自 動 車Sn-PdSnNi

低挿入力を実現した多極コネクタ用端子めっき

Terminal Plating to Lower the Insertion Force of Multiway Connectors

Copper Alloy

＊渡邉玄

齋藤寧

Hajime Watanabe

坂喜文

古川

Yoshifumi Saka

欣吾

Kingo Furukawa

Yasushi Saitoh

近年、自動車の電子制御化による性能向上は著しく、電子制御ユニットの数および回路数は増加し、コネクタの増加や極数の増加（多極化）が進行している。コネクタが多極化すると嵌合力が大きくなり、組み立て作業性を悪くするため、嵌合力を低く抑えることができる摩擦係数の小さい、端子用低挿入力めっきの開発要求が高まってきている。そこで、端子用に広く用いられているスズ（Sn）めっきの摩擦係数を低減させることを目的に、Sn合金めっきを開発し、端子挿入時の凝着摩耗を抑制することで低挿入力化に成功した。
Recent advancements in automotive electronic control systems have led to an increase in the numbers of electronic control
units and circuits, and accordingly the number of the necessary connectors and terminals has risen. Meanwhile, multiway
connectors require high insertion force, which makes the assembly operation difficult. Therefore, demand has grown for aterminal plating that lowers the insertion force. We have developed tin (Sn) alloy plating to replace the widely-used Sn plating.
The Sn alloy plating restrains abrasive wear during connector matching and successfully reduces the insertion force.
キーワード：低挿入力、低摩擦性、接触抵抗、めっき、Sn-Pd

1.

緒言

2.

接触、摩耗のメカニズム

近年、自動車では、環境性能・安全性・快適性などを向固体同士の接触では、固体表面には必ず表面粗さが存在上させるため、車の様々な機能の電子制御化が進んでいするため、図1（a）に示すように真実接触面積は見かけのる。このため、必要となる電子制御ユニット（Electronic

接触面積よりきわめて小さい。真実接触面は図1（b）のよControl Unit）の数が増加している。また、それぞれのユうに突起頂点同士で起こり、接触面圧はきわめて大きくなニットに繋がるセンサーなども増加しているため、個々のユニットの回路数が増え、コネクタは多極化の傾向にある。多極になると、車両への取り付け時などでのコネクタ荷重の嵌合に必要な力（嵌合力）が大きくなり作業性を悪くすることがある。

見 かけの接 触面積

従来、嵌合力が大きくなった場合には、コネクタを分割したり、レバー構造をコネクタに組み込んで嵌合力を低減させる等の方策を採用してきた。

真 実 接 触面積

しかし、搭乗員の快適性・利便性向上を確保するため電子制御ユニットに割り当てられる設置スペースは減少する傾向にあり、スペースを必要とするコネクタの分割やレバー構造の採用が困難になる場合が生じてきている。

見 か け の 接 触 面 積 ≫真 実 接 触 面 積（ a） 見 か け の 接 触 面 積 と 真 実 接 触 面 積

このため、コネクタが多極化しても、嵌合力を低く抑えることができる摩擦係数の小さい、端子用低挿入力めっきへの開発要求が高まってきている。
当社では、コネクタ嵌合力の大半を占める端子の挿入力を低減させる独自の端子用低挿入力めっきを開発することでコネクタの多極化を実現した。

（ b） 真 実 接 触 面 の 断 面 図

図1

固体表面の接触の模式図

2017 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 190 号

123

り、接触面には強い結合力が生じ凝着が起こる。接触するさらなる低摩擦化のため、筆者らは図3に示すように軟二面の一方に外力が作用すると、凝着部は引きはがされ、質層と、硬質層を交互に設けた構造のめっきにすることに同時に新しい凝着が発生する。この繰り返しに必要な力がより、軟質層（Sn）で接触抵抗の確保、硬質層で端子挿入凝着摩擦力である 。

時の荷重を支え、掘り起し摩擦力や凝着摩擦力を抑制する（1）

従来、端子用めっきには一般にリフローSnめっきが用い機能分離型のめっきの実現を検討した。

られている。これは銅合金母材の上にSnめっきした後、リフロー処理 ※1 により一度Snを溶融、再結晶化させためっきである。同材料同士の摩耗では、その親和性の高さから強い凝着が起こり、摩擦力が高くなる。

