JP6253402B2 - 車載用電子モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電子部品を搭載した回路基板と、その回路基板を収納して周囲環境から保護するケース等の保護部材と、回路基板と外部の電気回路を接続する嵌合コネクタ機構とを有する車載用電子モジュールに関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０１３−１４３２０２号公報（特許文献１）がある。この公報には、電子部品が実装された回路基板と、回路基板を収納する筐体とから成り、筐体は回路基板の基板接続端子と外部のワイヤハーネスとを接続するカードエッジコネクタを収容・固定するコネクタ収納空間と回路基板の収納空間とを有する構造を有し、回路基板の基板接続端子が形成された端部が基板収納空間からコネクタ収納空間に突き出され、カードエッジコネクタの基板挿入空間に差し込まれてコネクタ端子と基板接続端子がコネクタ側のバネ機構で接触接続する構造が記載されている。電子装置に作用する振動や外力が加わった場合でも、回路基板とカードエッジコネクタが相対的なズレ等を生じない機構について記載している。コネクタ端子の材質には、リン青銅にNi/Auめっきした事例が記載されているが、基板接続端子の材質に関する記載は無い。
一方、カードエッジコネクタで接続する回路基板の基板接続端子材質に関して、特開２００６−９１２６号公報（特許文献２）がある。この公報には、ＦＰＣ基板におけるコネクタ嵌合部の配線回路に0.2〜2.0μmの鉛フリーはんだめっき層が形成され、ＦＰＣ基板の部品実装部の配線回路にはCuSn金属間化合物の成長によって濡れ性が低下するのを防ぐために厚さ2.0μm以上の鉛フリーはんだめっき層が形成され、鉛フリーはんだめっき層が140〜180℃で1時間あるいははんだ融点以上の温度で0.1秒以上の条件で熱処理が施されたＦＰＣ基板が記載されている。前記ＦＰＣ基板のコネクタ嵌合部では、コネクタ端子を接触させた箇所から成長するウィスカを抑制できる効果が記載されている。

特開２０１３−１４３２０２号公報 特開２００６−９１２６号公報

嵌合コネクタは、電子モジュールの回路基板に電気的に繋がっている接続端子を嵌合コネクタハウジングの接続端子差込空間に挿入し、コネクタハウジングに設けられたバネ機構を有するコネクタ端子で接続端子を挟み込み、両端子を接触接続して電気的導通を得るコネクタである。このため、嵌合コネクタで長期間安定した電気的導通を得るには、1)長期に渡る接触圧力の保持、2)接触界面における摺動摩耗の抑制、3)接触界面における高電気抵抗異物の浸入や形成の抑制、が重要である。同時に、車載用電子モジュールにおける嵌合コネクタでは、製品の経済的要請から低コスト化が必須であり、コネクタ接続部材の脱貴金属化や製造プロセスの低コスト化が求められている。

特許文献１においては、回路基板端部の配線端子を接続端子として嵌合コネクタに挿入し電気的接続を得るカードエッジコネクタを採用して、コネクタハウジングと回路基板の固定を行うことで2)摺動摩耗による抵抗増加の課題を対策している。また、特許文献２においては、FPCの端子部に0.5〜2.0μmの薄い鉛フリーはんだめっきを施して腐食を防止し、加熱処理を行ってコネクタ嵌合部のウィスカ発生を抑制して、FPC基板端子間の短絡による不良を防止することが開示されている。しかし、特許文献１においては接触面の材質にNi/Auめっきの例示があるように、コネクタ部材のコストに関しての配慮がなされておらず、自動車のエンジンルーム内のような過酷環境で使用する場合の長期信頼性に関する記述や、貴金属以外の材料で長期信頼性を得る手段や方法に関する言及も無い。また、特許文献２においては、基板端子の腐食を防ぐメタライズとして鉛フリーはんだめっきを選択し、環境保全とコストを考慮した材料の選択が行われている。しかし、自動車用途のような高温や高温高湿や温度差の大きい温度サイクル環境下における信頼性を考慮した材料構成とはなっていない。SnやSn系鉛フリーはんだの0.5〜2.0μmの薄いめっき膜では、150℃の長期高温放置や温度サイクル環境下で接点の接触電気抵抗を例えば10mΩ以下の小さい値に保持することが難しい。また、めっきによる鉛フリーはんだ膜の形成はめっき液の管理や廃液処理に費用が掛かり、プロセスコストを安くできないという課題もある。

車載用電子モジュールの嵌合コネクタ接続部が備えるべき信頼性は、150℃高温放置耐性、85℃/85%の高温高湿耐性、温度サイクル耐性、機械的振動耐性、それらが複合化された環境での耐性、電気的な動作を伴う環境での耐性など、様々な過酷環境に置かれた場合でも接続部の接触電気抵抗が大きく上昇しないことである。同時に、車載用電子モジュールに要求される他の課題は、使用部材や製造プロセスをいかに低コスト化するかということである。

