JP2011065936A - フレキシブルフラットケーブル用導体及びその製造方法、並びにそれを用いたフレキシブルフラットケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】コネクタとの嵌合などにおいて、導体周囲のＳｎまたはＳｎ系合金めっき表面からウィスカが発生するおそれの少ない、あるいはほとんど発生しないフレキシブルフラットケーブル用導体及びその製造方法、ならびにそれを用いたフレキシブルフラットケーブルを提供する。
【解決手段】本発明に係るフレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法は、ＳｎまたはＳｎ合金にＮｉを０．０５〜０．５質量％添加して構成されるめっき槽を用いた溶融めっき法により、銅線から構成される母材に溶融めっきを施すことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線用導体及び端末接続部に係り、電子機器に使用され、高屈曲性や特に耐ウィスカ性が必要とされるフレキシブルフラットケーブルで使用されるフレキシブルフラットケーブル用導体及びその製造方法、並びにそれを用いたフレキシブルフラットケーブルに関するものである。

従来、配線材、特に銅や銅合金の表面には、配線材の酸化を防ぐために、Ｓｎ、Ａｇ、ＡｕやＮｉのめっきが施される。例えば、図２に示すコネクタ１１とフレキシブルフラットケーブル１３の端末接続部においては、コネクタ１１に備えられたコネクタピン１２や、フレキシブルフラットケーブル（以下、ＦＦＣ）１３の導体１４の表面などにめっきが施されている。

配線材の表面に施されるめっきとして、Ｓｎめっきが広く一般的に使用されている。Ｓｎはコストが安価であること、また、軟らかいため嵌合の圧力で容易に変形して表面酸化膜が破れ、接触面積が増えることにより接触抵抗が低く抑えられるなど利点が多い。

Ｓｎめっきは、Ｓｎの針状結晶であるウィスカが発生することが知られている。このため、ウィスカの発生を防ぐためＳｎに他元素を添加したＳｎ合金めっきとして実施されることが多い。Ｓｎ合金めっきとして、従来は耐ウィスカ性が良好なＳｎ−Ｐｂ合金が用いられてきた。

しかし、近年は環境面での対応の観点から、鉛を含まないＰｂフリー材（非鉛材）、ノンハロゲン材の使用が求められており、配線材に使用されるめっきや絶縁体等の各種材料に対してもＰｂフリー化、ノンハロゲン化が求められている。

このような近年のＳｎ合金めっきのＰｂフリー化に伴い、図３に示すように、特にコネクタ嵌合部において、コネクタピン１２や導体１４の表面に施されたＳｎめっきから発生したウィスカ２１による隣接配線間の短絡事故が問題となっている。

コネクタ嵌合部における隣接配線間の短絡事故を防ぐためには、ウィスカの発生を抑制する必要がある。ウィスカの発生を抑制するためには、ウィスカの発生原因の一つとして考えられているＳｎめっき中の内部応力を緩和させるため、Ｓｎめっきをリフロー処理することが考えられる。しかし、コネクタとの嵌合など新たな外部応力がかかる場合は、リフロー処理を施してもウィスカの発生を十分に抑えることができない。

ウィスカの発生を抑制する方法として、Ｓｎめっきに数質量％のＡｇやＢｉなどを添加する方法が知られている。例えば特許文献１には、導電基体上に、Ｂｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎのうち少なくとも１種を０．１〜１５質量％含有するＳｎ合金メッキを電気メッキにより形成し、その上層に、Ｚｎメッキ、Ａｇメッキ、ＳｎＺｎ合金メッキ、ＳｎＡｇ合金メッキ又はＳｎＢｉ合金メッキを電気メッキにより形成してなる電子部品用リード線が記載されている。

特許文献２には、銅で構成される第１層の上に、Ｓｎに対して３質量％以上３０質量％未満のＣｒまたはＮｉを含有させた第２層を真空めっき法により被覆した電磁波シールド膜が記載されている。当該第２層においては、ＳｎにＣｒまたはＮｉを含有させることで、Ｓｎのウィスカ発生が抑えられ、Ｓｎ単体よりも大気中で安定になるという効果が得られる。

特許文献３には、耐ウィスカ性を向上させるために、母材である銅または銅合金の表面上に、ＮｉまたはＮｉ合金層が形成され、最表面側にＳｎまたはＳｎ合金層が形成され、ＮｉまたはＮｉ合金層とＳｎまたはＳｎ合金層の間にＣｕとＳｎを主成分とする中間層が１層以上形成された、めっきを施した銅または銅合金が記載されている。

