉を形成して接触抵抗が増加する問題がある。本発明の目的は、過酷環境に曝されても貴金属同士と同等の接続信頼性を有し、部材コストを安価にできる車載用電子モジュールとコネクタ及びその接続構造を提供をすることである。　車載用電子モジュールが電子部品を搭載した回路基板と、回路基板を収納して周囲環境から保護する保護部材とから成り、回路基板の端部の表面層を平均厚さ4μm以上の1Ag含有Sn系はんだとし、一方のカードエッジコネクタの接続端子の表面材質を軟質のAg,Pd,Pt等の貴金属層/硬質の貴金属とSnの反応層またはNi層の2層構造とする。

Description

車載用電子モジュール、カードエッジコネクタ、およびコネクタ
　本発明は、電子部品を搭載した回路基板と、その回路基板を外気と遮断し保護する樹脂及び金属とから構成された保護部材と、保護部材から露出し外部の電気回路と電気的に接続する基板端子とを有する車載用電子モジュールとその基板端子に接続するカードエッジコネクタ及びのその接続構造に関する。
　本技術分野の背景技術として、特開２０１３－１４３２０２号公報（特許文献１）がある。この公報には、電子装置が電子部品を実装した回路基板と、回路基板を収納する筐体とから成り、筐体は回路基板の基板接続端子と外部のワイヤハーネスとを接続するカードエッジコネクタを収容・固定するコネクタ収納空間と回路基板の収納空間とを有する構造を有し、回路基板の基板接続端子が形成された端部が基板収納空間からコネクタ収納空間に突き出され、カードエッジコネクタの基板挿入空間に差し込まれてコネクタ端子と基板接続端子がコネクタ側のバネ機構で接触接続する構造が記載されている。電子装置に作用する振動や外力が加わった場合でも、回路基板とカードエッジコネクタが相対的なズレ等を生じない機構が記載されている。コネクタ端子の材質には、リン青銅にNi/Auめっきした事例が記載されているが、基板接続端子の材質に関する記載は無い。
　一方、カードエッジコネクタで接続する回路基板の基板接続端子材質に関して、特開２００６－９１２６号公報（特許文献２）がある。この公報には、ＦＰＣ基板におけるコネクタ嵌合部の配線回路に0.2～2.0μmの鉛フリーはんだめっき層が形成され、ＦＰＣ基板の部品実装部の配線回路にはCuSn金属間化合物の成長によって濡れ性が低下するのを防ぐために厚さ2.0μm以上の鉛フリーはんだめっき層が形成され、鉛フリーはんだめっき層が140～180℃で1時間あるいははんだ融点以上の温度で0.1秒以上の条件で熱処理が施されたＦＰＣ基板が記載されている。前記ＦＰＣ基板のコネクタ嵌合部では、コネクタ端子を接触させた箇所から成長するウィスカを抑制できる効果が記載されている。
　また、接触端子の表面処理めっき材に関して特開２０１４－１３９３４５号公報（特許文献３）がある。この公報には、金属基材の上にNiまたはNi合金で構成された下層、及びSnを含む合金めっきで構成された上層が順次形成された構造が記載され、上層の合金として、SnまたはSn+InとAg,Au,Pd,Pt,Ru,Rh,Os,Irの構成元素群から選ばれた1種または2種以上とで構成された合金が記載されている。Snを含む合金層の厚さを0.02～0.5μmの範囲で選択し、その表面処理にPを含む液を用いることで、ウィスカ発生の抑制、高温暴露後のはんだの濡れ性、低接触抵抗とコネクタの低挿入力が得られることが記載されている。
　また、特開２０１５―４５０４２号公報（特許文献４）には、Ni,Cr, Mn,Fe,Co,CuのA構成元素群から選ばれた１種または2種以上で構成された下層と、Sn, InのB構成元素群の１種または2種とAg,Au,Pd,Pt,Ru,Rh,Os,IrのC構成元素群から選ばれた1種または2種以上とで構成された厚さ0.02μm以上1.0μm未満の上層と、A構成元素群から選ばれた1種または2種以上とB構成元素群から選ばれた1種または2種とで構成された厚さ0.01μm以上0.4μm未満の中層またはC構成元素群から選ばれた1種または2種以上で構成された厚さ0.01μm以上0.4μm未満の中層とを有し、基材の上に下層、中層、上層の順で各層が形成され、上層の上にO,C,S,P,Nからなる群から選ばれた１種以上を含む処理層を備えた構造が記載され、低ウィスカ性、低凝着摩耗性（低挿抜性）、腐食環境下でも強い耐久性を有する電子部品用金属材料を提供できるとし、コネクタ端子やFFC,FPC端子への応用が記載されている。
特開２０１３－１４３２０２号公報 特開２００６－９１２６号公報 特開２０１４－１３９３４５号公報 特開２０１５－４５０４２号公報
　カードエッジコネクタは、電子モジュールの回路基板端部を雌コネクタの基板挿入空間に差し込み、雌コネクタに組み込まれたバネ機構を有するコネクタ端子で基板の接続端子を挟み込み、両端子を機械的に接触させて電気的導通を得るコネクタである。
