金属材料及连接端子

文档序号:197258 发布日期:2021-11-02 浏览:62次 >En<

阅读说明:本技术 金属材料及连接端子 (Metal material and connection terminal ) 是由 公文代充弘 坂喜文 水谷亮太 于 2020-01-22 设计创作,主要内容包括:提供即使不使用Ag也能够抑制含有Sn的金属层的表面中的摩擦系数上升的金属材料及连接端子。设为如下金属材料(1):具有基材(15)和将所述基材(15)的表面包覆的表面层(10),所述表面层(10)含有Sn和In,至少In存在于最表面。另外,设为如下连接端子:由那样的金属材料(1)构成,至少在与对方导电构件电接触的触点部,在所述基材(15)的表面形成有所述表面层(10)。(Provided are a metal material and a connection terminal, wherein the increase in the friction coefficient of the surface of a metal layer containing Sn can be suppressed without using Ag. The following metal material (1) was used: the surface coating material comprises a base material (15) and a surface layer (10) which coats the surface of the base material (15), wherein the surface layer (10) contains Sn and In, and at least In is present on the outermost surface. In addition, the following connection terminals are provided: the surface layer (10) is formed on the surface of the base material (15) at least at a contact portion which is in electrical contact with a counterpart conductive member.)

金属材料及连接端子

技术领域

本公开涉及金属材料及连接端子。

背景技术

作为连接端子等电连接构件的构成材料,广泛使用在基材的表面通过电镀等形成有由Sn、Sn合金构成的表面层的金属材料。由Sn、Sn合金构成的表面层在电连接构件的表面中起到将导电性、耐腐蚀性、焊料浸润性等特性提高的作用。

但是,Sn、许多Sn合金当在表面受到摩擦时容易引起凝结、掘出。那些现象关系到表面的摩擦系数的上升。摩擦系数的上升例如在连接端子中关系到使端子插拔需要的力增大。

为了使Sn、Sn合金的表面上的摩擦系数减小,进行在含有Sn的金属层的表面设置另外的金属层的尝试。例如,在专利文献1中公开一种铜合金端子件,是在由Cu或者Cu合金构成的基材的表面形成有Sn系表面层,并在该Sn系表面层与所述基材之间从Sn系表面层开始依次形成有CuSn合金层/NiSn合金层/Ni或者Ni合金层的镀锡铜合金端子件,在Sn系表面层的最表面形成有Ag包覆层,表面的动摩擦系为0.3以下。在此,CuSn合金层及NiSn合金层的组成被指定,CuSn合金层的局部顶峰的平均间隔、Sn系表面层及Ag包覆层的厚度被限定在特定范围。在专利文献1中,除了由Sn系表面层和CuSn合金层的特殊的界面形状带来的减小摩擦系数的效果之外,还得到通过具有预定厚度的Ag包覆层带来的抑制Sn凝结的效果。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2015-124433号公报

专利文献2:日本特开2004-179055号公报

专利文献3:日本特开2001-155955号公报

专利文献4:日本特开平4-340756号公报

发明内容

发明要解决的课题

考虑到如下:如专利文献1所记载的那样,通过将含有Sn的金属层的表面用Ag包覆,从而抑制由Sn凝结导致的摩擦系数上升。但是,Ag自身也是凝结性强的金属,在反复受到摩擦的情况等下,有可能不能有效地减小Sn的摩擦系数。另外,Ag由于包含于空气中的含硫磺分子等而受到硫化,容易褪色为黄色。而且,作为贵金属的Ag是昂贵的元素,通过作为表面包覆层使用,从而使连接端子等电连接构件的材料成本上升。出于那些理由,期望在连接端子等电连接构件的表面中不使用Ag,使得能够抑制含有Sn的金属层的表面的摩擦系数上升。

因此,以提供即使不使用Ag也能够抑制含有Sn的金属层的表面上的摩擦系数上升的金属材料及连接端子为课题。

用于解决课题的方案

本公开的金属材料具有基材和将所述基材的表面包覆的表面层,所述表面层含有Sn和In,至少In存在于最表面。

本公开的连接端子由所述金属材料构成,至少在与对方导电构件电接触的触点部,在所述基材的表面形成有所述表面层。

发明效果

本公开的金属材料及连接端子即使不使用Ag,也能够抑制表面的摩擦系数上升。

附图说明

图1A、1B是将本公开的一实施方式的金属材料的结构示意性示出的图。图1A是将金属材料的层积结构示出的剖视图,图1B是将金属材料的表面的状态示出的俯视图。

图2是示出本公开的一实施方式的连接端子的概要的剖视图。

图3A~3D分别是试样A1~A4的表面的扫描电子显微镜(SEM)像,示出反射像。

图4A~4D是对试样A2的表面示出通过能量分散型X射线分析(EDX)得到的元素分布的图。图4A示出Sn、图4B示出Cu、图4C示出In的分布。图4D将图4C的In的分布用0~30质量%的标度表示。各图的灰色标度将每10刻度的数值放大表示。另外,各图中表示的长度的标度与3μm对应。

图5A~5E是分别对试样A1~A4、A0示出摩擦系数的测定结果的图。

图6A~图6C分别是对试样B1、B2、B0示出摩擦系数的测定结果的图。

图7A~7D分别是对试样C1~C3、A0示出摩擦系数的测定结果的图。

具体实施方式

[本公开的实施方式的说明]

首先,列举本公开的实施方式进行说明。

本公开的金属材料具有基材和将所述基材的表面包覆的表面层,所述表面层含有Sn和In,至少In存在于最表面。

本公开的金属材料具有表面层,所述表面层将基材的表面包覆,含有Sn和In,至少使In在最表面露出。In是非常柔软、显示固体润滑性的金属,通过在表面层的最表面露出,从而通过固体润滑作用能够减小金属材料的表面的摩擦系数。与Ag不同,In自身由于凝结而使摩擦系数上升的情况也不易发生。这样,通过形成一并含有In与Sn的表面层,从而即使不使用Ag,也能够在金属材料的表面抑制由Sn凝结导致的摩擦系数上升。In并不是如Ag那样由于硫化而引起褪色的物质,另外,与Ag相比,能够以廉价利用。

在此,优选的是,在所述表面层中,In的至少一部分处于In-Sn合金的状态。在含有Sn和In的表面层中,通过作为稳定的合金形成有In-Sn合金,从而可稳定维持使In在最表面露出的状态。

在该情况下,优选所述In-Sn合金含有InSn4。在含有Sn和In的表面层中,作为金属间化合物,容易稳定形成InSn4,InSn4对抑制摩擦系数上升示出高效。因此,In-Sn合金通过含有InSn4,以少量的In就能够有效地达成抑制摩擦系数上升。

优选的是,所述表面层包括:富Sn部,含有Sn,且In的浓度低于Sn的浓度;和富In部,含有比所述富Sn部高的浓度的In,所述富Sn部和所述富In部双方在最表面露出。在表面层中,以高浓度含有In的富In部并不在整个最表面露出,即使是以与In浓度低的富Sn部共存地露出的状态,也能够充分发挥抑制摩擦系数上升的效果。

