説明

コネクタ用端子およびその製造方法

【課題】低挿入力性と接続信頼性を両立したコネクタ用端子を提供する。
【解決手段】銅または銅合金を母材とするコネクタ用金属材料から加工されたコネクタ用端子において、前記端子の表面の接点部にはスポット状に銅スズ合金層が形成され、前記端子の表面の残部にはスズ層またはスズ合金層が形成されているコネクタ用端子。母材上に銅下地めっきを施しても良く、耐熱性を向上させるために、下層からの金属拡散を防止するバリア性を持つニッケル下地めっきを母材と銅下地めっきの間に施してもよい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はコネクタ用端子およびその製造方法に関し、詳しくは、低挿入力性と接続信頼性を両立したコネクタ用端子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
銅(Cu)、銅合金などの導電体の母材(以下、適宜、母材と記す。)上にスズ(Sn)、スズ合金などのめっき層を設けためっき材料は、母材の優れた導電性と強度、およびめっき層の優れた電気接続性と耐食性とはんだ付け性を備えた高性能導体材料として知られており、各種の端子やコネクタなどに広く用いられている。
【0003】
ところで近年、電子制御化が進む中で嵌合型コネクタが多極化したため、オス端子群とメス端子群を挿抜する際に多大な力が必要になり、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。
【0004】
前記挿抜力を低減する方法として、コネクタ端子表面のSnめっき層を薄くして端子間の接触圧力を弱める方法があるが、この方法はSnめっき層が軟質のため端子の接触面間にフレッティング現象が起きて端子間に導通不良が起きることがある。
【0005】
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圧力が低いほど起き易い。
【0006】
特許文献1には、銅または銅合金の母材に下地銅めっき層を形成し、さらにその表面にスズめっき層を形成し、その後、端子の嵌合部分における摺動面とは反対側の面にレーザ照射を行うことにより、摺動面におけるレーザのビームスポットに対応する部分が伝熱により加熱され、スズめっき層と下地銅めっき層との界面に銅スズ合金層が形成される嵌合型接続端子の製造方法が記載されている。
薄くスズめっき層を残存させるレーザ照射条件であれば、安定した接触抵抗を維持したまま端子の低挿入力化が可能で、かつ直接レーザ照射を行わないので、スズめっき層が溶融変化を起こさず、接触抵抗が悪化しないとされている。
【0007】
特許文献2には嵌合型オス端子の平板形状のタブ部表面に、嵌合型メス端子の嵌合部ないにタブ部を挟み込むように設けられた凸部が弾性接触することによりタブ部表面に挿抜痕が形成される嵌合型オス端子のタブ部表面に施されるスズめっき層おいて、挿抜痕終端の接続痕近傍におけるめっき厚がすくなくとも挿抜痕が形成される部分よりも厚く表面処理された嵌合型オス端子が記載されている。
この嵌合型オス端子は、接続痕が形成されることになる接点部には接続信頼性を確保できるめっき層があり、その前部分の挿抜痕が形成される部分のめっき層は薄いため、挿入力低減効果と接続信頼性を両立することができるとされている。
【0008】
【特許文献1】特開平11−233228号公報
【特許文献2】特開2005−353352号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、上記の嵌合型接続端子でははんだ付けに使用する裏面から加熱することによりはんだ濡れ性が低下することや、挿入時に摺動が起こる部分の摩擦係数が高いことなどの点で、まだ低挿入力性と接続信頼性を十分に両立できるものではなかった。
【0010】
そこで、本発明は低挿入力性と接続信頼性を両立したコネクタ用端子およびその製造方法を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記課題は、以下の手段により達成される。すなわち、本発明は、
(1)銅または銅合金を母材とするコネクタ用金属材料から加工されたコネクタ用端子において、前記端子の表面の接点部にはスポット状に銅スズ合金層が形成され、前記金属材料の表面の残部にはスズ層またはスズ合金層が形成されていることを特徴とするコネクタ用端子、
(2)前記スズ層またはスズ合金層の下層に、銅層または銅合金層が形成されていることを特徴とする(1)項記載のコネクタ用端子、
(3)前記母材上に、ニッケル層またはニッケル合金層が形成されていることを特徴とする(1)項または(2)項記載のコネクタ用端子、