　このカードエッジコネクタで長期間安定した電気的導通を得るには、1)長期に渡る接触圧力の保持、2)接触界面における摺動摩耗の抑制、3)接触界面における高電気抵抗異物の混入や高電気抵抗皮膜の形成の抑制が重要である。同時に、車載用電子モジュールやその接続に使われるコネクタ部品では、コストの低減が重要な課題であり、回路基板やコネクタ部品の脱金化が求められている。
　特許文献１においては、回路基板端部の配線を接続端子として雌コネクタに挿入し電気的接続を得るカードエッジコネクタの構造において、回路基板を収納した筐体にコネクタハウジングを装着した時の公差に伴うがたつきを防ぐ機構を設けて、コネクタと回路基板の相対的な動きを抑えることで2)摺動摩耗による抵抗増加の問題を対策したとしている。確かに構造的ながたつき等の大きな摺動運動によって引き起こされるめっき層の剥がれや剥がれためっき屑による短絡不良は防止できる。しかし、温度変動に伴う熱膨張差に起因する微摺動摩耗は、コネクタと回路基板を固定しても防ぐことができない。特許文献１においては、接触面の材質としてNi/Auめっきを例示して長期信頼性が得られるとしている。しかし、コネクタ端子及び回路基板の配線へのNi/Auめっきは高価であり、部材の低コスト化に関して配慮がなされていない。自動車のエンジンルーム内のような過酷環境で使用する場合の長期信頼性に関する記述や、Ni/Au以外の材料で長期信頼性を得る手段や方法に関する言及も無い。
　また、特許文献２においては、コネクタと配線の接触抵抗を低くして導通不良を無くしかつコストを低く抑える表面処理として鉛フリーはんだめっきを選択し、FPCの端子部に0.5～2.0μmの薄い鉛フリーはんだめっきを施して腐食の防止とコネクタ嵌合部のウィスカ発生を抑制し、部品実装部の配線回路には2.0μm以上の鉛フリーはんだめっき層を形成してはんだ濡れ性を確保することが記載されている。しかし、特許文献２の構成ではコネクタ嵌合部の過酷環境下における長期接続信頼性に関して、高温保持における金属間化合物の成長や表面酸化に起因する抵抗増加、温度サイクルに伴う微摺動摩耗によってめっき層が薄肉化し下地材の表出による抵抗増加の課題には言及していない。0.5～2.0μmの薄い鉛フリーはんだめっきを施した端子では、自動車のエンジンルーム内のような高温や高温高湿や温度差の大きい温度サイクル環境下で接点の接触抵抗を例えば10mΩ以下の小さい値に長期間保持することが難しい。また、めっきによる鉛フリーはんだ膜の形成はめっき液の管理や廃液処理に費用が掛かり、プロセスコストを安くできないという問題もある。
　また、特許文献３においては、表層に0.02～0.5μm厚のSnを含む貴金属との合金層を形成後にPを含む液で表面処理してウィスカ発生を抑制し、はんだ濡れ性の確保と低接触抵抗、コネクタの低挿入力が得られることが記載され、コネクタのオス端子とメス端子の両方に用いても良いし片方のみに用いても良いとしている。しかし、片方のみに用いた場合の相手方の材料に関しては言及が無い。我々の検討では、コネクタの相手側を回路基板の接続端子とし、接続端子のメタライズとしてCu配線に安価なSn系はんだをコートした材料とした場合には、接続端子表面にCuが表出して長期の高温環境や温度サイクル環境において接触抵抗が増大してしまうという問題を確認した。また、本文献３では接触抵抗の信頼性評価を155℃-16時間で10mΩ以下や微摺動摩耗100回で100mΩ以下の緩い基準で行っているが、自動車用途ではさらに長期間の信頼性が求められており、特許文献３の材料構成では信頼性が不十分なのである。
　また特許文献４においては、上層のSnを含む貴金属との合金層の厚さとして0.02～1.0μmが記載され、中層として0.01～0.4μmの貴金属層、下層としてNi等の金属層が記載されているが、その用途は特許文献３と同様であり、車載用電子モジュールのカードエッジコネクタとして使う場合、信頼性に関して特許文献3と同じ問題点を抱えている。また、コネクタ端子を前記メタライズ層を形成した銅条からプレス成形して製造する場合、上層のSnと貴金属の合金が硬いため凸状の接触部表面に多数の亀裂欠陥が発生してしまい、長期信頼性が得られないという問題がある。コネクタ端子をプレス成形後にメタライズ処理を施せば、亀裂欠陥の問題は無くなるが、製造コストが高くなるという問題がある。
　車載用電子モジュールのコネクタ接続部が備えるべき信頼性は、高温放置耐性、高温高湿耐性、温度サイクル耐性、機械的振動耐性、それらが複合化された環境での耐性、電気的な動作を伴う環境での耐性など、様々な過酷環境に置かれた場合でも接続部の接触電気抵抗が大きく上昇しないことである。同時に、車載用電子モジュールに要求される他の課題は、使用部材や製造プロセスをいかに低コスト化するかということである。