また、近年のＰｂフリー化の要請から、ウィスカ問題のない融点の低いめっき膜が得られるＳｎ−Ｐｂ合金めっき浴に代替する手段として、特許文献４には、（ａ）Ｓｎ^２＋イオン、（ｂ）Ａｇ⁻、Ｃｕ^２＋、Ｉｎ^３＋、Ｔｌ⁻およびＺｎ^２−からなる群から選ばれた金属イオンの１種またはそれ以上、（ｃ）非イオン界面活性剤の（ａ）〜（ｃ）を含有し、鉛を含まないことを特徴とする低融点錫合金めっき浴が記載されている。

特許文献５には、めっき膜形成成分としてＳｎ^２＋イオン及びＣｕ^２＋イオン又はＣｕ^＋イオンを含有するとともに、非イオン界面活性剤を含有し、ｐＨ６未満の酸性に調整されてなる酸性錫−銅合金めっき浴が記載されている。

特開２００７−４６１５０号公報 特開２００３−１１２３８９号公報 特開２００３−２９３１８７号公報 特開平０８−１３１８５号公報 特開２０００−３２８２８５号公報

特許文献１に記載されているように、電気めっき法でＳｎ合金めっきすることは広く行われている。しかし、電気めっき法は合金組成の安定度が低く、特に１質量％以下といった極微量の第２元素の添加を安定にコントロールすることは難しいという問題がある。また、３元素以上を１層のめっきで実現するのは困難で、２層以上のめっきを採用することが必要となり、組成コントロールにおいては２層以上のめっき厚をそれぞれ厳密に管理することが必要となるなど、工程の増大、複雑化、およびそれに伴うコスト上昇の問題がある。

特許文献２に記載されているような真空めっき法においても、上述の電気めっき法と同様に、工程の増大、複雑化、およびそれに伴うコスト上昇の問題がある。

また、特許文献３に記載されているように、ＮｉまたはＮｉ合金層を設けると、Ｎｉは硬質であるため屈曲特性が低下し、取扱性が劣化するという問題がある。

ウィスカの発生を抑制するためＳｎめっきに極微量元素を添加する場合、特許文献４あるいは特許文献５に記載されているように、溶融めっき法を用いることが有効であると考えられる。溶融めっき法は、組成安定性に優れ、また安価な単純プロセスにより低コストでＳｎめっきまたはＳｎ合金めっきを施した導体を製造できるという特徴がある。

しかし、溶融めっき法では、製造中に溶融めっき槽に導体の母材であるＣｕ線からのＣｕの溶出が生じる。溶融めっき槽に溶出したＣｕの濃度は時間の経過と共に上昇し、溶融めっき槽の温度に応じた飽和濃度まで達する。

Ｃｕはウィスカ促進元素であり、このようなめっき槽で施したＳｎめっきまたはＳｎ合金めっきはＣｕを多く含んだものとなるため、ウィスカ抑制効果を十分に発揮することができない問題がある。

この点において、特許文献４に記載の低融点錫合金めっき浴、あるいは特許文献５に記載の酸性錫−銅合金めっき浴は、Ｓｎ−Ｐｂ合金めっき浴が備えていたはんだ付け性、はんだ濡れ性及び浴管理の容易性を、Ｐｂを使用することなく実現することを目的としているものであり、Ｓｎ−Ｐｂ合金めっき浴が備えていたウィスカ抑制効果を実現するものではない。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、ＳｎまたはＳｎ合金を用いた溶融めっき法において問題であるめっき槽中のＣｕの濃度を下げ、低コストでＳｎやＳｎ合金めっきＣｕ線母材を製造することができる溶融めっき法を実現することにある。

これにより、特にコネクタとの嵌合など大きな外部応力がかかる環境下においても、導体周囲のＳｎまたはＳｎ系合金めっき表面からウィスカが発生するおそれの少ない、あるいはほとんど発生しないＰｂフリーの配線材としてのフレキシブルフラットケーブル用導体及びその製造方法、ならびにそれを用いたフレキシブルフラットケーブルを提供する。

上記目的を達成するため、本発明は、
ＳｎまたはＳｎ合金にＮｉを０．０５〜０．５質量％添加して構成されるめっき槽を用いた溶融めっき法により、銅線から構成される母材に溶融めっきを施すことを特徴とするフレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法を提供する。

また、本発明は、前記Ｓｎ合金は、Ｓｎ以外の元素としてＢｉ、Ｚｎ、Ｔｉ中から少なくとも１つ含むＳｎ系合金であることを特徴とするフレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法を提供する。

また、本発明は、前記フレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法において、前記めっき槽内のＣｕ濃度上昇を１質量％以下とするフレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法を提供する。

