JP4274245B2 - 電気接点部品、同軸コネクタおよびそれらを用いた電気回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、同軸コネクタ等の表面実装用の電気接点部品、およびそれを用いた電気回路装置に関する。

従来より、携帯電話の通信装置等の電気回路装置には、信号経路を切り換える機能を有する表面実装タイプのスイッチ付き同軸コネクタが使用されているものがある。例えば、特許文献１に同軸コネクタの一例が開示されている。

この種の表面実装タイプの同軸コネクタの一般的な外観を図４に、断面を図５に示す。この同軸コネクタ１０は、外部端子２、入力端子３、嵌合部４を備えている。外部端子２は、配線基板３１に対向する第１の主面１１と該主面１１に略平行な第２の主面１２と一対の側面１３を備えており、第２の主面１２と側面１３との境界は稜線１４によって区切られている。外部端子２の形状は台座状である。嵌合部４は外部端子２の第２の主面１２上に円筒状に形成され、外部端子２と一体化されている。

前記外部端子２、入力端子３、嵌合部４の表面にはめっき方法等による金属膜が形成されており、外部端子２と嵌合部４は電気的に導通状態とされている。この金属膜は、下地層となるＮｉ金属膜４２と、表面層となるＡｕ金属膜４３とで構成されている。

この同軸コネクタ１０は、配線基板３１上にはんだを用いて表面実装される。すなわち、外部端子２と入力端子３が配線基板３１の所定の位置に電気的に接続されることにより、同軸コネクタの機能が発現される。図５はこの実装状態を側面１３に垂直な面で切った断面図であり、入力端子３等の内部構成は省略してある。

しかしながら、この同軸コネクタ１０には、図５に示すように、表面実装時に外部端子２を接続するためのはんだ３２が第２の主面１２からさらには嵌合部４まで過度に濡れ上がり、嵌合部４に対する同軸ケーブルのソケットの嵌合不良が起こるという問題点があった。すなわち、はんだ３２は外部端子２の側面１３に達していれば十分であるが、第２の主面１２に濡れ上がると容易に嵌合部４に達してしまう。

同軸コネクタ１０の表面実装はリフロー炉を通過させることにより行うことが一般的であるが、これは数回繰り返されることが多い。したがって、一度適正な位置に接合されたはんだ３２が、それ以後のリフロー炉通過により再溶融し、嵌合部４に濡れ上がることが懸念される。

このはんだ濡れ上がりを防ぐため、特許文献２には、特定の領域に酸化皮膜を形成する方法が開示されている。

また、特許文献３では、下地のＮｉめっき膜上に表面のＡｕめっき膜を形成する際にＡｕめっき膜の未形成領域を設け、この領域に露出したＮｉめっき膜をアルカリ性水溶液を用いて酸化させ、この酸化したＮｉ皮膜によりはんだの濡れ上がりを防止している。

さらに、特許文献４では、下地に低はんだ濡れ性の金属膜を形成し、その上に表面の高はんだ濡れ性の金属膜を形成している。その後、特定領域のみ表面の金属膜をエッチング除去することにより、露出した低はんだ濡れ性の金属膜がはんだの濡れ上がりを防止している。

しかしながら、特許文献２における方法では、金属膜を形成した後、別途酸化皮膜を形成する工程が必要であるため、工程が煩雑になるという問題点があった。

また、特許文献３における方法では、特定の領域のみＡｕめっき膜を形成しないようにレジスト形成またはマスキングを行う工程が煩雑であり、さらに、アルカリ処理液による酸化処理工程も煩雑であった。

さらに、特許文献４における方法では、レーザー照射などによるエッチング工程が煩雑であり、高コストであるという問題点があった。
特開２００１−１７６６１２号公報 特開平８−２１３０７０号公報 特開平１０−２４７５３５号公報 特開２００２−２０３６２７号公報

本発明は前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、同軸コネクタ等の電気接点部品において、表面実装時のはんだの濡れ上がりによる嵌合不良を、煩雑な工程を必要とすることなく、低コストにて防止することである。

前記目的を達成するため、本発明は、実装用基板の表面と対向する第１の主面と、該第１の主面と略平行な第２の主面と、前記第１および第２の主面に対して略垂直に位置して第１および第２の主面を接続する側面とからなる台座部と、前記第２の主面に連続して設けられた略筒状をなす嵌合周面を有する嵌合部とを備え、前記台座部が実装用基板の表面にはんだを介して接合される電気接点部品であって、
前記嵌合部の嵌合周面、前記台座部の第２の主面および側面がそれぞれの表面に形成された金属膜によって電気的に導通しており、
前記金属膜が、Ｎｉを主成分としてＣｏを含む第１の金属膜と、その上に形成されたＡｕを主成分とする第２の金属膜を含むこと、
を特徴とする。