　本発明の目的は、回路基板やコネクタ部品に高価なAuめっきを施すことなく、エンジンルーム内で想定される過酷環境下に置かれても長期に渡ってコネクタ接続部の電気抵抗が大きく上昇することのない、安価で電気接続信頼性の高い車載用電子モジュールとカードエッジコネクタ及びその接続構造を提供することである。
　本発明者らは、基板側接続端子のメタライズ構成と雌コネクタ端子のメタライズ構成を種々変えたサンプルを試作して長期信頼性を評価した結果、一方の端子面をAgなどの軟質の貴金属面とし、他方の端子面を対面する貴金属と脆い金属間化合物を形成しないSnを主成分としAgを含有する低融点合金層を所定の厚さで形成した構成とすると、自動車分野で要求される厳しい環境においても高い信頼性が得られることを見出したのである。　なお、一方の端子面を貴金属のAuとした場合には、他方の端子面がSnを主成分としAgを含有する低融点合金層であっても、自動車の使用環境条件において脆いAuSn金属間化合物を形成し、接触抵抗が増加することも確認した。また、Cuの上にSnを主成分としAgを含有する低融点合金層を１μm程度と薄く形成した場合には、他方の端子面がAgなどの貴金属であってもCuSn金属間化合物が早期に表出し、比較的短期間に抵抗増加が始まることも確認した。すなわち、互いに接触する面の金属種の組合せと、その金属種の層の厚さが長期信頼性に大きく影響することを見出したのである。従来から知られているNi/Auめっき同士やAgめっき同士の組合せは高い信頼性が得られることが知られているが高コストであり、一方の端子面を安価なSn系の低融点合金で構成するとコストの上昇を抑制でき、十分な信頼性が得られることが判明したのである。
　以上の知見を基に完成した本発明の車載用電子モジュールは、電子部品を搭載した回路基板と、前記回路基板を収納して周囲環境から保護する金属部材と内部空間を有する箱型ケースまたは金属部材と一体的に成型されたモールド樹脂の保護部材と、前記保護部材の前記回路基板収納領域から前記回路基板端部を外部空間に突き出し、基板端部を雌コネクタに挿入して電気的導通を得る接続端子を前記基板端部の表面に有し、前記接続端子がCu配線の最表面にSnを主成分としAgを含有するはんだ層が平均4μm以上の厚さで形成された構造を有しており、一方の前記基板端部を嵌合して電気的接続を得るカードエッジコネクタは、コネクタ接続端子のコア材をバネ特性に優れたＣｕ合金で構成し、接触部の最表面をAg,Pd,Ptの中から選択された第1の金属層、その下にAu,Ag,Pd,Ptのいずれか１種以上の金属とSnから成る第2の金属層、さらにその下に1～2層の中間層を形成した多層構造としており、前記接触部の第１の金属層の硬さを100Hv未満、その下の第2の金属層の硬さを100Hv以上とした構造とし、このメタライズ構成で接続したコネクタ構造とした。
　また、本発明の前記車載用電子モジュールの他の構成では、外部空間に突き出された回路基板端部のCu配線の表面層が、Sn系はんだ層中に粒径1μm以上のAgSn金属間化合物が分散された構造、あるいはSn系はんだ層の表面にAgSn金属間化合物が層状に形成された構造を有している。
　また、本発明の前記カードエッジコネクタの他の構成では、コネクタ接続端子のコア材をバネ特性に優れたCu合金で構成し、接触部の最表層メタライズをAg,Pd,Ptの中から選択された厚さ1.0μm以上の第1の金属層、その下に厚さ1.0μm以上のNiあるいはNi合金から成る第2の金属層を形成した構造とし、前記接触部の第１の金属層の硬さを100Hv未満、その下層の第2の金属層の硬さを100Hv以上としている。
　また、本発明の他の車載用電子モジュールは、電子部品を搭載した回路基板と、前記回路基板を収納して周囲環境から保護する金属部材と内部空間を有する箱型ケースまたは金属部材と一体的に成型されたモールド樹脂の保護部材と、前記保護部材の前記回路基板収納領域から前記回路基板端部を外部空間に突き出し、基板端部を雌コネクタに挿入して電気的導通を得る接続端子を前記基板端部の表面に有し、前記接続端子がCu配線の最表面にAg,Pd,Ptの群から選ばれた金属から成る第1の金属層/ Ag,Pd,Pt,Auの群から選ばれた金属とSnから成る第2の金属層、その下に1～2層の中間層を形成した層構成で、第１及び第2金属層の厚さの合計を平均で1μm以上とした構造とし、一方の前記基板端部を嵌合して電気的接続を得るカードエッジコネクタは、コネクタ接続端子のコア材をバネ特性に優れたCu合金で構成し、接触部の最表層メタライズをSnを主成分としAgを含有する厚さ4.0μm以上のSn系はんだ層で構成した構造とし、このメタライズ構成で接続した構造とした。
