JP5181876B2

JP5181876B2 - フラットケーブルの製造方法

Info

Publication number: JP5181876B2
Application number: JP2008171885A
Authority: JP
Inventors: 学永野; 茂彰勝又; 龍男松田; 悟志宿島
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010015692A

Description

本発明は、電子機器などに用いられるフラットケーブル及びその製造方法に関する。

電子機器の小形化、軽量化に伴い、これらに搭載される電子部品、配線用部品等の小形化が進んでいる。特に、電気配線のための配線部材は、限られたスペースで高密度の配線が可能なものが要望されている。このような配線部材として、複数本の平角導体を一平面上に配列し、その配列面の両側からそれぞれ絶縁フィルムをラミネートしたフラットケーブルが知られている。

このフラットケーブルでは、半田付け性を向上させるための皮膜として導体に錫（Ｓｎ）メッキを施すことが行われている。
しかし、錫メッキを施した導体では、コネクタの端子との電気接触のための圧縮応力を受けることに起因して導体の表面に針状結晶体（ウィスカ）が発生することが知られている。特に、導体同士の間隔が極めて狭いフラットケーブルでは、このウィスカが短絡の原因となる場合がある。

このようなウィスカによる短絡を防止するため、導電基体上に、ビスマス（Ｂｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）のうち少なくとも１種を０．１〜１５重量％含有する錫合金メッキを形成し、その上層に、亜鉛メッキ、銀メッキ、錫−亜鉛合金メッキ、錫−銀合金メッキ又は錫−ビスマス合金メッキを形成し、通電アニール処理などの熱処理をすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−４６１５０号公報

ところが、上記の処理条件では、ウィスカの発生を十分に抑えることが難しく、特に、熱処理温度が適正でないと、ウィスカの発生が抑えられたとしても接触抵抗が増加し、コネクタとの導通不良の要因となってしまう。

本発明は、ウィスカの発生が十分に抑えられ、接触抵抗の増加も抑制されたフラットケーブルを提供すること及びそのフラットケーブルを製造する製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決することのできる本発明に係るフラットケーブルは、並列に配列された複数の導体が絶縁体で被覆されたフラットケーブルであって、
前記導体は、銅または銅合金からなる基材の表面に、錫にビスマス及び亜鉛が含まれた合金からなる合金層が形成されてなり、
前記合金層は、錫に対して１．０重量％以上４．０重量％以下のビスマス及び０．２重量％以上２．０重量％以下の亜鉛が含まれ、厚さが０．３μｍ以上０．９μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係るフラットケーブルの製造方法は、並列に配列された複数の導体が絶縁体で被覆されたフラットケーブルの製造方法であって、
前記導体を構成する銅または銅合金からなる基材の表面に、１．０重量％以上４．０重量％以下のビスマスが錫に含まれた第１メッキ層と、０．２重量％以上２．０重量％以下の亜鉛が錫に含まれた第２メッキ層とを、厚さの合計が０．３μｍ以上０．９μｍ以下となるように形成する表面処理工程と、
前記導体を２７０℃以上２９０℃以下の温度で加熱する加熱処理工程と、
複数の前記導体を並列に配列させて絶縁体で覆うケーブル化工程とを行うことを特徴とする。

また、前記加熱処理工程は、２７０℃以上２９０℃以下の高温雰囲気中に前記導体を通過させて加熱することが好ましい。

本発明のフラットケーブルによれば、錫にビスマス及び亜鉛が前述の量だけ含まれた合金からなる合金層が、銅または銅合金からなる基材の表面に形成された導体を有し、合金層の材質と厚さを上記のように設定したので、ウィスカの発生を十分に抑え、しかも、接触抵抗の増加も確実に抑制することができる。

また、本発明のフラットケーブルの製造方法によれば、銅または銅合金からなる基材の表面に、１．０重量％以上４．０重量％以下のビスマスが錫に含まれた第１メッキ層と、０．２重量％以上２．０重量％以下の亜鉛が錫に含まれた第２メッキ層とを、厚さの合計が０．３μｍ以上０．９μｍ以下となるように形成した導体を、２７０℃以上２９０℃以下で加熱することにより、第１メッキ層と第２メッキ層とを一体化し、錫と銅との合金量が適正な量とされた合金層とすることができる。これにより、ウィスカの発生を十分に抑えることができ、しかも、接触抵抗の増加も確実に抑制することができ、さらには、良好な半田付け性の改善効果も得ることができる。