本発明に係る電気接点部品にあっては、基板に実装される際、台座部の側面に濡れ上がったはんだに第１および第２の金属膜の成分（Ｎｉ，Ｃｏ）が拡散し、はんだの主成分Ｓｎと化学反応を起こし、金属間化合物を生成する。ＣｏにはＮｉのはんだへの拡散を促進させる作用を有する。この金属間化合物がはんだの第２の主面への濡れ上がりを阻止する。

本発明に係る電気接点部品において、台座部が外部端子として機能するとともに、嵌合部と一体的に形成されており、第２の主面と側面とが稜線によって区切られていることが望ましい。

また、第１、第２の金属膜は、めっき方法またはクラッド法で形成されることが望ましく、さらに、第１の金属膜中のＣｏの含有率は５〜８０重量％であることが好ましく、１０重量％以上であればより好ましい。

本発明に係る電気接点部品の代表的な例として、外部端子の第２の主面上に円筒状の嵌合部が形成された同軸コネクタが挙げられる。

この同軸コネクタに代表される電気接点部品と、台座部をＳｎ系のはんだを用いて表面実装した配線基板とで通信装置等の電気回路装置を構成することができる。

本発明に係る電気接点部品によれば、はんだの過度の濡れ上がりを、下地層となる金属膜の成分の変性により防止でき、ソケットなどの嵌合不良を防止できる。このため、煩雑な工程を必要とせず、コストを低減することができる。

本発明に係る電気接点部品の一例である同軸コネクタの斜視図である。 前記同軸コネクタを配線基板上に実装したときの断面図である。 本発明の実施例における試料の実装時の上からの写真画像である。 従来の同軸コネクタを示す斜視図である。 従来の同軸コネクタを配線基板上に実装したときの断面図である。 比較例における試料の実装時の上からの写真画像である。

まず、本発明に係る電気接点部品の実施形態について、同軸コネクタを例にとり説明する。

本発明の一実施形態である同軸コネクタ１の外観を図１に示し、断面を図２に示す。この同軸コネクタ１の外観および基本構造は図４および図５に示した従来の一般的な同軸コネクタと同じであり、第１の金属膜２２すなわち下地層となる金属膜の成分のみが異なっている。

図２は、同軸コネクタ１を配線基板３１上に表面実装したときの断面を示し、この断面は外部端子２の側面１３に垂直な面で切ったものであり、入力端子３や同軸コネクタの内部構造については省略されている。

同軸コネクタ１は、外部端子２、入力端子３、および嵌合部４を備えている。外部端子２および入力端子３は配線基板３１への表面実装時にはんだ３２により配線基板３１上のランドと接続される必要があるため、配線基板３１と接することができる位置に存在する。外部端子２は配線基板３１と対向する第１の主面１１と該主面１１に略平行な第２の主面１２と一対の側面１３を備えた台座部として構成されている。また、同軸コネクタとしての機能を果たすため、外部端子２と入力端子３は電気的に絶縁されており、かつ、外部端子２と嵌合部４は電気的に接続され、すなわち、外部端子２と嵌合部４は一体化されている。

外部端子２は稜線１４によって略水平に位置する第２の主面１２と側面１３とに区切られている。略水平とは、実装される配線基板３１の表面に対してほぼ平行であることをいう。これは完全に平行である必要はなく、同軸コネクタ１の機能に問題がない限り、若干傾いていてもよい。側面１３は実装時にはんだが濡れる場所であり、配線基板３１と物理的にも接続される面である。側面１３は、外部端子２における略水平な主面１２に垂直な４つの面のうち、互いに対向する２面に設けられている。しかし、この側面１３は残りの２面に及んでいても差し支えない。また、側面１３は配線基板３１に対して完全に垂直である必要はなく、実装時に不具合がない限り、若干傾いていてもよい。なお、稜線１４は適当に面取りされている。