また、本発明は、前記製造方法により得られるフレキシブルフラットケーブル用導体を伸線、圧延して平角導体として得られるフレキシブルフラットケーブル用導体であって、銅線から構成される母材とＳｎめっきまたはＳｎ合金めっきとの間にＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層が形成されることを特徴とするフレキシブルフラットケーブル用導体を提供する。

また、本発明は、前記平角導体として得られるフレキシブルフラットケーブル用導体の表面に形成されるめっき表面酸化膜が、Ｚｎ、Ｔｉの少なくともいずれか一つの元素を含むめっき表面酸化膜であることを特徴とするフレキシブルフラットケーブル用導体を提供する。

また、本発明は、前記フレキシブルフラットケーブル用導体から構成されることを特徴とするフレキシブルフラットケーブル。

本発明においては、ＳｎまたはＳｎ合金にＮｉを０．０５〜０．５質量％添加して構成されるめっき槽を用いた溶融めっき法により、めっき槽中のウィスカ促進元素であるＣｕの濃度が下げられ、低コストでＳｎやＳｎ合金めっきＣｕ線母材を製造することができる溶融めっき法が実現される。

これにより、特にコネクタとの嵌合など大きな外部応力がかかる環境下においても、導体周囲のＳｎまたはＳｎ系合金めっき表面からウィスカが発生するおそれの少ない、あるいはほとんど発生しないフレキシブルフラットケーブル用導体及びその製造方法、ならびにそれを用いたフレキシブルフラットケーブルが得られる。

本発明の実施の形態に係るフレキシブルフラットケーブル用導体の断面の模式図である。 従来技術であるコネクタとＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）の嵌合例を示す図である。 図２に示す嵌合部の拡大図であり、嵌合部におけるウィスカの発生及び隣接配線間の短絡の様子を示す図である。

以下、本発明に係るフレキシブルフラットケーブル用導体及びそれを用いたフレキシブルフラットケーブルを製造するための方法を詳細に説明する。

（フレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法）

［第１の実施の形態］
本発明に係るフレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法は、ＳｎまたはＳｎ合金にＮｉを０．０５〜０．５質量％添加しためっき槽を用いた溶融めっき法により、母材であるＣｕ線に溶融めっきを施すものである。

この方法により得られるフレキシブルフラットケーブル用導体は、Ｎｉが母材側にほとんど移動するため、図１に示すように、母材であるＣｕ線の表面にＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、その上にＮｉがほぼ含まれないＳｎまたはＳｎ合金めっき層が形成される構成となり、母材側でＮｉ濃度が高く、表面側でＮｉ濃度が低くなる。

溶融したＳｎまたはＳｎ合金にＮｉを添加することで以下の効果が得られる。

（１）溶融めっきに用いる溶融Ｓｎまたは溶融Ｓｎ合金にＮｉを添加することで、めっき槽中のＣｕの飽和濃度が下がり、製造中におけるめっき槽のＣｕ濃度上昇を１質量％以下に抑えることができる。

（２）ＳｎめっきまたはＳｎ合金めっきと母材であるＣｕ線間に形成されるＳｎ−Ｃｕ金属間化合物層が、図１に示すようにＮｉを含むＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層となる。Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層では、Ｎｉが含まれていることにより、母材であるＣｕ線から表面側への拡散が防止される。これにより、高温放置環境におけるＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層の成長が抑制され、ＳｎまたはＳｎ合金めっき層のめっき層厚さを一定に保つことができる。

めっき層厚さは、コネクタと嵌合する際の電気的な接触抵抗に大きく影響を与え、めっき層が薄すぎると接触抵抗が上昇してしまう。すなわち、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物層がＮｉを含むＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層となることにより、ＳｎまたはＳｎ合金めっき層のめっき層厚さが一定に保たれ、高温放置環境でも電気的に優れた接触信頼性を保つことができる。

添加するＮｉの量を０．０５〜０．５質量％に限定した根拠は以下の通りである。すなわち、添加するＮｉの量が０．０５質量％未満であると十分なウィスカ抑制効果が得られない。また、添加するＮｉの量が０．５質量％を超えると、ウィスカ抑制効果は得られるものの、Ｓｎ−Ｎｉ金属間化合物がめっき表面に晶出し、外観が悪くなってしまう。

［第２の実施の形態］
溶融したＳｎに、Ｎｉに加えてＢｉ（２〜２０質量％）、Ｚｎ（０．１〜１．０質量％）、Ｔｉ（０．０１〜０．２質量％）の中から少なくとも１つを添加したＳｎ合金を用いて母材であるＣｕ線に溶融めっきを施しても良い。