以下、本発明に係るフラットケーブル及びその製造方法の実施形態の例について、図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るフラットケーブルを示す平面図、図２は図１の矢視Ａ−Ａ断面図、図３はフラットケーブルの端部における導体露出部の側面図、図４は平角導体の断面図である。
図１及び図２に示すように、フラットケーブル１は、複数本（本実施形態では１０本）の平角導体（導体）２が所定の並列ピッチで平面上に配列され、平角導体２の配列面の両面にそれぞれ絶縁フィルム（絶縁体）３が貼着（ラミネート）されている。なお、平角導体２を覆う絶縁体は、フィルムの代わりに絶縁樹脂を押し出し被覆したものであっても良い。

絶縁フィルム３は、絶縁樹脂層４と絶縁性接着層５とからなり、例えば、絶縁樹脂層４はポリエステルまたはポリイミドあるいはＰＰＳ等の樹脂であり、絶縁性接着層５はポリエステル系接着剤もしくは難燃ＰＶＣである。平角導体２に対して、絶縁性接着層５の面を対向させて２枚の絶縁フィルム３が貼り合わされている。これにより、平角導体２同士の電気的絶縁を図っている。

フラットケーブル１の長手方向の両端部は、一方の面にのみ絶縁フィルム３が貼着され、他方の面で複数本の全ての平角導体２が露出した導体露出部６とされており、電気コネクタの弾性コンタクト片等に接続可能な接続端末として機能する。
図３に示すように、導体露出部６の平角導体２が露出していない側の面には、ポリエステル等の絶縁樹脂からなる端末補強テープ７が貼着されており、露出した平角導体２を支持して変形を防止している。

本実施形態において、平角導体２の厚さは３５μｍ以上５０μｍ以下、幅寸法は約０．３ｍｍであり、１０本の平角導体２の並列ピッチは約０．５ｍｍである。図４に示すように、平角導体２は、断面長方形に形成された基材１１上に合金層１２が積層された構造である。本実施形態では、基材１１の外周全域に合金層１２が形成されている。基材１１としては、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）合金、錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）合金などが用いられる。

この基材１１の周囲の合金層１２は、錫（Ｓｎ）にビスマス（Ｂｉ）及び亜鉛（Ｚｎ）が含まれた合金からなるものである。
合金層１２の材質は、錫に対して１．０重量％以上４．０重量％以下のビスマス及び０．２重量％以上２．０重量％以下の亜鉛が含まれたものである。合金層１２の厚さは、０．３μｍ以上０．９μｍ以下である。

合金層１２の厚さは平角導体２の並列ピッチと関連する。上記の例では平角導体２の並列ピッチが０．５ｍｍであり、平角導体２の幅が０．３ｍｍであるので、平角導体２同士の間隔は０．２ｍｍである。この場合に錫のウィスカによる導体間の短絡を十分に抑えるためには錫を含む合金層１２を０．９μｍ以下としなければならない。一方で、錫を含む合金層１２を０．３μｍ以上としないと錫メッキの効果が発揮されない。
平角導体２の並列ピッチを０．３ｍｍとすると平角導体２同士の間隔が短くなるので錫のウィスカによる短絡が生じないためには、許容されるウィスカの長さがさらに短くなる。一方、平角導体２の幅が細くなるので平角導体２の周囲の合金層１２に含まれる錫の量は少なくなる。その分ウィスカの伸長が少なくなるので、平角導体２の並列ピッチを０．３ｍｍとした場合も合金層１２の厚さを０．３μｍから０．９μｍの範囲として錫メッキの効果を発揮しつつ錫のウィスカによる平角導体２間の短絡を十分に抑えることができる。

次に、上記のフラットケーブル１を製造する場合について説明する。
図５は表面処理工程で処理された平角導体の断面図、図６は熱処理工程を示す斜視図、図７はケーブル化工程を示す斜視図である。
図５に示すように、まず、平角導体２を構成する基材１１の周囲にメッキ処理を施す（表面処理工程）。
具体的には、基材１１の表面に、錫−ビスマス合金をメッキ処理することにより第１メッキ層２１を形成し、さらに、その表面に、錫−亜鉛合金をメッキ処理することにより第２メッキ層２２を形成する。

第１メッキ層２１は、錫に対してビスマスを１．０重量％以上４．０重量％以下とし、第２メッキ層２２は、錫に対して亜鉛を０．２重量％以上２．０重量％以下とする。
また、第１メッキ層２１及び第２メッキ層２２は、その厚さの合計を０．３μｍ以上０．９μｍ以下とする。なお、本実施形態では、第１メッキ層２１及び第２メッキ層２２の厚さをそれぞれ０．３μｍとし、厚さの合計を０．６μｍとする。

