插拔性优异的镀锡铜合金端子材的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种镀锡铜合金端子材，其发挥优异的电连接性的同时将动摩擦系数减小至0.3以下，从而插拔性优异。在由Cu合金构成的基材上的表面形成有Sn系表面层，在Sn系表面层与基材之间，从Sn系表面层依次形成CuSn合金层、NiSn合金层、Ni或Ni合金层，其中，CuSn合金层为以Cu6Sn5为主成分且该Cu6Sn5的Cu的一部分被Ni置换的化合物层，NiSn合金层为以Ni3Sn4为主成分且该Ni3Sn4的Ni的一部分被Cu置换的化合物层，所述CuSn合金层的算术平均粗糙度Ra至少在一方向上为0.3μm以上，而在所有方向上的算术平均粗糙度Ra为1.0μm以下，CuSn合金层的波谷深度Rvk为0.5μm以上，Sn系表面层的平均厚度为0.4μm以上且1.0μm以下，动摩擦系数为0.3以下。
【专利说明】插拔性优异的镀锡铜合金端子材
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在连接汽车或民生设备等的电气配线时使用的连接器用端子，特 别涉及一种作为多针连接器用端子而有用的镀锡铜合金端子材。
【背景技术】
[0002] 镀锡铜合金端子材为，在由铜合金构成的基材上实施镀Cu和镀Sn之后，通过进行 回流处理，在表层的Sn系表面层的下层形成CuSn合金层的端子材，作为端子材被广泛使 用。
[0003] 近年来，例如，在汽车领域中快速推进电气化，随之电气设备的电路的数量增加， 因此所使用的连接器的小型化、多针化变得显著。若连接器为多针连接器，则即使每一单针 的插入力小，在插装连接器时连接器整体也需要较大的力，有生产率降低的隐患。于是，试 图将镀锡铜合金材的摩擦系数设为较小，以减小每一单针的插入力。
[0004] 例如，虽然限定了基材粗糙度（专利文献1)，以及限定了CuSn合金层的平均粗糙 度（专利文献2)，但存在无法减小动摩擦系数的问题。
[0005] 其中，伴随着连接器的小型化、多针化的推进，连接器嵌合时的插入力变大，存 在生产率降低的隐患。若阴性端子按压阳性端子的力（接触压力）设为P、动摩擦系数 设为μ，由于通常阳性端子从上下两个方向被阴性端子夹持，因此该插入力F成为F= 2ΧμΧΡ。为了减小该F，减小P是有效的，但是为了确保连接器嵌合时的阴性端子和阳性 端子的电连接可靠性，不能徒然地减小接触压力，而需要3Ν程度的压力。在多针连接器中， 有超过50针/连接器的多针连接器，但期望连接器整体的插入力为100Ν以下，理想的是 80Ν以下或70Ν以下，因此动摩擦系数μ需为0. 3以下。
[0006] 专利文献1 :日本专利第4024244号公报
[0007] 专利文献2 :日本专利公开2007-63624号公报
[0008] 为减小镀锡材的摩擦系数，将Sn系表面层的厚度设为较薄，并且使比Sn硬的CuSn 合金层在表层露出，则能够使摩擦系数非常小。然而，若CuSn合金层在表层中露出，则Cu 氧化物形成于表层，其结果导致接触电阻增大且焊料润湿性降低。并且，即使控制CuSn合 金层的结晶粒径或平均粗糙度，也存在无法将动摩擦系数减小到〇. 3以下的问题。
【发明内容】
[0009] 本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种发挥优异的电连接特性的 同时，能够将动摩擦系数减小到〇. 3以下，且插拔性优异的镀锡铜合金端子材。
[0010] 在抑制CuSn合金层在表面露出的情况下，为了将动摩擦系数设为0. 3以下，必须 将Sn系表面层的厚度设为小于0. 1μm，然而，在该情况下会导致润湿性降低且接触电阻增 大。