　また、前記カードエッジコネクタの他の構成では、コネクタ接続端子のコア材をバネ特性に優れたCu合金で構成し、接触部の最表層メタライズをSnを主成分としAgを含有する厚さ2.0μm以上のSn系はんだから成る第１の金属層、その下に厚さ1.0μm以上のNiあるいはNi合金から成る第2の金属層を形成した構造とし,前記接触部の第2の金属層の硬さを100Hv以上としている。
　回路基板端部の接続端子のメタライズ構成がCu配線/厚さ4.0μm以上のAg含有Sn系はんだで、コネクタ端子のメタライズ構成がCu基材/Niめっき/SnAg/Agで、両者が所定の接触圧力で押してけられた状態で接続した場合、高温環境で基板側接続端子のSn系はんだ層はクリープ変形によって薄肉化が進行し、同時にSn系はんだ中にCuが拡散浸入してCuSn金属間化合物がCu側から成長していく。はんだ中のAgはAgSn金属間化合物として析出しているが部分的でありマトリックスはSnで構成されているため、温度と時間によって接続端子の最表面までCuSn金属間化合物が成長していく。しかし、コネクタ端子の最表面がAgの場合には、接触部でコネクタ端子のAgが基板側接続端子のSn系はんだ中に拡散して表層にAgSn金属間化合物を形成し、下から成長してきたCuSn金属間化合物の表面への露出を防ぎ、AgとAgSn金属間化合物の接触界面を長期間保持するため、低接触抵抗を保つことができるのである。コネクタ端子の最表面がAgSn金属間化合物の場合は、基板側接続端子の表面にAgSn金属間化合物が形成される速度が遅く、基板側ではCuSn金属間化合物が接触界面にも露出する状態となるため、Cuの酸化によって所定期間を過ぎると接触抵抗が増加してしまうのである。
　基板側接続端子のSn系はんだ層の厚さが4.0μmより大幅に薄いと、AgSn金属間化合物が形成される前にCuSn金属間化合物が表面まで成長してしまい、AgSn金属間化合物の形成が妨げられて接触抵抗の増加を抑制できなくなる。また、Sn系はんだ中にAgが存在すると基板側接続端子とコネクタ端子の接触部界面で基板側表面の酸化Sn皮膜が壊れやすくなり、コネクタ側から基板側へのAgの拡散移動を生じ易くする効果がある。このため、Sn系はんだ中にAgが含まれた方が低抵抗を長期間維持し易く、またAg含有量が多いほどより長期間に渡って低抵抗を維持できるのである。
　コネクタ端子側をAg,Pd,Ptの群から選ばれた第1の金属層とその下にAg,Pd,Pt,Auの群から選ばれた金属とSnから成る第2の金属層を表面に形成した構造としたことにより、コネクタ端子部品を前記メタライズ構成の銅条からプレス加工で成形しても、カードエッジコネクタの接触部を形成する突起部表面が、延性に優れる第1の金属層で欠陥なく覆われた状態を保つことができ、本発明のコネクタ端子を容易に製造できるのである。
　以上詳述したように、雌コネクタに基板端部を挿入して電気的導通を得るコネクタ接続構造において、一方の接続端子の最表面をAg,Pd,Ptの群から選ばれた第１の金属層/その下にAg,Au,Pd,Ptの群から選ばれた1種または2種以上の金属とSnとの金属間化合物からなる第2の金属層の2層を有する構造とし、他方の接続端子をCuの上にSnを主成分としAgを含有する厚さ4μm以上の低融点合金を形成した構造の組合せとしたことにより、接続部が高温・高湿・温度サイクルの厳しい環境下におかれた場合でも接触接続部の電気抵抗の増加を抑制することが可能となり、一方の接続端子面を貴金属めっき部材としなくてもよいため、低コストで接続信頼性の高い車載用電子モジュールを提供できるのである。また、過酷環境下においても長期に渡る接続信頼性の高いカードエッジコネクタの接続構造を提供できるのである。
カードエッジコネクタ構造の車載用電子モジュールの構成図の例である。 車載用電子モジュールの回路基板に形成された接続端子の断面図の例である。 車載用電子モジュールの回路基板接続端子とカードエッジコネクタの接続部の断面構造図の例である。 回路基板の接続端子とコネクタ端子の接触接続部の断面図の例である。 回路基板端部のCu配線に接続端子を形成する方法の例である。 回路基板接続端子とコネクタ端子の表面材質や膜厚と信頼性の関係を示す図の例である。 回路基板接続端子とコネクタ端子の表面材質や膜厚と信頼性の関係を示す図の他の例である。 カードエッジコネクタ構造の樹脂モールド型車載用電子モジュールの構成図の例である。 樹脂モールド型車載用電子モジュールの回路基板接続端子とカードエッジコネクタの接続部の断面構造図の例である。
