(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｉを０．３％〜１５％（質量％、以下同じ）含有する銅合金を母材とし、該母材表面にリフロー又は溶融ＳｎめっきによるＳｎめっき層を有し、該Ｓｎめっき層が表層側から厚さ０．５μｍ以下のＳｎ層と、平均断面径０．０５〜１．０μｍ、平均縦横比１以上の柱状結晶のＣｕ−Ｓｎ合金層からなり、該Ｓｎめっき層（Ｓｎ層とＣｕ−Ｓｎ合金層）の厚さが０．２〜２．０μｍであることを特徴とする嵌合型接続端子用Ｓｎめっき銅合金材料。
【請求項２】
Ｓｎめっき層表面のＳｎ酸化物層の厚さが１〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載された嵌合型接続端子用Ｓｎめっき銅合金材料。
【請求項３】
Ｓｎめっき層中のＣ含有量が０．０１〜１％であることを特徴とする請求項１又は２に記載された嵌合型接続端子用Ｓｎめっき銅合金材料。
【請求項４】
動摩擦係数が０．１５〜０．４５であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された嵌合型接続端子用Ｓｎめっき銅合金材料。
【請求項５】
表層のヌープ硬度がＨｋ（０．２４５Ｎ）＝１００〜３００であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された嵌合型接続端子用Ｓｎめっき銅合金材料。
【請求項６】
オス端子とメス端子からなる嵌合型接続端子であり、オス端子又はメス端子の少なくともいずれか一方が請求項１〜５に記載されたＳｎめっき銅合金材料からなることを特徴とする嵌合型接続端子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、嵌合型接続端子用Ｓｎめっき銅合金材料に関し、特にオス、メス端子の嵌合時の挿入力が低く、端子が多数集合してなる多極コネクタに適する嵌合型接続端子用Ｓｎめっき銅合金材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の電線の接続には、銅合金に表面処理を施した端子が使用されている。一つ一つの端子は、オス端子とメス端子の組み合わせの嵌合端子からなっている。これらが複数個集合したコネクターを多極端子という。
近年、自動車の電装化が進むなかで、このようなコネクタの極数、すなわち、一つのコネクタの中の端子の数は増加している。端子数が増加すると挿入力（嵌合力）が大きくなり、実装に道具が必要になったり、人が挿入する場合でも大きな力を必要とするようになり、その組み立て作業の効率を低下させる原因になる。このため、極数が増加しても、挿入力が従来よりも大きくならないように、低挿入力（低嵌合力）の端子が要求されている。これらの要求に対し、従来のＳｎめっき端子ではその挿入力が大きく、作業性を低下させずに多極コネクタを製造することが困難であった。
【０００３】
端子の挿入力を低減するには、接圧力を低くすることが考えられるが、この場合、接点における電気的接続の信頼性を考慮すると、ＳｎめっきではなくＡｕめっきなどの信頼性は高いが高価な表面処理が必要となる。また、Ｓｎめっき端子は、めっきを薄くすることにより挿入力が低下するが、薄すぎるとＳｎめっき層にピンホールが生成するため、Ｃｕの酸化物が生成して端子の接触抵抗値が増大する恐れがある。このため、現実にはめっき厚さを薄くし、かつ信頼性を維持することは大変困難である。さらに、接点に潤滑油を塗布して挿入力を低下することも可能であるが、その工程の分だけコストアップとなる。また、電気的な特性に影響を与えない接点油が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、低挿入力で多極化に適し、かつ端子の信頼性を損なうことのない嵌合型接続端子を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る嵌合型接続端子用Ｓｎめっき銅合金材料は、Ｓｎめっき層自体の構造を特定することにより、上記目的を達成するもので、Ｎｉを０．３％〜１５％含有する銅合金を母材とし、該母材表面にリフロー又は溶融ＳｎめっきによるＳｎめっき層を有し、該Ｓｎめっき層が表層側から厚さ０．５μｍ以下のＳｎ層と、平均断面径０．０５〜１．０μｍ、平均縦横比１以上の柱状結晶のＣｕ−Ｓｎ合金層からなり、該Ｓｎめっき層（Ｓｎ層とＣｕ−Ｓｎ合金層）の厚さが０．２〜２．０μｍであることを特徴とする。
