(57)【要約】【課題】鉛フリーの錫めっきが施された接点部材におけるウイスカの発生を大幅に低減する。【解決手段】鉛フリーの錫めっきの表面に球状微粒子を高速で衝突させてアモルファス層４２２を形成し、そのアモルファス層４２２の表面に酸化による不動態被膜４２３を形成する。アモルファス層４２２は結晶粒界や欠陥がほとんどなく、その上に形成される不動態被膜４２３も欠陥がほとんどなく、このような不動態被膜４２３の存在によってウイスカの発生を抑制する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛フリーの錫めっきが施された接点部材であって、
前記錫めっきの表面がアモルファス化され、
そのアモルファス化されてなるアモルファス層の表面に酸化による不動態被膜が形成されていることを特徴とする接点部材。
【請求項２】
請求項１記載の接点部材において、
前記不動態被膜の厚さが１００Å以下とされていることを特徴とする接点部材。
【請求項３】
接点部材の少なくとも接点部分に鉛フリーの錫めっきを施す工程と、
その錫めっきの表面に球状微粒子を高速で衝突させてアモルファス層を形成する工程と、
そのアモルファス層の表面に酸化による不動態被膜を形成する工程とを有することを特徴とする接点部材の表面処理方法。
【請求項４】
請求項３記載の接点部材の表面処理方法において、
前記球状微粒子がヤング率２００ギガパスカル程度の材料からなることを特徴とする接点部材の表面処理方法。
【請求項５】
請求項４記載の接点部材の表面処理方法において、
前記材料が鋼もしくはステンレス鋼であることを特徴とする接点部材の表面処理方法。
【請求項６】
請求項３乃至５記載のいずれかの接点部材の表面処理方法において、
前記不動態被膜を自然酸化によって形成することを特徴とする接点部材の表面処理方法。
【請求項７】
請求項６記載の接点部材の表面処理方法において、
前記不動態被膜の厚さを１００Å以下とすることを特徴とする接点部材の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は鉛フリーの錫めっきが施されてなる接点部材に関し、特にウイスカの発生を大幅に低減することができる接点部材及び接点部材の表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばコネクタなどの電気的接続具においては、その電気的接続を担う接点部材の構成材料として銅合金が広く使用されており、またプリント配線板等における配線パターンには銅パターンが広く使用されている。そして、これら銅や銅合金の腐食による接触抵抗の増大を防止すべく、接点部材の少なくとも接点部分や配線パターンの例えば相手方コネクタと接続される接点部分（接続部分）には鉛フリーの錫めっき（鉛を含まない半田めっき）や金めっきを施すことが行われている。
【０００３】
しかるに、金めっきは高価であって、コスト的に問題があり、また環境問題に配慮して鉛フリーとした錫めっきは外部応力に起因してウイスカが発生するという問題があり、このようなウイスカの発生は例えば隣接接点部材間のショート（端子間ショート）というような重大な不具合を招くものとなっていた。
このような鉛フリーの錫めっきにおけるウイスカの発生を抑制する方法として、鉛フリーの錫めっきに熱処理を施すことが特許文献１に記載されている。また、特許文献２には鉛フリーの錫めっき上に薄い樹脂被覆層を形成することが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−３３１０１号公報
【特許文献２】特開２００５−３０２５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されている方法は鉛フリーの錫めっきのめっき後の残留応力を熱処理によって緩和するものであって、そのような残留応力が緩和されたとしても、接続時に加わる応力によってウイスカが発生してしまうため、効果は極めて不十分であり、加えて例えば錫の融点よりも低い温度で熱処理する場合には多大な熱処理時間を要するものとなっていた。
【０００５】
一方、特許文献２に記載されているような樹脂被覆層を形成する方法では、例えばコネクタの立体的な接点部材（コンタクト）にそのような樹脂被覆層を薄く、かつ均一に形成するのは容易ではなく、面倒な作業となり、また導通を確保するためには樹脂被覆層を破る必要があり、つまり接点部材の接点部分が接圧により樹脂被覆層を確実に破って貫通する必要があるものの、その貫通状態によっては接触抵抗が不安定となり、最悪、導通が確保できないといったような状況も生じうる。