次に、上記基材１１の表面に第１メッキ層２１及び第２メッキ層２２を形成した平角導体２に熱処理を施す（熱処理工程）。
図６に示すように、平角導体２に熱処理を施すには、加熱装置３１を用いる。加熱装置３１は、筒状に形成したステンレス材からなる長さ約８ｍの加熱パイプ３２の周囲に、カンタル線３３を巻回させたもので、カンタル線３３に電力を供給することにより、加熱パイプ３２内に高温雰囲気を生じさせる。この加熱パイプ３２内の高温雰囲気の温度は、２７０℃以上２９０℃以下とする。

そして、この加熱装置３１の加熱パイプ３２内に、第１メッキ層２１及び第２メッキ層２２を形成した平角導体２を、約１６０ｍ／分の線速で通過させる。このようにすると、平角導体２は、加熱装置３１の高温雰囲気によって約３秒間加熱される。これにより、第１メッキ層２１及び第２メッキ層２２は、加熱処理によって錫が拡散することにより一体化し、錫にビスマス及び亜鉛が含まれた合金からなる合金層１２となる。
なお、高温雰囲気を円筒状の加熱パイプ３２により生じさせ、その中心に平角導体２を通過させることにより、平角導体２に対する加熱温度を横断面の周方向に均一化することができる。

ここで、熱処理の温度が高すぎると（２９０℃を越えると）、合金層１２における錫と銅との合金量が増加し、接触抵抗が大きくなってしまう（例えば、接触抵抗が５０ｍΩ以上となる）。また、熱処理温度が低すぎると（２７０℃より低いと）、錫と銅との合金量が少なくなり、ウィスカの発生が十分に抑えられなくなり、また、半田付け性の改善効果が低くなり、導体露出部６での半田付けに影響してしまう。

これに対して、本実施形態では、熱処理工程にて、平角導体２を通過させる高温雰囲気の温度を２７０℃以上２９０℃以下としていることにより、合金層１２における錫と銅との合金量を適正な量とすることができる。これにより、ウィスカの発生が十分に抑えられ、接触抵抗の増加も抑制された平角導体２とすることができ、良好な半田付け性の改善効果も得られる。平角導体２が加熱パイプ３２を通過する時間すなわち加熱時間は数秒とする。本発明では加熱温度が加熱時間よりもウィスカの抑制および接触抵抗増加の抑制に影響する。

次に、図７に示すように、熱処理を施した平角導体２が巻き取られている複数のリール４１から平角導体２を送り出して所定の並列ピッチで同一平面上に配列し、配列した平角導体２の上下に、リール４２から長尺の絶縁フィルム３を送り出してヒータローラ４３間に通し、巻き取りローラ４４に巻き取る（ケーブル化工程）。

なお、絶縁フィルム３は、その絶縁性接着層５側を平角導体２側に向ける。これにより、ヒータローラ４３の間を通過することにより、絶縁フィルム３の絶縁性接着層５が溶融し、平面上に配列された複数本の平角導体２には、配列面の上下から絶縁フィルム３が絶縁性接着層５によって貼り合わされ、平角導体２が平面上に配列されて絶縁体（絶縁樹脂層４と絶縁性接着層５）で被覆された一連長の長尺のフラットケーブル１が形成される。ヒータローラ４３は絶縁フィルム３を加熱するヒータ部と絶縁フィルム３を圧着するローラ部とが別々の機構であるものでもよい。

なお、ケーブル化工程において、絶縁フィルム３を貼り合わせる代わりに、平角導体２の周囲に絶縁樹脂を押し出し被覆しても良い。

一方の絶縁フィルム３には、図１に示した導体露出部６を設けるために、長手方向の一部に開口した窓部を形成しておくと良い。窓部はフラットケーブル１の長手方向の端部となる箇所に設けられる。また、絶縁フィルム３の幅方向の余剰部分（耳と呼ばれる部分）は、切断されて除去される。これにより、窓部の幅方向両端部で絶縁フィルム３が長手方向に繋がった箇所が除去される。その後、長尺のフラットケーブルは、窓部の箇所で切断され、所定の長さ毎のフラットケーブル１とされる。

このようにして製造されたフラットケーブル１では、その導体露出部６にコネクタを嵌合して１０００時間後に５０μｍより長いウィスカの発生の有無を観察した結果、不良となる５０μｍより長いウィスカの発生がないことが確認された。

