插拔性優(yōu)異的鍍錫銅合金端子材的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種鍍錫銅合金端子材，其發(fā)揮優(yōu)異的電連接性的同時將動摩擦系數(shù)減小至0.3以下，從而插拔性優(yōu)異。在由Cu合金構(gòu)成的基材上的表面形成有Sn系表面層，在Sn系表面層與基材之間，從Sn系表面層依次形成CuSn合金層、NiSn合金層、Ni或Ni合金層，其中，CuSn合金層為以Cu6Sn5為主成分且該Cu6Sn5的Cu的一部分被Ni置換的化合物層，NiSn合金層為以Ni3Sn4為主成分且該Ni3Sn4的Ni的一部分被Cu置換的化合物層，所述CuSn合金層的算術(shù)平均粗糙度Ra至少在一方向上為0.3μm以上，而在所有方向上的算術(shù)平均粗糙度Ra為1.0μm以下，CuSn合金層的波谷深度Rvk為0.5μm以上，Sn系表面層的平均厚度為0.4μm以上且1.0μm以下，動摩擦系數(shù)為0.3以下。
【專利說明】插拔性優(yōu)異的鍍錫銅合金端子材

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在連接汽車或民生設(shè)備等的電氣配線時使用的連接器用端子，特 別涉及一種作為多針連接器用端子而有用的鍍錫銅合金端子材。

【背景技術(shù)】
[0002] 鍍錫銅合金端子材為，在由銅合金構(gòu)成的基材上實(shí)施鍍Cu和鍍Sn之后，通過進(jìn)行 回流處理，在表層的Sn系表面層的下層形成CuSn合金層的端子材，作為端子材被廣泛使 用。
[0003] 近年來，例如，在汽車領(lǐng)域中快速推進(jìn)電氣化，隨之電氣設(shè)備的電路的數(shù)量增加， 因此所使用的連接器的小型化、多針化變得顯著。若連接器為多針連接器，則即使每一單針 的插入力小，在插裝連接器時連接器整體也需要較大的力，有生產(chǎn)率降低的隱患。于是，試 圖將鍍錫銅合金材的摩擦系數(shù)設(shè)為較小，以減小每一單針的插入力。
[0004] 例如，雖然限定了基材粗糙度（專利文獻(xiàn)1)，以及限定了CuSn合金層的平均粗糙 度（專利文獻(xiàn)2)，但存在無法減小動摩擦系數(shù)的問題。
[0005] 其中，伴隨著連接器的小型化、多針化的推進(jìn)，連接器嵌合時的插入力變大，存 在生產(chǎn)率降低的隱患。若陰性端子按壓陽性端子的力（接觸壓力）設(shè)為P、動摩擦系數(shù) 設(shè)為μ，由于通常陽性端子從上下兩個方向被陰性端子夾持，因此該插入力F成為F= 2ΧμΧΡ。為了減小該F，減小P是有效的，但是為了確保連接器嵌合時的陰性端子和陽性 端子的電連接可靠性，不能徒然地減小接觸壓力，而需要3Ν程度的壓力。在多針連接器中， 有超過50針/連接器的多針連接器，但期望連接器整體的插入力為100Ν以下，理想的是 80Ν以下或70Ν以下，因此動摩擦系數(shù)μ需為0. 3以下。
[0006] 專利文獻(xiàn)1 :日本專利第4024244號公報(bào)
[0007] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利公開2007-63624號公報(bào)
