端子的镀层可降低多孔连接器的插入力

端子的镀层可降低多孔连接器的插入力

锡(Sn)钳(Pd)合金可以很好地降低端子的插入力。

汽车电子控制系统的最新进展导致电子控制单元和电路的数量增加，因

此，必要的连接器和端子的数量增加了。同时多孔连接器要求高插入

力，这使得组装操作困难。因此，对于降低插入力的端子镀层的需求不断

增长。我们已经开发了一种锡(Sn)合金电镀技术来代替广泛使用的锡电

镀。锡合金镀层可抑制连接器匹配期间的磨料磨损，并成功降低插入力。

关键词：低插入力，低摩擦，端子电阻，电镀Sn-Pd

1.介绍

如今，越来越多的汽车功能受到电子控制，以改善环境性能，安全性和舒

适性。这意味着电子控制单元的数量增加，这反过来又增加了连接到这些

单元的传感器和其他设备的数量，从而增加了单个单元中的电路数量以及

连接器上的端子数量。对于多孔连接器，在将连接器连接到车辆的过程

中，需要更大的力来使连接器配合(连接器配合力)，从而降低了可使用

性。

通常，当配合力增加时，连接器结构往往被分开成很多子部件，或在连接

器中增加推杆(Lever)结构以承受增加的力。然而，为了确保乘客的舒适

性和便利性，分配给电子控制单元的安装空间正在缩小。这使得这些传统

解决方案变得困难，因为它们需要更多的空间，

由于这个原因，对开发新镀层的需求越来越高该镀层降低了连接器的指

入力和摩擦系数。从而即使针脚的数量增加，也可以将配合力保持在较低

水平。

住友电T通过开发独创的电镀技术来降低端子的插入力,从而制造了一种

具有更多针脚的连接器。

这个技术补充了连接器的大部分配合力。

2.接触磨损机制

固体之间的接触，表面总是存在一定的粗糙度因此实际接触面积比可见

接触面积小得多，如图1(a)所示。真正的接触区域出现在突起的尖端

之间，如图1(b)所示。这意味着接触压力变得非常高，并且在表面上

产生了强大的结合力，从而增加了附着力。当外力施加在两个表面之一上

时，粘附部分被剥离并形成新的粘附部分。重复此操作所需的力是粘合摩

擦力。⑴

传统上，回流锡(Sn)镀层已用于端子。这涉及将Sn镀到铜合金母材

上，并使用回流处理*1来熔化Sn并使其重结晶。在相同材料的两个零件

之间发生磨损时，高亲和力意味着发生牢固的粘附力，并且摩擦力增大。

Load

Apparentcontact

Realcontact

area

Apparentcontactarea》Realcontactarea

(b)Crosssectionofrealcontactarea

1A

图L实体表面之间的接触示意图

另外，由于两个表面的轮廓不同或其他原因，一个表面被推入另一个表

面。如图2所示，当一个表面为球形而另一个表面为平面，并且两个表面

彼此相对滑动时，球形表面将推入平面。随着被推入的球形表面的移动，

平坦表面与前面一起沿移动方向被挖出。挖掘所需的力是犁摩擦力。

当插入端子时，上述的粘着摩擦和犁式摩擦也会影响两个镀锡表面之间的

磨损。为减少插入力而开发的一种先前方法是镀上薄的Sn层，例如表1

所示的3层镀层。通过减小Sn层的厚度，表观硬度增加，犁摩擦和表面

变形减少。但是，降低摩擦系数的效果仅限于20%左右。

Load

(a)Pushinginof(b)Movementofpushed

sphericalsurfaceKinsphericals线ur采fa区c界e_____

图2.犁摩擦力

表1.镀锡的类型(代表性示例)

ReflowSnplating3layerplating

(IMC+2/Sn)(Ni/IMC/Sn)

SnI

Sn

PlatingIMC(Cu-Sn)