(4)銅または銅合金を母材とし、この母材上にスズめっき層またはスズ合金めっき層を形成してコネクタ用金属材料を得たのち、前記金属材料の特定箇所にスポット状のリフロー処理を行い、前記金属材料の表面の一部に銅スズ合金を露出させ、その後コネクタ用端子の形状に加工することを特徴とするコネクタ用端子の製造方法、
(5)銅または銅合金を母材とし、この母材上にスズめっき層またはスズ合金めっき層を形成してコネクタ用金属材料を得て、この金属材料をコネクタ用端子の形状に加工し、その後前記コネクタ用端子表面の接点部を含む特定箇所にスポット状のリフロー処理を行い、前記接点部に銅スズ合金を露出させることを特徴とするコネクタ用端子の製造方法、
(6)前記リフロー処理前の前記スズめっき層またはスズ合金めっき層の厚さが0.3〜0.8μmであることを特徴とする(4)項または(5)項記載のコネクタ用端子の製造方法、
(7)前記母材と、前記スズめっき層またはスズ合金めっき層との間に、前記母材上に近い側から、ニッケルめっき層またはニッケル合金めっき層、銅めっき層または銅合金めっき層を設けて前記コネクタ用金属材料を得ることを特徴とする(4)項または(5)項記載のコネクタ用端子の製造方法、
(8)前記リフロー処理前の前記スズめっき層またはスズ合金めっき層の厚さが0.3〜0.8μmであり、かつ前記銅めっき層の厚さ(Cu厚)に対する前記スズめっきまたはスズ合金めっき層の厚さ(Sn厚)の比(Sn厚/Cu厚)が2未満であることを特徴とする(7)項に記載のコネクタ用端子の製造方法、
(9)前記リフロー処理がレーザ照射によることを特徴とする(4)項〜(8)項のいずれか1項に記載のコネクタ用端子の製造方法、
を提供するものである。
【発明の効果】
【0012】
本発明のコネクタ用端子は、接点部では低摩擦係数で且つ耐フレッティングに優れており、それ以外の部分はハンダ付け性や耐環境性に優れており、低挿入力と接続信頼性を両立することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
本発明のコネクタ用端子の母材としては、銅または銅合金が用いられ、コネクタ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が好ましい。
母材の形状は、条、丸線、角線など任意である。
【0014】
本発明では、母材上にCu下地めっきを行い、Cuめっき層を設けることが好ましいが、後述するリフローによって銅スズ合金が形成できるような構成であれば下地なしでもよい。Cuめっき層を設けることにより、Cu濃度を減少させたCu−Sn合金層の形成を容易にすることができる。Cuめっき層の厚みは0.01〜3.0μmが好ましい。さらには0.05〜1.0μmが好ましい。
【0015】
また、耐熱性を向上させるために、下層からの金属拡散を防止するバリア性を持つニッケル(Ni)下地めっきを母材と銅下地の間に施し、ニッケルめっき層を設けてもよい。ニッケル下地めっきは、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合金めっきでもよい。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。
ニッケルめっき層の厚みは、0.02μm未満ではそのバリア機能が十分に発揮されなくなり、3.0μmを超えるとめっき歪みが大きくなって母材から剥離し易くなる。従って0.02〜3.0μmが好ましい。ニッケルめっき層の厚みの上限は端子加工性を考慮すると1.5μm、さらには1.0μmが好ましい
【0016】
本発明においては、材料の表層はスズめっき、またはスズ合金めっきが施されるが、該スズめっきまたはスズ合金めっきは、光沢より無光沢のものが、レーザの吸収率を上げるので好ましい。
また、スズめっきまたはスズ合金めっき厚が薄すぎるとスズの耐熱性、耐環境性が発現しにくいため、厚さは0.3μm以上が好ましく、0.3〜0.8μmがさらに好ましく、0.3〜0.6μmがより好ましい。
本発明において、Snめっきは、無電解めっきで行って形成しても良いが、電気めっきで形成するのが望ましい。また、Sn合金めっきとしては、Sn−Cu、Sn−Bi、Sn−Ag、Sn−Zn、Sn−In、Sn−Pb、Sn−Ag−CuなどのSn主体の合金のめっきを好ましく用いることができる。
表層の電気Snめっきは、例えば硫酸スズ浴を用い、めっき温度30℃以下、電流密度5A/dmで行えばよい。ただし、条件はこの限りではなく適宜設定可能である。
【0017】