[0008] 為減小鍍錫材的摩擦系數(shù)，將Sn系表面層的厚度設(shè)為較薄，并且使比Sn硬的CuSn 合金層在表層露出，則能夠使摩擦系數(shù)非常小。然而，若CuSn合金層在表層中露出，則Cu 氧化物形成于表層，其結(jié)果導(dǎo)致接觸電阻增大且焊料潤濕性降低。并且，即使控制CuSn合 金層的結(jié)晶粒徑或平均粗糙度，也存在無法將動摩擦系數(shù)減小到〇. 3以下的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明是鑒于上述問題而提出的，其目的在于提供一種發(fā)揮優(yōu)異的電連接特性的 同時，能夠?qū)幽Σ料禂?shù)減小到〇. 3以下，且插拔性優(yōu)異的鍍錫銅合金端子材。
[0010] 在抑制CuSn合金層在表面露出的情況下，為了將動摩擦系數(shù)設(shè)為0. 3以下，必須 將Sn系表面層的厚度設(shè)為小于0. 1μm，然而，在該情況下會導(dǎo)致潤濕性降低且接觸電阻增 大。
[0011] 于是，經(jīng)本發(fā)明人等的深入的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在預(yù)先對基材表面實(shí)施粗糙化處理 之后，實(shí)施鍍Ni、鍍Cu以及鍍Sn,并且將通過回流處理而形成的CuSn合金層的表面粗糙度 設(shè)為0. 3μm至I.Oμm，將CuSn合金層的波谷深度Rvk設(shè)為0. 5μm以上，且將Sn系表面層 的平均厚度設(shè)為〇. 4μm以上且I. 0μm以下，從而能夠?qū)崿F(xiàn)動摩擦系數(shù)為0. 3以下。并且， 發(fā)現(xiàn)為了獲得優(yōu)選的波谷深度Rvk，重要的是要存在Ni。在這些觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了以下 解決方法。
[0012] 即，本發(fā)明的鍍錫銅合金端子材，由Cu或Cu合金構(gòu)成的基材上的表面形成有Sn 系表面層，在該Sn系表面層與所述基材之間，從所述Sn系表面層依次形成CuSn合金層、 NiSn合金層、Ni或Ni合金層，其中，所述CuSn合金層為以Cu6Sn5為主成分且該Cu6Sn5的 Cu的一部分被Ni置換的化合物合金（(Cu,ND6Sn5合金）層，所述NiSn合金層為以Ni3Sn4 為主成分且該Ni3Sn4的Ni的一部分被Cu置換的化合物合金（(Ni,CiO3Sn4合金）層，所述 CuSn合金層的算術(shù)平均粗糙度Ra至少在一方向上為0. 3μm以上，而在所有方向上的算術(shù) 平均粗糙度Ra為I. 0μm以下，所述CuSn合金層的波谷深度Rvk為0. 5μm以上，且所述Sn 系表面層的平均厚度為0. 4μm以上且I. 0μm以下，動摩擦系數(shù)為0. 3以下。
[0013] 通過將CuSn合金層的算術(shù)平均粗糙度Ra設(shè)成較大，并且使Ni固溶于CuSn合金 中，從而形成Rvk較大的CuSn合金層，由此，CuSn合金層的凹部的表層被Sn所覆蓋，因此 能夠確保良好的接觸電阻和焊料潤濕性，在凸部通過凹凸較大的CuSn合金層使Sn系表面 層較薄，從而實(shí)現(xiàn)較低的動摩擦系數(shù)。
[0014] 該情況下，如后所述，在多個方向上對CuSn合金層的表面的算術(shù)平均粗糙度Ra進(jìn) 行測定，其中若最高的一個方向上的算術(shù)平均粗糙度Ra小于0. 3μm，則凹部的Sn系表面 層的厚度變薄，無法確保電性可靠性及焊料潤濕性。但是，若在任一方向上算術(shù)平均粗糙度 Ra超過I. 0μm，則凹部的Sn系表面層變得過厚而摩擦系數(shù)增大。
[0015] 并且，若波谷深度Rvk小于0.5μm，則無法將動摩擦系數(shù)設(shè)為0.3以下。