IMC(Cu-Sn)

StnictiireNi

CopperAlloyCopperAlloy

Snplatingthickness0.8pm0.3pm

IMCthickness0.4pm0.3jim

Nisubstrateplating

—0.5pm

thickness

ReflowtreatmentAppliedApplied

Reductioneffectfor

20%

Coefficientoffriction

KT线羽底界

为了进一步减小摩擦，我们考虑使用如图3所示的具有交替的软层和硬层

的电镀结构来实现功能分离的电镀。该结构确保了与软层(Sn)的接触电

阻，并且在端子插入硬层期间支撑了负载，以抑制犁摩擦力和粘附摩擦

力。

以这种结构为理想模型，我们着眼于以下事实：锡和钳(Pd)的金属间化

合物(Sn-Pd合金)很坚硬并形成网状图案，并将其应用于低插入力镀

层。形成的镀层结构如图4所示。该镀层的特征在于，在软锡镀层的厚度

方向上形成硬质Sn-Pd合金，并在其外表面露出。Sn-Pd合金的量取决于

Pd的浓度，并且可以根据需要调整合金的量。

在开发的项目上，在回流处理的合金化中，形成了Ni,Sn和Pd层以获得

图4中所示的原始结构。

图4.Sn-Pd镀层的剖面结构

3.锡钮镀层性能

与常规的回流Sn镀层相比，我们评估了摩擦低的Sn-Pd镀层的性能。

图5示出了当端子史于配合状态时的横截面示意图。母端子在与公端子接

触的部分上具有球形突起。当插入端子时，公端子与母端子上的突出部之

间的摩擦力极大地影响插入力。因此，如图6所示，我们准备了一个扁平

的试件来模拟阳端子，并准备了一个凸起的测试件.3来模拟阴端子的突出

部分。每个试件都由铜合金制成板制成，厚度为0.25毫米。镀层规格如表

2所示。在凸起的测试件上，进行了被广泛用于连接器的回流Sn镀层。

对于平板，我们生产了两种不同的类型：一种带有回流锡镀层，另一种带

有锡-钳镀层。表3示出了在评估中使用的镀层的组合。

MaleterminalsMaleterminals

Basematerial

Platinglayer

Platinglayer

Basematerial

Protrudingpart

Femaleterminalsonfemaleterminal

图5.配合状态下的端子横截面示意图

Expandedcrosssectionoftip

ofembossedpart

图6.扁平试件和压纹试件

在这些条件下，我们评估了摩擦系数（3・1）,耐磨损性（3・2）,接触电

阻特性（3-3）和耐晶须“（3-4）o

表2.试件的电镀规格

SampleTypeofplatingPlatingconditionsReflowtreatment

Embossed

ReflowSnplatingSn1.0pmApplied

testpiece

ReflowSnplatingSn1.0pmApplied

FlattestpieceSn1.0pm

Sn-PdplatingApplied

Pd0.02pm

表3.用于性能评估的电镀条件的组合（3-1〜3）

ConditionEmbossedtestpieceFlattestpiece

①ReflowSnplatingReflowSnplating

②ReflowSnplatingSn-Pdplating

v线弟世羿

3-1摩擦系数

端子插入力取决于摩擦系数，较小的摩擦系数会导致较小的插入力。我们

验证了由于用Sn-Pd镀层替代Sn镀层，从而导致的摩擦系数降低的测

试。

图7显示了用于测量摩擦系数的方法的示意图。测试负载设置为3N,以

模拟多孔连接器中使用的小端子上的接触负载，另外，将滑动距离设置为

2mm,以模拟连接器配对时的端子插入距离。

图7.摩擦系数测量方法示意图

图8示出了在每个测试条件下的摩擦系数的测量结果。当滑动距离最大为

