JP2010267418A - コネクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】製造が容易で、電気接続性が安定しており、挿抜性が改善された、オス端子、メス端子を含んで構成される電気電子部品用のコネクタを提供する。
【解決手段】オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されているコネクタ。
【選択図】図3
【解決手段】オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されているコネクタ。
【選択図】図3
Description
本発明は、オス端子、メス端子を含んで構成される電気電子部品用のコネクタに関する。
たとえば、自動車等の電線の接続に用いられるコネクタには、一般に、銅(Cu)合金などの導電性基体(以下、適宜、基体と記す。)上に錫(Sn)、錫合金などの金属被覆層を設けたオス端子とメス端子が使用されている。オス端子およびメス端子は、それぞれハウジングに収容されてそれぞれオスコネクタ、メスコネクタとして構成されている。
近年、電子制御化が進む中でコネクタが多極化したため、オスコネクタの端子群とメスコネクタの端子群を挿抜する際に多大な力が必要になり、組み付け作業の付加低減の観点から、コネクタの挿抜力を小さくすることが求められている。特に、自動車のエンジンルーム内などの狭い空間では挿抜作業が困難なため、前記挿抜力の低減が強く求められている。前記挿抜力が高いと、組み付けの作業者の作業負荷を軽減するため、てこの原理を使った設備を導入する必要も生じる。
前記挿抜力を低減する方法として、端子間の接触荷重(接触圧力)を弱める方法があるが、この方法を採用すると端子の接触面間にフレッティング(Fretting)現象が起きて端子間に導通不良が起きることがある。
前記フレッティング現象とは、振動や温度変化などが原因で端子の接触面間に起きる微摺動により、端子表面の軟質のSnめっき層が摩耗し酸化して、比抵抗の大きい摩耗粉になる現象で、この現象が端子間に発生すると接続不良が起きる。そして、この現象は端子間の接触荷重が低いほど起き易い。この現象は、コネクタ端子表面のSnめっき層を薄くすることで発生しにくくなるが、発生を完全に防止することは困難である。
このため従来は高い接触荷重のメス端子が使われてきており、組み付け作業で要望されている低挿抜力化には応じることができていなかった。
このため従来は高い接触荷重のメス端子が使われてきており、組み付け作業で要望されている低挿抜力化には応じることができていなかった。
コネクタのメス端子の接触荷重を低減しようとする技術としては、銅合金母材上にニッケル、銅、錫のめっき層を順次積層し、錫めっき層の厚みを1.1μm以下とするものがある(特許文献1参照)が、接触荷重は25N以下であれば十分であるとされており、さらに低い接触荷重が求められている多極コネクタ用の端子材料としては適用できない。
また、母材表面にCu−Sn合金被覆層とSn被覆層をこの順に形成した接続部品用導電材料も提案されている(特許文献2参照)が、この材料は単に低摩擦係数を示すにとどまり、コネクタ端子に用いた場合の低挿入効果が大きいとはいえない。材料の選択のみによってコネクタの低挿抜力化を行うことには限界がある。
また、母材表面にCu−Sn合金被覆層とSn被覆層をこの順に形成した接続部品用導電材料も提案されている(特許文献2参照)が、この材料は単に低摩擦係数を示すにとどまり、コネクタ端子に用いた場合の低挿入効果が大きいとはいえない。材料の選択のみによってコネクタの低挿抜力化を行うことには限界がある。
本発明は、製造が容易で、電気接続性が安定しており、挿抜性が改善された、オス端子、メス端子を含んで構成される電気電子部品用のコネクタの提供を目的とする。
上記課題は、以下の手段により達成される。
(1)オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
(2)前記オス端子の最表面が、厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする(1)に記載のコネクタ。
(3)オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の接点部分の最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
(4)前記オス端子の接点部分の最表面が、厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする(3)に記載のコネクタ。
(1)オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
(2)前記オス端子の最表面が、厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする(1)に記載のコネクタ。
(3)オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の接点部分の最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
(4)前記オス端子の接点部分の最表面が、厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする(3)に記載のコネクタ。
(5)オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
(6)前記オス端子の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする(5)に記載のコネクタ。
(7)オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の接点部分の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
(8)前記オス端子の接点部分の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする(7)に記載のコネクタ。
なお、本発明において「最表面」とは「最表層およびその表面」の意味である。
また、本明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
(6)前記オス端子の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする(5)に記載のコネクタ。
(7)オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の接点部分の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
(8)前記オス端子の接点部分の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする(7)に記載のコネクタ。
なお、本発明において「最表面」とは「最表層およびその表面」の意味である。