【０００６】
本発明におけるＳｎめっき層の模式図を図１（ａ）に示す。図１（ａ）において、１は銅合金母材、２はＣｕ−Ｓｎ合金層（多数の柱状結晶３からなる）、４はＳｎ層であり、柱状結晶３の間には合金化していないＳｎが残留している。図２は、表面のＳｎ酸化物層、Ｓｎ層及び結晶間の残留Ｓｎを化学的に溶解した後、柱状結晶からなるＣｕ−Ｓｎ合金層を表面からＳＥＭ観察して得た顕微鏡写真である。
本発明において平均縦横比とは、図１（ｂ）に示すように、柱状結晶の縦方向（延びた方向）の長さの平均値をａとし、横方向（延びた方向に垂直な方向）の最大幅の平均値（＝平均断面径）をｂとしたとき、その比ａ／ｂを意味する。なお、本発明において、平均縦横比が１以上のものを柱状結晶、１未満のものを粒状結晶という。
【０００７】
【発明の実施の形態】
従来広く用いられているＳｎめっき端子は、通常、銅合金からなるめっき基材にＣｕ下地めっきを行い、次いでＳｎめっきを行っているが、本発明のＳｎめっき銅合金材料は、Ｎｉを０．３％以上１５％以下含有する銅合金母材に、Ｃｕ下地めっきを省略して直接Ｓｎめっきを行い、次いでリフロー処理を施すことで得ることができる。リフロー処理により、銅合金母材上に硬い柱状結晶のＣｕ−Ｓｎ合金層が形成される。このＣｕ−Ｓｎ合金結晶はＣｕ−Ｓｎ金属間化合物であり、通常Ｃｕ６Ｓｎ５あるいはＣｕ３Ｓｎ等からなる。Ｃｕの一部が１５％以下のＮｉにより置換されていてもよい。
【０００８】
本発明では、Ｓｎめっき層（Ｓｎ層とＣｕ−Ｓｎ合金層）の厚さが０．２〜２．０μｍの範囲内で、平均断面径が０．０５〜１．０μｍ、その平均縦横比が１以上の柱状結晶となるようにリフロー処理条件を制御し、同時に表層に厚さ０．５μｍ以下のＳｎ層が残留するように制御する。表層のＳｎ層の厚さはゼロでもよい。Ｃｕ−Ｓｎ合金の柱状結晶は図１にみられるように表層に向け種々の方向に延び、延びた方向からみたときの形状は略円形又は略楕円状である。
Ｃｕ−Ｓｎ合金の柱状結晶の平均断面径及び平均縦横比を上記の範囲に制御することで、当該結晶同士の間に合金化していないＳｎが適度に残留する。この残留Ｓｎにより、接触抵抗、耐食性等の電気的信頼性が保たれる。しかし平均断面径が１．０μｍを超える場合や平均縦横比が１未満の粒状結晶のとき、隣接する結晶同士が成長、接合してその間の残留Ｓｎが減少又は失われ、電気的信頼性が低下する。一方、平均断面径が０．０５μｍ未満のとき、結晶の形態は柱状であっても径が小さすぎるため、嵌合型接続端子のオス舌片とメス舌片を嵌合する際、Ｃｕ−Ｓｎ合金層が変形して摩擦係数の低減効果が小さくなる。
【０００９】
また、Ｓｎ層の厚さが０．５μｍ以上と厚い場合も、軟らかいＳｎ層が変形して摩擦係数が大きくなる。
Ｓｎめっき層（Ｓｎ層とＣｕ−Ｓｎ合金層）の厚さを０．２〜２．０μｍとするのは、これが０．２μｍに満たないと耐食性、接触抵抗等が劣化し、２μｍを超えると、Ｃｕ−Ｓｎ合金の柱状結晶及びＳｎ層を上記の通り制御しても、摩擦係数の低減効果がないためである。
【００１０】
銅合金母材中に含まれるＮｉはＣｕ−Ｓｎ合金結晶の柱状化に寄与する。Ｎｉの含有量が０．３％未満であるとその作用が弱く、後述する条件でリフロー処理をしても、Ｃｕ−Ｓｎ合金結晶は平均断面径が１．０μｍを超え又は平均縦横比が１未満となって粒状化する。また、Ｎｉの含有量が１５％を超えるとＣｕ−Ｓｎ合金結晶の平均断面径が小さくなりすぎ、摩擦係数の低減に寄与しなくなる。なお、母材中のＮｉは固溶状態であるほど、その効果が大きくなる。
【００１１】
ところで、特開平１１−１４０５６９号公報には、銅又は銅合金の表面にＳｎめっきを施し、次いでリフロー処理を行うことにより、粒状区画（それぞれがＣｕ−Ｓｎ結晶である）に区切られたＣｕ−Ｓｎ拡散合金層を形成することが記載されている。下地めっき無しの場合、粒状区画の平均粒径は０．１〜５μｍとされている。この平均粒径自体は本発明のものと一部重複するが、同公報の模式図に示された通り、各粒状区画は相互に接合し、かつ実施例の縦横比は全て１未満である。同公報によれば、このＣｕ−Ｓｎ拡散合金層は通常より高い温度でリフロー処理を行うことで製造され、実施例では処理温度７００〜９００℃、処理時間５〜８ｓｅｃとされている。