在该情况下,优选所述富In部由In-Sn合金构成。于是,通过In-Sn合金的形成,能够稳定保持富In部在最表面露出的状态,能够有助于抑制摩擦系数上升。

另一方面,优选所述富Sn部由构成所述基材的金属元素和Sn的合金构成。在表面层中,富In部与形成为构成基材的金属元素和Sn的合金的富Sn部稳定共存,在表面层整体上能够发挥抑制摩擦系数上升的效果。

优选的是,在所述表面层的最表面中,所述富In部占据的面积率高于50%。通过富In部占据较大面积,并在表面层的最表面露出,从而能够将通过富In部发挥的抑制摩擦系数上升的效果提高。

另一方面,优选的是,在所述表面层的最表面中,所述富In部占据的面积率为90%以下。这是因为:即使面积率超过90%、使富In部较多地在最表面露出,该大面积的富In部也并不会有效地有助于抑制摩擦系数上升。另外,通过富In部的面积率过高,从而富In部含有的In变得稀薄,反而也有时抑制摩擦系数上升的效果减小,但是通过将富In部的面积率预先抑制成90%以下,容易避免那样的情况。

优选的是,在所述表面层的最表面中,In的浓度为10原子%以上。于是,在金属材料的最表面中,In容易充分发挥抑制摩擦系数上升的效果。

优选的是,所述表面层中的In的含量按原子数比计相对于Sn为1%以上。于是,表面层含有充分量的In,且充分量的In在最表面露出,从而容易提高基于In的抑制摩擦系数上升的效果。

另一方面,优选的是,所述表面层中的In的含量按原子数比计相对于Sn为25%以下。于是,不使In过于大量地含有,容易避免不能有效地有助于抑制摩擦系数上升的情况。

优选的是,在所述表面层中,在从最表面到至少深度0.01μm的区域中分布有In。于是,在金属材料的最表面中,In容易充分发挥抑制摩擦系数的效果。

优选所述基材的表面含有Cu及Ni中的至少一方。含有Cu及Ni中的至少一方的金属材料是作为构成连接端子等电连接构件的基材而通用的金属材料,即使Cu、Ni向含有Sn及In的表面层扩散而与Sn、In形成合金,也可维持通过表面层含有的In而带来的抑制摩擦系数上升的效果。

本公开的连接端子由金属材料构成,至少在与对方导电构件电接触的触点部,在所述基材的表面形成有所述表面层。在该连接端子中,通过至少在触点部形成有如上述的、含有Sn和In且使In在最表面露出的表面层,从而即使不使用Ag,在触点部也能够抑制与对方的连接端子之间滑动时的摩擦系数上升。通过不使用Ag,也可抑制连接端子的褪色、材料成本的上升。

优选在所述对方导电构件的表面露出含有Sn的金属。本公开的连接端子通过除了Sn之外还使In在触点部的最表面露出,从而即使在对方导电构件的表面露出Sn,也能够有效地抑制摩擦系数由于Sn彼此之间的伴随滑动的凝结而上升。

[本公开的实施方式的详情]

以下,使用附图对本公开的实施方式详细地说明。在本说明书中,各元素的含量(浓度)只要没有特别记载,则以原子%等原子数比为单位示出。另外,也包括单质金属含有不可避免的杂质的情况。合金只要没有特别记载,则是固溶体的情况和构成金属间化合物都包括。而且,以某金属为主要成分的合金是指该金属元素在组成中含有50原子%以上的合金。

<金属材料>

本公开的一实施方式的金属材料由将金属材料层积的材料构成。本公开的一实施方式的金属材料无论构成怎样的金属构件都可以,但是能够适当用作构成连接端子等电连接构件的材料。

(金属材料的构成)

图1A、1B中示出本公开的一实施方式的金属材料1的构成的例子。金属材料1具有基材15和形成于基材15的表面并在最表面露出的表面层10。在不损害表面层10的特性的范围内,也可以将有机层等薄膜(未图示)设置于在金属材料1的最表面露出的表面层10上。

(1)关于基材

基材15能够由板状等任意形状的金属材料构成。构成基材15的材料并不作特别限定,但是在金属材料1是构成连接端子等电连接构件的金属材料的情况下,作为构成基材15的材料,能够适当使用Cu或者Cu合金、Al或者Al合金、Fe或者Fe合金等。尤其是导电性优良的Cu或者Cu合金能够适当使用。

在基材15的表面、也就是基材15与表面层10之间也可以设置中间层(未图示),该中间层与基材15的表面接触,由比基材15薄的金属层构成。在本说明书中,在基材15的表面设置中间层的情况下,中间层也视为基材15的一部分。也就是说,在设置中间层的情况下,中间层的金属材料构成基材15的表面。通过在基材15的表面设置中间层,能够得到使基材15与表面层10之间的密合性提高的效果、在基材15与表面层10之间抑制构成元素的相互扩散的效果等。作为构成中间层的材料,能够例示含有选自Ni、Cr、Mn、Fe、Co、Cu的组(A组)的任意的至少一种的金属材料。构成中间层的材料无论是由选自A组的一种构成的单质金属,还是含有选自A组的一种或者两种以上金属元素的合金都可以。中间层特别优选由Ni或者以Ni为主要成分的合金构成。在中间层中,基材15侧的一部分可以与基材15的构成元素形成合金,表面层10侧的一部分可以与表面层10的构成元素形成合金。

构成基材15的表面的金属材料、也就是在不设置中间层的情况下构成基材15自身的金属材料、另外在设置中间层的情况下构成中间层的金属材料优选含有Cu及Ni中的至少一方。特别优选的是,最好由单质Cu或者单质Ni、或者以Cu或者Ni为主要成分的合金构成。这是因为:Cu、Ni即使向表面层10扩散,进一步与表面层10的构成元素形成合金,也不易损害如后面详细说明的表面层10的特性。在基材15由Cu或者Cu合金构成的情况下,表面层10的特性也不易被来源于基材15的Cu损害,所以以抑制Cu向表面层10扩散为目的而设置由Ni或者Ni合金等构成的中间层的必要性低,从金属材料1的构成的精简性的观点来看,优选省略中间层。

(2)关于表面层

表面层10构成为含有Sn和In的金属层。表面层10也可以含有除Sn和In以外的元素,但是为了不损害通过Sn及In形成的结构、通过Sn及In显现的特性,优选以Sn和In为主要成分的物质、也就是Sn和In的合计占据表面层10整体的50原子%以上。特别是,除了含有不可避免的杂质、表面附近的氧化、碳化、氮化等的改性、另外环境中的成分向表面的附着之外,表面层10仅由Sn和In构成的方式优选。另外,在表面层10中,特别是不含有Ag更好。这是因为:Ag不但凝结性高,容易使表面层10的摩擦系数上升,而且容易由于硫化引起褪色,表面层10的材料成本也增大。

当在表面层10中的最表面至少存在In原子时,Sn和In在表面层10内无论怎样分布都可以。另外,Sn及In无论处于单质金属的状态,还是形成合金都可以。成为单质金属的部分和成为合金的部分也可以共存。如后面详细地说明的那样,通过以在最表面露出的方式在表面层10含有In,从而得到抑制表面层10的摩擦系数上升的效果。