【０００６】
この発明の目的はこのような状況に鑑み、ウイスカの発生を大幅に低減することができ、かつ安定した接触抵抗が得られる接点部材を提供することにあり、さらにそのような接点部材を簡易に構成できる接点部材の表面処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明によれば、鉛フリーの錫めっきが施された接点部材は、錫めっきの表面がアモルファス化され、そのアモルファス化されてなるアモルファス層の表面に酸化による不動態被膜が形成されているものとされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、不動態被膜の厚さが１００Å以下とされる。
請求項３の発明によれば、接点部材の表面処理方法は接点部材の少なくとも接点部分に鉛フリーの錫めっきを施す工程と、その錫めっきの表面に球状微粒子を高速で衝突させてアモルファス層を形成する工程と、そのアモルファス層の表面に酸化による不動態被膜を形成する工程とを有する。
【０００８】
請求項４の発明では請求項３の発明において、球状微粒子がヤング率２００ギガパスカル程度の材料からなるものとされる。
請求項５の発明では請求項４の発明において、前記材料が鋼もしくはステンレス鋼とされる。
【０００９】
請求項６の発明では請求項３乃至５のいずれかの発明において、不動態被膜を自然酸化によって形成する。
請求項７の発明では請求項６の発明において、不動態被膜の厚さを１００Å以下とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明による接点部材によれば、鉛フリーの錫めっきの表面に欠陥の極めて少ない不動態被膜が存在するため、ウイスカの発生を大幅に低減することができる。また、不動態被膜は成長し難く、極めて薄いため、トンネル効果により十分実用的かつ安定した接触抵抗を得ることができる。
この発明による接点部材の表面処理方法によれば、工数を要することなく、極めて簡単に、鉛フリーの錫めっきの表面に不動態被膜を形成することができ、よってウイスカの発生を抑制した接点部材を簡易かつ安価に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
最初に、この発明による接点部材の表面処理方法に用いる表面改質装置の構成について、図１を参照して説明する。
【００１２】
処理室１１内にステージ１２が設けられ、このステージ１２上に表面改質されるサンプル１３が配置される。この場合、例えばステージ１２上に基準位置もしくは複数の基準点が設けられ、サンプル１３をステージ１２上に位置決めして配置することができるようにされている。
【００１３】
サンプル１３に対し、球状の微粒子１４がノズル１５から噴射されて衝突させられる。このため、加圧タンク２１が例えば処理室１１上に設けられ、加圧タンク２１内に微粒子１４が収容される。微粒子１４は加圧タンク２１の蓋２１ａを開けることにより加圧タンク２１内に収容され、蓋２１ａは加圧タンク２１内の微粒子１４を十分な圧力で噴射させるために必要な圧力に耐えられるように十分な強さで閉められる。
【００１４】
加圧タンク２１内にはパイプ２２を通じ、圧力調整器２３を介してコンプレッサ２４より加圧ガスが供給される。加圧ガスは例えば圧縮空気とされる。また、加圧タンク２１内にはパイプ２５の一端が連通され、パイプ２５は処理室１１内に挿入され、その他端はノズル１５とされている。ノズル１５はその微粒子噴射口がステージ１２上の任意の位置と対応させることができるようにされており、つまりパイプ２５としては比較的柔軟に曲げることができるようなものが用いられている。
【００１５】
処理室１１外にはノズル駆動装置３１が設けられ、ノズル駆動装置３１より可動体３２が突出されている。可動体３２は２次元座標（平面）上の任意の位置にノズル駆動装置３１内の駆動機構により移動される。ノズル駆動装置３１はいわゆるＸＹステージ駆動機構と同様な機構を有する。可動体３２には連結棒３３の一端が固定され、連結棒３３の他端側は処理室１１に形成された孔１１ａを通じて処理室１１内に挿入されている。ノズル１５はこの処理室１１内に挿入された連結棒３３に取り付けられている。
【００１６】
制御装置３４からの電気的制御信号がケーブル３５を介してノズル駆動装置３１に入力され、その制御信号に基づき、ノズル駆動装置３１が制御される。ステージ１２上の基準と可動体３２の２次元上の移動位置との関係は予め対応付けられており、ノズル駆動装置３１はノズル１５がステージ１２上において制御信号に応じた位置に移動するように可動体３２を移動させる。