下地銅めっきを施した場合、下地銅めっき層の厚さ(Cu厚)に対する表層スズめっきまたはスズ合金めっき層の厚さ(Sn厚)の比(Sn厚/Cu厚)が2未満であることが好ましく、1.0〜2.0であることがさらに好ましい。
【0018】
本発明のコネクタ用端子は、銅または銅合金を母材とし、表面にスズ層またはスズ合金層が形成されたコネクタ用金属材料から形成され、コネクタ端子の接点部に銅スズ合金が形成されている。この端子を得るためには、コネクタ用金属材料に対して、またはコネクタ用金属材料からプレス加工されて端子の形状に加工された後に、該端子の接点部(または該端子の接点部となる金属材料上の箇所)にのみリフロー処理(めっきその他の型の被覆を溶融・再固化させる処理)を施し、該接点部に銅スズ合金層を露出させる。リフロー処理は、材料表面における特定部分(限定された部分)に、すなわちスポット状にリフローできる方法であれば、それに限定されるものでないが、レーザ照射によるレーザのビームスポットに対応する部分の処理が好適に用いることができる。例えば、材料加工で使用されるYAGレーザ照射装置または半導体レーザ照射装置を用いて、接点部を限定的に加熱リフロー処理することができる。ここで、リフロー処理されるスポット状の領域の面積には数値的基準はないが、該スポット状の領域には、少なくとも端子の接点部となる箇所を含むことが必要とされる。
【0019】
以下、レーザ照射を用いたリフロー処理について説明する。
本実施形態では、端子の接点部の表面側、すなわち摺動面側に銅スズ金属間化合物を成長させるために摺動面側からレーザを照射する。
【0020】
レーザの照射は、表面にSnめっきまたはSn合金めっき層が残存しないようなレーザ照射条件で行われる。レーザ出力は1W〜60Wが好ましい。
【0021】
上記のレーザ加熱によってリフローされる深さは、材料に施した全めっき厚よりも浅くスズめっき厚よりも深くなるように調整する。
また、リフローが過剰になることを防ぐため、レーザを照射する側と反対側から材料を冷却しながらレーザ照射してもよい。
レーザ処理は大気中で行ってもよいが、還元雰囲気下で行ってもよい。
【0022】
また、上記の接点部以外の上記リフローを行わない部分を含めた形式で予備的にリフローしてもよい。ただし、当該予備的リフロー処理により表面に銅スズ金属間化合物が露出しないことが必要である。予備的リフロー処理は、例えば、電磁誘導加熱炉、バーナー加熱炉、雰囲気炉などの加熱装置により行うことができる。
【0023】
図1は、本発明の端子の製造方法の1例を拡大断面図によりも模式的に示した説明図である。図1(a)は、銅合金からなる母材1に、ニッケル下地めっきと銅下地めっきをこの順に施し、Ni層2とCu層3を形成し、Cu層3上にスズめっきによりSn層4を形成した状態のめっき材(コネクタ用金属材料)を示す。次いで、このめっき材を常法によるプレス加工などにより、端子の形状に加工した後、バーナー加熱炉により予備リフローを行い、図1(b)に示すように、Cu層3とそれに接するSn層4とから銅スズ金属間化合物を含むCuSn合金層5を形成する。次いで、接点部のみを表面側からレーザ照射してスポット状にリフローし、CuSn合金層5を表面側に成長させ、図1(c)に示すように、CuSn合金層5が表面に露出する。
【0024】
本発明において、リフロー前の材料は、プレス加工などの常法により、端子の形状に加工することができる。図2は、本発明のコネクタ用端子の1例の側面図で、オス端子11およびメス端子12から構成されている。破線で囲まれた部分は、それぞれ、13がオス端子のタブ、14がメス端子の舌片、15がメス端子のビードそれぞれ示す。舌片14の上部には凸状のディンプルが形成されている。オス端子11をメス端子12に挿入接合する際には、タブ13を舌片14とビード15との間隙に挿入する。そして、タブ13を完全に挿入すると、舌片14及びビート15がそれぞれタブ13に強く接触した状態で、タブ13がそれらの間に圧接保持される。これによりオス端子11及びメス端子12間の良好な電気的接続がなされる。オス端子11側のタブ13の上面および下面が接点部となり、一方メス端子12側の舌片14(ディンプル)およびビード15が接点部となる。
また、リフロー工程は端子形状加工後に行われるが、リフロー後に再度加工を行ってもよい。なお、コネクタ用金属材料からプレス加工される端子の接点部の位置が特定されうる場合、例えばコネクタ用金属材料に位置決め用の穴が設けられている場合には、コネクタ用金属材料にリフロー工程を実施し、その後プレス加工しても差し支えない。
【0025】