[0016] 將Sn系表面層的平均厚度設(shè)為0. 4μm以上且I. 0μm以下，這是因?yàn)槿羝骄穸?小于0. 4μm，則會導(dǎo)致焊料潤濕性降低，且電連接可靠性降低，若平均厚度大于I. 0μm，則 無法使CuSn合金層的一部分在表層露出，而僅由Sn所占據(jù)，因此動摩擦系數(shù)增大。
[0017] 在本發(fā)明的鍍錫銅合金端子材中，所述CuSn合金層中含有Iat%以上且25at%以 下的Ni即可。之所以將Ni含量限定為lat%以上，是因?yàn)槿鬘i含量小于lat%，則不會形 成Cu6Sn5的Cu的一部分被Ni置換的化合物合金層而不會成為陡峭的凹凸形狀，之所以將 Ni含量限定為25at%以下，是因?yàn)槿鬘i含量超過25at%，則（Cu,Ni) 6Sn5合金的粒徑變小， 因此有CuSn合金層的凹凸形狀變得過度微細(xì)的傾向，若CuSn合金層變得過度微細(xì)，則有時 無法將動摩擦系數(shù)設(shè)為〇. 3以下。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)闇p小了動摩擦系數(shù)，所以能夠同時實(shí)現(xiàn)低接觸電阻、良好的焊料 潤濕性和優(yōu)異的插拔性，并且，即使在低載重的情況下也有效，并最適用于小型端子。尤其， 在汽車及電子部件等中使用的端子，在需要接合時的低插入力、穩(wěn)定的接觸電阻、良好的焊 料潤濕性的部位具有優(yōu)越性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為表不實(shí)施例2的銅合金端子材中Sn系表面層的表面狀態(tài)的SIM顯微鏡照 片。
[0020] 圖2為實(shí)施例2的銅合金端子材的截面的STEM圖像。
[0021] 圖3為沿圖2的白線部分的EDS分析圖。
[0022] 圖4為示意性地表示用于測定導(dǎo)電部件的動摩擦系數(shù)的裝置的主視圖。
[0023] 符號說明
[0024] 11-試驗(yàn)臺，12-陽性試驗(yàn)片，13-陰性試驗(yàn)片，14-砝碼，15-測力傳感器。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 對本發(fā)明的一實(shí)施方式的鍍錫銅合金端子材進(jìn)行說明。
[0026] 本實(shí)施方式的鍍錫銅合金端子材，由Cu或Cu合金構(gòu)成的基材上的表面形成有Sn 系表面層，在Sn系表面層與基材之間，從Sn系表面層依次形成有CuSn合金層、NiSn合金 層、Ni或Ni合金層。
[0027] 若基材由Cu或Cu合金構(gòu)成，則對其組成并無特別的限定。
[0028]Ni或Ni合金層為由純Ni、Ni-Co或Ni-W等Ni合金構(gòu)成的層。
[0029]CuSn合金層為以Cu6Sn5為主成分且Cu6Sn5的Cu的一部分被Ni置換成的化合物合 金（(Cu,ND6Sn5合金）層，NiSn合金層為以Ni3Sn4為主成分且Ni3SnJ^Ni的一部分被Cu 置換的化合物合金（(Ni,CiO3Sn4合金）層。這些化合物層在后述基材上依次形成鍍Ni層、 鍍Cu層、鍍Sn層之后,通過回流處理而形成,在Ni或Ni合金層上依次形成NiSn合金層、 CuSn合金層。該情況下，CuSn合金層中的Ni含量被設(shè)為Iat%以上且25at%以下。之所以 將Ni含量限定為Iat%以上，是因?yàn)槿鬘i含量小于Iat%，則不會形成Cu6Sn5的Cu的一部 分被Ni置換的化合物合金層而不會成為陡峭的凹凸形狀，之所以將Ni含量限定為25at% 以下，是因?yàn)槿鬘i含量超過25at%，則（Cu,Ni)6Sn5合金的粒徑變小，因此有CuSn合金層 的凹凸形狀變得過度微細(xì)的傾向，若CuSn合金層變得過度微細(xì)，則有時無法將動摩擦系數(shù) 設(shè)為0.3以下。