In是容易与Sn形成合金的金属,如后所述,在将Sn层和In层层积而形成表面层10的情况等下,In容易形成In-Sn合金。从稳定维持表面层10的状态的观点出发,优选表面层10所含有的In的至少一部分、期望是表面层10所含有的In的大部分构成In-Sn合金。例如,如后面的实施例中所示,通过X射线衍射法(XRD)检测为含有In的相的全部量除了不可避免的杂质之外,只要为In-Sn合金即可。In-Sn合金无论成为固溶体还是成为金属间化合物都可以,但是从表面层10的稳定性等的观点来看,优选形成金属间化合物。

作为能够包含于表面层10的In-Sn金属间化合物的组成,能够列举InSn4、In3Sn等。表面层10所含有的In-Sn合金只要包含选自这些金属间化合物的一种或者两种以上即可。从In-Sn合金的稳定性的观点出发,另外,从以少量的In较高地得到如后述的在表面层10含有In的效果的观点出发,优选表面层10含有上述中的InSn4。而且,优选表面层10所包含的In中、通过XRD检测出的全部量除了不可避免的杂质之外为InSn4。InSn4是采取β锡结构的金属间化合物。

表面层10也可以由整体均质的In-Sn合金构成。但是,在表面层10中,形成In浓度与其他部位相比升高的部位,从通过该部位使抑制表面层10的摩擦系数上升等、通过含有In带来的效果较大地发挥的观点来看,优选例如图1A、1B所示,使Sn的浓度比较高的富Sn部10a和In的浓度比较高的富In部10b两种相共存地具有。通过使In集中地分布于富In部10b,容易使含有In的效果在富In部10b中较大地发挥,作为表面层10整体的特性容易有效利用。以下,以这样使富Sn部10a和富In部10b共存于表面层的方式为中心进行说明。

如后所述,在将Sn层和In层按该顺序层积、并适当经由合金化而形成表面层10的情况下,富Sn部10a及富In部10b形成于表面层10的最表面侧的部位、也就是上层11,在上层11的下侧(基材15侧)容易形成大体上由Sn构成的下层12。在这样的情况下,上层11和下层12均构成表面层10,但是该情况下的下层12也是Sn浓度高的相,在该意义上能够视为富Sn部的一种。但是,在本说明书中,只要没有特别记载,假设在包括富Sn部10a及富In部10b的上层11的下侧形成的下层12不称为富Sn部,而与上层11的富Sn部10a区别开。

(2-1)富Sn部

富Sn部10a是含有Sn、且In的浓度低于Sn的浓度的相。在此,In的浓度低于Sn的浓度是指按原子数比计In的含量少于Sn的含量的状态,也包括不含有In的方式。作为富Sn部10a的具体方式,能够列举:(i)由单质Sn构成的方式(由Sn和不可避免的杂质构成的方式);(ii)由含有比Sn少的量的In的In-Sn合金构成的方式;(iii)由In以外的金属元素和Sn的合金构成的方式;(iv)由比Sn少的量的In、In以外的金属元素以及Sn的合金构成的方式。富Sn部10a无论由那些方式中的一个方式构成,还是包括方式、组成不同的两个以上部位都可以。

在此,作为富Sn部10a含有、且在上述方式(iii)、方式(iv)中与Sn形成合金的In以外的金属元素,能够列举构成基材15的金属元素(基材元素)。在基材元素扩散到表面层10的情况下,通过预先使该基材元素与Sn形成合金保留于富Sn部10a,从而能够使得富In部10b不含有基材元素、或者将富In部10b中的基材元素的浓度抑制得低,在富In部10b中,容易发挥In本来的特性。另外,那样,能够稳定地维持容易发挥In的特性的富In部10b。从将富In部10b中的In的浓度维持得高的观点来看,优选富Sn部10a的整体除了不可避免的杂质之外,由单质Sn、或者Sn和基材元素的合金、或者那两方构成,且基本上不含有In。在包括富Sn部10a的上层11的下侧形成有由Sn构成的下层12的情况下,上层11的富Sn部10a也可以与下层12连续,而且,在富Sn部10a与下层12之间,组成也可以连续地变化。

在基材15的表面(没有形成中间层的情况下的基材15的表面、或者形成有中间层的情况下的中间层的表面)含有Cu的情况下,优选富Sn部10a含有Cu-Sn合金。进一步优选的是,表面层10所含的Sn中、通过XRD检测出的全部量除了不可避免的杂质之外,成为单质Sn或者Cu-Sn合金的形式。在该情况下,容易采取下层12由单质Sn构成、上层11所包含的富Sn部10a由Cu-Sn合金构成的形式。作为构成富Sn部10a的Cu-Sn合金的组成,能够例示Cu6Sn5。在富Sn部10a由以Cu6Sn5为首的Cu-Sn合金构成的情况下,该富Sn部10a不易变为较大地损害通过共存的富In部10b发挥的特性的部分。

(2-2)富In部

富In部10b与富Sn部10a相比含有高浓度的In。也就是说,组成中的In的原子数浓度在富In部10b中比富Sn部10b高。具体地讲,作为富In部10b,能够例示:(i)由单质In构成的方式(由In和不可避免的杂质构成的方式);(ii)由In-Sn合金构成的方式;(iii)由基材元素等、Sn以外的金属元素和In的合金构成的方式;(iv)由包含Sn及In、和基材元素等其他的金属元素在内的合金构成的方式。另外,在如上述方式(ii)及方式(iv)那样、富In部10b由含有Sn的合金构成的情况下,当In的浓度在富In部10b中比富Sn部10a高时,则Sn的浓度在富In部10b与富Sn部10a之间成为什么样的关系都可以。富In部10b无论仅由上述方式(i)~(iv)中的一个方式构成,还是包括方式、组成的不同的两个以上部位都可以。

从使能够强烈发挥In的特性的富In部10b与富Sn部10a稳定共存等的观点来看,优选富In部10b含有In-Sn合金。进一步优选的是,表面层10所含的In中、通过XRD检测出的全部量除了不可避免的杂质之外,形成In-Sn合金而构成富In部10b。作为构成富In部10b的In-Sn金属间化合物,能够列举在上述列举的InSn4,In3Sn等。富In部10b优选含有这些金属间化合物中的InSn4。特别是,优选富In部10b所含的In的全部量除了不可避免的杂质之外为InSn4。这是因为:InSn4的稳定性优良,另外,尽管仅含有少量的In,也能够强烈示出抑制表面层10的摩擦系数上升等、通过含有In带来的效果。

(2-3)富Sn部及富In部的分布

在表面层10包括富Sn部10a和富In部10b的情况下,当至少In原子存在于最表面时,富Sn部10a及富In部10b采取什么样的空间分布都可以。作为一例,能够设为如下层积结构:层状的富Sn部10a形成于基材15的表面,在该富Sn部10a的层的表面设置有由单质In或者In-Sn合金构成的富In部10b。

但是,从即使是表面层10整体上的In的含量少的情况,也形成以高浓度含有In、能够强烈发挥In的特性的富In部10b,并将该In的特性有效用作表面层10整体的特性的观点来看,优选如图1A、1B所示,富Sn部10a和富In部10b不分离为层状,而在表面层10内混合存在。在该情况下,至少富In部10b在表面层10的最表面露出即可。进一步优选富In部10b和富Sn部10a双方均在表面层10的最表面露出。

