CN101546619A - 电镀的扁平导体以及具有该电镀的扁平导体的柔性扁平电缆 - Google Patents

电镀的扁平导体以及具有该电镀的扁平导体的柔性扁平电缆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电镀的扁平导体以及具有该电镀的扁平导体的柔性扁平电缆，所述电镀的扁平导体由扁平导体和形成在扁平导体的表面上的电镀层组成，其中，扁平导体包括从由铜和铜合金组成的组中选择的导电材料，并且电镀层包括：第一金属间化合物层，其包括就在扁平导体的表面上的Cu3Sn；第二金属间化合物层，其包括在第一金属间化合物上形成的Cu6Sn5；以及在第二金属间化合物层上形成的表面层，该表面层包括从由纯锡和锡合金组成的组中选择的电镀材料并且具有从0.3微米到1.0微米的平均厚度以及1.0微米或更少的最大厚度，其中，第二金属间化合物层对第一金属间化合物层的体积比为1.5或更大。

Description

电镀的扁平导体以及具有该电镀的扁平导体的柔性扁平电缆
技术领域
与本发明一致的材料和设备涉及电镀的扁平导体和被应用于电子设备的具有该电镀的扁平导体的柔性扁平电缆。
背景技术
诸如移动电话、数码相机、CD播放器、喷墨打印机等等的紧凑型电子设备需要紧凑而且柔性的布线装置。柔性扁平电缆经常被用于这样的使用。柔性扁平电缆通常设置有平行安排的并且用薄绝缘膜覆盖的扁平导体。扁平导体的末端被从绝缘膜引出并且这些末端被应用于电连接。出于减少电接触电阻和/或改进焊接质量的目的，通常对扁平导体进行镀锡(用纯锡或任何锡合金进行电镀)。
尽管出于环境保护的考虑需要避免使用铅，但是已知无铅的锡和锡合金在生产之后的使用期间引起从其生长出“晶须”(或者缩写为“须”，其是以丝状生长的单晶)。须能够以相对于在该种减小尺寸的电子设备中的导体之间的距离来说非常长的形式(例如，100微米或更长)来生长。如果须从嵌入在柔性扁平电缆中的电镀的扁平导体中生长，则会发生一些问题。问题的一个方面是，例如，短路。
发明内容
本发明的某些实施例提供了一种电镀的扁平导体和具有该电镀的扁平导体的柔性扁平电缆，其抑制当其中的导体被用锡或者锡合金电镀时须的生长。
根据本发明的示例性实施例，电镀的扁平导体由下述组成：扁平导体，其包括从由铜和铜合金组成的组中选择的导电材料；以及电镀层，其形成在扁平导体的表面上，包括：第一金属间化合物层，其包括就在扁平导体的表面上的Cu3Sn；第二金属间化合物层，其包括形成在第一金属间化合物上的Cu6Sn5；以及第二金属间化合物层上形成的表面层(superficial layer)，该表面层包括从由纯锡和锡合金组成的组中选择的电镀材料，并且具有从0.3微米到1.0微米的平均厚度以及1.0微米或者更少的最大厚度，其中第二金属间化合物层对第一金属间化合物层的体积比为1.5或更大。
根据本发明的第二示例性实施例，柔性扁平电缆由平行安排的多个导体组成，所述导体中的每个包括权利要求1的电镀的扁平导体以及覆盖所述导体的绝缘膜。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的电镀的扁平导体的横截面视图；以及
图2是根据本发明的示例性实施例的柔性扁平电缆的正面透视视图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例。
为了生产图1中所示的电镀的扁平导体1，优选地使用通常由拉伸工艺从铜锭中生产的铜线。然而，替代铜，可以应用诸如磷铜的任何铜合金。将铜线生产为具有适合的尺寸，例如，诸如0.8毫米直径。