本発明のコネクタ用端子は、例えば自動車用の嵌合型コネクタをはじめ、各種電気電子機器用の嵌合型接続端子に好適に用いることができる。本発明のコネクタ用端子は、接点部では、低摩擦係数で且つ耐フレッティングに優れており、それ以外の部分はハンダ付け性や耐環境性に優れており、低挿入力と接続信頼性を両立することができる。
【実施例】
【0026】
以下に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
なお、以下の実施例および比較例において、銅めっきは硫酸浴、ニッケルめっきはスルファミン酸浴、スズめっきは硫酸浴を用いて行った。
【0027】
実施例1
幅0.64mmの7/3黄銅角線に銅の下地めっきを厚さ0.3μm施した後、厚さ0.3μmのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、YAGレーザ(出力30W、波長1064nm)を接点部に照射してリフローした。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。
【0028】
実施例2
幅0.64mmのコルソン合金(古河電気工業(株)製、EFTEC−97:以下同様)の角線に銅の下地めっきを厚さ0.5μm施した後、厚さ0.6μmのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、YAGレーザ(出力30W、波長1064nm)を接点部に照射してリフローした。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。
【0029】
実施例3
幅0.64mmの7/3黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ0.5μm、銅の下地めっきを厚さ0.3μm施した後、厚さ0.3μmのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、YAGレーザ(出力30W、波長1064nm)を接点部に照射してリフローした。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。
【0030】
実施例4
幅0.64mmのコルソン合金角線にニッケルの下地めっきを厚さ0.5μm、銅の下地めっきを厚さ0.5μm施した後、厚さ0.6μmのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、YAGレーザ(出力30W、波長1064nm)を接点部に照射してリフローした。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。
【0031】
実施例5
幅0.64mmの7/3黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ0.3μm、銅の下地めっきを厚さ0.3μm施した後、厚さ0.3μmのスズめっきを行った。当該材料をオス端子の形状に加工後、接点に供される部分に対して半導体レーザ(出力5W、波長915nm)を照射して加熱し、リフロー処理を施した。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。
【0032】
実施例6
幅0.64mmのコルソン合金角線にニッケルの下地めっきを厚さ0.3μm、銅の下地めっきを厚さ0.5μm施した後、厚さ0.6μmのスズめっきを行った。当該材料をオス端子の形状に加工後、接点に供される部分に対して半導体レーザ(出力5W、波長915nm)を照射して加熱し、リフロー処理を施した。接点部の表面には銅スズ金属間化合物が露出した。
【0033】
比較例1
幅0.64mmの7/3黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ0.5μm、銅の下地めっきを厚さ0.5μm施した後、厚さ0.6μmのスズめっきを行った。その後、当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工した。
【0034】
比較例2
幅0.64mmの7/3黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ0.5μm、銅の下地めっきを厚さ0.5μm施した後、厚さ0.6μmのスズめっきを行った。当該材料の全面をバーナーによってSnの融点以上に加熱してリフローした後、プレスによって接続端子のオス端子の形状に加工した。
【0035】
比較例3
幅0.64mmの7/3黄銅角線にニッケルの下地めっきを厚さ0.5μm、銅の下地めっきを厚さ0.5μm施した後、厚さ0.6μmのスズめっきを行った。当該材料をプレスによって接続端子のオス端子の形状に加工後、全面をバーナーによってSnの融点以上に加熱してリフローした。