在表面层10采用富Sn部10a和富In部10b混合存在的结构的情况下,富Sn部10a和富In部10b无论采用什么样的形状及相互配置混在一起都可以。但是,如后所述,在将Sn层和In层按该顺序层积而形成表面层10的情况下,如图1A、1B所示,容易采取在富In部10b中呈岛状分散有富Sn部10a的方式。在该情况下,优选岛状的富Sn部10a、及将该富Sn部10a包围的富In部10b均在表面层10的最表面露出。

在富Sn部10a和富In部10b混合存在、且均在表面层10的最表面露出的情况下,富Sn部10a和富In部10b各自作为连续的区域在最表面露出的区域的大小不被特别限定。但是,从使富In部10b的特性有效发挥的观点来看,优选将连续的富In部10b分割的富Sn部10a的长度(分割长度)较短。在如图1A、1B那样在富In部10b中呈岛状分散有富Sn部10a的情况下,能够将富Sn部10a的长径(将横穿富Sn部10a的直线中最长的直线的长度)视为分割长度。从使富In部10b的特性有效发挥的观点来看,另外,从抑制表面层10的最表面中的特性的空间上的不均匀性的观点来看,优选分割长度为10μm以下。另一方面,从富Sn部10a的特性也有效发挥的观点来看,优选分割长度为0.5μm以上。

而且,在富Sn部10a和富In部10b双方在表面层10的最表面露出的情况下,优选在最表面中、富In部10b占据的面积率高于50%。富In部10b的面积率能够定义为富In部10b的露出面积在最表面整体的面积中占据的比例([富In部的露出面积]/[最表面整体的面积]×100%)。通过富In部10b的面积率高于50%、也就是富In部10b的露出面积大于富Sn部10a的露出面积,从而能够使抑制摩擦系数上升等、基于富In部10b的特性作为表面层10的最表面整体的特性而强烈发挥。从使基于富In部10b的特性更强烈发挥的观点来看,优选富In部10b的面积率为55%以上、进一步为70%以上。

另一方面,富In部10b的面积率的上限没有被特别指定,但是即使富In部10b的面积率为90%以下,在表面层10中也能够使富In部10b的特性充分发挥。另外,在表面层10中的In的浓度比较低的情况下,当富In部10b的面积率过高时,富In部10b的各部位中的In的浓度变得稀薄,反而在富In部10b中不易发挥In的特性。特别是如后面的实施例所示的在基材15的表面含有Cu的情况那样,根据基材15的种类等,表面层10整体上的In的浓度低有时示出富In部10b的面积率变高的倾向。在这样的情况下,富In部10b的面积率升高是指表面层10中的In的浓度低。也就是说,通过富In部10b的面积宽和表面层10中的In的含量少双方的影响,富In部10b中的In的浓度变得稀薄,不易发挥In的特性。在这样的情况下,从避免富In部10b中的In浓度降低的观点来看,也优选富In部10b的面积率被抑制为90%以下。当富In部10b的面积率为80%以下时特别优选。使用知晓通过使用扫描电子显微镜(SEM)的能量分散型X射线分析(EDX)得到的元素分布等、金属材料1的最表面中的相的分布的显微镜像,测量富In部10b的面积,从而能够估算富In部10b的面积率。

(2-4)In的含量

表面层10中的In和Sn的含量比只要根据期望的表面层10的特性适当设定即可,但是从使抑制摩擦系数上升等、通过In赋予的特性有效地发挥的观点来看,In的含量作为表面层10整体所含有的量,优选按相对于Sn的原子数比(In[at%]/Sn[at%])计为1%以上。从进一步提高In的特性的观点来看,表面层10中的In的含量特别优选按相对于Sn的原子数比计为5%以上、进一步为10%以上。在此,如图1A所示,无论表面层10是由上层11和下层12构成的情况、或者进一步由多个组成不同的层构成的情况,In及Sn各自的含量都是指将构成表面层10的所有的那些层加在一起的表面层10整体所含有的全部量。

另一方面,即使表面层10中的In的含量过多,通过In发挥的抑制摩擦系数上升等的效果也不提高,因此表面层10中的In的含量优选按相对于Sn的原子数比计预先保留为25%以下。特别是,如上所述,表面层10整体上的In的含量少有时示出富In部10b的面积率升高的倾向,在那样的情况下,当使表面层10中的In含量过多时,则富In部10b的面积率变低,有可能通过含有In带来的抑制摩擦系数上升等的效果反而减小。在那样的情况下,从充分确保富In部10b的面积率的观点来看,也优选将表面层10中的In的含量按相对于Sn的原子数比计预先设为25%以下。In的含量按相对于Sn的原子数比计为20%以下、而且为15%以下时进一步优选。在此,表面层10中的In的含量通过针对表面层10进行基于荧光X射线光谱等的元素分析而能够估算。或者,在制作表面层10时用作原料的Sn层、In层的厚度知晓的情况下,通过基于Sn及In的密度,将那些原料层的厚度换算成原子数比,从而能够估算表面层10中的In的含量。

如上所述,在表面层10中,In在深度方向的区域中、包括最表面的表面附近的区域(例如上层11)以比进一步深的区域(例如下层12)高的浓度分布,在将抑制最表面中的摩擦系数上升等的效果提高的方面优选。In在表面层10中分布于至少到深度0.01μm为止的区域。而且,优选分布于至少到深度0.05μm、另外至少到深度0.1μm的区域。优选最表面中的In的浓度(In的原子数在最表面的所有存在元素中占据的比例)为10%以上、进一步为15%以上。而且,优选在直到通过X射线光电子能谱法(XPS)、俄歇电子能谱法(AES)等、检测最表面的放出电子而探测的程度的深度为止的区域中,含有那样的浓度的In。典型地,优选在从最表面到5nm程度的深度为止的区域中含有那样的浓度的In。

表面层10整体的厚度不作特别限定,只要能够使通过Sn及In赋予的特性充分发挥即可。例如,优选将表面层10的厚度设为0.05μm以上、进一步为0.1μm以上。另一方面,从避免形成过度厚的表面层10的观点来看,该厚度只要为10μm以下即可。

(金属材料的表面特性)

在本实施方式的金属材料1中,如上所述,表面层10含有Sn和In双方,在表面层10的最表面存在In。因此,在表面层10中,除了Sn的特性之外,还显现In的特性。

Sn在以往通常使用于将构成连接端子等电连接构件的金属材料的表面包覆。Sn除了具有高导电率之外,还能够将表面氧化膜容易破坏,所以示出低接触电阻,在金属材料的表面中赋予良好的电连接特性。Sn的耐腐蚀性、焊料浸润性也优良。本实施方式的金属材料1的表面层10也通过含有Sn,从而具有优良的电连接特性、另外具有耐腐蚀性、焊料浸润性。