铜线被利用纯锡或者从锡铜合金、锡银合金和锡铋合金的组中选择的任何锡合金来电镀。该电镀可以通过但是不限于通常的锡电解电镀方法来执行。通过调节电流密度、时间和任何其它条件，考虑到刚轧制之后的中间产物的目标厚度，应该可以适当地调节电镀层的厚度，而该厚度的示例是10微米。
例如，电镀的铜线被拉伸以形成具有从0.1毫米到0.2毫米的直径的细线。对该细线进一步进行轧制处理，从而获得具有锡电镀在其上的扁平导体3。在该状态下，尽管电镀层的厚度被减小并且其的微结构发生变形，但是可以给该电镀层赋予任何的改变。
具有电镀的锡的扁平导体3在通过适合的炉产生的诸如惰性气体的非氧化气氛中进行热处理，因此促进了在锡(或者锡合金)和铜(或者铜合金)之间的界面处的反应以在电镀层中形成金属间化合物。
金属间化合物包括Cu6Sn5和Cu3Sn。Cu6Sn5可以首先在界面处产生并且以层的形式朝向电镀层的表面生长。接下来，Cu3Sn可以在生长的Cu6Sn5层和铜导体之间的另一界面处产生，并且也以层的形式生长来跟随Cu6Sn5层的生长。
结果，电镀层由三个不同的层5、7、9组成，如图1中所示。即，表面层9是未反应的锡，形成紧挨着表面层9的层7的“A”相是金属间化合物Cu6Sn5，并且形成位于底部(就在与铜导体的界面上)的层5的“B”相是另一种金属间化合物Cu3Sn。一般地，A相7具有相对光滑的表面，而B相5具有相对粗糙的表面。
以相反的顺序提及这些层，形成在扁平导体3的表面上的电镀层由下述层组成：就在扁平导体3的表面上的Cu3Sn(B相)的第一金属间化合物层5；包括在第一金属间化合物5上形成的Cu6Sn5(A相)的第二金属间化合物层7；以及在第二金属间化合物层7上形成的锡或者锡合金的表面层9。
这些金属间化合物层的生长能够借助于热处理的可控的参数，诸如与电镀层的初始厚度有关的时间和温度来控制。适合的生长控制是包括在发明性概念中的关键中的一个。当金属间化合物层过度地生长时，B相的生长的表面的粗糙度变得更大并且因此B相趋向于朝向锡层突出到A相之外。其导致锡层的厚度的不均匀和在其中的内部应力的产生，这可以引起须从锡层的相对厚的部分生长。相反，金属间化合物层的不足的生长导致剩余大量锡未反应。未反应的锡提供了须的源而促进其生长。因此，具有被适合地控制的金属间化合物的电镀层提供了抑制须生长的结果。该电镀层的结构影响电镀的导体的其它性质，诸如电接触电阻、抗弯曲的抵抗性等等。考虑这些性质，将在以下的描述中更详细地说明电镀层的结构参数。
因为较薄的锡层抑制须的生长，因此未反应的锡或者锡合金的表面层9的厚度优选地为1.0微米或者更少。相反，减小到0.3微米或者更少的过度小的厚度会引起由表面层9提供的电接触电阻的增加。因此，表面层9优选地具有从0.3微米到1.0微米的平均厚度以及1.0微米或者更少的最大厚度。
优选地，A相的第二金属间化合物对B相的第一金属间化合物的体积比为1.5或更多。原因之一在于如前面所讨论的，过度生长的B相引起须从锡层的厚的部分生长。体积比也优选地为3.0或更少，因为考虑到电镀层抗弯曲的抵抗性，当体积比低于3.0时是有优势的。
优选地，在A相的第二金属间化合物层7和表面层9之间的界面的粗糙度平均为150nm或者更少。原因在于太大的粗糙度会导致促进须生长。
参考图2，如上所述的电镀的扁平导体1被优选地应用于柔性扁平电缆。在一个实施例中，多个电镀的扁平导体1被平行地安排并且由粘附在一起的绝缘膜对11、13覆盖。电镀的扁平导体1的末端被引出绝缘膜11、13之外并且可以由粘附到电缆一侧的保护板15保护。导体1的暴露的末端用作用于与外部设备的连接器电接触的端子。
(示例)