本発明の目的は、回路基板や嵌合コネクタ部品に高価なAuめっきを施すことなく、エンジンルーム内で想定される過酷環境に置かれても長期に渡って嵌合コネクタ接続部の電気抵抗が大きく上昇することのない、電気接続信頼性の高い車載用電子モジュール及び嵌合コネクタ接続構造を提供することである。

また本発明の他の目的は、嵌合コネクタ接続構造を有する車載用電子モジュールにおいて、コネクタ嵌合部の接続端子表面に使用環境下でAg-Sn金属間化合物を形成するSn系はんだ層を形成し、接続端子や車載用電子モジュールを低コストかつ生産性良く製造する方法を提供することである。

本発明は上記課題を解決するために、嵌合コネクタに差し込んで接触により電気的な導通を得る接続端子の最表面が、Ag-Sn金属間化合物含有のSn系はんだ層で構成された車載用電子モジュールとした。

以上詳述したように、嵌合コネクタに挿入して電気的導通を得る接続端子の最表面をAg-Sn金属間化合物含有のSn系はんだで構成し、Sn系はんだ層の厚さを下地とSnの反応層の２倍以上で3μm以上としたことにより、高温・高湿・温度サイクル環境下におかれた場合でも接触接続部の電気抵抗の増加を抑制することが可能となり、貴金属めっき部材を使わなくても摺動特性に優れかつ低コストで接続信頼性の高い電子モジュールを提供できるのである。また、回路基板端部の配線部を接続端子に用い、表面のメタライズ構成をCu配線/Cu-Sn反応層/Ag-Sn金属間化合物含有Sn系はんだの構成としたことにより、雄型コネクタ部材を無くして電子モジュールの小型化と低コスト化を実現でき、かつ同時に長期信頼性の高い車載用電子モジュールを提供できるのである。さらには、嵌合コネクタ端子と回路基板の接続端子の接触部を所定の粘度を有する熱的・化学的に長期間安定な液状オイルで保護コートしたコネクタ接続構造としたことにより、高温環境や温度サイクル環境に曝されても接触抵抗を長期に渡って低い値に保つことが可能となり、高信頼かつ低損失の車載用電子モジュールを提供できるのである。

カードエッジコネクタ構造の金属放熱部材付き車載用電子モジュールの構成図の例である。 車載用電子モジュールの回路基板に形成された接続端子の断面図の例である。 金属放熱部材付き車載用電子モジュールの回路基板接続端子とカードエッジコネクタの接続部の断面構造図の例である。 回路基板の接続端子とコネクタ端子の接触接続部の断面図の例である。 回路基板の接続端子とコネクタ端子の接触接続部の断面図の他の例である。 回路基板接続端子とコネクタ端子の接続部構成材料と信頼性の関係を示す図の例である。 カードエッジコネクタ構造の樹脂ケース型車載用電子モジュールの構成図の例である。 樹脂ケース型車載用電子モジュールの回路基板接続端子とカードエッジコネクタの接続部の断面構造図の例である。 カードエッジコネクタ構造の樹脂モールド型車載用電子モジュールの構成図の例である。 樹脂モールド型車載用電子モジュールの回路基板接続端子とカードエッジコネクタの接続部の断面構造図の例である。 接続端子表面材質と高温放置による抵抗増加の関係を示す図の例である。 高温放置後のコネクタ端子接触位置のCu接続端子断面組織の例である。 高温放置後のコネクタ端子接触位置のSn接続端子断面組織の例である。 初期のAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ端子の断面組織の例である。 高温放置後のコネクタ端子接触位置のAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ端子の断面組織の例である。 Ag-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ端子とSnめっき端子における保護コート材質と高温放置による抵抗増加の関係を示す図の例である。 Ag-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ端子とSnめっき端子における保護コート材質と温度サイクル試験による抵抗増加の関係を示す図の例である。 高温放置試験したときの接触抵抗の変化 温度サイクル試験したときの接触抵抗の変化

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、自動車のエンジンルーム内に設置し、エンジンの駆動を適正に制御する電子モジュールの例を説明する。