同軸コネクタ１において、嵌合部４は図１に示すように円筒状であるのが一般的である。しかし、嵌合部４は必ずしも円筒状である必要はなく、図示しないソケット等との嵌合機能さえ満足すればよい。たとえば、角柱状の嵌合部４であってもよい。また、図１では嵌合部４が第２の主面１２に接して上方に向かって形成されており、外周面がソケット等との嵌合周面とされている。また、嵌合部が下方に向かって形成されていても差し支えない。すなわち、第２の主面１２に嵌合用の孔が形成されているような構造である。さらに、嵌合部４は、ソケット等との螺合機能を持ったものであってもよい。

外部端子２、入力端子３および嵌合部４は、その表面が金属膜にて被覆されている。図２によると、これらの母材２１の上に、まず下地層として、Ｎｉを主成分とする第１の金属膜２２を形成し、その上に、表面層として、Ａｕを主成分とする第２の金属膜２３を形成する。第１の金属膜２２と第２の金属膜２３の間には、本発明の目的を妨げない限り、別の金属膜が存在してもよいが、本発明の目的達成には第１、第２の金属膜２２，２３のみで十分であるため、特に必要はない。

表面の第２の金属膜２３の成分には、はんだの濡れ性が高いことが最重要視されるため、その結果Ａｕが主成分となる。また、ＡｕはＡｇのような硫化による皮膜劣化の懸念もない。なお、十分なはんだ濡れ性が得られる範囲内であれば、少量の不純物が含まれていてもよい。

そして、第１の金属膜２２の成分が本発明の特徴である。すなわち、第１の金属膜２２はＮｉを主成分とし、適量のＣｏを含む。これにより、従来のＣｏを含まないＮｉ金属膜と比較して、後述するように、実装時における第２の主面１２さらには嵌合部４へのはんだの濡れ上がりを効果的に防ぐことができる。また、この第１の金属膜２２は、第２の金属膜２３との密着力が高い必要があるが、Ｎｉを主成分とするＣｏを含む金属膜２２は、この点においても問題はない。また、第１の金属膜２２には、本発明の目的を損わない範囲内で、他の成分や少量の不純物が含まれていてもよい。

第１の金属膜２２中のＣｏの含有率については、リフロー炉通過回数が３回の場合、Ｃｏ含有率が５重量％未満となると、はんだの濡れ上がりを防止する効果が不十分となるため望ましくない。したがって、Ｃｏ含有率は５重量％以上であることが望ましい。また、Ｃｏ含有率が１０重量％以上の場合、リフロー通過回数が５回の場合でも十分なはんだ濡れ上がり防止効果を奏するため、より望ましい。ただし、Ｃｏ含有率が８０重量％を超えると、はんだのフィレット部分に空隙が多数発生し、接合強度が低くなるため望ましくない。

また、外部端子２、入力端子３および嵌合部４の母材２１の材質は特に限定されるものではなく、金属、樹脂、セラミック等が使用可能である。仮に、母材２１の主成分がＣｏを含有するＮｉである場合、これが第１の金属膜２２と同様の作用をなす。

次に、同軸コネクタ１の製造方法について説明する。同軸コネクタ１自体の製造方法については従来と同様であるため、ここでは第１、第２の金属膜２２，２３の形成方法について説明する。

第１の金属膜２２および第２の金属膜２３の形成方法の１つとして、めっき方法が挙げられる。めっき方法自体は従来から知られており、母材２１が金属である場合は電解めっき法を採用するのが望ましい。まず、ＮｉイオンとＣｏイオンを含むめっき浴中に母材２１が露出した状態の試料を導電性媒体とともに投入し、攪拌しながら通電し、ＮｉとＣｏを母材２１の表面に共析させ、Ｃｏを含むＮｉ金属膜すなわち第１の金属膜２２を形成する。次いで、この試料をＡｕイオンを含むめっき浴に投入、攪拌、通電し、第１の金属膜２２の表面に、Ａｕ金属膜すなわち第２の金属膜２３を形成する。

前述のめっき方法は、無電解めっき法でも構わない。例えば、ＮｉイオンとＣｏイオンを含むめっき浴中に母材２１が露出した状態の試料を投入し、めっき浴中の還元剤による還元作用により、母材２１の表面にＮｉとＣｏが共析し、第１の金属膜２２を形成する。次いで、この試料をＡｕイオンを含むめっき浴に投入し、ＮｉおよびＣｏの浸漬電位とＡｕの析出電位の差を利用した置換反応により、第１の金属膜２２の表面にＡｕ金属膜すなわち第２の金属膜２３を形成する。