以下描述的测试结果示出本示例性实施例的有益的效果。测试工件(piece)是通常由0.8毫米直径的软铜线形成的。铜线被利用纯锡来电镀，以便于具有10微米厚度的纯锡电镀层。拉伸电镀的线以形成具有0.12毫米直径的细线并且对其进一步进行轧制，从而获得带有具有0.035毫米厚度的锡电镀层的扁平导体。在扁平导体上分别以各种条件进行热处理，从而获得测试工件(示例1-36和C1-C9)。同时，锡-1％银被应用于一些测试工件(示例37、39-41和C10)的电镀层，并且磷铜线被应用于一些测试工件(示例38、41、42和C11)，尽管这些测试工件的生产工艺基本上与上述测试工件的相同。
在测试结果中，厚度和体积的测量，以及对B相是否突出于A相之外的评估是基于测试工件的横截面的SEM(扫描电子显微镜)图像的。基于下述公知常识来计算两相的体积比，即体积比对应于横截面上的面积比。粗糙度的测量基于通过AFM(原子力显微镜)执行的表面粗糙度测量，其中，锡的表面层被化学地移除以暴露A相，并且然后执行这些粗糙度的测量。平均粗糙度(Ra)的测量方法符合JIS B0601标准。此外，根据上述生产方法，其中的每个都包括40个扁平导体的柔性扁平电缆(FFC)被从上述测试工件中生产。将FFC分别应用于在通常的温度和湿度下500个小时的耐久测试，在耐久测试中，端子与(被回流处理的、如J.S.T.Mfg有限公司的ZIF型的商业上可获得的)连接器连接。在耐久测试之后，借助于SEM观察端子表面上的须，并且测量其的最大长度。此外，执行通常的U字滑移-弯曲测试，在其中，每个FFC被以U字形状弯曲，其一端被牢固地固定并且另一端通过恒定敲击进行往复滑移(reciprocal slide)直到任何一个扁平导体断裂。分别计数断裂任何导体所用的次数。
表1-3总结了测试结果。一些结果以四个级别来表示，其中A表示非常好，B表示可用，C表示不好，并且D表示差。关于须长度，因为长度上大约为30微米的须不会产生诸如短路的问题，所以30微米或更少的最大长度被评估为A，50微米或更少为B，超过50微米的为C，并且100微米附近或者更长的为D。而只以两个级别来评估电接触电阻，B表示小于50mΩ的电接触电阻，其足以在工作中使用，并且D表示50mΩ或者更大的电接触电阻。关于抗弯曲的抵抗性，当断裂导体所用的次数到达4百万或更多时评估为A，并且当所用次数到达3百万或更多时评估为B。此外，在“总评”列中，任何列中具有既不是C也不是D分数的任何测试工件被表示为A或者B。在其中，每个具有两个或更多A分数的测试工件被评估为A，并且每个仅具有一个A分数的测试工件被评估为B。基于这些分数中的最差的分数，剩余的测试工件被评估为C或者D。
表1 测试结果
 
锡电镀层的平均厚度(微米) 锡电镀层的最大厚度(微米) A相对B相的体积比 A相的粗糙度(纳米) B相的突出 须的长度 电接触电阻 抗弯曲的抵抗性 总评
1 0.33 0.57 3.1 232 无 B B B B
2 0.55 0.78 3.4 332 无 B B B B
3 0.76 0.95 3.8 275 无 B B B B
4 0.88 1.00 3.6 349 无 B B B B
5 0.43 0.68 1.5 297 无 B B A B
6 0.30 0.52 2.5 312 无 B B A B
7 0.62 0.78 1.5 342 无 B B A B
8 0.62 0.78 2.1 256 无 B B A B
9 0.70 0.88 2.1 284 无 B B A B
10 0.81 0.95 2.1 336 无 B B A B
11 0.62 0.78 3.0 263 无 B B A B
12 0.70 0.88 3.0 347 无 B B A B
13 0.90 1.00 2.5 276 无 B B A B
14 0.55 0.77 3.2 143 无 A B B B
15 0.62 0.75 3.2 125 无 A B B B
16 0.86 1.00 3.2 120 无 A B B B