図１は、カードエッジコネクタ構造を有する金属放熱部材を用いた車載用電子モジュールの構成図の例である。図において、有機絶縁基板1とCu配線2から成る回路基板3には、電子部品6,7,8,9がはんだ接合で搭載されており、電子部品搭載領域と接続端子形成領域の間に絶縁部材16が一体的に形成されている。また基板端部には、Cu配線2’をAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ4 でコートした接続端子5が形成されている。Sn系はんだは、回路基板に電子部品を搭載し絶縁部材を形成した後に、溶融はんだ中へのディップ法によって供給されている。電子部品実装領域の上下面には基板や電子部品を覆うように有機保護膜17が形成されている。有機保護膜は耐湿性と熱伝導性を有し、熱放射特性にも優れた樹脂で構成されている。電子モジュールケースは、Alダイキャストの金属放熱部材11と回路基板を外気から保護する樹脂ケース10及び後蓋14から成り、カードエッジコネクタを収容し固定するコネクタ収納部12を有する。コネクタ収容空間20と回路基板収納空間19の間は樹脂璧13で遮断され、回路基板収納空間からコネクタ収容空間に接続端子5を突き出すための開口部21が設けられている。両者の空間は回路基板に一体的に形成された絶縁部材を樹脂壁に密着して固定することで遮断され、回路基板の実装領域に外気が浸入しないようにして保護している。回路基板の後方は、後蓋14に設けられた基板挿入溝15に差し込まれて固定されており、図示していないが側面も同様の構造で固定して機械的振動に対する耐性を向上している。また発熱の大きい電子部品9は、高熱伝導グリース18によって金属放熱部材11と熱的に連結されており、放熱経路が確保されている。図２に、接続端子5の断面図の例を示す。図において、Cu配線2の上にAg-Sn金属間化合物23を含有するSn系はんだ4がコ−トされ、界面にCuとSnの反応層24が形成されている。Sn系はんだ層の厚さは3〜10μmで、CuSn反応層の厚さは約1μmである。Ag-Sn金属間化合物は、Snはんだ層中にほぼ均等に分散した状態で存在している。図３は、図１の車載用電子モジュールにカードエッジコネクタを装着した時の接続部の断面構造の例である。図において、カードエッジコネクタ30はバネ特性を持つ複数対のコネクタ端子31を有しており、回路基板の端子部を挿入するカード差込空間35が形成されている。また、コネクタ端子は金属導体32と絶縁被覆材33から成るワイヤハーネス34に結合されている。カードエッジコネクタは、電子モジュールのコネクタ収納空間の樹脂壁まで押し込まれて接続されており、カード差込空間に押し込まれた接続端子5はコネクタ端子のバネ特性で決まる力で機械的に押し付けられて電気的導通が確保されている。両者の接触部は、熱的及び化学的に安定な液状オイル36で保護コートされている。図４に、コネクタ端子と接続端子の接触接続部の断面構造の例を示す。図において、コネクタ端子31はバネ特性と導電性に優れるCu合金コア40にバリア層41を介してSnめっき膜42が形成された構成となっている。バリア層は1層あるいはNi膜を含む２層で構成されている。接続端子5のSn系はんだ層は軟質の厚膜で構成されているため、コネクタ端子を押し付けた時点から凹みを生じて接触した構造を採り、凹みはクリープ変形によって時間とともに増大する変化挙動を示す。接続端子の接触界面では軟質のSn系はんだが減少し、硬質のAg-Sn金属間化合物23の比率が増えていく傾向を示す。保護コート剤の液状オイル35は、長期に渡って液状を保持でき熱的及び化学的に安定なオイル材料を用いており、表面張力によって接触界面の隙間や界面周囲の凹部を埋める形状でコート膜を形成し、接触界面を外気の水分や酸素から遮断した状態を形成している。ここでは、粘度の大きいパーフルオロポリエーテル(PFPE)やPFPEとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の混合物や、分子サイズの大きいシリコーンオイルを用いた。なお液状オイルはコネクタ端子の接触圧力に影響を与えることが無いため、コネクタ端子と接続端子の金属接触状態に影響を与えることが無い。

本実施例によれば、樹脂ケースと一体的に成型されたコネクタ収納部を形成し、回路基板端部に形成された接続端子を樹脂壁からコネクタ収容空間に突き出して雄型接続端子の機能を持たせたことにより、雄型コネクタ部材を省略して車載用電子モジュールの小型化と低コスト化が可能となる。また接続端子構造を、Cu配線にAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだをディップコートし、そのSn系はんだ厚さを下地との反応層の２倍以上で3μm以上とし、接触部を液状の熱的及び化学的に安定なオイルで保護コートした構造としたことにより、両端子の接触部に温度サイクルや機械的振動による繰返し微摺動が発生した場合においても微摺動摩耗粉の発生量を抑制でき、同時に摩耗粉の界面への噛み込みを抑制できるため、温度サイクルや機械的振動に強い車載用電子モジュールを提供できる。また高温環境に曝された場合でも、金属接触部が保護コートのオイルで外気の水分や酸素と遮断された状態のため酸化の進行が抑制され、コネクタ接続部の酸化膜形成による電気抵抗増加が少なくなって高温環境における接続信頼性の高い車載用電子モジュールを提供できる。すなわち、小型で低コストかつエンジンルーム内等の過酷な環境に設置された場合においても高い接続信頼性を有する車載用電子モジュールを提供できるのである。

図５は、車載用電子モジュールにカードエッジコネクタを装着した時のコネクタ接続部の断面構造の他の実施例である。図において、コネクタ端子54はバネ特性に優れるCu合金コア50に拡散バリア層53を介してAg-Sn金属間化合物52を含有するSn系はんだ層51から構成されている。一方、接続端子4の最表面にもAg-Sn金属間化合物21を含有するSn系はんだ層20が形成されている。両端子の接触界面ではそれぞれのAg-Sn金属間化合物が表面に表出して相手側の端子面と接触した状態となっており、Ag-Sn金属間化合物同士の接触部も形成されている。