また、本明細書において「〜」とはその前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
本発明によれば、フレッティング現象を抑制しつつ低接触荷重とすることが可能となり、低挿抜力端子を有するコネクタを提供することができる。本発明のコネクタは、挿抜力が低いにもかかわらず、オスメス端子接点の電気的な接続信頼性が維持されている。
本発明のコネクタは、オス端子を有するオスコネクタと、メス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、オス端子およびメス端子の少なくとも一方の最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されたものである。オス端子を有するオスコネクタは、一般に1つ以上のオス端子がハウジング(図示せず)に収容されて構成される。メス端子を有するメスコネクタについても同様に、一般に1つ以上のメス端子がハウジング(図示せず)に収容されて構成される。コネクタに関する事項は、本発明においては一般的事項であるため、図示および詳細な説明は割愛する。
また、上記金属材料は、例えば導電性基材に、主にNi、Cu、Snなどの元素をめっき処理することにより好適に作成されるものである。また、それらのめっき種、めっき厚構成、熱処理の有無、熱処理有りの場合の熱処理温度の時間、ならびに冷却の有無、冷却有りの場合の冷却時間等は、総合的な製造コスト、ならびに使用される部位における要求の品質に応じて適宜設定されるものである。
図1は、本発明の一実施態様のコネクタのオス端子10を示す斜視図である。オス端子10は、メス端子20との接続部分であるタブ11と、電線との圧着を行う圧着部分であるワイヤバレル12とを備える。タブ11は平板状に形成され、その上面および下面はそれぞれ平滑な面に仕上げられている。
また、図2は、本発明の一実施態様のコネクタのメス端子20の内部構造を示す斜視図である。この図1に示すオス端子10と図2に示すメス端子20は、互いに接続可能なもので、コネクタを構成する。図2において、メス端子20のオス端子10との接点部分は、中空の箱形状であり、舌片21、ディンプル22およびビード23とをその内部に備えている。
ディンプル22は、舌片21の上部に設けられた凸状の部材であり、オス端子10との接続時には、タブ11の下面と点接触する。舌片21は、接点圧力即ちディンプル22をタブ11に押付ける圧力を作用させるバネとしての機能を有している。また、ビード23も凸状の部材であり、タブ11の上面と接触し、当該ディンプル22がタブ11に及ぼす接点圧力を受ける。
ディンプル22は、舌片21の上部に設けられた凸状の部材であり、オス端子10との接続時には、タブ11の下面と点接触する。舌片21は、接点圧力即ちディンプル22をタブ11に押付ける圧力を作用させるバネとしての機能を有している。また、ビード23も凸状の部材であり、タブ11の上面と接触し、当該ディンプル22がタブ11に及ぼす接点圧力を受ける。
オス端子10およびメス端子20の少なくとも一方の、少なくとも一部分は、最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料で形成されている。このような金属材料を最表面に用いることで、摩擦係数を下げることができ、かつ、フレッティング現象を抑制できる。Cu−Sn合金層は厚み0.20μm以上1.0μm以下であることが好ましく、0.30μm以上0.60μm以下であることがさらに好ましい。オス端子10および/またはメス端子20の一部のみが上記金属材料で形成されていてもよく、その場合、少なくとも接点部分が上記金属材料で形成されていていることが好ましい。
上記金属材料としては、上記Cu−Sn層に純Sn層が分散しているものも好ましく用いることができる。この場合、分散純Sn層は最大厚みが0.01〜0.50μmであり、0.03〜0.30μmが好ましい。このときCu−Sn合金層は、分散純Sn層の厚み以上の厚みを有する。なお、ここでいう分散純Sn層とは、純Snの少なくとも一部が前記Cu−Sn合金層の表面に露出し、断面視において島状または点状に分散して形成されている層をいう。分散純Snの作用等については後述する。
オス端子10とメス端子20のどちらか一方の最表層が上記Cu−Sn合金層である金属材料で形成されている場合には、メス端子20のみCu−Sn合金層を有するものより、オス端子10のみCu−Sn合金層を有するものであることが好ましく、オス端子10とメス端子20両方ともCu−Sn合金層を有するものであることがさらに好ましい。
なお、本発明において、金属材料の最表層の状態は、コネクタとして初期状態のものを意味するものである。
なお、本発明において、金属材料の最表層の状態は、コネクタとして初期状態のものを意味するものである。
オス端子10をメス端子20に接続する際には、図3の概略断面図に示すように、タブ11を舌片21とビード23との間隙に挿入する。このとき、ビード23がタブ11の上面に摺接すると共に、ディンプル22がタブ11の下面に摺接する。そして、タブ11を完全に挿入すると、ビード23及びディンプル22がそれぞれタブ11に接触した状態で、タブ11がそれらの間に圧接保持され、これによりオス端子10及びメス端子20間の電気的接続がなされる構成となっている。
このように接続がなされるに際には、オス端子10側については、そのタブ11の上面および下面が接点部分となっている。一方、メス端子20側については、そのディンプル22およびビード23が接点部分となっている。
なお、本発明で接点部分とは、オス端子をメス端子に挿入するとき、メス端子のディンプル、およびビードとオス端子のタブとが接する面、ならびにオス端子をメス端子に挿入した後、メス端子のディンプル、およびビードとオス端子のタブとが接する面の両者を指す。
なお、本発明で接点部分とは、オス端子をメス端子に挿入するとき、メス端子のディンプル、およびビードとオス端子のタブとが接する面、ならびにオス端子をメス端子に挿入した後、メス端子のディンプル、およびビードとオス端子のタブとが接する面の両者を指す。
また、オス端子10とメス端子20との間で表面の硬さに差がある場合、軟らかい方がけずれ易くなり、そのけずれ量が小さくなるほど挿入力が小さくなる。このことを考慮すると、接続時におけるオス端子、メス端子それぞれの接点部分の軌跡に対応して接触面積の大きい側の材料を固くすることが好ましい。これにより、コネクタ挿抜抵抗を低減するとともに、コネクタ組立時において必要な挿入力を低減し、組立作業の作業効率を向上し作業員の疲労を低減することが可能となる。
また、通常、オス端子は、挿入し易いように平坦な形状をしているのに対し、メス端子は内面上下の一方あるいは両方に曲げ加工を有し、ばねの役割を持たせた形状を有している。さらに、通常はメス端子側の接点を挿入されるオス端子側に突出させている。このため、オス端子は平板をそのまま打ち抜いて製造する場合があるのに対し、メス端子は、曲げ加工を行って製造する場合が多いため、メス端子の方が加工し易さの点で金属材料の硬さをオス端子に比べて低くする方が好ましい。特に、近年の小型化に対応するために製造工程において厳しい曲げ加工を伴う場合には、加工し易いメス端子を有する本発明が好適である。