特に、Ｚｎ、Ｔｉ等のめっき表面酸化膜を改質する元素の添加によって、ウィスカ特性や接触信頼性をより改善させることができる。

Ｚｎ、Ｔｉ等のめっき表面酸化膜を改質する元素の添加によって、ウィスカ特性や接触信頼性が改善される理由は以下の通りである。

すなわち、Ｚｎ、Ｔｉのうち少なくとも１種の酸化物を表面に形成させることで、従来Ｓｎの酸化物のみからなる酸化膜の性状が変化し、ウィスカ発生頻度が低減される。

これは、Ｚｎ、ＴｉはいずれもＳｎより酸化し易い傾向にあり、これら元素をＳｎめっきに添加し熱処理することで、自然にこれらの酸化物を形成させることができ、Ｓｎめっき表面酸化膜の性状を変化させることができるためである。

（フレキシブルフラットケーブル用導体）
本発明に係るフレキシブルフラットケーブル用導体は以下のように得られる。

上述の溶融めっき法で得られたＣｕ線からなる導体を、冷間伸線加工により所定の径まで伸線する。

所定の径まで伸線された導体は、圧延機を用いて所定の断面形状を有する平角導体とされる。

このようにして得られる平角導体は、図１に示す構成のＣｕ線から得られている。このため、該平角導体も、母材であるＣｕ線の表面にＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層が形成され、その上にＳｎまたはＳｎ合金めっき層が形成される構成となる。

すなわち、本実施の形態における平角導体は、銅線から構成される母材とＳｎめっきまたはＳｎ合金めっきとの間にＳｎ−Ｃｕ金属間化合物層が形成され、前記Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物層がＮｉを含む、すなわちＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層となる。

なお、母材であるＣｕ線の溶融めっきを、Ｎｉに加え、Ｚｎ、Ｔｉの少なくともいずれか一つの元素を添加したＳｎ合金で実施した場合、得られたフレキシブルフラットケーブル用導体の表面に形成されるめっき表面酸化膜は、Ｚｎ、Ｔｉのすくなくともいずれか一つの元素を含む酸化膜となる。

このようにして得られるフレキシブルフラットケーブル用導体である平角導体は、表面に形成されるめっき表面酸化膜がＺｎ、Ｔｉの少なくともいずれか一つの元素を含んでおり、ウィスカ特性や接触信頼性がより改善される。

（フレキシブルフラットケーブル）
本発明に係るフレキシブルフラットケーブルは、上述により得られたフレキシブルフラットケーブル用導体を複数本、所要の線間ピッチに応じて並べ、接着剤層付き絶縁フィルムで挟んでラミネートすることで得られる。

接着剤としては、ポリエステル系接着剤が好適である。また、絶縁フィルムとしては、ＰＥＴフィルムが好適である。

（実施例１）
φ０．７ｍｍのＣｕ線を、溶融ＳｎにＮｉを０．１質量％添加したＳｎ合金めっき層にて溶融めっきした。溶融めっき後のＣｕ線上のめっき厚さは５μｍであった。

（実施例２）
φ０．７ｍｍのＣｕ線を、溶融ＳｎにＮｉを０．１質量％とＢｉを３質量％添加したＳｎ合金めっき層にて溶融めっきした。溶融めっき後のＣｕ線上のめっき厚さは５μｍであった。

（実施例３）
φ０．７ｍｍのＣｕ線を、溶融ＳｎにＮｉを０．１質量％、Ｂｉを３質量％、Ｚｎを０．１５質量％添加したＳｎ合金めっき層にて溶融めっきした。溶融めっき後のＣｕ線上のめっき厚さは５μｍであった。

（実施例４）
φ０．７ｍｍのＣｕ線を、溶融ＳｎにＮｉを０．１質量％、Ｂｉを３質量％、Ｔｉを０．１質量％添加したＳｎ合金めっき層にて溶融めっきした。溶融めっき後のＣｕ線上のめっき厚さは５μｍであった。

（実施例５）
φ０．７ｍｍのＣｕ線を、溶融ＳｎにＮｉを０．１質量％、Ｚｎを０．１質量％添加したＳｎ合金めっき層にて溶融めっきした。溶融めっき後のＣｕ線上のめっき厚さは５μｍであった。

（実施例６）
φ０．７ｍｍのＣｕ線を、溶融ＳｎにＮｉを０．１質量％、Ｔｉを０．１質量％添加したＳｎ合金めっき層にて溶融めっきした。溶融めっき後のＣｕ線上のめっき厚さは５μｍであった。