本実施例によれば、接触界面における低電気抵抗で酸化しづらいAg-Sn金属間化合物の接触面積割合が多くなるため、長期に渡る低接続抵抗が保持され接続信頼性の高いコネクタ接続構造を提供できる。

図６は、図１の回路基板端部に接続端子5を形成する方法の例である。図において、回路基板3には電子部品6,7,8,9が搭載され、絶縁部材が一体的に形成されている。回路基板の絶縁部材から先の基板端部を、はんだバス121の中の溶融はんだ中に短時間浸漬してCu配線にはんだを濡らして引き上げる。引き上げ部には過剰に付着した溶融はんだを掃き落とすレベリング用ブラシ123を配置し、付着するはんだ厚さを調整している。

本実施例によれば、電子部品を実装した回路基板に対して、実装領域に大きな熱的影響を与えることなく、また高価な設備を使用することなく接続端子部に厚いはんだ層を量産性良く形成できるため、カードエッジコネクタ接続用の基板端子付き回路基板を低コストで製造することができる。はんだ層の厚さはレベリング用ブラシと回路基板の間隙を調整して制御できる。

本実施例では、コネクタ端子の表面材質と接続端子の表面材質や膜厚。及び保護コート膜の材質を変えた場合の信頼性評価結果の例を説明する。

図７は、コネクタ端子の表面材質と接続端子の表面材質及び保護コート膜の材質を変えた場合の信頼性評価結果を示す。コネクタ端子の表面がSnの場合、接続端子表面材質がCu,Ni/Au,Snめっき,Sn-Cuはんだで保護コート無しは、信頼性が全く得られていない。酸化し易いCuで保護コート剤のフッ素系オイルを塗布しても信頼性は得られていない。Ag-Sn金属間化合物が形成されるSn-3Ag-Cuはんだでは、保護コート無しで信頼性が不足しているが、高粘度のシリコーンオイルやフッ素系オイルを塗布した場合には合格レベルの信頼性が得られている。Sn-3Ag-Cuはんだに変えてSn-2Ag-CuはんだやSn-3Agはんだとした場合も、フッ素系オイルを塗布した場合に合格レベルの信頼性が得られている。コネクタ端子の表面材質をSn-5Agとした場合、接続端子の表面材質をSn-5Ag-Cuはんだとすると保護コート無しで合格レベルの信頼性が得られ、高粘度のシリコーンオイルやパーフルオロポリエーテルのフッ素系オイルを用いると高い信頼性が得られている。Sn-5Agはんだも同様に高い信頼性が得られている。

図８は、コネクタ端子の表面材質をSn-Agとし保護コート剤をフッ素系オイルとした場合に、接続端子材質と反応層及びはんだ層の膜厚を変えた時の高温放置や温度サイクル試験での信頼性評価結果を示す。接続端子としてCu配線にSn-3Ag-Cuはんだを1.0〜10.0μm厚さ形成し、CuSn反応層厚さを1.0〜2.0μmとした場合の信頼性は、反応層厚さ(A)に対してはんだ層厚さ(B)の比が2より小さい場合は温度サイクル信頼性が無く、はんだ膜厚が3.0μm未満では高温放置信頼性が得られない。両方の信頼性が得られる接続端子仕様としては、反応層に対するAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ層の厚さの比が２以上で、はんだ層の厚さが3.0μm以上ということになる。接続端子のコア部材がNiめっきCu配線の場合は反応層がNiSn層となるが、反応層とはんだ層の厚さ比の関係やはんだ厚さとの関係は、やや薄い側にシフトしているがほぼCu配線の場合と同等とみなすことができる。

本実施例によれば、接続端子の表面材質をAg-Sn金属間化合物を含有するSn系はんだとし、接続端子の反応層厚さとはんだ層厚さの比を２以上とし、はんだ層の厚さを3.0 μm以上とすることによって、高温放置と温度サイクルの両方の信頼性で良好な結果が得られることを確認できた。