その他、構造上、端子を挿入する上で、オス端子の接点部分の軌跡に対応する接触面積がメス端子の接点部分の軌跡に対応する接触面積よりも大きくなることも、本実施形態の硬化処理(最表面に厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層を形成する)対象として、オス端子を選択することが有効である理由となる。
その他、構造上、端子を挿入する上で、オス端子の接点部分の軌跡に対応する接触面積がメス端子の接点部分の軌跡に対応する接触面積よりも大きくなることも、本実施形態の硬化処理(最表面に厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層を形成する)対象として、オス端子を選択することが有効である理由となる。
本発明のコネクタは、オス端子とメス端子の接触荷重が0.6〜6.0Nとなる接点構造のメス端子を有する。接触荷重は1.0〜5.0Nが好ましく、2.0〜4.0Nがさらに好ましい。
なお、本発明における「接触荷重」とは、端子の接点が押付け合う力のことである。但し、接触面に複数の接点がある場合は、その総和を指す。
例えばメス端子が、図2に示すように片側が一つのディンプル形状(22)を備えたばね片、反対側が固定されたビード形状(23)を有するものの場合、
端子嵌合時のばね反力=接触荷重
となる。この接触荷重は、解体したメス端子を用い、マイクロスコープによるタブギャップ測定で得られた値を変位(オス端子が挿入された状態を仮定した際の押込み変位)とみなして、微小荷重計によって得られたばね特性(変位−荷重グラフ)から読み取る方法で測定することができる。このときのタブギャップとは、メス端子のビード−ディンプル間の距離である。また、ばね特性の測定は、微小荷重計に取り付けた専用治具でディンプルを押し下げるなどの方法で行う。
接触荷重の調整は、前記測定方法によってあらかじめ変位−荷重グラフを作成しておき、所望の接触荷重に対する変位の値から求められるタブギャップを設定することで行える。変位はオス端子のタブ厚からメス端子のタブギャップを差し引いたものなので、オス端子のタブ厚が決まれば、所望の接触荷重を有するメス端子のタブギャップが定まる。
本発明によれば、このような低い接触荷重の接点構造により、小さい力で挿抜できるため、組み付け作業の負担を大きく軽減することができる。
なお、本発明における「接触荷重」とは、端子の接点が押付け合う力のことである。但し、接触面に複数の接点がある場合は、その総和を指す。
例えばメス端子が、図2に示すように片側が一つのディンプル形状(22)を備えたばね片、反対側が固定されたビード形状(23)を有するものの場合、
端子嵌合時のばね反力=接触荷重
となる。この接触荷重は、解体したメス端子を用い、マイクロスコープによるタブギャップ測定で得られた値を変位(オス端子が挿入された状態を仮定した際の押込み変位)とみなして、微小荷重計によって得られたばね特性(変位−荷重グラフ)から読み取る方法で測定することができる。このときのタブギャップとは、メス端子のビード−ディンプル間の距離である。また、ばね特性の測定は、微小荷重計に取り付けた専用治具でディンプルを押し下げるなどの方法で行う。
接触荷重の調整は、前記測定方法によってあらかじめ変位−荷重グラフを作成しておき、所望の接触荷重に対する変位の値から求められるタブギャップを設定することで行える。変位はオス端子のタブ厚からメス端子のタブギャップを差し引いたものなので、オス端子のタブ厚が決まれば、所望の接触荷重を有するメス端子のタブギャップが定まる。
本発明によれば、このような低い接触荷重の接点構造により、小さい力で挿抜できるため、組み付け作業の負担を大きく軽減することができる。
このコネクタは、例えば車載用コネクタとして自動車に搭載されるが、本発明に係るコネクタの用途は車載用に限定されず、電気・電子機器等いかなる用途のコネクタにも適用可能である。
次に、本発明のコネクタを構成する、上記最表面に厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層を有する金属材料について説明する。
本発明のコネクタのオス端子およびメス端子の少なくとも一方を形成する金属材料は、最表面に厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層が設けられたものである(以下、コネクタ用金属材料という)。好ましくは、表面に向けて徐々にCu濃度を減少させた材料、Cu−Sn合金層中にSnまたはSn合金が分散している材料などを用いる。SnまたはSn合金は一部がCu−Sn合金層の表面に露出していてもよい。
上記Cu−Sn合金層が設けられる直下の層は、特に限定されるものではなく、例えば、Cu−Sn合金層が導電性基体上に設けられたものでも良いし、導電性基体上に、Cu、Ni、Cu合金、Ni合金、Fe、Fe合金、Co、またはCo合金のいずれか1種あるいは2種からなる金属または合金層が設けられ、その上に前記最表面のCu−Sn合金層が設けられたものでも良い。
上記Cu−Sn合金層が設けられる直下の層は、特に限定されるものではなく、例えば、Cu−Sn合金層が導電性基体上に設けられたものでも良いし、導電性基体上に、Cu、Ni、Cu合金、Ni合金、Fe、Fe合金、Co、またはCo合金のいずれか1種あるいは2種からなる金属または合金層が設けられ、その上に前記最表面のCu−Sn合金層が設けられたものでも良い。
図5は、本発明の好ましい一つの実施態様のコネクタ用金属材料を示す斜視図であり、導電性基体1上に、Niからなる下地層2、その上にCuからなる中間層3、その上にCu−Sn合金層4を設けたコネクタ用金属材料5である。
コネクタ用金属材料5は、例えば、図6の斜視図に示すような導電性基体1上に、Ni層(N層)2a、Cu層(C層)3a、Sn層(S層)4aをこの順にめっきしてめっき積層体6を作製し、これを熱処理して、前記C層3aのCuとS層4aのSnを熱拡散させ、反応させて、最表面のCu−Sn合金層を形成し、製造される。この熱処理の間、基体成分の熱拡散はN層2aにより阻止される。S層4aとC層3aの体積比(S/C)は、Cu−Sn合金層4の必要厚みを考慮し、さらに熱処理後においてS層4aが消滅し、C層3aは中間層として残るように決めるが、前記C層3aの熱処理後の厚み(中間層3の厚み)は特に厳密に規定する必要がないため、めっき積層体6の設計およびその熱処理は容易に行える。従って本発明に用いるコネクタ用金属材料5は製造が容易で生産性に優れる。
上記のC層3aのCuとS層4aのSnを熱拡散させ、反応させて、最表面のCu−Sn合金層を形成する際には、上記の熱処理の後、冷却処理を行うことが好ましい。適切な条件で冷却処理を行うことにより、CuとSnの拡散を層状ではなく、グラデーション的に形成させることが可能となる。また、純Snを最表面に部分的に残存させて形成することができる。
上記熱処理は、任意の方法で行うことができるが、好ましくは、めっき積層体6を炉内温度300〜800℃のリフロー炉内に3〜20秒間通過させる処理である。