従来めっき構造

硬質層

軟質層（荷重支え）（接触抵抗）

めっき層

で他方が平面の場合、二面間を滑らせると球面が平面を掘

軟質層（接触抵抗）

めっき層

また、接触する二面間は形状の差などで、一方が他方の表面に押し込まれた状態を取る。図2のように一方が球面り起こさなければならない。押し込まれた球面の移動に伴い、進行方向前面に向かい平面が掘り起こされてゆく。こ

母材の掘り起しに必要な力が掘り起し摩擦力となる（2）。

図3
荷重

荷重

低摩擦めっきの理想構造

母材

低摩擦めっきの理想構造

F

この構造を理想構造とし、Snとパラジウム（Pd）の金属間化合物（Sn-Pd合金）が硬く、また、網目状に成長する（a ）球面の押し込み

図2（b）押し込み球面の移動ことに着目して、低挿入力めっきに適用するため開発を行った。開発品のめっき構造を図4に示す。軟らかいSnめっき中に、硬いSn-Pd合金を厚さ方向に形成し、最表面掘り起し摩擦力に露出していることを特徴としている。Sn-Pdの合金量はPd濃度に依存しており、必要に応じて合金量を調整することが可能である。
端子挿入時のSnめっき同士の摩耗にも、上記の凝着摩開発品は、Niめっき、Snめっき、Pdめっきを積層し、リ擦力と掘り起し摩擦力が影響する。これまでに、挿入力低フロー処理の合金化によって、図4に示すような独自の構減のために、表1に示す3層めっきの様にSnのめっき厚を造が得られる。

薄くしためっきが開発されている。Snめっきを薄くすることで、見かけの硬度を高くして表面の変形である掘り起し摩擦力を小さくする効果があるが、摩擦係数の低減効果には限界があり、20％程度である。
表1

Snめっきの種類（代表例）
リフローSnめっき
IMC※2/Sn

3層めっき(Ni/IMC/Sn)IMC（Cu-Sn）

Sn
IMC（Cu-Sn）
Ni

銅合金母材

銅合金母材

Snめっき厚さ0.8µm

0.3µm

Sn
めっき構造

IMC厚さ

0.4µm

0.3µm

Ni下地めっき厚さ

なし

0.5µm

リフロー処理有り

有り

摩擦係数低減効果

－20%

124

低挿入力を実現した多極コネクタ用端子めっき

図43.

Sn-Pdめっきの断面構造

Sn-Pdめっきの性能低摩擦性めっきであるSn-Pdめっきの特性を、従来のリフローSnめっきと比較しつつ評価した。

端子嵌合状態の断面模式図を図5に示す。メス端子には、オス端子との接触部に球面上の突起が設けられてい低挿入力となる。SnめっきからSn-Pdめっきにすることでの摩擦係数の低減効果を検証した。

る。端子挿入時には、メス端子の突起部とオス端子との摩摩擦係数測定方法の模式図を図7に示す。試験荷重を多擦力が挿入力に大きな影響を与える。そのため、評価用の極コネクタに用いられる小型端子の接触荷重を模擬した

試験片には、図6の写真に示す、オス端子を模擬した平板3Nとし、また、摺動距離をコネクタ嵌合時の端子挿入距

試験片、メス端子の突起部を模擬したエンボス試験片※3を離を模擬した2mmとした。

準備した。各試験片は板厚0.25mmの銅合金材で作製し、めっき仕様を表2に示す。エンボス試験片には、コネクタに幅広く使用しているリフローSnめっきを施し、平板はリフローSnめっきとSn-Pdめっきの2種類を作製した。評価

3N

ロードセルの際のめっきの組合せを表3に示す。
これらの条件で3－1摩擦係数、3－2耐摩耗性、3－3接触抵抗特性、3－4耐ウィスカ※4 性を評価した。

平板試験片

オス端子

オス端子

母材
めっき

めっき

2mm

エンボス
試験片

図7

摩擦係数測定方法の模式図

母材

メス端子突起部
メス端子

図5

各試験条件での摩擦係数の測定結果を図8に示す。摺動

端子嵌合状態の断面模式図

距離2mmまでのピーク値を取ると、リフローSnめっきは0.54、Sn-Pdめっきは0.36であり、33％の摩擦係数の低エンボス先端部の拡大断面図減効果を確認した。