また、第１の金属膜２２および第２の金属膜２３を形成する他の方法として、クラッド法が挙げられる。まず、母材２１からなる板材と、Ｃｏを含有するＮｉからなる板材を重ねて加圧厚延し、この２層が一体化したクラッド材を得る。これをプレス加工により、Ｃｏ含有Ｎｉ層が表面になるよう、図１に示した形状に成形する。この時点で、母材２１の表面に第１の金属膜２２が形成された状態になる。その後、前述と同じめっき方法によって、Ａｕを主成分とする第２の金属膜２３を形成する。これにより、前述のめっき方法で製造された試料と同じ機能を持つ同軸コネクタを得ることができる。

なお、母材／Ｃｏ含有Ｎｉ／Ａｕの３層からなるクラッド材を作製して成形してもよい。この場合はＡｕめっき工程が不要となる。クラッド法はめっき方法に比べてＣｏ含有率のばらつきを小さくできるため、はんだ濡れ上がりのばらつきを抑制できる。また、めっき工程が不要となるか、または少なくなるため、環境への悪影響が小さいという利点もある。

なお、仮に母材２１の材質に第１の金属膜２２と同じ成分を用いた場合は、第１の金属膜２２をめっき方法またはクラッド法により別途形成させる必要はなく、第２の金属膜２３のみを形成するだけで構わない。

次いで、同軸コネクタ１を配線基板３１に表面実装する際の現象、およびはんだ濡れ上がり防止の機構について、図２を参照して説明する。

同軸コネクタ１を、はんだ３２によって配線基板３１に表面実装する際、リフロー炉等による加熱工程が加わる。このときはんだ３２が溶融、凝固し、同軸コネクタ１と配線基板３１が、電気的、物理的に接合される。外部端子２の側面１３におけるはんだ３２の濡れについて述べると、側面１３では、はんだ３２が図２に示すようなフィレットを形成し、配線基板３１と接合される。なお、はんだはＳｎを主成分とするものである。

Ｓｎ系はんだが加熱により溶融し、側面１３に対して濡れるとき、側面１３の表面部の第１の金属膜２２および第２の金属膜２３の成分がはんだ３２の中に拡散する。特に、第１の金属膜２２の成分であるＮｉおよびＣｏがはんだ３２の中に拡散し、はんだ３２の主成分Ｓｎと化学反応を起こし、Ｓｎ／ＮｉまたはＳｎ／Ｎｉ／Ｃｏの金属間化合物３３を生成する。このＣｏには、Ｎｉのはんだ３２への拡散を促進させる作用がある。

この金属間化合物３３はＳｎ系はんだ３２より融点が高いため、数回のリフロー炉通過による繰り返し加熱にさらされても再溶融しにくい。そのため、はんだ３２が実装時に溶融または再溶融して第２の主面１２に濡れ上がろうとしても、金属間化合物３３に稜線１４の近傍にて堰き止められて、嵌合部４まで濡れ上がることがない。

また、はんだ３２は、特にＰｂを含まないＳｎ−Ａｇ系はんだの場合、その融点は、一般的な共晶はんだであるＳｎ−Ｐｂ系はんだより４０℃以上高いため、加熱工程の温度が高くなる。このとき、Ｎｉの拡散力が増加し、またＣｏのＮｉ拡散助長作用も増加するため、これらの相乗効果によりはんだ濡れ上がり防止の効果がより向上する。

さらに、この金属間化合物３３は、同軸コネクタ１と配線基板３１との接合強度を弱くするものではない。

以上より、同軸コネクタ１を例とする電気接点部品は、そのＮｉを主成分とする第１の金属膜２２にＣｏを含有させることで、煩雑な工程を必要とせず、低コストにて、はんだの過度の濡れ上がりによる嵌合不良を防止することができる。

このように配線基板上に表面実装された本発明に係る電気接点部品は、通信装置等の電気回路装置に有用である。

以下に、本発明に係る電気接点部品について、図１および図２に示される構成の同軸コネクタを例とした実施例を記載する。

まず、黄銅を主成分とする板材をプレス加工し、外部端子２、入力端子３および嵌合部４を備えた同軸コネクタの試料を作製した。図１の形状に加工するための設計方法および加工方法の詳細は、特許文献１と同様の一般的なものであるため、ここでは省略する。