また、上記の冷却処理は、任意の方法で行うことができるが、好ましくは20〜80℃の液体中を1〜100秒、さらに好ましくは20〜60℃の気体中を1〜300秒かけて通過させ、その後20〜80℃の液体中を1〜100秒かけて通過させることで行うことである。また、さらに好ましくは30〜50℃の水中を5〜15秒かけて通過させることで行うことである。
めっき積層体6のC層3aの厚みは通常0.01μm以上とする。上限は実用面、材料費、製造コストなどを考慮して5.0μm程度が望ましい。このC層3aの厚みは、0.05μm以上0.5μm以下がさらに望ましい。なおC層3aがCuのとき、C層3aが薄いと熱処理後のC層(中間層3)に微細孔が多数発生し、中間層としてのバリア機能が失われることがあるので、C層3aがCuのときはC層3aの厚みはCu合金の場合より若干厚めにすることが好ましい。
本発明において、S層4aが完全に反応するにはその厚みによっては長時間を要するため、熱処理後においてSnがCu−Sn合金層4中に点状または島状に分散し残存することがあるが、このことでコネクタ用金属材料5の機能が低下することは殆どない。この場合、分散したSnまたはSn合金の一部がCu−Sn合金層4の表面に露出することがあるが、露出したSnまたはSn合金の露出面積は、分散したSnまたはSn合金の表面積に比べて十分小さくなっていることが好ましい。
リフロー処理後の製品に、下地にC層3aが過剰に厚く残存した場合、通常、それらが熱的負荷を受けると表面まで拡散し、さらには酸化・抵抗上昇とつながる場合があるため、望ましくないが、最表面層にCu−Snが存在しつつ、加えて純Snが分散(残存)していると、下地に過剰に残存したCuの拡散を純Snが受け、銅の最表面への拡散・酸化を抑え、抵抗上昇を防ぐことが可能となる。
リフロー処理後の製品に、下地にC層3aが過剰に厚く残存した場合、通常、それらが熱的負荷を受けると表面まで拡散し、さらには酸化・抵抗上昇とつながる場合があるため、望ましくないが、最表面層にCu−Snが存在しつつ、加えて純Snが分散(残存)していると、下地に過剰に残存したCuの拡散を純Snが受け、銅の最表面への拡散・酸化を抑え、抵抗上昇を防ぐことが可能となる。
さらに、最表面のCu−Sn合金層4中にSnを分散させた場合、Cu層(中間層)3を厚く残存させたとしても、分散させたSnがその過剰分と反応して拡散することが可能となり、その拡散効果は高温環境下で著しい。したがって、めっき製造条件の設計領域をより広くとることが可能となり、高温環境下においても長期間特性が維持される。このように、Cu−Sn合金層中4にSnまたはSn合金が分散するものも本発明に用いることのできる金属材料の一例である。ここで、断面視において点状または島状に分散したSnまたはSn合金については、たとえばAES(Auger Electron Spectroscopy:オージェ電子分光分析)装置を用いて得たマッピング像のCu−Sn合金層中のSn、またはSn合金の面積の占有率(体積の占有率とほぼ等しい)が0〜60%となるものをいう。また、断面視において島状に分散したSnまたはSn合金は、最表面に一部が露出するものと最表面に露出しないものとがある。典型的には、最表面に一部が露出するものは、断面視においては最表面に露出したSnまたはSn合金の内部にCu−Sn合金の部分が存在し、最表面の平面視においてはSnまたはSn合金がドーナツ状であるものも存在する。また、前記Cu−Sn合金層4に分散し残存するSnまたはSn合金のうち表面近傍にのみ分散し残存するSnまたはSn合金は薬品により溶解除去しても差し支えない。前記Cu−Sn合金層4の表面近傍にのみ分散し残存するSnまたはSn合金は、Cu−Sn合金層4の表面から突出した状態で多く存在すると前述したフレッティングの原因となるので、除去することが望ましいこともある。
本発明において用いることができるものとしては、上記のとおり、最表面が最大厚み0.01〜0.50μmの分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料がある。
本発明において用いることができるものとしては、上記のとおり、最表面が最大厚み0.01〜0.50μmの分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料がある。
なお、上記Cu−Sn合金層は、銅または銅合金基体上に直接Snめっきを施しても形成することができる。この場合、上記めっき積層体におけるC層は基体そのものであり、その上にSnめっきによりSn層(S層)が形成されていることになる。Snめっきの後、熱処理して、基体のCuとめっき層のSnを熱拡散させ、反応させて、最表層のCu−Sn合金層を形成させることは、めっきでCu層とSn層を形成した場合と同様である。ただし、基体上に直接Snめっきする場合には、例えば0.25mm板厚の母材に1μmのSnめっきを施し、さらに750℃において6秒の熱処理を与えて作製することが好ましい。
図7〜図11は本発明の金属材料の1例のAES装置を用いて得たマッピング像である。ここでは、まずFIB(Focused Ion Beam:収束イオンビーム)にて試料傾斜60度で、30度斜め断面を作成しオージェ測定(AES)分析用試料とし、さらにAES分析を30度斜め断面が水平となるように試料を傾斜して分析し、AES電子像を得たものである。なお、最表面のCu−Sn合金層には、Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu4SnなどのCu−Sn金属間化合物が混在した層として存在していた。
図7は、サンプル断面のAES測定部のSEM写真(横幅:11.7μm)である。図8〜図11は、図7に示す測定部の金属組織を示すマッピング像である。図8はSn、Cu、Niを異なる色の濃淡で示すSn−Cu−Niマップ、図9はSnを白色で示すSnマップ、図10はCuを白色で示すCuマップ、図11はNiを白色で示すNiマップである。
図7〜図11において、31はCu−Sn合金層の表面、32は基体、33は下地層、34は中間層、35はCu−Sn合金層を示している。また、図9においてはCu−Sn合金層35が、白く示されており、表面31側のより明るい所はSnが多く含まれていることを示している。また、図10では、下地層33が黒く示されており下地層33にはCuが実質的に含まれないことが示している。図11では、下地層33のみが白く示されておりNiが下地層33以外には拡散していないことを示している。
また、図8〜図11に示すように、Cu−Sn合金層35中にSnまたはSn合金がほとんど残存していない(SnまたはSn合金の占める面積が0〜10%)ことがわかる。さらに、図10に示すように、表面に向けて徐々にCuが減少していることがわかる。
また、図8〜図11に示すように、Cu−Sn合金層35中にSnまたはSn合金がほとんど残存していない(SnまたはSn合金の占める面積が0〜10%)ことがわかる。さらに、図10に示すように、表面に向けて徐々にCuが減少していることがわかる。