　以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
　本実施例では、自動車のエンジンルーム内に設置し、エンジンの駆動を適正に制御する電子モジュールの例を説明する。
　図１は、カードエッジコネクタ構造を有する車載用電子モジュールの構成図の例である。図において、有機絶縁基板1とCu配線2から成る回路基板3には、電子部品6,7,8,9がはんだ接合で搭載されている。また基板端部には、Cu配線2’にAg含有Sn系はんだ4 をコートした接続端子5が形成されている。Sn系はんだは、回路基板に電子部品を搭載し絶縁部材を形成した後に、溶融はんだ中へのディップ法によって供給されている。電子部品実装領域の上下面には基板や電子部品を覆うように有機保護膜17が形成されている。有機保護膜は耐湿性と熱伝導性を有し、熱放射特性にも優れた樹脂で構成されている。
　電子モジュールケースは、Alダイキャストの金属放熱部材11と回路基板を外気から保護する樹脂ケース10及び後蓋14から成り、カードエッジコネクタを収容し固定するコネクタ収納部12を有する。コネクタ収容空間20と回路基板収納空間19の間は樹脂璧13で遮断され、回路基板収納空間からコネクタ収容空間に接続端子5を突き出すための開口部21が設けられている。回路基板の後方は、後蓋14に設けられた基板挿入溝15に差し込まれて固定されており、図示していないが側面も同様の構造で固定して機械的振動に対する耐性を向上している。また発熱の大きい電子部品9は、高熱伝導グリース18によって金属放熱部材11と熱的に連結されており、放熱経路が確保されている。
　図２に、接続端子5の断面図の例を示す。図において、Cu配線2の上にAgを3wt%含有するSn系はんだ4がコ－トされ、界面にCuとSnの反応層22が形成されている。Sn系はんだ層の厚さは3～10μmで、CuSn反応層の厚さは約1μmである。Sn系はんだ中のAgは、含有量によっても変わるがAgSn金属間化合物としてはんだ層中にほぼ均等に分散して存在している。
　図３は、図１の車載用電子モジュールにカードエッジコネクタを装着した時の接続部の断面構造の例である。図において、カードエッジコネクタ30はバネ特性を持つ複数対のコネクタ端子31を有しており、回路基板の端子部を挿入する基板差込空間35が形成されている。また、コネクタ端子は金属導体32と絶縁被覆材33から成るワイヤハーネス34に結合されている。カードエッジコネクタは、電子モジュールのコネクタ収納空間の樹脂壁まで押し込まれて接続されており、基板差込空間に押し込まれた接続端子5はコネクタ端子のバネ特性で決まる力で機械的に押し付けられて電気的導通が確保されている。両者の接触部は、熱的及び化学的に安定な液状オイル36で保護コートされている。
　ここではフッ素系のオイルで比較的粘度の大きいパーフルオロポリエーテル(PFPE)を用いている。
　図４に、コネクタ端子と接続端子の接触接続部の断面構造の例を示す。図において、コネクタ端子31はバネ特性と導電性に優れるCu合金コア40にNiバリア層41を介してAgSn化合物層42が形成されその上にAg層43が形成された構成となっている。コネクタ端子の製造は、銅条の状態でNiめっき膜:1μm/Snめっき膜:0.2μm/Agめっき膜: 1μmのめっき処理を行って熱処理を施し、Sn層をAgと反応させてAgSn化合物層に変えておき、プレス切断加工によってコネクタ端子に成形して製造している。コネクタ端子の接触部は、裏面からプレス加工して凸形状に押出して成形している。接続端子5のAg含有Sn系はんだ層は軟質の厚膜で構成されているため、コネクタ端子を押し付けた時点から凹みを生じて接触した構造を採り、凹みはクリープ変形によって時間とともに増大して接触面積が増していく変化挙動を示す。接続端子の接触界面では軟質のSn系はんだと軟質のAg膜が密着した状態となっている。保護コート剤の液状オイル36は、コネクタに基板端部を挿入する工程で潤滑剤の役割を果たし、両金属面の滑りを良くして表面の損耗を減少させると共に基板の挿入力を低減させる働きをする。電子モジュールの使用期間中は、オイルの表面張力によって接触界面の隙間を埋め界面近傍の金属表面を覆う状態でコート膜を形成し、接触界面を外気の水分や大気から遮断した状態をつくっている。なお液状オイルはコネクタ端子の接触圧力に影響を与えることが無いため、コネクタ端子と接続端子の金属接触状態に影響を与えることが無い。
　本実施例によれば、Cu合金のコネクタ端子の最表面を軟質のAg、その下を硬質のAgSn金属間化合物、その下のバリア層をNiとし、回路基板の接続端子をCu配線にAg含有Sn系はんだを厚く形成した構造とし、接触界面にフッ素系の液状オイルを塗布したことにより、小型で軽量のカードエッジコネクタ型電子モジュールをエンジンルーム内のような過酷環境に曝される場所に設置した場合でも、長期に渡って高い接続信頼性を確保できるのである。その結果、高信頼のカードエッジコネクタ型電子モジュールの低コスト化が可能となるのである。