[0030] 另一方面，NiSn合金層中的Cu的含量為5at%以上且20at%以下即可。Cu含量 少的條件，也就是意味著Cu6Sn5中所含有的Ni含量也變少（在Ni3Sn4中不被Cu置換的條 件下，Cu6Sn5中很少被Ni置換），不會成為陡峭的凹凸形狀。之所以設(shè)置上限是因?yàn)槭聦?shí)上 超過20 %的Cu不包括在Ni3Sn4中。
[0031] 該CuSn合金層與Sn系表面層的界面形成為凹凸?fàn)?，算術(shù)平均粗糙度Ra為0. 3μm 以上且I. 0μm以下,波谷深度Rvk形成為0. 5μm以上。
[0032] 算術(shù)平均粗糙度Ra通過JISB0601而測定，不僅在一個方向上，在包括與軋制 方向平行的方向、和與其垂直方向的這兩個方向的多個方向上對CuSn合金層表面進(jìn)行測 定，其中至少一個方向的算術(shù)平均粗糙度為〇. 3μm以上，所有方向的算術(shù)平均粗糙度為 I. 0μm以下。
[0033] 波谷深度Rvk為通過JISB0671-2而規(guī)定的表面粗糙度曲線的突出谷部平均深 度，其為表示比平均凹凸更深的部分達(dá)到什么程度的指標(biāo)，若該值較大，則表示因存在非常 深的谷部分而成為陡峭的凹凸形狀。
[0034]Sn系表面層形成為平均厚度為0. 4μηι以上且Ι.Ομηι以下。若其厚度小于 0. 4μm，則導(dǎo)致焊料潤濕性降低且電連接可靠性降低，若其厚度超過I. 0μm，則無法將表層 設(shè)為Sn和CuSn復(fù)合結(jié)構(gòu)，而僅由Sn所占據(jù)，因此動摩擦系數(shù)增大。
[0035] 這種結(jié)構(gòu)的端子材中，CuSn合金層與Sn系表面層的界面形成為陡峭的凹凸形狀， 從而自Sn系表面層的表面起在數(shù)百nm深度的范圍內(nèi)，較軟的Sn介于較硬的CuSn合金層 的陡峭的谷部，并且在表面則成為該較硬的CuSn合金層的一部分稍微露出于Sn系表面層 的狀態(tài)，介于谷部的較軟的Sn發(fā)揮潤滑劑的作用，動摩擦系數(shù)成為0. 3以下。
[0036] 接著，對該端子材的制造方法進(jìn)行說明。
[0037] 作為基材準(zhǔn)備由銅或銅合金構(gòu)成的板材。對于該板材表面，通過化學(xué)蝕刻或電解 研磨、使用粗糙化的輥?zhàn)拥能堉?、研磨、噴丸等方法進(jìn)行表面粗糙化處理。作為表面粗糙化 的程度，優(yōu)選以算術(shù)平均粗糙度Ra計(jì)為0. 3μm以上且2μm以下。其后，通過進(jìn)行脫脂、酸 洗等處理清洗表面，并依次實(shí)施鍍Ni、鍍Cu、鍍Sn。
[0038] 鍍Ni只要使用一般的鍍Ni浴即可，例如能夠使用以硫酸（H2SO4)和硫酸鎳 (NiSO4)作為主成分的硫酸浴。鍍浴的溫度設(shè)為20°C以上且50°C以下，電流密度設(shè)為1? 30A/dm2以下。該鍍Ni層的膜厚設(shè)為0. 05μπι以上且Ι.Ομπι以下。這是因?yàn)槿粼撃ず裥?于0. 05μm，則（Cu,Ni) 6Sn5合金中所含有的Ni含量變少，不會形成陡峭的凹凸形狀的CuSn 合金，若膜厚超過1. 〇μm，則不易進(jìn)行彎曲加工等。