図12〜図16は本発明の別の例の金属材料の図8〜図11と同様にAES装置を用いて得たマッピング像である。図12は、サンプル断面のAES測定部のSEM写真(横幅:11.7μm)である。図13〜図16は、図12に示す測定部の金属組織を示すマッピング像である。図13はSn、Cu、Niを異なる色の濃淡で示すSn−Cu−Niマップ、図14はSnを白色で示すSnマップ、図15はCuを白色で示すCuマップ、図16はNiを白色で示すNiマップである。図12〜図16において、31はCu−Sn合金層の表面、32は基体、33は下地層、34は中間層、35はCu−Sn合金層を示す。また、図13においては、Cu−Sn合金層35中に、色が濃く示されるSnまたはSn合金36が島状に分散している。また、図14においては、Cu−Sn合金層35が明るく示されており、表面31側のより白い島状の箇所はSnまたはSn合金36が含まれていること状を示している。また、図15では、下地層33および島状のSnまたはSn合金36にはCuが実質的に含まれないことが示している。図16では、下地層33のみが白く示されておりNiが下地層33以外には拡散していないことを示している。
また、図13〜図16に示すように、Ni層上のCu−Sn合金層中のSnまたはSn合金の占める面積が30〜60%であった。さらに、図15に示すように、表面に向けて徐々にCuが減少していることがわかる。
また、図13〜図16に示すように、Ni層上のCu−Sn合金層中のSnまたはSn合金の占める面積が30〜60%であった。さらに、図15に示すように、表面に向けて徐々にCuが減少していることがわかる。
なお、この例の金属材料では、図13に示されるように、断面視において、Cu−Sn合金層35中にSnまたはSn合金36が島状に分散し、島状に分散したSnまたはSn合金36の一部がCu−Sn合金層35の表面31に露出しており、さらに図17および図18に概略的に示されるように、Cu−Sn合金層の表面に露出したSnまたはSn合金の内部にCu−Sn合金の部分が存在している(表面からはCu−Sn合金層にSnまたはSn合金が略ドーナツ状に露出しているように見える)。なお、図17および図18において、4は最表面のCu−Sn金属めっき層、4bはCu−Sn金属間化合物、4cは図2においてSn層(S層)を形成していたSnまたはSn合金の一部であって、Cu−Sn金属間化合物4bはCu−Sn合金層4と連結されて最表面の層の一部を形成している。
このような状態は、めっき積層体のS層とC層の体積比が1.90より小さく(SnがすべてCu−Sn合金化した際に金属材料の表面にSn層が残らない条件)、かつ熱処理をSnが完全にCu−Sn合金化されない状態で急冷することなどにより終了させた場合に発生する。このような状態では、Cu−Sn合金層の表面に露出したSnまたはSn合金の周囲に存在するこれより硬いCu−Sn合金が接点等と接触するため、Cu−Sn合金層の表面に露出したSnまたはSn合金がけずれることが少なく、フレッティングの影響を受けにくいだけでなく、高温放置時にCu−Sn合金層の下層側に存在するCuとCu−Sn合金層中に分散したSnまたはSn合金とが反応してCu−Sn合金が形成される余地があるため、表面にCuOなどが形成されることがなく、接触抵抗が安定するという効果ももたらされる。
このような状態は、めっき積層体のS層とC層の体積比が1.90より小さく(SnがすべてCu−Sn合金化した際に金属材料の表面にSn層が残らない条件)、かつ熱処理をSnが完全にCu−Sn合金化されない状態で急冷することなどにより終了させた場合に発生する。このような状態では、Cu−Sn合金層の表面に露出したSnまたはSn合金の周囲に存在するこれより硬いCu−Sn合金が接点等と接触するため、Cu−Sn合金層の表面に露出したSnまたはSn合金がけずれることが少なく、フレッティングの影響を受けにくいだけでなく、高温放置時にCu−Sn合金層の下層側に存在するCuとCu−Sn合金層中に分散したSnまたはSn合金とが反応してCu−Sn合金が形成される余地があるため、表面にCuOなどが形成されることがなく、接触抵抗が安定するという効果ももたらされる。
本発明に用いられるコネクタ用金属材料5における中間層3の厚さは、特に限定されるものではないが、0.01〜1.0μmが好ましく、0.05〜0.5μmがさらに好ましい。
本発明に用いられるコネクタ用金属材料5は銅または銅合金からなる中間層3が設けられたものであるが、仮に前記めっき積層体6の熱処理後にS層4aとともにC層3aも消滅することがあっても、かかる金属材料の端子挿抜性などが低下することは殆どない。
本発明においては、最表面のCu−Sn合金層は基体側から表面に向けて徐々にCu濃度を減少させたものであることが好ましく、この場合、Cu−Sn合金層とその下のCu層、あるいは基体との境界は明確に形成されないものとなる。この場合におけるCu−Sn合金層とその下のCu層、あるいは基体との境界を規定する場合は、FIB加工後のAESによる断面観察によって、SnあるいはCuのモル濃度が85%を越える部分は、SnあるいはCuの単体層とみなす。逆にSnあるいはCuのモル濃度が85%以下の場合にはCu−Sn合金層とみなす。また、合金層がフラットな層を形成せず凹凸のある層を形成する場合には、3箇所のCu−Sn合金層の厚みを上記方法によって計測し、その平均値をCu−Sn合金層の厚さとみなす。
上記のCu濃度の分布は製造条件によって、層状な濃度分布と、グラデーション的な濃度分布の両方とも作ることができるが、製造の容易さからはグラデーションの方が好ましい。本発明において上記のように定義されるCu−Sn合金層全体での合金組成としては、Snのモル濃度が15〜85%であることが好ましく、25〜75%であることがさらに好ましい。
上記のCu濃度の分布は製造条件によって、層状な濃度分布と、グラデーション的な濃度分布の両方とも作ることができるが、製造の容易さからはグラデーションの方が好ましい。本発明において上記のように定義されるCu−Sn合金層全体での合金組成としては、Snのモル濃度が15〜85%であることが好ましく、25〜75%であることがさらに好ましい。
本発明においては、最表面を表面に向けて徐々にCu濃度を減少させたCu−Sn合金層とする端子接点部分と、最表面をSn層とする電線圧着部とを含む金属材料とすることができ、この態様の金属材料は前記端子接点部分となる箇所のS層をマスキングなどにより薄くめっきし、前記電線圧着部となる箇所のS層を厚くめっきして熱処理することにより製造できる。この方法によれば、最表面の材質が部位ごとに異なる金属材料を容易に製造できる。
前記めっき積層体6の熱処理をリフロー処理(連続処理)により施す場合は、めっき積層体6の実体温度を好ましくは232〜500℃にして0.1秒以上10分以下、より好ましくは100秒以下、さらに好ましくは10秒以下加熱して施す。このリフロー処理は、たとえばリフロー炉内の温度を500℃〜900℃に保ち10分以下、好ましくは10秒以下で加熱を施すことで実現される。実際には実体温度による温度よりリフロー炉内の温度のほうが計測しやすいため、リフロー炉内の温度管理を行うことによりリフロー処理を施すことが望ましい。なお、バッチ処理により施す場合は前記積層体を好ましくは50〜250℃の炉内に数10分乃至数時間保持して施す。なお、熱処理をリフロー処理により施す場合の温度や加熱時間は、めっき積層体6のN層2a、C層3a、S層4aの厚さなどに適合した条件に設定する必要があるが、後述する実施例において説明するように、個々の具体的条件は、適宜設定することができる。