R 1.0mm0.1mm

平板試験片とエンボス試験片

表2

摩擦係数

図60.8

試験片のめっき仕様

サンプル

めっき種

めっき条件

リフロー処理エンボス試験片リフローSnめっき

Sn1.0µm有り

リフローSnめっき

Sn1.0µm有り

Sn-Pdめっき

Sn1.0µm
Pd0.02µm有り

平板

表30.60.540.40.360.2

33％低 減①リフローSnめっき②Sn-Pdめっき

00.00.5

1.01.52.0

摺動距離（mm）
図8

摩擦係数測定結果

摩擦係数測定のめっき組合せ条件

条件

エンボス試験片平板①

リフローSnめっき

リフローSnめっき②

リフローSnめっき

Sn-Pdめっき

3－2

耐摩耗性

前項の摩擦係数測定での摩耗痕の観察結果を図9に示す。観察には走査型電子顕微鏡（SEM）を用いた。
リフローSnめっきは、摺動距離が進むにつれ摩擦係数が3－1

摩擦係数

端子挿入力は摩擦係数に依存し、摩擦係数が小さい方が上がっていく。これは、リフローSnめっきは掘り起しが大きく、エンボス側のSnと凝着を繰り返しながら進んだた2017 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 190 号

125

リ フ ロ ー Sn め っ き①リ フ ロ ー Sn め っ き
Sn の 堆 積
多い

掘り起し
大50μm

Sn-Pd め っ き②Sn-Pdめっき
1010リ フ ロ ーSnめ っ き

864200 10 20 30 40
接触荷重(N)Sn の 堆 積掘り起し②①リフローSnめっき
接触抵抗（ｍΩ）

エンボス試験片

接触抵抗（ｍΩ）

平板試験片

864200 10 20 30 40
接触荷重(N)少ない

小図11

荷重-接触抵抗特性の比較

50μm

図9

摩耗痕の比較観察結果

Sn-Pdめっきで大きな差は見られず、良好である結果を示した。
3－4めである。それにより、エンボス試験片にはSnが多く堆積している。

耐ウィスカ性

オス端子には、メス端子との接触部や、ハウジングへの圧入部において、めっきに外部応力がかかる。リフロー処

対してSn-Pdめっきは、摺動距離が進んでも摩擦係数が横ばいに推移している。Sn-Pdめっきは、硬い合金が荷重を理を行っていないSnめっきは外部応力を受けると、めっき表面からウィスカが発生する可能性がある。

支え、エンボスの押し込みを抑制することで掘り起しを低一般的に、Snめっきはリフロー工程でSnを溶融し、再減し、摩耗幅が小さくなっている。さらに、表面に露出し結晶化させることで内部応力を緩和し、ウィスカの発生をているSn-Pd合金部とSnの凝着力は弱く、凝着摩耗を抑制抑制している。 Sn-Pdめっきはリフロー処理をしているこする働きがあるため摩擦係数が低減したと考えられる。とに加え、硬いSn-Pd合金が外部応力を支え、純Sn部にか3－3かる荷重を緩和していること、更に、ウィスカの発生源と接触抵抗特性

コネクタ用めっきの重要特性の1つである、接続信頼性の評価として、荷重―接触抵抗特性を測定した。

なる純Snが少ないことから、耐ウィスカ性がリフローSnめっきより優れていると考えられる。そこで、Sn-Pdめっ

評価方法は、エンボス試験片を平板試験片に図10のよきの優位性を評価するため、リフローSnめっきでウィスうに押し当て、垂直荷重を0Nから40Nまで徐々に印加さカが発生する厳しい条件である球圧子試験（一般社団法人

せながら、10mA通電し4端子法で接触抵抗を測定した。

電子情報技術産業協会JEITA RC-5241）を実施した。球圧子試験方法を図12に示す。試験条件は、試験荷重を3Nとし、72時間の放置を行った。

ロードセル

荷重
0 → 40N

エンボス
試験片

3N、72hr
VA

平板試験片

図10

荷重―接触抵抗特性の測定模式図

SUS球めっき
銅合金母材
図12

球圧子試験の模式図

荷重―接触抵抗特性の測定結果を図11に示す。接触抵抗には荷重依存性があり、荷重が高くなると接触抵抗が低下

図13に試験後の圧痕をSEMで観察した結果を示す。リする。これは、荷重が高くなるにつれ、真実接触面積が増

フローSnめっきでは圧痕の周辺でSnが変形し、ウィスカ加することに起因し（3）、その特性は、リフローSnめっきとの発生が観察された。一方、Sn-Pdめっきでは、圧痕は見126