本実施例では、自動車のエンジンルーム内に設置し、エンジンの駆動を適正に制御する樹脂ケースタイプの電子モジュールの例を説明する。

図９は、カードエッジコネクタ構造を有する樹脂ケースタイプの車載用電子モジュールの構成図の例である。図において、有機絶縁基板61とCu配線62から成る回路基板には、電子部品69,70,71,72がはんだ接合で搭載されており、電子部品搭載領域と接続端子形成領域の間に絶縁部材73が一体的に形成されている。また基板端部には、Cu配線62’, 64をAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ65,66 でコートした接続端子67,68が形成されている。Sn系はんだは、回路基板に電子部品を搭載し絶縁部材を形成した後に、溶融はんだ中へのディップ法によって供給されている。電子部品実装領域の上下面には基板や電子部品を覆うように有機保護膜83が形成されている。有機保護膜は耐湿性と熱伝導性を有し、熱放射特性にも優れた樹脂で構成されている。電子モジュールの樹脂ケース74は、ケース内の熱を外部に伝導する放熱経路部材78を射出成型で一体的に組み込んでおり、放熱経路部材の表面は射出形成樹脂との密着性を上げるためZn化し粗化されている。放熱経路部材の外側の面には、冷却フィン79が取り付けられている。樹脂ケースの後方は後蓋80で封じられた構造となっており、回路基板を樹脂ケースの後方から挿入して開口部77から接続端子をコネクタ収納空間82に突き出し、樹脂壁76に絶縁部材73を固着して前方の回路基板を固定し、後方の後蓋で封じる工程で基板挿入溝に回路基板を差し込んで後方の回路基板を固定している。発熱の大きい電子部品72に対面する位置に放熱経路部材が配置されており、放熱経路部材の表面には輻射熱を吸収し易く熱伝導性に優れる塗布膜92が形成されている。図１０は、図９の車載用電子モジュールにカードエッジコネクタを装着した時の接続部の断面構造の例である。図において、カードエッジコネクタ85はバネ特性を持つ複数対のコネクタ端子86,87を有しており、回路基板の端子部を挿入するカード差込空間91が形成されている。また、コネクタ端子は金属導体88と絶縁被覆材89から成るワイヤハーネス90に結合されている。カードエッジコネクタは、電子モジュールのコネクタ収納空間の樹脂壁まで押し込まれて接続されており、カード差込空間に押し込まれた接続端子67,68はコネクタ端子のバネ特性で決まる力で機械的に押し付けられて電気的導通が確保されている。両者の接触部は、熱的及び化学的に安定な液状オイル84で保護コートされている。

本実施例によれば、実施例１の場合と同様に小型で低コストかつコネクタ接続信頼性の高い車載用電子モジュールを提供できる。また、車載用電子モジュールの回路基板が多層構造で接続端子数が多い場合であっても、基板端部の接続端子を２段配列とすることによって同一の配線ピッチで接続端子数を２倍に増やすことが可能となり、複数の電子モジュール機能を１台の電子モジュールに組み込んだ高機能な車載用電子モジュールを提供できる。また、モジュール内の熱を外側に放熱するための放熱経路部材を樹脂ケースの射出成型時に一体的に組込んだ構造とし、放熱経路部材の表面をケースの樹脂と高密着化する処理を施したことにより、製造が容易で低コストの放熱性に優れた樹脂ケースを提供できる。同時に、金属の放熱経路部材とケースの樹脂との剥離を防止出来て樹脂ケースの気密性にも優れた車載用電子モジュールを提供できる。

本実施例では、回路基板の実装領域を熱硬化性樹脂で封止した樹脂モールドタイプの車載用電子モジュールの例を説明する。

図１１は、樹脂モールドタイプの電子モジュールにカードエッジコネクタ収納部材を組付けた車載用電子モジュールの断面構造例である。図において、有機絶縁基板101とCu配線102から成る回路基板103には、電子部品105,106,107,108がはんだ接合で搭載され、発熱量の多い電子部品108には高熱伝導部材109が固着されている。回路基板の実装領域は、表裏両面に熱硬化型の封止樹脂110が全ての電子部品を覆った状態でモールドされている。モールド樹脂から露出した基板端部には、Cu配線にAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだをディップコートした接続端子104が形成されている。そして基板端部を覆うように、カードエッジコネクタを収容し固定する機能を有するコネクタ収納部材111がモールド樹脂と一体的に形成されている。コネクタ収納部材は、モールド・接続端子形成後に、熱可塑性樹脂の射出成型で作成されている。112はコネクタ収容空間である。図１２は、図１１の車載用電子モジュールにカードエッジコネクタを装着した時の接続部の断面構造の例である。図において、カードエッジコネクタ115はバネ特性を持つ複数対のコネクタ端子116を有しており、回路基板の端子部を挿入するカード差込空間119が形成されている。また、コネクタ端子は金属導体と絶縁被覆材から成るワイヤハーネス117に結合されている。カードエッジコネクタは、電子モジュールのコネクタ収納空間の樹脂壁まで押し込まれて接続されており、カード差込空間に押し込まれた接続端子114はコネクタ端子のバネ特性で決まる力で機械的に押し付けられて電気的導通が確保されている。両者の接触部は、熱的及び化学的に安定な液状オイル118で保護コートされている。

本実施例によれば、電子モジュールの回路基板を電子部品搭載高さとほぼ同等の高さで熱硬化性封止樹脂をモールドした構造としたことにより、回路基板を保護するケース部材が不要となって電子モジュール本体のサイズの大幅な小型化が図れる。また、電子部品のはんだ接合部が封止樹脂の収縮力で固定され圧縮応力が加えられた状態となるため、はんだ接合部の熱疲労寿命が大幅に改善され、回路基板実装部の高い信頼性を有する車載用電子モジュールを提供できる。同時に、実施例１の場合と同様に、小型で低コストかつコネクタ接続信頼性の高いコネクタ接続構造を有する車載用電子モジュールを提供できる。