Sn的电连接特性等如此优良,而Sn在与对方金属构件等之间进行滑动时,在Sn的表面上发生凝结、掘出,摩擦系数容易上升。另一方面,In是比Sn柔软的金属,示出高固体润滑性。这样,通过使表面层10含有具有固体润滑性的In、并使其在表面层10的最表面露出,从而在表面层10的表面中能够发挥固体润滑性。通过In的固体润滑性,在表面层10中能够抑制由于Sn的凝结、掘出导致的摩擦系数的上升。即使In与Sn等其他的金属元素形成合金,也能够发挥In的固体润滑性。在表面层10中,除了富In部10b之外,富Sn部10a也在最表面露出的情况下,也通过富In部10b发挥抑制摩擦系数上升的效果,从而能够在表面层10整体上将摩擦系数抑制得低。

In是容易受到氧化的金属,但是与Sn同样,通过载荷的施加等,能够容易破坏表面的氧化膜。因此,在表面层10中,In也与Sn同样,赋予低接触电阻,不会妨碍通过Sn发挥的良好的电连接特性。因此,在表面层10中,得到低至与单质Sn的金属层相同程度的接触电阻。而且,通过Sn与In形成合金,从而与熔点比单质Sn的熔点降低关联地,比单质Sn变柔软,也有时表面氧化膜的易破坏性提高。其结果是,在含有Sn和In的表面层10中,与单质Sn的金属层相比,也有时接触电阻减小。

这样,通过表面层10除了Sn之外还含有In,并使该In在最表面露出,从而在金属材料1中,利用In的固体润滑性能够抑制由Sn的凝结性导致的摩擦系数上升。而且,基于Sn的良好的电连接特性不会由于含有In而受损,不如说也有时进一步提高。在专利文献1中,与使用于将Sn系表面层包覆的Ag不同,In是凝结性低的金属,即使重复滑动,也不易引起摩擦系数上升。另外,In不易引起如Ag那样的硫化导致的褪色,而且,能够以较低的成本利用。出于这些理由,具备含有In的表面层10的本实施方式的金属材料1作为以连接端子为首的、由于滑动等而受到摩擦的电连接构件的构成材料能够适当利用。

如上所述,在表面层10中,至少In原子分布于最表面时,则Sn原子及In原子怎样分布都可以,但是优选富Sn部10a和富In部10b混合存在,且那两个部位均在最表面露出。在该情况下,通过使表面层10含有的In集中于富In部10b,与在表面层10整体上稀薄地分布In的情况相比,能够使抑制摩擦系数上升等、基于In的表面特性在富In部10b中强烈发挥。

In和Sn的合金化容易进行,因此在表面层10作为富In部10b等而含有的In的至少一部分、优选除不可避免的杂质之外的全部量形成以InSn4为首的In-Sn合金较佳。通过In-Sn合金的形成,容易稳定地维持富Sn部10a和富In部10b共存的状态等、表面层10的状态。在富Sn部10a中,Sn也与基材元素等其他金属形成合金容易稳定地维持与富In部10b共存的表面层10的状态。也如后面的实施例所示,在Sn与Cu、Ni等基材元素形成合金而构成富Sn部10a的情况下,该富Sn部10a具有富In部10b,不成为显著损害抑制摩擦系数上升、抑制接触电阻等的效果的部分,在表面层10整体上,能够赋予摩擦系数低、且接触电阻也低的状态。

在本实施方式中,通过在表面层10一并含有In与Sn,且至少使In在最表面露出,从而如在后面的实施例中示出的那样,在与最表面形成有Sn层的对方金属构件之间滑动时,能够抑制摩擦系数伴随滑动进行而上升。作为摩擦系数的值也能够被抑制为0.4以下、进一步为0.3以下的小区域。同时,与仅形成不含有In的Sn层的情况比较,能够将接触电阻抑制在120%程度的范围。进一步地,也有时抑制为100%以下、也就是比仅形成有Sn层的情况小的值。

本实施方式的金属材料1如上,在表面层10的表面中能够抑制摩擦系数的上升,进一步示出低接触电阻。因此,金属材料1能够适当使用于电气部件特别是连接端子等、作为在表面层10的表面上与对方导电性构件接触的电连接构件的用途。

(金属材料的制造方法)

本实施方式的金属材料1通过在基材15的表面适当利用电镀法等形成中间层后形成表面层10而能够制造。

表面层10用蒸镀法、电镀法、浸渍法等什么样的方法形成都可以。此时,也可以通过Sn和In的共析等一次性形成含有Sn和In的表面层10,但是从简便性的观点出发,优选在将Sn层和In层层积地形成之后适当经由合金化而形成表面层10。In层在比较薄的情况下,通过浸渍法形成较佳,在比较厚的情况下,通过电镀法形成较佳。

而且,也可以在将Sn层和In层层积后适当进行加热。如后面的实施例所示,无论进行加热还是不进行,都能够得到抑制摩擦系数上升的效果。但是,通过进行加热,可进行In和Sn的合金化,如图1A、1B所示,富In部10b容易形成将岛状的富Sn部10a包围而形成为In-Sn合金的状态。另外,通过此时的加热,在富Sn部10a中进行Sn的回流处理,可得到抑制晶须产生等的效果。这样,通过在将Sn层和In层层积的状态下进行加热,能够用一次加热同时进行基于In的合金化的富In部10b的形成和富Sn部10a的回流处理。在将In层与Sn层层积的状态下不进行加热的情况下,只要在针对形成In层前的Sn层进行回流处理后形成In层即可。

Sn层和In层的层积顺序不作特别限定,但是通过先形成Sn层,在该Sn层的表面层积In层,从而容易使In以富In部10b等的形态露出于表面层10的最表面。Sn层和In层各自的厚度及两者之间的厚度的比根据期望的表面层10的厚度、成分组成等适当选择即可,作为优选的方式能够例示将Sn层的厚度设为0.5μm以上且10μm以下的方式。关于In层的厚度,从使充分量的In分布于所形成的表面层10的最表面的观点出发,优选设为0.01μm以上、进一步为0.05μm以上、0.1μm以上。另一方面,从避免使用过量In的观点出发,优选In层的厚度预先抑制为0.5μm以下、进一步为0.2μm以下。

<连接端子>

本公开的一实施方式的连接端子使用上述实施方式的金属材料1构成,至少在与对方导电构件电接触的触点部的表面具有含有Sn和In的表面层10。连接端子的具体的形状、种类不作特别限定。

图2中作为本公开的一实施方式的连接端子的例子示出阴型连接器端子20。阴型连接器端子20具有与公知的嵌合型的阴型连接器端子同样的形状。即,形成有在前方开口的筒状的夹压部23,在夹压部23的底面的内侧具有向内侧后方折回的形状的弹性接触片21。当在阴型连接器端子20的夹压部23内被插入作为对方导电构件的平板型突片状的阳型连接器端子30时,阴型连接器端子20的弹性接触片21在向夹压部23的内侧鼓出的压花部21a处与阳型连接器端子30接触,对阳型连接器端子30施加向上的力。与弹性接触片21相对的夹压部23的顶部的表面形成为内部对置接触面22,阳型连接器端子30被弹性接触片21按压到内部对置接触面22,从而阳型连接器端子30被夹压保持在夹压部23内。