[0039] 鍍Cu只要使用一般的鍍Cu浴即可，例如能夠使用以硫酸銅（CuSO4)和硫酸 (H2SO4)作為主成分的硫酸銅浴等。鍍浴的溫度設(shè)為20?50。。，電流密度設(shè)為1?30A/dm2 以下。通過該鍍Cu而形成的鍍Cu層的膜厚設(shè)為0. 05μm以上且0. 20μm以下。這是因?yàn)?若該膜厚小于0.05μm，則會導(dǎo)致（Cu,ND6Sn5合金中所含有的Ni含量變大，（Cu,ND6Sn5 合金的粒徑變小，CuSn合金層的凹凸形狀變得過度微細(xì)，若膜厚超過0. 20μm，則會導(dǎo)致 (Cu,ND6Sn5合金中所含有的Ni含量變少，不會形成陡峭的凹凸形狀的CuSn合金。
[0040] 作為用于形成Sn鍍層的鍍浴使用一般的鍍Sn浴即可，例如可使用以硫酸（H2SO4) 和硫酸亞錫（SnSO4)為主成分的硫酸浴。鍍浴的溫度設(shè)為15?35°C，電流密度設(shè)為1? 30A/dm2。該Sn鍍層的膜厚設(shè)為0. 8μm以上2. 0μm以下。若Sn鍍層的厚度小于0. 8μm， 則回流后的Sn系表面層變薄而電連接特性受損，若厚度超過2. 0μm，則CuSn合金層很少在 表面露出，從而很難使動摩擦系數(shù)成為0. 3以下。
[0041] 作為回流處理?xiàng)l件，在還原氣氛中基材表面溫度成為240°C以上且360°C以下的 條件下，加熱1秒鐘以上且12秒鐘以下的時間，并進(jìn)行驟冷。另外，優(yōu)選以250°C以上且 300°C以下的溫度，加熱1秒鐘以上且10秒鐘以下的時間之后進(jìn)行驟冷。這種情況下，保持 時間有如下傾向，即鍍層厚度越薄，則保持時間越短，鍍層厚度變厚，則保持時間變長。
[0042][實(shí)施例]
[0043] 將板厚0. 25mm的科森系（Cu-Ni-Si系）銅合金為基材進(jìn)行研磨處理以使表面粗 糙化之后，依次實(shí)施鍍Ni、鍍Cu、鍍Sn。在這種情況下，鍍Ni、鍍Cu和鍍Sn的電鍍條件在實(shí) 施例、比較例中均相同，如表1所示。表1中，Dk為陰極的電流密度、ASD為A/dm2的縮寫。
[0044] [表 1]
[0045]

【權(quán)利要求】
1. 一種銅合金端子材，其為鍍錫銅合金端子材，在由Cu或Cu合金構(gòu)成的基材上的表面 形成有Sn系表面層，在該Sn系表面層與所述基材之間，從所述Sn系表面層依次形成CuSn 合金層、NiSn合金層、Ni或Ni合金層，其特征在于， 所述CuSn合金層為以Cu6Sn5為主成分且該Cu6Sn5的Cu的一部分被Ni置換的化合物 層，所述NiSn合金層為以Ni3Sn4為主成分且該Ni3Sn 4的Ni的一部分被Cu置換的化合物 層，所述CuSn合金層的算術(shù)平均粗糙度Ra至少在一方向上為0. 3 y m以上，而在所有方向 上的算術(shù)平均粗糙度Ra為1. 0 y m以下，所述CuSn合金層的波谷深度Rvk為0. 5 y m以上， 所述Sn系表面層的平均厚度為0. 4 y m以上且1. 0 y m以下，動摩擦系數(shù)為0. 3以下。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅合金端子材，其特征在于， 所述CuSn合金層中含有l(wèi)at%以上且25at%以下的Ni。
【文檔編號】H01R13/03GK104425940SQ201410415663
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】加藤直樹, 井上雄基, 樽谷圭榮 申請人:三菱綜合材料株式會社