　一方、カードエッジコネクタには貴金属のAgを用いることになるが材料費はAuに比べて安価であり、銅条の状態で必要なメタライズ処理を行えるためプロセスコストが従来と変わらず、高信頼なコネクタのコストアップを低く抑えることが可能となる。また、接触部に化学的に安定なフッ素系オイルをコートした構造としたことと、接続する端子面を軟質のAgとSn系はんだの組合せにしたことにより、コネクタ取り付け時の基板の挿抜力低減や摺動時における摩耗損傷の低減が可能となり、接触部を水分や大気と遮断する効果も加わってコネクタ接続部の長期に渡る高温・高湿・温度サイクル・機械的振動に対する耐性を大幅に向上できるのである。
　図５は、図１の回路基板端部に接続端子5を形成する方法の例である。図において、回路基板3には電子部品6,7,8,9が搭載されている。回路基板端部の接続端子4形成領域を、はんだバス121の中の溶融はんだ122中に短時間浸漬してCu配線2にはんだを濡らして引き上げる。引き上げ部には過剰に付着した溶融はんだをエアナイフ124で吹き飛ばすレベリング用ブラシ123を配置し、付着するはんだ厚さを調整している。
　本実施例によれば、電子部品を実装した回路基板に対して、実装領域に大きな熱的影響を与えることなく、また高価な設備を使用することなく接続端子部に厚いはんだ層を量産性良く形成できるため、カードエッジコネクタ接続用の基板端子付き回路基板を低コストで製造することができる。はんだ層の厚さはレベリング用ブラシと回路基板の間隙やエア圧を調整して制御できる。
　本実施例では、コネクタ端子や基板側接続端子の表面材質や膜厚を変えた場合の信頼性評価結果の例を説明する。
　図６は、コネクタ端子の表面材質として最表面の第１層をAg、その下の第2層をAgSn化合物層とし、接続端子のCu配線上に形成する低融点合金を変え、各メタライズ層の膜厚を変えて組み合わせた場合の信頼性評価結果を示す。接続信頼性評価は、150℃高温放置で1500h後、-40℃/125℃の温度サイクル試験で2000回後の接触抵抗が10mΩ以下のものを合格：○と判定した。
　図から、コネクタ端子表面のAg/AgSn層の厚さが2μmと厚く、基板側接続端子表面のはんだ厚が6μmと厚くても、材質がAgを含まないSn-ZnやSn-Cuはんだでは必要な接続信頼性が得られていない。基板側接続端子表面がAgを含むSn系はんだの場合、コネクタ端子のAg/AgSn層の厚さが0.2μmと薄い場合には基板側はんだ層の厚さが4μmと厚くても必要な信頼性が得られておらず、低Agはんだの場合にはんだ厚が2μm以下ではコネクタ端子のAg/AgSn層厚が2μmと厚くても必要な信頼性が得られていない。必要な信頼性が得られているのは、コネクタ端子のAg/AgSn層の厚さが1μm以上で、Ag含有Sn系はんだの厚さが4μm以上のときである。
　ただし、Sn系はんだのAg含有量が20%と多くなるとはんだ厚さが2μmと薄くても必要な信頼性が得られているが、はんだの液相温度が高くなるためはんだ浴への浸漬によるコートが難しくなるため、プロセスコストが上がってしまう問題がある。
　図７は、コネクタ端子の表面材質として表面の第１/第2層をAg/Niとし、一方の基板側接続端子の表面材質をAg含有Sn系はんだとしたときの、Ag及びSn系はんだの膜厚に対応した接続信頼性の評価結果を示す。
　同図には比較のために、コネクタと基板の各接続端子がAg/Ag及びAu/Auの場合の結果も示している。また、そのときの基板コストも評価している。コネクタ端子の表面材質がAg/Niの場合もAg/AgSnの場合と同様にAg層が1.0μmより薄いと接続信頼性が不十分で、また基板側接続端子のSn系はんだ厚が4μmより薄いと接続信頼性が不十分である。
　必要な信頼性はコネクタ端子のAgが1.0μm以上で基板側接続端子のSn系はんだ厚が4μm以上のときである。なお、コネクタ/基板の端子材質がAg/AgやAu/Auの場合は、コネクタ側や基板側の表面メタライズが薄くても高い信頼性が得られているが、基板コストが高くなり実用的とは言えない。
　本実施例によれば、コネクタ端子の表面材質をAg/AgSn層またはAg/Ni層としてAgを含む層の厚さを1μm以上とし、基板側接続端子の表面材質を厚さ4μm 以上のAg含有Sn系はんだとするとことによって、高温放置と温度サイクルの両方の接続信頼性で良好な結果が得られ、コスト的にも実用性のあるレベルに納まることを確認できた。