[0011] 于是，经本发明人等的深入的研究结果发现，在预先对基材表面实施粗糙化处理 之后，实施镀Ni、镀Cu以及镀Sn,并且将通过回流处理而形成的CuSn合金层的表面粗糙度 设为0. 3μm至I.Oμm，将CuSn合金层的波谷深度Rvk设为0. 5μm以上，且将Sn系表面层 的平均厚度设为〇. 4μm以上且I. 0μm以下，从而能够实现动摩擦系数为0. 3以下。并且， 发现为了获得优选的波谷深度Rvk，重要的是要存在Ni。在这些观点的基础上，提出了以下 解决方法。
[0012] 即，本发明的镀锡铜合金端子材，由Cu或Cu合金构成的基材上的表面形成有Sn 系表面层，在该Sn系表面层与所述基材之间，从所述Sn系表面层依次形成CuSn合金层、 NiSn合金层、Ni或Ni合金层，其中，所述CuSn合金层为以Cu6Sn5为主成分且该Cu6Sn5的 Cu的一部分被Ni置换的化合物合金（(Cu,ND6Sn5合金）层，所述NiSn合金层为以Ni3Sn4 为主成分且该Ni3Sn4的Ni的一部分被Cu置换的化合物合金（(Ni,CiO3Sn4合金）层，所述 CuSn合金层的算术平均粗糙度Ra至少在一方向上为0. 3μm以上，而在所有方向上的算术 平均粗糙度Ra为I. 0μm以下，所述CuSn合金层的波谷深度Rvk为0. 5μm以上，且所述Sn 系表面层的平均厚度为0. 4μm以上且I. 0μm以下，动摩擦系数为0. 3以下。
[0013] 通过将CuSn合金层的算术平均粗糙度Ra设成较大，并且使Ni固溶于CuSn合金 中，从而形成Rvk较大的CuSn合金层，由此，CuSn合金层的凹部的表层被Sn所覆盖，因此 能够确保良好的接触电阻和焊料润湿性，在凸部通过凹凸较大的CuSn合金层使Sn系表面 层较薄，从而实现较低的动摩擦系数。
[0014] 该情况下，如后所述，在多个方向上对CuSn合金层的表面的算术平均粗糙度Ra进 行测定，其中若最高的一个方向上的算术平均粗糙度Ra小于0. 3μm，则凹部的Sn系表面 层的厚度变薄，无法确保电性可靠性及焊料润湿性。但是，若在任一方向上算术平均粗糙度 Ra超过I. 0μm，则凹部的Sn系表面层变得过厚而摩擦系数增大。
[0015] 并且，若波谷深度Rvk小于0.5μm，则无法将动摩擦系数设为0.3以下。
[0016] 将Sn系表面层的平均厚度设为0. 4μm以上且I. 0μm以下，这是因为若平均厚度 小于0. 4μm，则会导致焊料润湿性降低，且电连接可靠性降低，若平均厚度大于I. 0μm，则 无法使CuSn合金层的一部分在表层露出，而仅由Sn所占据，因此动摩擦系数增大。
[0017] 在本发明的镀锡铜合金端子材中，所述CuSn合金层中含有Iat%以上且25at%以 下的Ni即可。之所以将Ni含量限定为lat%以上，是因为若Ni含量小于lat%，则不会形 成Cu6Sn5的Cu的一部分被Ni置换的化合物合金层而不会成为陡峭的凹凸形状，之所以将 Ni含量限定为25at%以下，是因为若Ni含量超过25at%，则（Cu,Ni) 6Sn5合金的粒径变小， 因此有CuSn合金层的凹凸形状变得过度微细的倾向，若CuSn合金层变得过度微细，则有时 无法将动摩擦系数设为〇. 3以下。
[0018] 根据本发明，因为减小了动摩擦系数，所以能够同时实现低接触电阻、良好的焊料 润湿性和优异的插拔性，并且，即使在低载重的情况下也有效，并最适用于小型端子。尤其， 在汽车及电子部件等中使用的端子，在需要接合时的低插入力、稳定的接触电阻、良好的焊 料润湿性的部位具有优越性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为表不实施例2的铜合金端子材中Sn系表面层的表面状态的SIM显微镜照 片。
[0020] 图2为实施例2的铜合金端子材的截面的STEM图像。
[0021] 图3为沿图2的白线部分的EDS分析图。
[0022] 图4为示意性地表示用于测定导电部件的动摩擦系数的装置的主视图。
[0023] 符号说明