阴型连接器端子20的整体通过具有上述实施方式的表面层10的金属材料1构成。在此,金属材料1的形成有表面层10的面朝向夹压部23的内侧,以构成弹性接触片21及内部对置接触面22的相互对置的面的方式配置。其结果是,在将阳型连接器端子30向阴型连接器端子20的夹压部23插入并滑动时,在阴型连接器端子20与阳型连接器端子30之间的接触部可利用由表面层10带来的抑制摩擦系数上升的效果。

在此,对阴型连接器端子20的整体由具有表面层10的上述实施方式的金属材料1构成的方式进行说明,表面层10当至少形成于与对方导电构件接触的触点部的表面、也就是弹性接触片21的压花部21a和内部对置接触面22的表面时,则形成于什么样的范围都可以。另外,阳型连接器端子30等对方导电构件由什么样的材料构成都可以,但是作为优选的方式能够列举含有Sn的金属在最表面露出的方式。具体地讲,与阴型连接器端子20同样,作为优选的方式能够列举由具有表面层10的上述实施方式的金属材料1构成的方式、由单质Sn或者以Sn为主要成分的合金构成的Sn包覆层形成于最表面的金属材料构成的方式。即使在对方导电构件的最表面形成有Sn包覆层,也通过在本实施方式的连接端子的表面存在In,从而能够抑制如下:表面层10的Sn和对方的Sn包覆层的Sn伴随滑动而引起凝结,摩擦系数上升。而且,本公开的实施方式的连接端子除了如上述的嵌合型的阴型连接器端子或者阳型连接器端子之外,还能够设为压入连接到印刷基板中所形成的通孔的压配合端子等各种方式。

实施例

以下示出实施例。另外,本发明并不被这些实施例限定。以下只要没有特别记载,试样的制作及评价在大气中、室温下进行。

[1]表面层的结构及特性

首先,对含有In和Sn的表面层的结构和特性进行调查。对In的含量的影响也进行研究。

[试验方法]

(试样的制作)

按照以下制作试样A1~A4及试样A0。也就是说,在洁净的Cu基材的表面如表1所示层积预定厚度的原料层。具体地讲,首先,在Cu基材的表面利用电镀法直接形成厚度1.0μm的Sn层。接着,关于试样A1~A4,在形成的Sn层的表面以表1所示的预定厚度形成In层。In层的形成在最薄的试样A1中通过浸渍进行,所形成的In层的厚度为0.01μm。关于形成比较厚的In层的试样A2~A4,利用电镀法进行In层的形成,分别将In层的厚度设为0.05μm、0.1μm、0.2μm。关于试样A0,设为不形成In层而仅将Sn层形成于Cu基材的表面的状态。关于试样A1~A4,在将Sn层和In层层积后,关于试样A0,在形成Sn层后,用250~300℃进行加热(回流处理)。

表1中除了形成的Sn层及In层的厚度之外,还示出In和Sn的原子数比(In/Sn原子数比)。该值是使用Sn和In各自的密度将Sn层及In层的厚度换算成原子数,并将In相对于Sn的原子数的比率计算出而得到的值。

(表面层的状态的评价)

对试样A1~A4各自进行扫描电子显微镜(SEM)观察,观察表面的状态。进一步通过能量分散型X射线分析(EDX),确认各试样的表面中的构成元素的分布。根据通过EDX得到的元素分布像,研究用SEM观察到的各相的组成,并且估算富In部的面积率。

另外,针对试样A2~A4进行基于2θ法的X线衍射(XRD)测定,评价在表面层生成的相的组成。作为测定条件,设为ω=1°、2θ=10~80°、0.03°步骤。

进一步针对试样A2进行X射线光电子能谱(XPS)测定,评价表面层的最表面上的Sn和In的存在量。而且,一边进行Ar+溅射一边进行XPS测定,评价In的深度方向的分布。在深度分析测定中,根据所得到的光电子能谱解析In的氧化数,也解析In的层中分布有In氧化物的区域的深度。XPS测定在以Al-Kα线为光源、入射角90°、光电子取出角45°的条件下进行。Ar溅射在加速电压2kV、平均溅射速度23nm/min.(SiO2换算)的条件进行到500nm的深度,每隔深度5nm进行测定。

(摩擦系数的测定)

使用平板状的试样A1~A4、A0进行摩擦系数的测定。此时,使用由将镀Sn层以1μm的厚度形成的材料构成的、半径1mm(R=1mm)的压花,模拟由平板状触点和压花状触点构成的端子触点对。在测定时,使压花状触点与板状的各试样的表面接触,在施加3N的接触载荷的状态下以10mm/min.的速度滑动5mm。滑动中,使用负载传感器测定在触点间起作用的动摩擦力。接着,将动摩擦力除以载荷得到的值作为(动)摩擦系数。滑动中,记录摩擦系数的变化。

(接触电阻的评价)

使用平板状的试样A1~A4、A0进行接触电阻的测定。此时,使用形成有厚度1μm的Ni中间层和厚度0.4μm的Au表面层的R=1mm的压花,模拟由平板状触点和压花状触点构成的端子触点对。测定时,使压花状触点与平板状的各试样的表面接触,一边施加接触载荷一边测定接触载荷成为5N时的接触电阻。测定通过四端子法进行。开路电压设为20mV,通电电流设为10mA。

[试验结果]

(表面层的状态)

在图3A~图3D中分别示出关于试样A1~A4得到的SEM像。这些像是用加速电压5.0kV得到的反射电子像。另外,图4A~图4D中对试样A2示出通过与图3B的SEM观察对应的EDX测定得到的元素分布。图4A将Sn的元素浓度、图4B将Cu的元素浓度、图4C将In的元素浓度用0~100原子%的标度表示。图4D将图4C的In的元素浓度用0~30原子%的标度表示。

表1中关于试样A1~A4及试样A0,示出各原料层的厚度及In相对于Sn的原子数比(In/Sn原子数比)、用XRD检测出的生成相的种类、根据EDX的元素分布像得到的富In部的面积率。另外,在XRD中,作为含有Sn或者In、或者Sn和In双方的相,除了表1中记载的相以外没有检测到。

而且,在表2中关于试样A2示出通过最表面的XPS测定而检测出的In及Sn的浓度(单位:原子%)。表2中一并示出通过深度分析XPS测定得到的、从最表面到In分布的区域的深度、及其中In以氧化物的状态分布的区域的深度。

[表1]

[表2]

观察图3A~3D的SEM像时,在哪个中都在观察起来比较明亮的区域中以岛状分散地形成有观察起来暗的区域。关于在图3B中示出SEM像的试样A2,图4A~图4D中示出EDX的元素分布像,但是用SEM像观察到的岛状结构在各元素分布像中也观测到,可确认岛状结构反映成分组成的空间分布。

对试样A2考察表面层的结构。在图4A~图4D的元素分布像中,当着眼于岛状区域时,如图4A、4B所示,可知Sn及Cu在岛状区域中分别以均匀性高的浓度分布。Cu的浓度升高。另一方面,当观看图4C、4D的In的分布时,在那些岛状区域中基本上没有分别In。根据这些元素分布可知:在岛状区域中形成有Cu-Sn合金。根据图4A、4B的元素浓度定量地估算岛状区域中的Sn和Cu的浓度时,其浓度比按原子数比计成为Sn:Cu=5:6。也就是说,可知岛状区域具有Cu6Sn5的组成。在表1中示出结果的XRD的生成相的分析中,作为金属间化合物,也可确认Cu6Sn5的生成。