本発明において、導電性基体1には、端子に要求される導電性、機械的強度および耐熱性を有する銅、リン青銅、黄銅、洋白、ベリリウム銅、コルソン合金などの銅合金、鉄、ステンレス鋼などの鉄合金、銅被覆鉄材やニッケル被覆鉄材などの複合材料、各種のニッケル合金やアルミニウム合金などが適宜用いられる。
前記金属および合金(材料)のうち、特に銅、銅合金などの銅系材料は導電性と機械的強度のバランスに優れ好適である。前記導電性基体1が銅系材料以外の場合は、その表面に銅または銅合金を被覆しておくと耐食性および下地層2との密着性が向上する。
前記導電性基体1上に必要に応じ設けることのできる下地層2は、基体成分がCu−Sn合金層4に熱拡散するのを防止するバリア機能を有するNi、Co、またはFeの金属、あるいはNi−P系、Ni−Sn系、Co−P系、Ni−Co系、Ni−Co−P系、Ni−Cu系、Ni−Cr系、Ni−Zn系、Ni−Fe系などのNi合金、Fe合金、またはCo合金が好適に用いられる。これら金属および合金は、めっき処理性が良好で、価格的にも問題がない。中でも、NiおよびNi合金はバリア機能が高温環境下にあっても衰えないため推奨される。
前記下地層2に用いるNiなどの金属(合金)は、融点が1000℃以上と高く、接続コネクタの使用環境温度は200℃以下と低いため、下地層2はそれ自身熱拡散を起こし難いうえ、そのバリア機能が有効に発現される。下地層2には、導電性基体1の材質によっては導電性基体1と中間層3との密着性を高める機能もある。
下地層2の厚みは、0.05μm未満ではそのバリア機能が十分に発揮されなくなり、3μmを超えるとめっき歪みが大きくなって基体から剥離し易くなる。従って0.05〜3μmが望ましい。下地層2の厚みの上限は端子加工性を考慮すると1.5μm、さらには0.5μmが好ましい。
下地層2は、1層であっても2層以上であってもよい。2層以上とする場合は、隣接する層との関係で、バリア機能や密着性を高める機能などを適宜設定することができるといった利点がある。
下地層2は、1層であっても2層以上であってもよい。2層以上とする場合は、隣接する層との関係で、バリア機能や密着性を高める機能などを適宜設定することができるといった利点がある。
本発明において、中間層3には、銅の他、Cu−Sn系などの銅合金が適用できる。銅合金のCu濃度は50質量%以上が望ましい。
本発明に用いられるめっき積層体6において、S層4aがSnでC層3aがCuの場合のS層4aとC層3aの体積比(S/C)は、1.85以下が望ましく、前記S層4aの厚みは9.5μm以下が望ましい。
前記めっき積層体6のN層2a(Niなど)、C層3a(Cuなど)、S層4a(Snなど)などはPVD(Physical Vapor Deposition)法などによっても形成できるが、湿式めっき法が簡便かつ低コストで望ましい。
本発明において、Cu−Sn合金層4を形成するCu−Sn金属間化合物としてはCu6Sn5、Cu3Sn、Cu4Snなどが挙げられる。Cu6Sn5はCuの1体積に対しSnの1.90体積が反応して生成される。Cu3SnはCuの1体積に対しSnの0.76体積が反応して生成される。Cu4SnはCuの1体積に対しSnの0.57体積が反応して生成される。
従って、S層4aとC層3aの体積比(S/C)が、例えば1.90〜1.80のめっき積層体を長時間熱処理するとCu6Sn5が主体のCu−Sn合金層が形成され、前記体積比が、例えば0.76〜0.70のめっき積層体を長時間熱処理するとCu3Snが主体のCu−Sn合金層が形成され、前記体積比が、例えば0.57〜0.50のめっき積層体を長時間熱処理するとCu4Snが主体のCu−Sn合金層が形成される。なお、熱処理の温度が高く、かつ熱処理の時間が短い場合などは、これらの反応が完全には行われず、Cu−Sn合金層の厚さが薄くなる場合や、Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu4Snが混在した層として形成される場合もある。
本発明において、Cu−Sn合金層4をCu6Sn5層とCu3Sn層の2層で構成する場合、各層の厚みは特に規定しないが、Cu6Sn5層は0.01〜5.0μm、Cu3Sn層は0.008〜4.0μmが望ましい。
本発明に用いるコネクタ用金属材料5は、Cu−Sn合金層4の表面に厚さ100nm以下の酸化膜が形成されても、その性能に悪影響はない。本発明のコネクタ用金属材料5では、熱処理前の最外層4aはSnまたはSn合金としており、この場合酸化物としてSnの酸化物が形成される。Snの酸化物はCuの酸化物などと比較して導電性が高く、金属材料としての導電性に悪影響を与えないと考えられる。酸化膜の厚さは30nm以下であることが好ましい。
本発明において、導電性基体1と下地層2の間、下地層2と中間層3の間、中間層3とCu−Sn合金層4の間に、隣接する層より薄い異種材料を介在させてもよい。
また、本発明のコネクタに用いる金属材料は、導電性基体1上にCu−Sn合金層4を設けてもよいし、導電性基体1上に設けられた下地層2上にCu−Sn合金層4を設けても良い。
本発明のコネクタにおいては上記の金属材料の低摩擦効果と端子の低接触荷重設計の相乗効果によって、材料の選択のみでは行えなかった挿抜性のさらなる改善が可能となり、あわせて安定した電気接続性も維持することもできる。
また、本発明のコネクタに用いる金属材料は、導電性基体1上にCu−Sn合金層4を設けてもよいし、導電性基体1上に設けられた下地層2上にCu−Sn合金層4を設けても良い。
本発明のコネクタにおいては上記の金属材料の低摩擦効果と端子の低接触荷重設計の相乗効果によって、材料の選択のみでは行えなかった挿抜性のさらなる改善が可能となり、あわせて安定した電気接続性も維持することもできる。
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、たとえばサンプルおよびその作製条件などは具体的一例にすぎず、本発明はこれに制限されるものではない。
実施例1〜24、比較例1〜12
厚み0.20mmの黄銅条に脱脂および酸洗をこの順に施し、次いで下記の条件で前記銅合金条にNi(実施例21〜24のみ)、Cu、Snを層状に電気めっきしてめっき積層体を作製した。
厚み0.20mmの黄銅条に脱脂および酸洗をこの順に施し、次いで下記の条件で前記銅合金条にNi(実施例21〜24のみ)、Cu、Snを層状に電気めっきしてめっき積層体を作製した。
(めっき条件)
[Niめっき]
めっき液:スルファミン酸ニッケル 500g/リットル
ホウ酸 30g/リットル
めっき条件:(電流密度)5A/dm2 (浴温度)60℃
[Cuめっき]
めっき液:硫酸銅 180g/リットル
硫酸 80g/リットル
めっき条件:(電流密度)20A/dm2 (浴温度)40℃
[Snめっき]
めっき液:硫酸Sn 80g/リットル