以上説明したように、本実施形態のフラットケーブル１によれば、平角導体２が銅または銅合金からなる基材１１の表面に合金層１２を有するものであり、その合金層１２は、錫に対して１．０重量％以上４．０重量％以下のビスマス及び０．２重量％以上２．０重量％以下の亜鉛が含まれたものである。
平角導体２の厚さを３５μｍから５０μｍ、平角導体２の幅を０．１５ｍｍから０．３ｍｍとし、かつ合金層１２の厚さを０．３μｍから０．９μｍとした場合に、錫のウィスカが発生することを抑制するには、錫のメッキ層にビスマスと亜鉛とをそれぞれ１．０重量％以上、０．２重量％以上添加することが必要である。一方のみの添加では錫のウィスカの発生を十分抑えることができず、いずれか一方の添加量が上記の量より少なくても錫のウィスカの発生を十分抑えることができなかった。

前述したように、２７０℃以上２９０℃以下の温度で熱処理されることによって基材１１中の銅がメッキ層へ移行してきて、錫、銅、ビスマス、亜鉛の四元合金が形成される。ビスマスと亜鉛がそれぞれ上記の濃度で組み合わされて含まれ、錫のウィスカの発生が十分に抑制される合金構造となると考えられる。ここで、合金層に含まれるビスマスまたは亜鉛がそれぞれ４．０重量％、２．０重量％を超えると、平角導体２の熱処理温度を２７０℃以上２９０℃以下としても、接触抵抗が大きくなり５０ｍΩ以下の接触抵抗としにくかった。したがって、接触抵抗の問題を生じないためには、ビスマスと亜鉛の添加量はそれぞれ４．０重量％以下、２．０重量％以下としなければならない。

平角導体２の表面の錫が多くなると、ウィスカが発生しやすくなるが、錫の層（合金層１２）の厚さを薄くしすぎると、半田付け性が悪くなる。フラットケーブル１の平角導体２は、合金層１２の厚さが０．３μｍ以上０．９μｍ以下であるので、ウィスカの発生を十分に抑えることができ、なおかつ半田付け性も良好である。

また、上記のフラットケーブルの製造方法によれば、銅または銅合金からなる基材１１の表面に、１．０重量％以上４．０重量％以下のビスマスが錫に含まれた第１メッキ層２１と、０．２重量％以上２．０重量％以下の亜鉛が錫に含まれた第２メッキ層２２とを、厚さの合計が０．３μｍ以上０．９μｍ以下となるように形成した平角導体２を２７０℃以上２９０℃以下の温度で加熱することにより、第１メッキ層２１と第２メッキ層２２とを一体化した合金層１２とすることができる。そして、この合金層１２では、錫と銅との合金量が適正な量とされ、これにより、ウィスカの発生を十分に抑え、半田付け性の改善効果も得ることができ、なおかつ接触抵抗を５０ｍΩ以下とすることができる。したがって、ウィスカの発生が十分に抑えられ、接触抵抗も良好に抑制されたフラットケーブル１を製造することができる。

また、加熱装置３１の加熱パイプ３２内に形成した２７０℃以上２９０℃以下の高温雰囲気中に、平角導体２を所定の線速で通過させて加熱することにより加熱処理を行うので、生産性を向上させることができる。

本発明に係るフラットケーブルの実施形態の例を示す平面図である。図１の矢視Ａ−Ａ断面図である。図１のフラットケーブルの端部における導体露出部の側面図である。図１のフラットケーブルに含まれる導体の断面図である。表面処理工程で処理された導体の断面図である。熱処理工程の例を示す斜視図である。ケーブル化工程の例を示す斜視図である。

符号の説明

１：フラットケーブル、２：平角導体（導体）、３：絶縁フィルム（絶縁体）、１１：基材、１２：合金層、２１：第１メッキ層、２２：第２メッキ層

Claims

並列に配列された複数の導体が絶縁体で被覆されたフラットケーブルの製造方法であって、
前記導体は、厚さが３５μｍ以上５０μｍ以下で、幅が０．１５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の平角導体であり、
前記導体を構成する銅または銅合金からなる基材の表面に、１．０重量％以上４．０重量％以下のビスマスが錫に含まれた第１メッキ層と、０．２重量％以上２．０重量％以下の亜鉛が錫に含まれた第２メッキ層とを、厚さの合計が０．３μｍ以上０．９μｍ以下となるように形成する表面処理工程と、
前記導体を２７０℃以上２９０℃以下の温度で加熱する加熱処理工程と、
複数の前記導体を並列に配列させて絶縁体で覆うケーブル化工程とを行うことを特徴とするフラットケーブルの製造方法。
請求項１に記載のフラットケーブルの製造方法であって、
前記加熱処理工程は、２７０℃以上２９０℃以下の高温雰囲気中に前記導体を通過させて加熱することを特徴とするフラットケーブルの製造方法。