また、本実施例は以下のようにも表現できる。すなわち、車載用電子モジュールの嵌合コネクタへ接続する接続端子の最表面をAg-Sn金属間化合物を含むSn系はんだとしたことにより、コネクタ端子が接続端子に強い力で押し付けられたとき、柔らかいSn系はんだがクリープ変形によって周囲に押しやられ、硬くて酸化し難いAg-Sn金属間化合物が接点部に残ってコネクタ端子と接触する状態となり、接触界面の酸化物層の形成による抵抗増加を抑制することができるので、低抵抗を維持できるのである。図13は接続端子の表面材質を変えて高温放置試験したときの接触抵抗の変化を示す。放置時間が同一の条件での抵抗値（破線で結んだプロット点）を比較すると、Cu端子やSn端子に比べてAg-Sn金属間化合物含有のSn系はんだ端子の抵抗値を低く抑制できている。図14はCu端子の高温放置後の断面で、接触部のCu端子表面に酸化物層の形成が確認できる。図15はSn端子の高温放置後の断面で、接触部はCu3Snの金属間化合物になっており、表面にCu酸化物の形成が推定される、図16はAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ端子の高温放置試験前の断面で、Ag-Sn金属間化合物がSn系はんだのマトリックス中に均等に分散して存在している。図17はAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ端子の高温放置後の断面で、接触部の端子表面にはAg-Sn金属間化合物の存在が確認される。すなわちAg-Sn金属間化合物は、コネクタ端子の押付け圧力で軟質のSn系はんだが周囲に押し出されても、接触界面に留まってコネクタ端子との接触を維持し、接触抵抗の低減に寄与することが分かる。つまりAg-Sn金属間化合物含有のSn系はんだは嵌合コネクタの接続端子表面材質として最適と言える。下地がCuで無い場合も、酸化する金属であれば同様のことが言える。

また本実施例では、接続端子最表面のAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ層の厚さが接続端子の下地導電材とSnの反応層の厚さの２倍以上に厚く形成された車載用電子モジュールとした。

車載用電子モジュールの接続端子は、組み立て工程で複数回のはんだリフロー等の熱履歴を受ける。このとき、表層のSn系はんだは下地と反応して硬質の反応層が形成・成長する。柔らかいSn系はんだ層が硬質の反応層に変わると、接点の凹みが小さくなりコネクタ端子との接触面積が小さくなって接触抵抗が高くなる。下地の硬い反応層の２倍以上の厚さの柔らかいSn系はんだ層を設けたことにより、下地の剛性に関係なく柔らかいSn系はんだが変形しやすくなり、接触面積を拡大できて低い接触抵抗が得られるのである。また、嵌合コネクタの挿抜時におけるコネクタ端子側接触面の摺動損耗が小さく抑えられて、繰り返し挿抜性や信頼性の向上が図れるのである。

また本実施例では、接続端子最表面のAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ層の平均厚さが、3μm以上となるように厚く形成した車載用電子モジュールとした。

Sn系はんだ層の厚さが2μm以下と薄い場合は、150℃-2000hの高温放置条件において最表面までCu3Sn金属間化合物に変わって酸化が進みやすく接触抵抗が増加してしまうが、Sn系はんだ層の厚さを3μm以上に厚くすると、150℃-2000hの条件においても表面層にCu6Sn5が残って酸化が進行しづらく、Ag-Sn金属間化合物の形成もあって接触抵抗の増加が少なくなるのである。Sn系はんだ層の厚さに上限は無いが、嵌合コネクタに挿入可能な接続端子厚さと通常のコネクタ端子の可動範囲から数百μmが現実的な上限と言える。

また本実施例では、電子部品を搭載した回路基板と、回路基板を収納して周囲環境から保護する箱型ケースまたはモールド樹脂の保護部材と、保護部材と一体的に形成され嵌合コネクタを収納する空間を有するコネクタ収納部材から成り、回路基板の接続端子が形成された基板端部を保護部材からコネクタ収納空間に突き出し、その基板端部を嵌合コネクタに挿入して電気的導通を得る接続構造を有し、接続端子がCu配線/Cu-Sn反応層/Ag-Sn金属間化合物含有のSn系はんだ層の構造を有した車載用電子モジュールとした。

また、接続端子のAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ層の厚さがCu-Sn反応層の厚さの２倍以上の厚さとした車載用電子モジュールとした。

また、接続端子のAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ層の厚さが3μm以上となるように厚く形成した車載用電子モジュールとした。