【００１７】
コンプレッサ２４からの加圧ガスは圧力調整器２３で調整された圧力で加圧タンク２１内に流入され、加圧タンク２１内の微粒子１４がパイプ２５を通じノズル１５より高速度で噴射される。ノズル１５より噴射した微粒子１４はサンプル１３に衝突する。微粒子１４は衝突によって割れることはなく（破壊されることはなく）、衝突後の微粒子１４は処理室１１に連結された集塵機２６に回収され、再利用される。なお、処理室１１の孔１１ａは微粒子１４が外部に飛散しないように、また連結棒３３の動きが制限されることのないように、ゴムなどの複数の弾性片１１ｂによって塞がれている。
【実施例】
【００１８】
図２はこの発明による接点部材の一実施例として、コネクタに使用されている接点部材（コンタクト）を示したものであり、図２Ａはコネクタ４０のハウジング４１に接点部材４２が収容固定されている状態を示し、図２Ｂはその接点部材４２の表層の層構成を示したものである。この図２Ａに示したコネクタ４０はフレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）やフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）の接続端子部が挿入接続されるものであって、接点部材４２の弾性変形可能とされた腕部４２ａの先端には接点部４２ｂが突起状をなすように形成されている。
【００１９】
接点部材４２はこの例ではリン青銅板をプレス加工することによって形成され、その表面には鉛フリーの錫めっきが施されている。そして、錫めっき層４２１の表面にはその表面がアモルファス化されてなるアモルファス層４２２が図２Ｂに示したように形成され、さらにそのアモルファス層４２２の表面に酸化による不動態被膜４２３が形成されている。なお、図２Ｂ中、４２０はリン青銅よりなる基材を示す。
【００２０】
このような層構成を有する接点部材４２は前述の、図１に示した表面改質装置を使用して形成することができる。即ち、厚さ１μｍ程度の鉛フリーの錫めっきを施した接点部材４２を表面改質装置のステージ１２上に配置し、球状の微粒子１４を高速で衝突させる。
【００２１】
微粒子１４は接点部材４２に高速で衝突させても割れることなく、その運動エネルギを接点部材４２に有効に伝えられるものであって、微粒子１４の構成材料にはここではヤング率が２００ギガパスカル程度の例えば鋼（ＳＳ）やステンレス鋼（ＳＵＳ）が用いられ、また微粒子１４の粒径は５０μｍ程度とされる。
【００２２】
ノズル１５の直径を１．５ｍｍ、微粒子噴射圧力を９ｋｇｆ、噴射時間を１秒間とし、室温において圧縮空気を使用して微粒子１４を噴射させ、接点部材４２の表面（錫めっきの表面）に連続的に高速で衝突させると、各微粒子１４が大きな運動エネルギにより錫めっき表面に衝突するため、その衝突微小点が短時間溶融した後、急冷することが繰り返されることになる。つまり、微粒子１４の繰り返し高速衝突エネルギにより錫めっき表面は溶融、急冷を繰り返し、これによりアモルファス化され、錫めっき層４２１の表面にアモルファス層４２２が形成される。
【００２３】
このアモルファス層４２２は空気中の酸素により酸化され、自然酸化膜がアモルファス層４２２の表面に形成される。アモルファス層４２２は結晶粒界や欠陥がほとんどなく、その表面に形成される酸化膜も欠陥がほとんどなく、よって酸化膜は１００Å以上には成長しにくい不動態被膜４２３となる。
【００２４】
このように、この例では鉛フリーの錫めっき層４２１の表面に、欠陥の少ない不動態被膜４２３が形成され、これによりウイスカの発生を大幅に低減することができるものとなっており、加えて酸化膜が不動態化し、成長し難いので酸化防止効果も得ることができるものとなっている。なお、このように表面の不動態被膜４２３によりウイスカの発生を抑制するものであるため、接続時の外部応力に起因するウイスカに対しても効果的に抑制することができる。
【００２５】
この不動態被膜４２３は導体ではないが、１００Å以下の厚さではトンネル効果により接触抵抗は良好に保たれ、十分実用的な接触抵抗を得ることができるため、接点部材４２の電気的接続性能を損うことはない。
【００２６】
なお、微粒子１４の構成材料として、例えばアルミナ（ヤング率４００ギガパスカル程度）などのような弾性率の大きい材料を用いると、錫めっき層４２１のエッチング量が大きくなり、錫めっき層４２１の厚さが薄くなってしまうため、上述したように鋼やステンレス鋼を用いるのが好ましい。