低挿入力を実現した多極コネクタ用端子めっき

①リフローSnめっき②Sn-Pdめっき

触抵抗を低く保てるか評価を実施した。また、Sn系のめっきでは、時間経過とともに金属間化合物が成長していくことから、長期安定性を確認するために高温放置試験を実施した。温度条件は、従来のリフローSnめっきにおいて接触観察抵抗が上昇する非常に厳しい条件で160℃の大気雰囲気中

結果50μm

図1350μmに200時間保持した。
この一連の耐久試験を行った結果を図15に示す。コネクタ嵌合1回目と10回目の接触抵抗は同等であり、繰返し

圧球試験後のめっき表面状態

嵌合による抵抗上昇は見られなかった。10回挿抜後の高温放置試験では、抵抗上昇が見られるが、リフローSnめっきよりも低い値であった。

られるが、ウィスカの発生は見られない。
このことから、リフローSnめっきに対して、Sn-Pdめっ20きは耐ウィスカ性が高いと言える。

製品適用例

4－1コネクタ嵌合力

Sn-Pdめっきを適用した多極オスコネクタの嵌合力の評価結果の例を図14に示す。相手側のメスコネクタはリ接触抵抗（mΩ）

4.

【オス端子のめっき条件】
15

リフローSnめっき
Sn-Pdめっき

105

フローSnめっきであり、オスコネクタ側のめっきのみを変更した結果である。従来のリフローSnめっきの嵌合力0を100％とした場合、Sn-Pdめっきを採用することにより1回嵌合33％のコネクタ嵌合力の低減を実現した。

10回挿抜

10回挿抜
⇒高温放置後

図15 コネクタ耐久評価結果

33%低減

嵌合力比

100%

5.

80%

結言

車載コネクタの多極化対応のため、低摩擦性めっきの60%

Sn-Pdめっきの開発を行い、以下の成果を得ることがで40%きた。
リフローSnめっき

20%0%Sn-Pdめっき

0123456ストローク（mm）
図14 コネクタ嵌合力低減効果の例①小型端子を想定した、摩擦係数評価において、従来リフローSnめっきから摩擦係数を33％低減②オスコネクタへのSn-Pdめっき適用で、コネクタ嵌合力の33％低減を実現③従来リフローSn同等以上の接続信頼性を実現④従来リフローSn以上の耐ウィスカ性
また、本開発めっきは、当社のオスコネクタに採用され、2016年より量産を開始している。

4－2

コネクタ耐久性能

車両での使用環境を想定し、コネクタ耐久評価を実施した。通常、車両組み立て時、コネクタは1回の嵌合のみである。しかし、何らかの故障や不具合が発生した場合は複数回のコネクタ挿抜が必要となる場合がある。このようなコネクタ挿抜回数の最悪条件を想定し、10回挿抜後でも接2017 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 190 号

127用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー※1

リフロー処理

めっき後に加熱することで、溶融、再結晶化し、めっき被膜の内部応力の緩和、下地金属との熱拡散による金属間化
合物層を形成することで経時変化を抑制する処理。
※2

IMCInterMetallic Compound：2種類以上の金属によって構成される化合物。
※3

エンボス試験片

金型によって、金属の板材に半球状の突起部を形成させた試験片。
※4

ウィスカ

めっき皮膜表面に発生する髭状の純金属の単結晶。主にSnめっきで多く見られる。

参 考 文 献（1）	橋本巨、「基礎から学ぶトライボロジー」、森北出版㈱、pp.21、35-36（2006）（2）	山本雄二、兼田楨宏、「トライボロジー」、理工学社、pp.42-43（1998）（3）	澤田滋 他、「錫及び銀めっき電気接点の接触抵抗予測」、SEIテクニカ
ルレビュー第177号、pp.36-42（2010年）

執筆

渡邉

者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
玄＊ ：㈱オートネットワーク技術研究所
回路接続研究部

坂喜文：住友電装㈱ 部品事業本部
第2事業部 主幹

古川欣吾：㈱オートネットワーク技術研究所
回路接続研究部 室長

齋藤寧：㈱オートネットワーク技術研究所
回路接続研究部 部長----------------------------------------------------------------------------------------------------------

＊主執筆者

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