【００１２】
また、特開２０００−２１２７２０には、銅又は銅合金の表面にＳｎめっきを施し、好ましくはリフロー処理を行い、続いて酸素濃度を制御した雰囲気下で拡散熱処理を行うことにより、最表面に厚さが１０〜１０００ｎｍの酸化皮膜層とその内側に厚さ０．１〜１０μｍのＣｕ−Ｓｎを主体とする金属間化合物層を形成させることが記載されている。Ｃｕ−Ｓｎ合金層の平均断面径等については記載がないが、実施例のように拡散熱処理を２５０℃で２時間行った場合、リフロー処理の条件又はその有無に関わらず、各結晶は横方向にも成長し相互に接合して平均結晶粒径が１μｍを越え又は縦横比が１未満の粒状となり、前記特開平１１−１４０５６９号公報と同様の粒状形態となっているはずである。
【００１３】
一方、本発明のように、平均断面径０．０５〜１．０μｍ、縦横比１以上の柱状結晶を得るために望ましいリフロー処理条件は、例えば処理温度３００〜４５０℃、処理時間１０〜２０ｓｅｃである。高温、長時間になるほどＣｕ−Ｓｎ合金結晶は成長し、かつ結晶同士の接合も起こり得るため粒状となりやすく、かつ結晶間のＳｎも消滅しやすい。また、低温短時間に過ぎると平均断面径が小さくなる。なお、このＣｕ−Ｓｎ合金層は溶融めっきにても得ることができる。
【００１４】
そのほか、Ｓｎめっき層表面には通常、Ｓｎ酸化物層であるＳｎＯあるいはＳｎＯ２層等が形成されるが、その厚さが３０ｎｍ以上となると接触抵抗が劣化させる。また、通常の使用環境中では１ｎｍ未満に保持することは困難である。従って、酸化物層の厚さは１〜３０ｎｍとする。なお、前記Ｓｎ層とは、Ｓｎ酸化物層とＣｕ−Ｓｎ合金層の間に存在する金属Ｓｎから形成される層である。
また、Ｓｎめっき層中のＣ量は１％以上含有すると接触抵抗が劣化し、０．０１％未満であるとＳｎめっき層の硬度が低下し、摩擦係数の低減効果が損なわれる。従って、Ｓｎめっき層中のＣ量は０．０１〜１％が望ましい。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す▲１▼〜▲７▼の組成を有する０．２５ｍｍｔの銅合金板を通常の脱脂、酸洗処理した後、その表面に硫酸浴を用いて電気Ｓｎめっきを施し、めっき後リフロー加熱処理（４００℃×１５ｓｅｃ）を施した。Ｓｎめっき中のＣ含有量は全て０．１％である。
このＳｎめっき層について、めっき厚さ（Ｓｎ層＋Ｃｕ−Ｓｎ合金層）、Ｓｎ層厚さ、Ｃｕ−Ｓｎ合金結晶の形状（断面径、縦横比）、酸化膜厚、動摩擦係数、ヌープ硬度、めっき層表面粗さ、接触抵抗を下記の要領で測定した。その結果を表１に示す。なお、表１中、母材のＮｉ固溶量は、全Ｎｉ量からＮｉ−Ｓｉ、Ｎｉ−Ｐ等の析出物中のＮｉ量を差し引いたものである。
【００１６】
Ｓｎめっき層厚さ；蛍光Ｘ線膜厚測定により測定した。
Ｓｎ層厚さ；ミクロトームにより板材断面を切断し、ＳＥＭによりその切断面のＳｎめっき層部分を任意に５箇所選定し、各箇所について幅１０μｍに渡って観察し、Ｓｎめっき層表面とＣｕ−Ｓｎ合金層の間に存在するＳｎ層厚さの最小値を測定した。前記５箇所の値の平均値をＳｎ層厚さとした。
Ｃｕ−Ｓｎ合金結晶の形状；ミクロトームにより板材断面を切断した後にアルゴンエッチング処理を施し、ＳＥＭ観察することにより、めっき層部分を幅１０μｍに渡って観察し、その範囲内に存在する合金結晶について、それぞれの長さ及び断面径を測定し、その平均値を求めた。このとき、それぞれの合金結晶の断面径は、各合金結晶が延びている方向に対して垂直方向の幅の最大値とした。これらより求めた合金結晶の断面径の平均を平均断面径とし、長さの平均と平均断面径の比（平均長さ／平均断面径）を平均縦横比とした。
【００１７】
酸化膜厚さ；ＥＳＣＡによる深さ分析結果より算出した。
Ｓｎめっき層中のＣ量；Ｓｎめっき板材を酸素気流中にて１２５０℃程度で燃焼し、排出されるＣＯ及びＣＯ２ガスを検出する燃焼赤外線吸収法にて測定した。