硫酸 80g/リットル
めっき条件:(電流密度)10A/dm2 (浴温度)13℃
[Niめっき]
めっき液:スルファミン酸ニッケル 500g/リットル
ホウ酸 30g/リットル
めっき条件:(電流密度)5A/dm2 (浴温度)60℃
[Cuめっき]
めっき液:硫酸銅 180g/リットル
硫酸 80g/リットル
めっき条件:(電流密度)20A/dm2 (浴温度)40℃
[Snめっき]
めっき液:硫酸Sn 80g/リットル
硫酸 80g/リットル
めっき条件:(電流密度)10A/dm2 (浴温度)13℃
作製されためっき積層体のS層とC層の体積比(S/C)は1/2〜3/2となるような範囲にして種々に変化させた。次いでこのめっき積層体にリフロー処理(740℃、7秒)を施して、コネクタ用金属材料の試料を得た。なお、分散純Sn層を有する試料については非分散純Snに比べて、純Sn厚みを厚く、しかし層としては残存しない程度にめっきして純Snを分散させた。また、圧着部に純Sn層を有するオス端子、メス端子に用いる試料については、めっき時に、端子プレス後に接点部分に相当するようなめっき条の箇所にマスキングを施し、電線との圧着部相当箇所よりも薄いSnめっきを施すことで、圧着部に純Sn層を残存させた。
続いて、熱処理後の試料を1mm幅にプレス切断した後、図1に示すように成型しオス端子10を作製した。メス端子用の試料はタブギャップを調整して、表1および表2に示す各種の接触荷重を有するようにプレス成型し、図2に示すようなメス端子20を作製した。メス端子の荷重測定における変位は、オス端子のタブ厚からメス端子のタブギャップを引いた値に相当する。したがって、オス端子のタブ厚が決まれば、所望の接触荷重を備えたメス端子のタブギャップが定まる。よって、変位−荷重グラフ(例えば、図4)を作成し、所望の接触荷重となるようメス端子のタブギャップを設定した。
なお、得られた試料は、まずFIB(Focused Ion Beam:収束イオンビーム)にて試料傾斜60度で、30度斜め断面を作成しオージェ測定(AES)分析用試料とし、さらにAES分析を30度斜め断面が水平となるように試料を傾斜して分析し、AES電子像を得て各層の厚みを測定し、その構成を表1および表2に示した。なお、実施例1〜24のオス端子及びメス端子の最表面のCu−Sn合金層については全て0.8μm(分散純Sn層厚0μmのサンプルでは、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度が約20%で残部Cu、分散純Sn層厚が0μmを超えるサンプルでは、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度が約35%で残部Cu)であった。また、実施例17〜20のオス端子及びメス端子については圧着部の最表面は純Snであり、接点部分のみ最表面がCu−Sn合金層となっている。一方、表2の比較例で「非分散・純Sn層」と記載されているものは最表面が純Sn層であり、それ以外の場合の最表面は、厚さ0.8μmのCu−Sn合金層(分散純Sn層厚0μmのサンプルでは、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度が約20%で残部Cu、分散純Sn層厚が0μmを超えるサンプルでは、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度が約35%で残部Cu)であった。
続いて、熱処理後の試料を1mm幅にプレス切断した後、図1に示すように成型しオス端子10を作製した。メス端子用の試料はタブギャップを調整して、表1および表2に示す各種の接触荷重を有するようにプレス成型し、図2に示すようなメス端子20を作製した。メス端子の荷重測定における変位は、オス端子のタブ厚からメス端子のタブギャップを引いた値に相当する。したがって、オス端子のタブ厚が決まれば、所望の接触荷重を備えたメス端子のタブギャップが定まる。よって、変位−荷重グラフ(例えば、図4)を作成し、所望の接触荷重となるようメス端子のタブギャップを設定した。
なお、得られた試料は、まずFIB(Focused Ion Beam:収束イオンビーム)にて試料傾斜60度で、30度斜め断面を作成しオージェ測定(AES)分析用試料とし、さらにAES分析を30度斜め断面が水平となるように試料を傾斜して分析し、AES電子像を得て各層の厚みを測定し、その構成を表1および表2に示した。なお、実施例1〜24のオス端子及びメス端子の最表面のCu−Sn合金層については全て0.8μm(分散純Sn層厚0μmのサンプルでは、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度が約20%で残部Cu、分散純Sn層厚が0μmを超えるサンプルでは、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度が約35%で残部Cu)であった。また、実施例17〜20のオス端子及びメス端子については圧着部の最表面は純Snであり、接点部分のみ最表面がCu−Sn合金層となっている。一方、表2の比較例で「非分散・純Sn層」と記載されているものは最表面が純Sn層であり、それ以外の場合の最表面は、厚さ0.8μmのCu−Sn合金層(分散純Sn層厚0μmのサンプルでは、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度が約20%で残部Cu、分散純Sn層厚が0μmを超えるサンプルでは、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度が約35%で残部Cu)であった。
(微摺動磨耗試験)
得られた試料について下記の微摺動磨耗試験を摺動往復回数1000回以内で、接触抵抗値の変化を連続的に測定した。微摺動磨耗試験は、図19の概略説明図で示される方法により、次のようにして行った。
即ち、上記オス端子52とメス端子51を、温度20℃、湿度65%の環境下で、摺動距離30μmで往復摺動させ、電源62より両端子間に開放電圧20mVを負荷して定電流5mAを流し、摺動中の電圧降下を電圧計61で4端子法により測定して電気抵抗の変化を1秒ごとに求め、下記の基準で評価した。なお、相手材としては、板厚0.25mmの黄銅条にリフローSnめっきを1μm施したのち、0.5mmRに張出し加工を行ったものを用いた。各摩擦係数の測定結果を表1および表2に併記した。
×:フレッティングピークが発生し、そのピーク値が10Ω以上
○:フレッティングピークが発生し、そのピーク値が3Ω以上10Ω未満
◎:フレッティングピークが発生し、そのピーク値が3Ω未満、または
フレッティングピークが発生しない
得られた試料について下記の微摺動磨耗試験を摺動往復回数1000回以内で、接触抵抗値の変化を連続的に測定した。微摺動磨耗試験は、図19の概略説明図で示される方法により、次のようにして行った。
即ち、上記オス端子52とメス端子51を、温度20℃、湿度65%の環境下で、摺動距離30μmで往復摺動させ、電源62より両端子間に開放電圧20mVを負荷して定電流5mAを流し、摺動中の電圧降下を電圧計61で4端子法により測定して電気抵抗の変化を1秒ごとに求め、下記の基準で評価した。なお、相手材としては、板厚0.25mmの黄銅条にリフローSnめっきを1μm施したのち、0.5mmRに張出し加工を行ったものを用いた。各摩擦係数の測定結果を表1および表2に併記した。