接着,当着眼于相当于将岛状区域包围的“海”的区域时,如图4A所示,可知Sn以比岛状区域高的浓度存在于该区域。另外,当观看图4C、4D的In的分布时,In也存在于将岛状区域包围的区域。另一方面,当观看图4B的Cu的分布时,Cu在将岛状区域包围的区域中几乎不存在。由此可知:在将岛状区域包围的区域形成有In-Sn合金。根据图4A、4C的分布定量地估算Sn和In的浓度时,该浓度比按原子数比计成为Sn:In=4:1。也就是说,可知岛状区域具有InSn4的组成。在表1中示出结果的XRD的生成相的分析中,作为金属间化合物也可确认InSn4

这样,根据SEM及EDX的结果可知:在表面层中,具有Cu6Sn5的组成的区域呈岛状分布在具有InSn4的组成的区域中,且那两方区域在最表面露出。能够使岛状区域与富Sn部对应起来,并能够使将该岛状区域包围的区域与富In部对应起来。表1中记载的富In部的面积率是使各元素的EDX像重叠的像二值化、并将包围岛状区域的区域的面积比例计算出而得到的。

而且,当观看表1的XRD的生成相的分析结果时,除了InSn4及Cu6Sn5之外,还观测到Sn、也就是单质Sn。那三种以外的相没有检测到。因为SEM及EDX仅观测试样的最表面附近的区域,而XRD观测试样的深度方向整个区域,所以可知:如图1A所示,在表面层中,在由单质Sn构成的下层上形成有在富In部中呈岛状分散有富Sn部的上层。认为下层是作为原料层层积的Sn层中、对于表面层的形成没有被消耗的部分。

而且,对表2所示的、试样A2的表面的XPS分析的结果进行研究。在最表面的观测中检测出In和Sn。当比较In和Sn的浓度时,In的浓度升高。整个表面层中的In/Sn原子数比为5.1%,相对于Sn仅添加少量的In,可知:In与Sn形成合金,并不是在深度方向均匀分布,而是在金属材料的表面附近以高浓度分布。该情况支持在由Sn构成的下层上形成有含有In和Sn的上层的、根据上述EDX及XRD的结果明确的模型。根据深度分析的结果,在表面层中,含有In的区域的深度成为390nm。

而且,根据深度分析的结果,表面层含有的In中、被氧化的In的分布留在从最表面到深度5nm的区域。在此,认为In以In-Sn合金的状态被氧化,但是处于该氧化状态的In的分布区域的深度留在5nm,可知大部分的In、也就是存在于深度5nm到390nm的区域的In处于未受到氧化的金属状态。其结果是,在表面层中,固体润滑性等、金属状态的In示出的特性能够强烈发挥。从后面说明的接触电阻测定的结果可知:厚度5nm程度的薄的In氧化物的皮膜能够容易破坏,金属状态的In的高导电性有助于触点部的电连接。

根据以上可确认如下:在试样A2的金属材料中,在基材的表面形成有由Sn构成的下层,在该下层的表面形成有在In-Sn合金(InSn4)中呈岛状分布有Cu-Sn合金(Cu6Sn5)的结构的上层。进一步可知:在形成有该In-Sn合金的区域中,除了最表面的极浅的区域之外,In维持未受到氧化的金属的状态。省略记载,但是在试样A1、A3、A4中也进行EDX测定,与试样A2同样可确认如下:在用SEM观看到的岛状区域中形成有由Cu-Sn合金构成的富Sn部,在将该岛状区域包围的区域形成有由In-Sn合金构成的富In部。再如表1所示,在XRD测定中,也在试样A1~A4全部中都检测出InSn4、Cu6Sn5、Sn的各相。由此可以说:在试样A1~A4的哪个中,都在金属材料的表面形成有与在上述中对试样A2明确的结构同样的结构。

在此,在试样A1~A4之间比较表面层的最表面的状态。当观看图3A~3D的SEM像时,可知如下:In/Sn原子数比从图3A到图3D越来越升高,在与富Sn部对应的岛状区域中,形状的各向异性越来越升高,并且面积越来越变大。也就是说,In/Sn原子数比越升高,富In部的面积越减少。该情况如表1所示,通过In/Sn原子数比从试样A1到试样A4越来越升高,富In部的面积率越来越减小的举动进一步明确示出。In的含量越增加,富In部的露出面积越增加的机构的详情在目前尚不清楚,但是上述结果示出通过In/Sn原子数比能够控制富In部的露出面积。

(表面层的特性)

图5A~5E中示出摩擦系数的测定结果。图5A~5D分别是试样A1~A4的摩擦系数的测定结果,图5E是试样A0的摩擦系数的测定结果。在各图中,横轴取滑动距离,纵轴表示各滑动距离处的摩擦系数。

与仅将图5E的Sn层形成于基材的表面的情况比较,在形成图5A~5D的含有In的表面层的情况下,伴随滑动进行(滑动距离的增加)的摩擦系数的上升变得缓慢。另外,摩擦系数的值自身也减小。在仅设置Sn层的情况下,伴随滑动进行而使摩擦系数上升是由板状试样的表面的Sn层与压花表面的Sn层之间的Sn彼此的凝结引起的,可解释为:通过使板状试样的表面层含有In,使In分布于最表面,从而利用In的固体润滑性能够抑制由Sn凝结导致的摩擦系数的上升。在试样A1中,表面层中的In的含量按相对于Sn的原子数比计小至1%,但是即使那样以少量的In也可得到抑制摩擦系数上升的效果。

特别是在表面层中的In的含量多的图5B~图5D的情况下,伴随滑动进行的摩擦系数上升的抑制和摩擦系数的值自身的减小都变大。由此,可以说表面层中的In的含量按相对于Sn的原子数比计预先设为5%以上特别优选。

而且,在下表3中,关于各试样,将接触电阻的测量结果与各原料层的厚度及In/Sn原子数比一起示出。

[表3]

根据表3,在表面层含有In的试样A1~A4的哪个中,与仅形成Sn层的试样A0相比,都得到相同程度的低接触电阻。即使在表面层的最表面分布有In,也如用上述XPS的结果确认的那样,In的氧化停留在表面层的极浅的区域,而且能够容易破坏氧化膜,从而In氧化物不成为使表面层的接触电阻上升的物质。也能够解释为:通过作为富In部在表面层的最表面露出的In-Sn合金比Sn柔软,从而与仅设置Sn层的情况相比,接触电阻反而下降。接触电阻减小的效果在In/Sn原子数比最低至1.0%的试样A1中也充分得到。

当对In含量不同的试样A1~A4的接触电阻进行相互比较时,在试样A1至试样A2中,在In含量按In/Sn原子数比计从0.01%增加到0.05%的情况下,减小接触电阻的效果变大。但是,当使试样A3、A4的In含量比试样A2增加时,则接触电阻比试样A1、试样A2增大。认为伴随In含量的增加的接触电阻的上升与表1所示的富In部的面积率减少对应。也就是说,可解释为:伴随In含量的增加,富In部的面积率减少,其结果是,由富In部带来的减小接触电阻的效果变小。由此可以说:表面层中的In的含量按In/Sn原子数比计预先保留在20%以下、进一步为15%以下。