　図６や図７の実施例では、　コネクタ端子側の表面材質に貴金属のAgを用い基板側接続端子の表面材質にAg含有Sn系はんだを用いたが、コネクタ側と基板側の接続端子表面材質を入れ替えても接続信頼性は同じ結果が得られ、技術的には問題の無い組合せとなる。ただし、基板側接続端子表面を貴金属のAgとするには、複数枚採りあるいは個片にした基板に部分的な選択めっきを施す等の特殊なプロセスを必要とするため、コストがアップする問題はある。
　また、図６や図７の実施例ではコネクタ端子の表面材質を貴金属のAgの事例で示したが、160℃以下の低温域でSnとの脆い金属間化合物の成長が無いPdやPtを用いてもAgと同様の効果が得られる。
　本実施例では、回路基板の実装領域を熱硬化性樹脂で封止した樹脂モールドタイプの車載用電子モジュールの例を説明する。
　図９は、樹脂モールドタイプの電子モジュールにカードエッジコネクタ収納用スリーブ部材を組付けた車載用電子モジュールの断面構造例である。図において、有機絶縁基板101とCu配線102から成る回路基板103には、電子部品105,106,107,108がはんだ接合で搭載され、発熱量の多い電子部品108には高熱伝導部材109が固着されている。回路基板の実装領域は、表裏両面に熱硬化型の封止樹脂110が全ての電子部品を覆った状態でモールドされている。モールド樹脂から露出した基板端部には、Cu配線にAg含有Sn系はんだを平均6μmの厚さにディップコートした接続端子104が形成されている。そして基板端部を覆うように、カードエッジコネクタを収容し固定する機能を有するコネクタ収納スリーブ部材111がモールド樹脂と一体的に形成されている。コネクタ収納スリーブ部材は、モールド・接続端子形成後に、熱可塑性樹脂の射出成型で作成されている。112はコネクタ収容空間である。
　図９は、図８の車載用電子モジュールにカードエッジコネクタを装着した時の接続部の断面構造の例である。図において、カードエッジコネクタ115はバネ特性を持つ複数対のコネクタ端子116を有しており、回路基板の端子部を挿入する基板差込空間119が形成されている。また、コネクタ端子は金属導体と絶縁被覆材から成るワイヤハーネス117に結合されている。コネクタ端子の表面層は、最表面がAgでその下にAgSn層でその下にNi層が形成された多層構造となっている。
　カードエッジコネクタは、電子モジュールのコネクタ収納スリーブ部材で形成されたコネクタ収納空間に押し込まれて接続されており、基板差込空間に押し込まれた基板端部の接続端子104はコネクタ端子のバネ特性で決まる力で機械的に押し付けられて電気的導通が確保されている。両者の接触部は、熱的及び化学的に安定な液状オイル118で保護コートされている。
　本実施例によれば、電子モジュールの回路基板を熱硬化性封止樹脂でモールドした構造とし、モールドする水平のサイズを基板端部の接続端子形成領域を除いた回路基板のサイズよりわずかに大きいサイズとし、モールドの高さを電子部品搭載高さよりわずかに高い高さとしたことにより、回路基板を保護するケース部材が不要となって電子モジュール本体のサイズの大幅な小型化が図れる。
　また、電子部品のはんだ接合部が封止樹脂の収縮力で固定され圧縮応力が加えられた状態となるため、はんだ接合部の熱疲労寿命が大幅に改善され、回路基板実装部の高い信頼性を有する車載用電子モジュールを提供できる。
　同時に、実施例１の場合と同様に、カードエッジコネクタの接続信頼性の高いコネクタ接続構造を有する車載用電子モジュールとコネクタ及び接続構造を提供できる。
１　有機絶縁基板
２　Cu配線
３　回路基板
４　Ag含有Sn系はんだ
５　接続端子
９　電子部品
１０　樹脂ケース
１１　金属放熱部材
３０　カードエッジコネクタ
３１　コネクタ端子

Claims (15)

  1. 　電子部品を搭載した回路基板と、
    　前記回路基板を収納する保護部材と、を備え、
    　前記回路基板は前記保護部材から外部空間に突き出した基板端部を備え、
    　前記基板端部は、外部雌コネクタに挿入して電気的導通を得るための接続端子を表面に有し、
    　前記接続端子がCu配線の最表面にSnを主成分としAgを含有するはんだ層が形成された構造を有していることを特徴とする車載用電子モジュール。
  2. 　請求項１記載の車載用電子モジュールにおいて、前記はんだ層の平均厚さを4μm以上の厚さに形成していることを特徴とする車載用電子モジュール。
  3. 　請求項１記載の車載用電子モジュールにおいて、前記Cu配線の最表面の前記はんだ層中にAg-Sn金属間化合物が粒径1μm以上のサイズで分散、あるいは前記はんだ層の表面に層状に形成されていることを特徴とする車載用電子モジュール。