×:フレッティングピークが発生し、そのピーク値が10Ω以上
○:フレッティングピークが発生し、そのピーク値が3Ω以上10Ω未満
◎:フレッティングピークが発生し、そのピーク値が3Ω未満、または
フレッティングピークが発生しない
(挿入力試験)
本実施例および比較例のオス端子およびメス端子を用いて、図20の概略側面図による説明図で示される方法により、挿入力試験を行った。すなわち、メス端子51を治具53にて固定し、オス端子52を軸方向(コネクタ嵌合時における端子の正規挿入方向)に押し治具54に50mm/分の速度で挿入した。この時の変位−荷重曲線をロードセル55および変位計56に接続したモニター57によりモニタリングし、端子が正規嵌合位置に至るまでの間の荷重ピーク値を端子単体挿入力として記録した。なお、モニター57は理解を容易にするため斜視図により示している。測定は各5回行い、平均値を求め、下記の基準で評価した。結果を表1および表2に示す。
◎:挿入力が0.5N以下
○:挿入力が0.5Nを超え2.0N以下
×:挿入力が2.0Nを超える
本実施例および比較例のオス端子およびメス端子を用いて、図20の概略側面図による説明図で示される方法により、挿入力試験を行った。すなわち、メス端子51を治具53にて固定し、オス端子52を軸方向(コネクタ嵌合時における端子の正規挿入方向)に押し治具54に50mm/分の速度で挿入した。この時の変位−荷重曲線をロードセル55および変位計56に接続したモニター57によりモニタリングし、端子が正規嵌合位置に至るまでの間の荷重ピーク値を端子単体挿入力として記録した。なお、モニター57は理解を容易にするため斜視図により示している。測定は各5回行い、平均値を求め、下記の基準で評価した。結果を表1および表2に示す。
◎:挿入力が0.5N以下
○:挿入力が0.5Nを超え2.0N以下
×:挿入力が2.0Nを超える
表1と表2を比較するとわかるように、比較例のコネクタでは挿入力試験と微摺動磨耗試験のいずれかの評価が×になっているのに対し、本実施例のコネクタではともに◎もしくは○であり、挿入力とフレッティング防止を両立している。本実施例のコネクタは、低挿入力端子を有するものでありながら電気特性の信頼性が高いことがわかる。
実施例25〜32
端子接点部分の分散純Sn厚と最表面のCu−Sn厚を表3に示すようにした以外は実施例1〜16と同様にしてオス端子、メス端子を作製し、挿入力試験、微摺動磨耗試験を行った。分散純Sn層厚0μmの実施例25では、最表層のCu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度は約20%で残部がCu、分散純Sn層厚が0μmを超える実施例26〜32では、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度は約35%で残部はCuであった。試験結果を表3に併せて示した。
端子接点部分の分散純Sn厚と最表面のCu−Sn厚を表3に示すようにした以外は実施例1〜16と同様にしてオス端子、メス端子を作製し、挿入力試験、微摺動磨耗試験を行った。分散純Sn層厚0μmの実施例25では、最表層のCu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度は約20%で残部がCu、分散純Sn層厚が0μmを超える実施例26〜32では、Cu−Sn合金層全体でのSnのモル濃度は約35%で残部はCuであった。試験結果を表3に併せて示した。
表3に示したとおり、いずれの評価も○であり、本実施例のコネクタも挿入力とフレッティング防止を両立できることがわかる。
1 導電性基体
2 Niなどからなる下地層
2a Ni層(N層)
3 銅などからなる中間層
3a Cu層(C層)
4 Cu−Sn合金層
4a Sn層(S層)
4b Cu−Sn金属間化合物
4c SnまたはSn合金
5 金属材料
6 めっき積層体
10 オス端子
11 タブ
12 ワイヤバレル
20 メス端子
21 舌片
22 ディンプル
23 ビード
31 最外層の表面
32 基体
33 下地層
34 中間層
35 最外層
36 SnまたはSn合金
51 メス端子
52 オス端子
53 治具
54 押し治具
55 ロードセル
56 変位計
57 モニター
61 電源
62 電圧計
2 Niなどからなる下地層
2a Ni層(N層)
3 銅などからなる中間層
3a Cu層(C層)
4 Cu−Sn合金層
4a Sn層(S層)
4b Cu−Sn金属間化合物
4c SnまたはSn合金
5 金属材料
6 めっき積層体
10 オス端子
11 タブ
12 ワイヤバレル
20 メス端子
21 舌片
22 ディンプル
23 ビード
31 最外層の表面
32 基体
33 下地層
34 中間層
35 最外層
36 SnまたはSn合金
51 メス端子
52 オス端子
53 治具
54 押し治具
55 ロードセル
56 変位計
57 モニター
61 電源
62 電圧計
Claims (8)
- オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
- 前記オス端子の最表面が、厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする請求項1に記載のコネクタ。
- オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の接点部分の最表面が厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
- 前記オス端子の接点部分の最表面が、厚み0.10μm以上3.0μm以下のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする請求項3に記載のコネクタ。
- オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
- 前記オス端子の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする請求項5に記載のコネクタ。
- オス端子を有するオスコネクタと、接触荷重が0.6N以上6.0N以下であるメス端子を有するメスコネクタとが互いに接続可能に構成されているコネクタであって、前記オス端子および前記メス端子の少なくとも一方の接点部分の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とするコネクタ。
- 前記オス端子の接点部分の最表面が、最大厚み0.01μm以上0.50μm以下の分散純Sn層を含み、厚み0.10μm以上3.0μm以下かつ前記分散純Sn層厚み以上のCu−Sn合金層である金属材料により形成されていることを特徴とする請求項7に記載のコネクタ。
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