[0024] 11-试验台，12-阳性试验片，13-阴性试验片，14-砝码，15-测力传感器。
【具体实施方式】
[0025] 对本发明的一实施方式的镀锡铜合金端子材进行说明。
[0026] 本实施方式的镀锡铜合金端子材，由Cu或Cu合金构成的基材上的表面形成有Sn 系表面层，在Sn系表面层与基材之间，从Sn系表面层依次形成有CuSn合金层、NiSn合金 层、Ni或Ni合金层。
[0027] 若基材由Cu或Cu合金构成，则对其组成并无特别的限定。
[0028]Ni或Ni合金层为由纯Ni、Ni-Co或Ni-W等Ni合金构成的层。
[0029]CuSn合金层为以Cu6Sn5为主成分且Cu6Sn5的Cu的一部分被Ni置换成的化合物合 金（(Cu,ND6Sn5合金）层，NiSn合金层为以Ni3Sn4为主成分且Ni3SnJ^Ni的一部分被Cu 置换的化合物合金（(Ni,CiO3Sn4合金）层。这些化合物层在后述基材上依次形成镀Ni层、 镀Cu层、镀Sn层之后,通过回流处理而形成,在Ni或Ni合金层上依次形成NiSn合金层、 CuSn合金层。该情况下，CuSn合金层中的Ni含量被设为Iat%以上且25at%以下。之所以 将Ni含量限定为Iat%以上，是因为若Ni含量小于Iat%，则不会形成Cu6Sn5的Cu的一部 分被Ni置换的化合物合金层而不会成为陡峭的凹凸形状，之所以将Ni含量限定为25at% 以下，是因为若Ni含量超过25at%，则（Cu,Ni)6Sn5合金的粒径变小，因此有CuSn合金层 的凹凸形状变得过度微细的倾向，若CuSn合金层变得过度微细，则有时无法将动摩擦系数 设为0.3以下。
[0030] 另一方面，NiSn合金层中的Cu的含量为5at%以上且20at%以下即可。Cu含量 少的条件，也就是意味着Cu6Sn5中所含有的Ni含量也变少（在Ni3Sn4中不被Cu置换的条 件下，Cu6Sn5中很少被Ni置换），不会成为陡峭的凹凸形状。之所以设置上限是因为事实上 超过20 %的Cu不包括在Ni3Sn4中。
[0031] 该CuSn合金层与Sn系表面层的界面形成为凹凸状，算术平均粗糙度Ra为0. 3μm 以上且I. 0μm以下,波谷深度Rvk形成为0. 5μm以上。
[0032] 算术平均粗糙度Ra通过JISB0601而测定，不仅在一个方向上，在包括与轧制 方向平行的方向、和与其垂直方向的这两个方向的多个方向上对CuSn合金层表面进行测 定，其中至少一个方向的算术平均粗糙度为〇. 3μm以上，所有方向的算术平均粗糙度为 I. 0μm以下。
[0033] 波谷深度Rvk为通过JISB0671-2而规定的表面粗糙度曲线的突出谷部平均深 度，其为表示比平均凹凸更深的部分达到什么程度的指标，若该值较大，则表示因存在非常 深的谷部分而成为陡峭的凹凸形状。
[0034]Sn系表面层形成为平均厚度为0. 4μηι以上且Ι.Ομηι以下。若其厚度小于 0. 4μm，则导致焊料润湿性降低且电连接可靠性降低，若其厚度超过I. 0μm，则无法将表层 设为Sn和CuSn复合结构，而仅由Sn所占据，因此动摩擦系数增大。
[0035] 这种结构的端子材中，CuSn合金层与Sn系表面层的界面形成为陡峭的凹凸形状， 从而自Sn系表面层的表面起在数百nm深度的范围内，较软的Sn介于较硬的CuSn合金层 的陡峭的谷部，并且在表面则成为该较硬的CuSn合金层的一部分稍微露出于Sn系表面层 的状态，介于谷部的较软的Sn发挥润滑剂的作用，动摩擦系数成为0. 3以下。
[0036] 接着，对该端子材的制造方法进行说明。
[0037] 作为基材准备由铜或铜合金构成的板材。对于该板材表面，通过化学蚀刻或电解 研磨、使用粗糙化的辊子的轧制、研磨、喷丸等方法进行表面粗糙化处理。作为表面粗糙化 的程度，优选以算术平均粗糙度Ra计为0. 3μm以上且2μm以下。其后，通过进行脱脂、酸 洗等处理清洗表面，并依次实施镀Ni、镀Cu、镀Sn。