2mm时，回流Sn镀层的峰值为0.54,Sn-Pd镀的峰值为0.36,因此降

低摩擦系数的效果为33%。

0.8

u

o33%

w

」

」

」

0

P①

E

①

O

u

0.00.51.01.52.0

Slidingdistance(mm)七线束世界

图8.摩擦系数测量结果

3-2耐磨性

图9显示了在上一项的摩擦系数的测量过程中观察到的磨损痕迹的结果。

使用扫描电子显微镜（SEM）来进行观察。

图9.磨损痕迹的比较观察结果

利用回流Sn镀层，摩擦系数随着滑动距离的进行而增加。这是因为随着

移动的进行，大面积的区域被挖出回流的Sn镀层，并反复附着在凸起侧

的Sn上。这导致锡在凸起测试片上大量积聚。

相比之下，对于Sn-Pd镀层，即使在滑动试件之后，摩擦系数也保持不

变。通过Sn-Pd电镀，硬质合金支撑了负载并防止凸起部分被推入，从而

抑制了挖掘和磨损。此外，也认为由于Sn与暴露在表面上的Sn-Pd合金

部件之间的粘合力弱，因此减小了摩擦系数，并且具有抑制粘合剂磨损的

效果。

3-3接触电阻特性

我们测量了负载接触电阻以评估连接可靠性，这是连接器镀层的重要特

征。

评估的方法是如图10所示，将凸起压纹测试片压在平坦测试片上。我们

在垂直方向施加的负载从0N缓慢升高到40N,同时使10mA电流通

过，并使用四端子法测量接触电阻。

图11示出了负载接触电阻的测量结果。当负载增加时，接触电阻减小。

这是因为实际接触面积随负载的增加而增加。（3）关于此属性，回流Sn镀

层与锡钳镀层之间没有看到很大的差异，均显示出良好的效果。

Load

0->40N

Loadcell、

Embossed

testpiecedo

CD

JLJLJ

Flattest

piece线束世界

图io.负载接触电阻特性测量示意图

①ReflowSnPlating②Sn-Pdplating

(

Ca

EE

))

88

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2S

SS

一

s一s

①①

」

」

l1

o

eE

lU

u

o0

o。

010203040010203040

Contactload(N)Contactload(N)

-------------七点交斟

图11.负载接触电阻特性比较

3-4抗晶须

在与母端子或零件压入壳体的接触点上，将外力施加到公端子上的镀层。

当未施加回流处理的Sn镀层受到外部应力时，镀层表面可能会产生晶

须。

通常，通过将Sn熔化然后在回流处理中使其重结晶，是的Sn镀层的内部

应力得到缓解，可以有效抑制晶须的产生。对于Sn-Pd镀层，人们认为对

晶须的抵抗力要比对回流Sn镀层更大，这是因为，除了进行回流处理

外，硬质Sn・Pd合金还可以承受外部应力并减轻纯锡的负荷。而且几乎没

有纯锡是晶须的来源。因此，为了评估Sn-Pd镀层的优越性，我们实施了

球形压痕测试（日本电子和信息技术产业协会正ITARC-5241）,该测试

使用的苛刻条件会在回流Sn镀层上产生晶须。图12显示了用于球体压痕

测试的方法。使用的测试条件是3N的测试负载，持续72小时。

图12.球形压痕测试示意图

图13显示了测试后拍摄的SEM图像。在回流锡镀层上，锡在压痕周围变

形并观察到晶须。另一方面，在Sn-Pd镀层上可以看到压痕，但是没有晶

须。

这些结果表明，Sn-Pd镀层比回流Sn镀层具有更高的抗晶须性。

图13.球形压痕测试后镀层表面状况

4.产品示例应用

4・1连接器配合力

图14所示为对具有Sn-Pd镀层的多孔公连接器进行配合力评估的结果的

示例。母连接器经过回流镀锡，只有公连接器上的镀层被改变。如果将常

规回流Sn镀层的配合力设为100%,则使用Sn-Pd镀层可使连接器的配

合力降低33%。

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