【0036】
試験例
上記実施例1〜6、比較例1〜3の接続端子の接触抵抗、はんだ濡れ性、動摩擦係数について、評価試験を行った。
(接触抵抗)
接触抵抗は、4端子法によって測定し、接触子にはAgプローブを用い1Nの荷重をかけて測定した。5mΩ以内が合格○、それ以上を不合格×とした。
(はんだ濡れ性)
はんだ濡れ性は、メニスコグラフ法によって測定を行った。
装置はレスカ(株)製ソルダーチェッカーSAT−5100を用いた。
はんだはSn−3.0Ag−0.5Cuの鉛フリーはんだを用いて、25%ロジンフラックスを使用した。
判定基準は、浸漬面積の95%以上が濡れている場合に良好◎、浸漬面積の90%以上95%未満が濡れている場合に合格○、それ以下を不合格×とした。
(動摩擦係数)
動摩擦係数の測定には、バウデン試験器を用いた。
摺動子にはメス端子を模擬したディンプルを取り付けて測定した。
判定基準は、μk<0.25を良好◎、0.25≦μk<0.3を合格○とし、それ以上を不合格×とした。
【0037】
【表1】

【0038】
表1に示されるように実施例1〜6では、いずれも接触抵抗、はんだ濡れ性が合格基準を満たし、かつ、動摩擦係数がμk<0.25の良好◎であるのに対し、比較例1および3では動摩擦係数が不合格であり、比較例2で動摩擦係数が0.25≦μk<0.3となるものであった。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明のコネクタ用端子の製造方法の1例を拡大断面図により模式的に示した説明図である。
【図2】本発明のコネクタ用端子の1例の側面図である。
【符号の説明】
【0040】
1 銅合金からなる母材
2 Ni層
3 Cu層
4 Sn層
5 CuSn合金層
11 オス端子
12 メス端子
13 タブ
14 舌片
15 ビード

【特許請求の範囲】
【請求項1】
銅または銅合金を母材とするコネクタ用金属材料から加工されたコネクタ用端子において、前記端子の表面の接点部にはスポット状に銅スズ合金層が形成され、前記端子の表面の残部にはスズ層またはスズ合金層が形成されていることを特徴とするコネクタ用端子。
【請求項2】
前記スズ層またはスズ合金層の下層に、銅層または銅合金層が形成されていることを特徴とする請求項1記載のコネクタ用端子。
【請求項3】
前記母材上に、ニッケル層またはニッケル合金層が形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載のコネクタ用端子。
【請求項4】
銅または銅合金を母材とし、この母材上にスズめっき層またはスズ合金めっき層を形成してコネクタ用金属材料を得たのち、前記金属材料の特定箇所にスポット状のリフロー処理を行い、前記金属材料の表面の一部に銅スズ合金を露出させ、その後コネクタ用端子の形状に加工することを特徴とするコネクタ用端子の製造方法。
【請求項5】
銅または銅合金を母材とし、この母材上にスズめっき層またはスズ合金めっき層を形成してコネクタ用金属材料を得て、この金属材料をコネクタ用端子の形状に加工し、その後前記コネクタ用端子表面の接点部を含む特定箇所にスポット状のリフロー処理を行い、前記接点部に銅スズ合金を露出させることを特徴とするコネクタ用端子の製造方法。
【請求項6】
前記リフロー処理前の前記スズめっき層またはスズ合金めっき層の厚さが0.3〜0.8μmであることを特徴とする請求項4または請求項5記載のコネクタ用端子の製造方法。
【請求項7】
前記母材と、前記スズめっき層またはスズ合金めっき層との間に、前記母材上に近い側から、ニッケルめっき層またはニッケル合金めっき層、銅めっき層または銅合金めっき層を設けて前記コネクタ用金属材料を得ることを特徴とする請求項4または請求項5記載のコネクタ用端子の製造方法。
【請求項8】
前記リフロー処理前の前記スズめっき層またはスズ合金めっき層の厚さが0.3〜0.8μmであり、かつ前記銅めっき層の厚さ(Cu厚)に対する前記スズめっきまたはスズ合金めっき層の厚さ(Sn厚)の比(Sn厚/Cu厚)が2未満であることを特徴とする請求項7に記載のコネクタ用端子の製造方法。
【請求項9】
前記リフロー処理がレーザ照射によることを特徴とする請求項4〜請求項8のいずれか1項に記載のコネクタ用端子の製造方法。

【図1】
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【図2】
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