从以上结果可明确如下:通过在基材的表面形成含有In和Sn、并使In分布于最表面的表面层,从而能够抑制摩擦系数上升,并且接触电阻也被抑制得低。可解释为这些效果由In具有的固体润滑性及氧化膜的易破坏性带来。

[2]表面层中的合金化和特性的关系

接着,调查由将In层和Sn层层积后的加热进行的合金化的促进对表面层的特性赋予什么样的影响。

[试验方法]

(试样的制作)

作为试样B1,形成在Sn层的表面形成In层、不经加热的试样。也就是说,与上述试样A2同样,在Cu基材的表面利用电镀法形成厚度1.0μm的Sn层。然后,将试样用250~300℃加热。而且,在加热后的Sn层的表面利用电镀法形成厚度0.05μm的In层。在形成In层后,不对试样部进行加热。

另外,作为试样B2,形成在Sn层的表面形成In层、进行加热的试样。也就是说,在上述试样B1的制作工序中,在形成厚度1.0μm的Sn层后,不经过加热,形成厚度0.05μm的In层。并且,在形成In层后,将Sn层和In层层积的试样用250~300℃加热。该试样B2成为与上述试样A2同样制造的试样。而且,作为试样B0,与试样A0同样,准备在Cu基材形成厚度1.0μm的Sn层、并用250~300℃加热的试样。

(摩擦系数的测定)

针对平板状的试样B1、B2、B0,与上述试验[1]同样,与具有Sn层的压花状触点一起模拟端子触点对,测定摩擦系数。但是,接触载荷设为5N。

[试验结果]

图6A~6C分别示出试样B1、B2、B0的摩擦系数的测定结果。横轴取滑动距离,纵轴表示各滑动距离处的摩擦系数。

当观看图6A、6B的试样B1、B2的摩擦系数的测定结果时,与图6C的仅形成有Sn层的试样B0的结果比较,均是伴随滑动进行的摩擦系数的上升变缓。摩擦系数的值自身也减小。特别是,在形成In层后进行加热的图6B的试样B2中,与图6A的在形成In层后没有进行加热的试样B1的情况相比,可进一步抑制伴随滑动进行的摩擦系数的上升。

通过在形成In层后进行加热,能够促进In和Sn的合金化。在形成In层后没有进行加热的试样B1中,在表面层中不怎么进行合金化,有可能残留有未与Sn进行合金化的In。另一方面,在形成In层后进行加热的试样B2中,如在上述试验[1]中使用EDX及XRD对试样A2确认的那样,表面层含有的In的全部量成为In-Sn合金,并表面层的最表面露出。

关于无论是对In层进行加热的情况,还是不进行的情况,都可抑制摩擦系数上升,上述结果示出如下:通过向表面层添加In,无论完全进行与Sn的合金化,还是合金化的进行程度较低,都由于In的存在,可发挥抑制摩擦系数上升的效果。也就是说,不限于形成有In-Sn合金的情况,可以说:通过含有表面层In,能够抑制摩擦系数上升。但是,通过利用加热使合金化完全进行,能够进一步提高该效果。

[3]基材的构成材料的影响

最后,对构成基材表面的金属材料给予表面层的特性的影响进行调查。

[试验方法]

(试样的制作)

作为试样C1~C3,使用在表面形成有Ni中间层的基材,制作表面层。也就是说,在洁净的Cu基材的表面通过电镀法形成厚度1.0μm的Ni层。在形成有该Ni中间层的基材的表面利用电镀法将Sn层和In层按该顺序形成。Sn层的厚度在各试样中设为1.0μm。In层的厚度在试样C1、C2、C3中分别设为0.05μm、0.1μm、0.2μm。形成有各金属层的试样用250~300℃加热。该试样C1~C3的制作方法除了形成有Ni中间层这点之外,与上述试样A2~A4同样。而且,作为试样C0,准备不形成In层,在Ni中间层的表面仅形成Sn层,用250~300℃加热得到的试样。

(表面层的状态的评价)

针对试样C2,与上述试验[1]同样地进行XRD测定,对在表面层生成的相的组成进行评价。

(表面层的特性的评价)

针对平板状的试样C1~C3各自,与上述试验[1]同样,与具有Sn层的压花状触点一起模拟端子触点对,进行摩擦系数的测定。而且,针对平板状的试样C1~C3及试样C0,与上述试验[1]同样,与具有Au层的压花状触点一起模拟端子触点对,进行接触电阻的测定。

[试验结果]

试样C2的XRD测定的结果是:作为在表面层生成的相,检测出以下三种相。也就是说,检测出Sn、InNi、InSn4三种相。认为如下:在表面层中,在上述三种相中,Sn构成下层,InNi及InSn4混合一起形成上层。这样,在基材的表面包含Ni的情况下,可确认如下:也通过将Sn层和In层层积并加热,能够形成包含Sn和In、且Sn和In分别形成合金的表面层。

图7A~7C中分别示出试样C1~C3的摩擦系数的测定结果。横轴取滑动距离,纵轴表示各滑动距离处的摩擦系数。图7D中为了比较,对在Cu基材的表面形成有Sn层的试样A0进行测定,再次示出图5E的结果。在图7A~7C中示出结果的试样C1~C3中,可知如下:与在表面仅形成有Sn层的图7D的情况比较,伴随滑动的摩擦系数的上升变缓,摩擦系数的上升被抑制。摩擦系数的值自身也减小。

下表4中示出试样C1~C3及试样C0的接触电阻的测定值。

[表4]

根据表4,与在Ni基底层上仅形成Sn层的试样C0比较,在形成含有In和Sn的表面层的试样C1~C3中,接触电阻升高。但是,即使在试样C1~C3中,接触电阻值也为0.9mΩ以下,作为连接端子的接触电阻,被抑制成充分低的值。

如上,在Ni基底层的表面形成含有In和Sn的表面层的情况下,与仅形成Sn层的情况相比,也可抑制摩擦系数上升,并且可得到与仅形成Sn层的情况相同程度的接触电阻。也就是说,无论是基材表面由Cu构成的上述试样A1~A4的情况,还是基材表面由Ni构成的试样C1~C3的情况,都通过形成含有In和Sn的表面层,可达成抑制摩擦系数上升,并且作为接触电阻也可得到充分低的值。由此,可以说:即使Sn、In与构成基材的金属元素形成合金,且该合金构成表面层的一部分,也通过表面层含有的In的贡献,在表面层整体上可得到抑制摩擦系数上升及抑制接触电阻的效果。

以上对本公开的实施方式进行了详细说明,但是本发明完全不限定于上述实施方式,能够在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种改变。本申请以2019年3月26日申请的日本专利申请即特愿2019-058128为基础要求优先权,在此将其公开的全部引入。

符号说明

1 金属材料

10 表面层

10a 富Sn部

10b 富In部

11 上层

12 下层

15 基材

20 阴型连接器端子

21 弹性接触片

21a 压花部

22 内部对置接触面

23 夹压部

30 阳型连接器端子

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