（比較例１）
φ０．７ｍｍのＣｕ線を、溶融ＳｎにＮｉを０．０３質量％添加したＳｎ合金めっき層にて溶融めっきした。溶融めっき後のＣｕ線上のめっき厚さは５μｍであった。

（比較例２）
φ０．７ｍｍのＣｕ線を、溶融ＳｎにＮｉを１．０質量％添加したＳｎ合金めっき層にて溶融めっきした。溶融めっき後のＣｕ線上のめっき厚さは５μｍであった。

（従来例）
φ０．７ｍｍのＣｕ線を、溶融Ｓｎめっき層にて溶融めっきした。溶融めっき後のＣｕ線上のめっき厚さは５μｍであった。

（評価方法）
上述の実施例１〜実施例６、比較例１〜２、従来例の合計９種のＣｕ線について、冷間伸線加工によりφ０．１２ｍｍまで伸線し、圧延機を用いて厚さ０．０３５ｍｍ×幅０．３ｍｍの平角導体を得た。

その後当該平角導体を３００本ならべ、ポリエステル系接着剤層が付いたＰＥＴ製絶縁フィルムで挟んでラミネートし、フレキシブルフラットケーブルを得た。

このようにして得られたフレキシブルフラットケーブルをコネクタと嵌合させ室温で２５０時間放置した。その後コネクタからフレキシブルフラットケーブルを外し、合計３００ｐｉｎの導体表面を光学顕微鏡で観察し、ウィスカの発生率、最大長を計測した。ウィスカの発生率は、光学顕微鏡による目視観察で、合計３００ｐｉｎ数のうち、ウィスカの出たｐｉｎ数の割合で評価した（ウィスカの出たｐｉｎ数／測定全ｐｉｎ数×１００（％））。ウィスカの最大長は、観察に用いた光学顕微鏡が備える測長機能を用いて測定した。

（評価結果）
上記評価で得られた結果を表１に示す。

溶融めっき槽にＮｉを０．１質量％添加した溶融めっきで製作した実施例１〜実施例６は、Ｎｉ添加されていない従来例よりウィスカが抑制された。

更に、Ｂｉを添加した実施例２、Ｂｉ及びＺｎを添加した実施例３、Ｂｉ及びＴｉを添加した実施例４、Ｚｎを添加した実施例５、Ｔｉを添加した実施例６ではウィスカの発生が著しく抑制された。

これに対し、添加するＮｉの量が少ない比較例１は、ウィスカ最大長さが６０μｍと大きく（ウィスカの許容最大長さは５０μｍである）、十分なウィスカ抑制効果が得られなかった。

Ｎｉの添加量が多い比較例２は、ウィスカ最大長さは１８μｍとある程度抑制されているものの、Ｓｎ−Ｎｉ金属間化合物がめっき表面に晶出しており、外観が悪い結果となった。

このことから、本発明の実施例においては、溶融Ｓｎめっき槽にＮｉを添加することで、めっき槽中のＣｕ濃度の上昇を１質量％以下に抑えてウィスカの発生が抑制されることが確認された。

更に、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｚｎを添加することでより優れたウィスカ抑制効果が得られることが確認された。

１１…コネクタ、１２…コネクタピン、１３…ＦＦＣ（フレキシブルフラットケーブル）、１４…導体、２１…ウィスカ。

Claims (6)

1. ＳｎまたはＳｎ合金にＮｉを０．０５〜０．５質量％添加して構成されるめっき槽を用いた溶融めっき法により、銅線から構成される母材に溶融めっきを施すことを特徴とするフレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法。
2. 前記Ｓｎ合金は、Ｓｎ以外の元素としてＢｉ、Ｚｎ、Ｔｉ中から少なくとも１つ含むＳｎ系合金であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法。
3. 請求項１または２に記載のフレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法において、前記めっき槽内のＣｕ濃度上昇を１質量％以下とするフレキシブルフラットケーブル用導体の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の製造方法により得られるフレキシブルフラットケーブル用導体を伸線、圧延して平角導体として得られるフレキシブルフラットケーブル用導体であって、銅線から構成される母材とＳｎめっきまたはＳｎ合金めっきとの間にＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層が形成されることを特徴とするフレキシブルフラットケーブル用導体。
5. 前記平角導体として得られるフレキシブルフラットケーブル用導体の表面に形成されるめっき表面酸化膜が、Ｚｎ、Ｔｉの少なくともいずれか一つの元素を含むめっき表面酸化膜であることを特徴とする請求項４に記載のフレキシブルフラットケーブル用導体。
6. 請求項１から５のいずれかにより得られるフレキシブルフラットケーブル用導体から構成されることを特徴とするフレキシブルフラットケーブル。

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