車載用電子モジュールの接続端子を回路基板端部の配線で形成した構造としたことにより、外部との接続に必要な雄型コネクタ部材が不要となり、電子モジュールの小型化や部品点数の削減により低コスト化が可能となる。回路基板端部の有機基板上のCu配線を接続端子に使った場合、嵌合コネクタとの接触接続部が熱や湿度・振動等の厳しい環境に曝されたときに接続抵抗が増加して電子モジュールが正常に動作しなくなるという課題があるが、接続端子の表面材質をAg-Sn金属間化合物を含むSn系はんだとし、そのSn系はんだ層の厚さをCu-Sn反応層の厚さの２倍以上で3μm以上としたことにより、繰り返し摺動特性や高温・高湿・温度サイクル環境において低い接触抵抗を維持し長期信頼性を得ることが可能となり、小型・低コストで高信頼な車載用電子モジュールを提供できるのである。

また本実施例では、嵌合コネクタに挿入して電気的導通を得る車載用電子モジュールの接続端子表面に、使用環境下で長期に渡って液状を維持し、Sn系合金やCuを腐食させず化学的に安定なオイルを塗布した構造の車載用電子モジュールとした。

また本実施例では、車載用電子モジュールの接続端子と外部配線を接続した嵌合コネクタのコネクタ端子との接触接続構造において、接続端子表面材質をAg-Sn金属間化合物を含むSn系はんだとし、接続端子とコネクタ端子の接触接続部を覆うように、使用環境下で長期に渡って液状を維持し、Sn系合金やCuを腐食させず化学的に安定なオイルを塗布した車載用電子モジュールのコネクタ接続構造とした。

接続端子とコネクタ端子の接触部に保護コート剤として長期に渡り液状を維持でき化学的に安定で金属を腐食しない中粘度以上のオイルを塗布すると、接触部の金属表面の酸化を抑制しさらに接触面が微摺動した時の摺動摩耗の低減や摩耗粉の噛み込みを防止する効果が得られ、長期に渡って接触抵抗の増加が抑制される効果が得られるのである。図18は、接続端子材質がAg-Sn金属間化合物含有Sn系はんだとSnの場合で保護コート剤にフッ素系オイルはとシリコーン系オイルを塗布して高温放置試験したときの接触抵抗の変化を示す。高温放置試験で、保護コート剤を塗布した場合の接触抵抗の増加は大きく抑制されており、保護コートの効果が明確に分かる。保護コート剤としてはシリコーン系オイルよりフッ素系オイルの方が抵抗増加の抑制効果が大きいが、これはオイルの吸湿率やガス透過性が影響しており、金属の酸化を抑制する効果が高い方が接触抵抗の増加を抑制できるためと考えられる。また高粘度のシリコーングリースも保護コート剤として評価したが、固形化が進行して接触抵抗が保護コート剤無しの場合よりも増加することが分かった。接触部の抵抗増加を抑制するには液状を維持することが必要なことも分かった。図19は、図18と同様のサンプルに対して温度サイクル試験したときの接触抵抗の変化を示す。保護コート剤を塗布すると、Ag-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ端子の抵抗増加が顕著に抑制されている。Sn端子ではシリコーン系オイルで抵抗増加が抑制されているが、フッ素系オイルでは抵抗増加の抑制効果が非常に弱い。フッ素系オイルは酸化を抑制する効果があるが、ここで使用したオイルの粘度がそれほど高くなかったため潤滑剤的役割が弱く軟質なSn端子に対して微摺動摩耗による抵抗増加を防ぐ効果が小さかったためと考えられる。保護コート剤として有効に働くための望ましい性質は、揮発性が少なくかつ高温でも重合反応が進まず液体状態を長期間維持できること、吸湿性やガス透過性が低く保護コートした金属の酸化の進行を抑制する効果があること、粘度が比較的高く金属の摩擦における潤滑剤的役割を果たすことが挙げられる。この観点から、化学的に安定な高分子系のシリコーンオイルやフッ素系オイルが保護コート剤として望ましいと言える。

また本実施例では、車載用電子モジュールの接続端子と嵌合コネクタ端子の最表面材料をいずれもAg-Sn金属間化合物を含有するSn系はんだとした。

Ag-Sn金属間化合物は硬質でSn系はんだは軟質のため、所定の圧力でせつぞく端子とコネクタ端子を押し付けると、軟質のSn系はんだは塑性流動によって周辺に押し出され、硬質のAg-Sn金属間化合物が接触面に残存し易い性質によって、Ag-Sn金属間化合物を介して接触する面積割合が多くなる。Ag-Sn金属間化合物は酸化しづらくその領域の接触抵抗が低く保たれることと、Sn系はんだが下地と反応して反応層が成長してきてもAg -Sn金属間化合物は反応層の成長と関係なく表層に残存する性質があるため、長期に渡って低い接触抵抗を維持し続けることが可能となり、長期信頼性の高いコネクタ接続を提供できるのである。