加工された母材２１が露出した状態の試料を、ＮｉイオンおよびＣｏイオンを含むめっき浴に導電性媒体と共に投入し、攪拌しながら通電し、母材２１の表面に第１の金属膜２２を形成した。このとき、第１の金属膜２２中のＣｏの重量含有率ｘが表１に示す各試料の値となるよう、めっき浴中のＮｉイオンおよびＣｏイオンの量を調整した。また、膜厚は１.２μｍであった。

次に、第１の金属膜２２が形成された試料を、Ａｕイオンを含むめっき浴に投入、攪拌し、第１の金属膜２２の上に第２の金属膜２３としてＡｕ膜を形成した。膜厚は０.１μｍであった。以上のようにして、同軸コネクタ１の完成品の試料を得た。

得られた表１に示す同軸コネクタを、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの組成を持つはんだを用いて配線基板上に載置し、ピーク温度が２５０℃のリフロー炉を５回通過させ、表面実装した。３回目および５回目のリフロー炉を通過した後のはんだの濡れ上がりを拡大鏡により観察した。また、実装後の試料の第１の主面１１を、プッシュプルゲージを用いて配線基板３１の表面と平行な方向に加圧し、せん断強度を測定した。その結果を表２に示す。

比較例であるｘが５％未満の試料No.１は、リフロー炉通過回数に関わらず、はんだ３２が同軸コネクタ１の嵌合部４まで濡れ上がった。

本発明の実施例であるｘが５％の試料No.２は、リフロー炉３回通過後においてははんだ３２の濡れ上がりを防止できたものの、リフロー炉５回通過後においてははんだ３２が同軸コネクタ１の嵌合部４まで濡れ上がった。

本発明の実施例であるｘが１０〜２５％の試料No.３，４，５，６は、リフロー炉３回および５回通過後において、嵌合部４へのはんだ３２の濡れ上がりを防止することができた。

なお、本発明の実施例である試料No.５および比較例である試料No.１におけるリフロー炉５回通過後のはんだ濡れ上がりの状態を示した写真画像を、それぞれ図３、図６に示す。

また、本発明の実施例である試料No.２〜６の実装後のせん断強度は、比較例である試料１と比較して遜色ないものであった。

なお、前記実施形態および実施例では円筒型の嵌合部を持つ同軸コネクタを示したが、本発明に係る電気接点部品はこれに限られるものではない。

以上のように、本発明は、同軸コネクタ等の表面実装用の電気接点部品およびそれを用いた電気回路装置に有用であり、特に、表面実装時のはんだの濡れ上がりによる嵌合不良を防止できる点で優れている。

Claims (10)

1. 実装用基板の表面と対向する第１の主面と、該第１の主面と略平行な第２の主面と、前記第１および第２の主面に対して略垂直に位置して第１および第２の主面を接続する側面とからなる台座部と、前記第２の主面に連続して設けられた略筒状をなす嵌合周面を有する嵌合部とを備え、前記台座部が実装用基板の表面にはんだを介して接合される電気接点部品であって、
   前記嵌合部の嵌合周面、前記台座部の第２の主面および側面がそれぞれの表面に形成された金属膜によって電気的に導通しており、
   前記金属膜が、Ｎｉを主成分としてＣｏを含む第１の金属膜と、その上に形成されたＡｕを主成分とする第２の金属膜を含むこと、
   を特徴とする電気接点部品。
2. 前記台座部が外部端子として機能するとともに、前記嵌合部と一体的に形成されており、前記第２の主面と前記側面とが稜線によって区切られていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電気接点部品。
3. 前記第１の金属膜におけるＣｏの含有率が５重量％以上８０重量％以下であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の電気接点部品。
4. 前記第１の金属膜におけるＣｏの含有率が１０重量％以上８０重量％以下であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の電気接点部品。
5. 前記第１の金属膜と前記第２の金属膜のうち少なくとも一方が、めっき方法により形成されたものであることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の電気接点部品。
6. 前記第１の金属膜、あるいは前記第１の金属膜と前記第２の金属膜の両方が、クラッド法により形成されたものであることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の電気接点部品。
7. 前記嵌合部が円筒状であり、かつ、前記第２の主面上に突出して形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の電気接点部品。
8. 請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の電気接点部品からなることを特徴とする同軸コネクタ。
9. 請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の電気接点部品または第８項に記載の同軸コネクタと、前記台座部をＳｎを主成分とするはんだを用いて表面実装した配線基板とを備えたことを特徴とする電気回路装置。
10. 前記Ｓｎを主成分とするはんだがＡｇを含み、かつ、Ｐｂを実質的に含まないことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の電気回路装置。

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