[0038] 镀Ni只要使用一般的镀Ni浴即可，例如能够使用以硫酸（H2SO4)和硫酸镍 (NiSO4)作为主成分的硫酸浴。镀浴的温度设为20°C以上且50°C以下，电流密度设为1? 30A/dm2以下。该镀Ni层的膜厚设为0. 05μπι以上且Ι.Ομπι以下。这是因为若该膜厚小 于0. 05μm，则（Cu,Ni) 6Sn5合金中所含有的Ni含量变少，不会形成陡峭的凹凸形状的CuSn 合金，若膜厚超过1. 〇μm，则不易进行弯曲加工等。
[0039] 镀Cu只要使用一般的镀Cu浴即可，例如能够使用以硫酸铜（CuSO4)和硫酸 (H2SO4)作为主成分的硫酸铜浴等。镀浴的温度设为20?50。。，电流密度设为1?30A/dm2 以下。通过该镀Cu而形成的镀Cu层的膜厚设为0. 05μm以上且0. 20μm以下。这是因为 若该膜厚小于0.05μm，则会导致（Cu,ND6Sn5合金中所含有的Ni含量变大，（Cu,ND6Sn5 合金的粒径变小，CuSn合金层的凹凸形状变得过度微细，若膜厚超过0. 20μm，则会导致 (Cu,ND6Sn5合金中所含有的Ni含量变少，不会形成陡峭的凹凸形状的CuSn合金。
[0040] 作为用于形成Sn镀层的镀浴使用一般的镀Sn浴即可，例如可使用以硫酸（H2SO4) 和硫酸亚锡（SnSO4)为主成分的硫酸浴。镀浴的温度设为15?35°C，电流密度设为1? 30A/dm2。该Sn镀层的膜厚设为0. 8μm以上2. 0μm以下。若Sn镀层的厚度小于0. 8μm， 则回流后的Sn系表面层变薄而电连接特性受损，若厚度超过2. 0μm，则CuSn合金层很少在 表面露出，从而很难使动摩擦系数成为0. 3以下。
[0041] 作为回流处理条件，在还原气氛中基材表面温度成为240°C以上且360°C以下的 条件下，加热1秒钟以上且12秒钟以下的时间，并进行骤冷。另外，优选以250°C以上且 300°C以下的温度，加热1秒钟以上且10秒钟以下的时间之后进行骤冷。这种情况下，保持 时间有如下倾向，即镀层厚度越薄，则保持时间越短，镀层厚度变厚，则保持时间变长。
[0042][实施例]
[0043] 将板厚0. 25mm的科森系（Cu-Ni-Si系）铜合金为基材进行研磨处理以使表面粗 糙化之后，依次实施镀Ni、镀Cu、镀Sn。在这种情况下，镀Ni、镀Cu和镀Sn的电镀条件在实 施例、比较例中均相同，如表1所示。表1中，Dk为阴极的电流密度、ASD为A/dm2的缩写。
[0044] [表 1]
[0045]
【权利要求】
1. 一种铜合金端子材，其为镀锡铜合金端子材，在由Cu或Cu合金构成的基材上的表面 形成有Sn系表面层，在该Sn系表面层与所述基材之间，从所述Sn系表面层依次形成CuSn 合金层、NiSn合金层、Ni或Ni合金层，其特征在于， 所述CuSn合金层为以Cu6Sn5为主成分且该Cu6Sn5的Cu的一部分被Ni置换的化合物 层，所述NiSn合金层为以Ni3Sn4为主成分且该Ni3Sn 4的Ni的一部分被Cu置换的化合物 层，所述CuSn合金层的算术平均粗糙度Ra至少在一方向上为0. 3 y m以上，而在所有方向 上的算术平均粗糙度Ra为1. 0 y m以下，所述CuSn合金层的波谷深度Rvk为0. 5 y m以上， 所述Sn系表面层的平均厚度为0. 4 y m以上且1. 0 y m以下，动摩擦系数为0. 3以下。
2. 根据权利要求1所述的铜合金端子材，其特征在于， 所述CuSn合金层中含有lat%以上且25at%以下的Ni。
【文档编号】H01R13/03GK104425940SQ201410415663
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】加藤直树, 井上雄基, 樽谷圭荣 申请人:三菱综合材料株式会社