動摩擦係数；Ｓｎめっき材を半径（内径）１．５ｍｍで張り出し加工したメス側舌片と、オス側舌片のＳｎめっき板材を接触させ、オス側舌片を水平に引っ張るようにして、オートグラフにて測定した。この際、接圧力はメス側舌片を取り付けた軸にかけた荷重（Ｎ＝２．９４Ｎ）であり、潤滑材は一切使用せず、オス側舌片を引っ張る速度は８０ｍ／ｍｉｎとした。摩擦係数値（μ）は次式のように、ロードセルによって測定した水平方向にかかる力（Ｆ）を荷重（Ｎ）で割ったものである。
μ＝Ｆ／Ｎ
【００１８】
ヌープ硬度；ＪＩＳＺ２２５１（微小硬さ試験方法）に従って測定した。
表面粗さ；接触式表面粗さ計を用い、ＪＩＳＢ０６００１に基づいて求めた。
接触抵抗；めっき作製直後（AS）及び１６０℃×１２０時間の加熱処理後に測定を行い、４端子法により、解放電圧２０ｍＶ、電流１０ｍＡで金プローブ（１．０ｍｍφ）を用いて測定した。測定荷重は２．９４Ｎ（無摺動状態）である。
【００１９】
【表１】
0003874621.tif 000002
【００２０】
表１に示すように、▲３▼〜▲６▼では、Ｎｉ含有量が０．３〜１５％の範囲内において、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の結晶の形状が、平均断面径が０．０５〜１μｍ、縦横比が１．０以下の範囲内に入る柱状であり、かつＳｎ層厚さが０．５μｍ以下で、動摩擦係数が小さい。また、Ｓｎ層厚さが０〜０．３μｍと薄いが、合金層の形状が上記の柱状であるため、接触抵抗はＳｎ層が厚い▲２▼、▲７▼と同等である。  一方、Ｎｉ含有量が０．３％未満の▲１▼、▲２▼ではＣｕ−Ｓｎ合金層の結晶の形状が粒状となり、Ｓｎ層厚さが０μｍの▲１▼は接触抵抗値が大きく、Ｓｎ層厚さが０．５μｍより厚い▲２▼の摩擦係数は０．５と大きくなる。また、Ｎｉ含有量が１５％以上の▲７▼では、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の形状が柱状であるが、平均断面径が０．０５μｍ以下と小さいため、めっき層の変形抵抗が大きく摩擦係数が０．５と大きくなる。
【００２１】
（実施例２）
表１の▲４▼の組成を有する０．２５ｍｍｔの銅合金材料について、その表面に硫酸浴を用いて電気Ｓｎめっきを施し、めっき後リフロー加熱処理（４００℃×１５ｓｅｃ）を施した。その際、めっき時間、リフロー処理の雰囲気及びめっきの光沢材の量を加減して、めっき厚、酸化膜厚及びＣ含有量を変化させた。このＳｎめっき層について、実施例１と同じ測定を行った。その結果を表２に示す。
【００２２】
【表２】
0003874621.tif 000003
【００２３】
表２に示すように、▲１▼〜▲３▼ではＳｎめっき層の厚さが種々変化しているが、Ｃｕ−Ｓｎ合金層の結晶の形状が、平均断面径が０．０５〜１μｍ、アスペクト比が１．０以下の範囲内に入る柱状であり、かつＳｎ層厚さが０．５μｍ以下で、動摩擦係数が小さい。一方、▲４▼はＳｎめっき層の厚さが０．２μｍ未満であるため、加熱処理後の接触抵抗は２００ｍΩと高く、▲５▼はＳｎめっき層の厚さが２μｍを超えるため、動摩擦係数が０．５５と高い。また、▲６▼は酸化膜厚さが３０ｎｍを超え、ＡＳ及び加熱処理後の接触抵抗がそれぞれ３０、３００ｍΩと高い。さらに、▲７▼はＣ含有量が０．０１％以下であるため摩擦係数が０．５０と高く、▲８▼はＣ含有量が１％以上であるためＡＳ及び耐熱処理後の接触抵抗がそれぞれ２０、２００ｍΩと高い。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、従来よりも摩擦係数が低く、かつ電気的信頼性の優れるＳｎめっき銅合金材料を得ることができる。そのため、本めっき材を用いることにより、接点の信頼性を落とすことなしに、低挿入力の嵌合端子を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｓｎめっき層の構造を模式的に示す断面図である。
【図２】  Ｃｕ−Ｓｎ合金の結晶形状を示す顕微鏡組織写真である。
【符号の説明】
１  銅合金母材
２  Ｃｕ−Ｓｎ合金層
３  Ｓｎ層
４  Ｓｎ
【図１】
0003874621.tif 000004
【図２】
0003874621.tif 000005