【００２７】
図３は鉛フリーの錫めっき層４２１の表面にアモルファス層４２２及び不動態被膜４２３が形成されている場合と形成されていない場合（表面改質あり・なし）において、その表面及び外部応力によるウイスカ発生の様子を模式的に示したものであり、図３中、５１は端子（圧力端子）を示し、矢印５２は錫のクリープ移動を示す。
【００２８】
単に錫めっきが施されただけの状態（表面改質なし）では図３Ａに示したように、錫めっき層４２１の表面に欠陥４３が多数存在し、また結晶粒界も多数存在し、よってウイスカ４４が多数発生する。これに対し、図３Ｂに示したように微粒子衝突によりアモルファス層４２２が形成され、さらに不動態被膜４２３が形成された状態（表面改質あり）では欠陥は非常に少なく、ウイスカの発生が抑制される。
【００２９】
錫めっき層４２１の表面へのアモルファス層４２２及び不動態被膜４２３の形成は前述したように単に微粒子１４を高速衝突させるだけであって、その微粒子噴射時間も１秒以上あれば十分であり、よってこの発明による表面処理方法によれば、非常に簡易かつ短時間で、ウイスカの発生を抑制した接点部材を得ることができる。
【００３０】
［実験例］
鉛フリーの錫めっきを施した接点部材４２を用意し、下記のサンプルを作成して比較実験を行った。
・サンプル１：ステンレス鋼微粒子で表面改質処理（この発明の実施例）
・サンプル２：鋼微粒子で表面改質処理（この発明の実施例）
・サンプル３：未処理（比較例）
微粒子の粒径はいずれも５０μｍとし、噴射条件は噴射圧力９ｋｇｆ、噴射時間１秒、ノズル直径は１．５ｍｍとした。また、錫めっき層の厚さは１μｍとした。
【００３１】
評価は上記サンプルをハウジング４１（図２参照）に取り付けてコネクタ４０を作製し、そのコネクタ４０にフレキシブルプリント配線板の接続端子部を挿入して、その接続端子部が接続された状態とし、つまり実際にサンプルに応力がかかった嵌合状態として室温放置し、ウイスカの発生状況を調べた。
【００３２】
図４に示したグラフ及び表は発生した最大ウイスカの長さを示したものであり、サンプル３の未処理ではウイスカは１０００時間経過で１３０μｍまで成長したが、サンプル１及び２の表面改質処理したものではいずれも５０μｍ程度しか成長しなかった。また、ウイスカの発生本数を調べた結果、面積１０ｍｍ２当り、
サンプル１：  １１本
サンプル２：  １０本
サンプル３：１３５本
となり、サンプル１，２はサンプル３と比べて極めて発生本数が少ないという結果が得られた。
【００３３】
以上の実験結果より、この発明によればウイスカの発生を効果的に抑制できることが確認できた。なお、最大で５０μｍ程度の長さのウイスカの発生がこの発明の実施例でも確認されたが、現状例えばコネクタの接点部材（コンタクト）の最小配列ピッチは０．３ｍｍ程度であって、隣接接点部材間の間隙は０．１ｍｍ程度となっており、よって最大ウイスカの長さが５０μｍ程度に抑えられれば、隣接接点部材間のショートというような重大な不具合を回避することができる。
【００３４】
上述した例ではコネクタ４０の接点部材４２を例として説明したが、これに限るものではなく、鉛フリーの錫めっきが施される各種接点部材にこの発明を適用することができる。例えば、フレキシブルプリント配線板やフレキシブルフラットケーブルの配線パターンの接続端子部に適用する場合には、微粒子を高速で衝突させる際、メタルマスク等を用いて配線パターン以外の部分をマスクするようにすれば良好に微粒子高速衝突工程を実施することができる。なお、このような微粒子高速衝突工程を経た錫めっき表面には微粒子衝突による無数のディンプルが形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明による接点部材の表面処理方法に用いる表面改質装置の概略構成を示す図。
【図２】この発明による接点部材の一実施例の構成を説明するための図、Ａはコネクタの断面を示す図、Ｂは接点部材の一部断面を示す図。
【図３】錫めっき層の表面及びウイスカ発生を模式的に示した図、Ａはアモルファス層及び不動態被膜が形成されていない場合を示し、Ｂはそれらが形成されている場合を示す。
【図４】ウイスカの発生状況を調べた実験結果を示すグラフ及び表。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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