また本実施例では、車載用電子モジュールの接続端子表面に形成されるAg-Sn金属間化合物含有のSn系はんだが、Agを2〜10wt%含むSn系のはんだ溶融浴に浸漬して供給され、過剰な溶融はんだが物理的に除去されて所定の厚さに調整する車載用電子モジュールの接続端子形成方法とした。
Ag-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ層の形成を、Agを2〜10wt%含有するSn系溶融はんだ浴に浸漬してはんだ供給し、過剰に付着した溶融はんだをレベラーあるいはガスブローで除去して形成するディップ法としたことにより、接続端子の厚いSn系はんだ層形成コストが湿式めっき法に比べて大幅に安くかつAg-Sn金属間化合物の含有量を容易に調整可能となる。

１ 有機絶縁基板
２ 銅配線
３ 回路基板
４ Ag-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ
５ 接続端子
６〜９ 電子部品
１０ 樹脂ケース
１１ ダイキャスト
１２ コネクタ収納部
１３ 樹脂壁
１４ 後蓋
１５ 基板挿入溝
１８ 熱伝導グリース
２１ 開口部

Claims (10)

1. 電子部品を搭載した回路基板と、
   前記回路基板を収納して周囲環境から保護する箱型ケースまたはモールド樹脂の保護部材と、
   前記保護部材と一体的に形成され嵌合コネクタを収容する開放空間を有するコネクタ収納部材とから成り、
   前記回路基板の電子部品が搭載されていない端部を前記保護部材から前記コネクタ収納部材の開放空間に突き出し、基板端部を嵌合コネクタに挿入して前記嵌合コネクタ側の端子に押圧されて電気的導通を得る接続構造を有し、
   前記基板端部の接続端子がCu配線/Cu-Sn反応層/Ag-Sn金属間化合物含有のSn系合金層の構造を有し、
   前記Cu配線と前記Cu-Sn反応層とが直接接触し、前記Sn系合金層のAg濃度は5質量%以上であり、
   前記Ag-Sn金属間化合物は前記Sn系合金層内で分散し、前記嵌合コネクタ側の端子に前記接続端子が押圧されてSn系はんだが周辺に押し出されたときに、前記Ag-Sn金属間化合物が前記前記嵌合コネクタ側の端子と前記接続端子との接触界面付近に留まることを特徴とする車載用電子モジュール。
2. 請求項１記載の車載用電子モジュールにおいて、Ag-Sn金属間化合物含有Sn系はんだ層の厚さが、接続端子の下地Cu配線とSnの反応層の厚さの２倍以上に厚く形成されていることを特徴とする車載用電子モジュール。
3. 請求項２記載の車載用電子モジュールにおいて、前記接続端子が有機絶縁基板上に形成されたCu配線部材で構成され、反応層がCu-Sn金属間化合物となっていることを特徴とする車載用電子モジュール。
4. 請求項２記載の車載用電子モジュールにおいて、前記接続端子表面に、使用環境下で長期に亘って液状を維持し、Sn系合金やCuを腐食させず化学的に安定なオイルが塗布されていることを特徴とする車載用電子モジュール。
5. 請求項１記載の車載用電子モジュールの接続端子と外部配線を接続した嵌合コネクタのコネクタ端子との接触接続構造であって、コネクタ端子の最表面がSnまたはSn系はんだ層
   で構成され、接続端子とコネクタ端子の接触接続部を覆うように、使用環境下で長期に渡って液状を維持し、Sn系合金やCuを腐食させず化学的に安定なオイルが塗布されていることを特徴とする車載用電子モジュールのコネクタ接続構造。
6. 請求項１記載の車載用電子モジュールの接続端子と外部配線を接続した嵌合コネクタのコネクタ端子との接触接続構造であって、コネクタ端子表面がAg-Sn金属間化合物含有のSn系はんだ層で構成され、接続端子とコネクタ端子の両者の接触界面にAg-Sn金属間化合物が形成されて接触接続した構造となっていることを特徴とする車載用電子モジュールのコネクタ接続構造。
7. 請求項６記載の車載用電子モジュールにおいて、該車載用電子モジュールの接続端子と嵌合コネクタのコネクタ端子の接触接続部が、使用環境下で長期に渡って液状を維持し、Sn系合金やCuを腐食させず化学的に安定なオイルで覆われた構造となっていることを特徴とする車載用電子モジュールのコネクタ接続構造。
8. 請求項１記載の車載用電子モジュールにおいて、前記接続端子表面に形成されるAg-Sn金属間化合物含有のSn系はんだが、Agを2〜10wt%含むSn系はんだ溶融浴に浸漬して供給され、過剰な溶融はんだが物理的に除去されて所定の厚さに調整されることを特徴とする車載用電子モジュールの接続端子形成方法。
9. 請求項１記載の車載用電子モジュールにおいて、前記Sn系合金層の厚さが、接続端子の下地導電材とSnの反応層の厚さの２倍以上に厚く形成されていることを特徴とする車載用電子モジュール。
10. 請求項１記載の車載用電子モジュールにおいて、前記Sn系合金層の厚さが平均で4μm以上となっていることを特徴とする車載用電子モジュール。