  4. 　電子部品を搭載した回路基板と、
    　前記回路基板を収納する保護部材と、を備え、
    　前記回路基板は前記保護部材から外部空間に突き出した基板端部を備え、
    　前記基板端部は、外部雌コネクタに挿入して電気的導通を得るための接続端子を表面に有し、
    　前記接続端子がCu配線の最表面にAg,Pd,Ptの群から選ばれた金属から成る第1の金属層と、Ag,Pd,Pt,Auの群から選ばれた金属とSnから成る第2の金属層の2層が形成された構造を有していることを特徴とする車載用電子モジュール。
  5. 　請求項４記載の車載用電子モジュールにおいて、前記接続端子の構造が、Cu配線/Cu-Sn反応層/Sn層またはSn系はんだ層/Ag,Pd,Ptの群から選ばれた金属とSnから成る第2の金属層/Ag,Pd,Ptの群から選ばれた第１の金属層の多層構造となっていることを特徴とする車載用電子モジュール。
  6. 　請求項４記載の車載用電子モジュールにおいて、Sn層またはSn系はんだ層の上に形成されたAg,Pd,Pt,Auの群から選ばれた金属を含む層の平均厚さが1μm以上となっていることを特徴とする車載用電子モジュール。
  7. 　請求項４記載の車載用電子モジュールにおいて、前記接続端子の最表面の第１の金属層の硬さが100Hv未満、その下層の第2の金属層の硬さが100Hv以上となっていることを特徴とする車載用電子モジュール。
  8. 　電子部品を搭載した回路基板と、
    　前記回路基板を収納する保護部材と、を備え、
    　前記回路基板は前記保護部材から外部空間に突き出した基板端部を備え、
    　前記基板端部は、外部雌コネクタに挿入して電気的導通を得るための接続端子を表面に有し、
    　前記接続端子がCu配線の最表面にAg,Pd,Ptの群から選ばれた金属とSnから成る第1の金属層が、1μm以上の厚さで形成された構造を有していることを特徴とする車載用電子モジュール。
  9. 　請求項８記載の車載用電子モジュールにおいて、前記接続端子の構造が、Cu配線/Cu-Sn反応層/Sn層またはSn系はんだ層/Ag,Pd,Ptの群から選ばれた金属とSnから成る金属間化合物層の構造となっていることを特徴とする車載用電子モジュール。
  10. 　配線基板を外部コネクタに嵌合する構造で機械的接触により電気的導通を得る車載用カードエッジコネクタにおいて、コネクタ接続端子のコア材がＣｕ合金で構成され、接触部の最表面にAg,Pd,Ptの中から選択された第1の金属層、その下にAu,Ag,Pd,Ptのいずれか１種以上の金属とSnから成る第2の金属層が形成された多層構造を有していることを特徴とするカードエッジコネクタ。
  11. 　請求項１０記載のカードエッジコネクタにおいて、前記コネクタ接続端子の接触部の第１の金属層の硬さが100Hv未満、その下層の第2の金属層の硬さが100Hv以上となっていることを特徴とするカードエッジコネクタ。
  12. 　配線基板を外部コネクタに嵌合する構造で機械的接触により電気的導通を得る車載用カードエッジコネクタにおいて、コネクタ接続端子のコア材がCu合金で構成され、接触部の最表層メタライズがAg,Pd,Ptの中から選択された第1の金属層、その下に厚さ1μm以上のNiから成る第2の金属層が形成された構造を有していることを特徴とするカードエッジコネクタ。
  13. 　請求項１２記載のカードエッジコネクタにおいて、前記コネクタ接続端子の第１の金属層の硬さが100Hv未満、その下層の第2の金属層の硬さが100Hv以上となっていることを特徴とするカードエッジコネクタ。
  14. 　配線基板の端部を雌コネクタに差し込んで接触により電気的な導通を得るコネクタにおいて、一方の接続端子のメタライズ構成が最表面にAg,Pd,Ptの群から選ばれた第1の金属層とその下にAu,Ag,Pd,Ptの群から選ばれた１種以上の金属とSnから成る第2の金属層の2層を有しており、他方の接続端子の最表面のメタライズがSnを主成分としAgを含有するSn系はんだから成る層で構成された組合せとなっていることを特徴とするコネクタ。
  15. 　配線基板の端部を雌コネクタに差し込んで接触により電気的な導通を得るコネクタにおいて、一方の接続端子のメタライズ構成が最表面にAg,Pd,Ptの群から選ばれた厚さ1μm以上の第1の金属層とその下に硬さ100Hv以上で厚さ1μm以上のNiまたはNi合金から成る第2の金属層の2層を有しており、他方の接続端子の最表面のメタライズがSnを主成分としAgを含有するSn系はんだから成る層で構成された組合せとなっていることを特徴とするコネクタ。
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