17 0.86 1.00 4.2 110 无 A B B B
18 0.30 0.52 1.5 144 无 A B A A
19 0.43 0.68 1.5 121 无 A B A A
20 0.45 0.62 2.1 138 无 A B A A
21 0.30 0.53 2.5 142 无 A B A A
22 0.48 0.67 2.5 150 无 A B A A
23 0.30 0.52 3.0 149 无 A B A A
24 0.62 0.78 1.5 126 无 A B A A
25 0.66 0.80 1.7 146 无 A B A A
26 0.70 0.88 2.1 115 无 A B A A
27 0.70 0.95 2.1 127 无 A B A A
28 0.81 0.95 2.1 150 无 A B A A
29 0.62 0.78 2.5 135 无 A B A A
30 0.81 0.95 2.7 128 无 A B A A
31 0.62 0.78 3.0 119 无 A B A A
32 0.70 0.88 3.0 141 无 A B A A
33 0.70 0.95 3.0 150 无 A B A A
34 0.86 1.00 1.5 133 无 A B A A
35 0.91 1.00 2.1 107 无 A B A A
36 0.86 1.00 2.5 121 无 A B A A
表2 测试结果
 
锡电镀层的平均厚度(微米) 锡电镀层的最大厚度(微米)     A相对B相的体积比 A相的粗糙度(纳米) B相的突出  须的长度 电接触电阻   抗弯曲的抵抗性     总评
C1 0.30 0.52 1.1 320 突出 C B A C
C2 0.62 0.78 1.1 319 突出 C B A C
C3 0.86 1.00 1.1 385 突出 C B A C
C4 0.95 1.20 1.7 141 无 C B A C
C5 0.95 1.20 2.7 118 无 C B A C
C6 0.15 0.28 2.5 147 无 A D A D
C7 0.29 0.46 1.7 136 无 A D A D
C8 0.29 0.46 2.7 144 无 A D A D
C9 1.16 1.45 1.6 130 无 D B A D
表3 测试结果
 
导体 电镀层 锡电镀层的平均厚度(微米) 锡电镀层的最大厚度(微米) A相对B相的体积比    A相的粗糙度(纳米) B相的突出 须的长度 电接触电阻 抗弯曲的抵抗性   总评
37 纯铜 锡-1％银 0.30 0.62 2.1 276 无 B B A B
38 磷铜 纯锡 0.30 0.51 2.1 231 无 B B A B
39 纯铜 锡-1％银 0.30 0.55 3.0 124 无 A B A A
40 纯铜 锡-1％银 0.77 1.00 1.5 144 无 A B A A
41 磷铜 锡-1％银 0.30 0.62 3.0 136 无 A B A A
42 磷铜 纯锡 0.86 1.00 1.5 145 无 A B A A
C10 纯铜 锡-1％银 0.30 0.65 1.1 385 突出 C B A C
C11 磷铜 纯锡 0.30 0.57 1.1 297 突出 C B A C
测试工件1-42同时满足下述条件，其中锡(或者锡合金)的表面层的平均厚度落入从0.3微米到1.0微米的范围，其最大厚度落入1.0微米或更少的范围内，并且A相对B相的比落入1.5或更大的比率之中。此外，这些测试工件1-42的B相不突出于A相。这些测试工件1-42普遍地示出足够的对于须长度(A或者B)的抑制。考虑到防止短路，可断言这些结果是有益的。此外，因为如公知常识指导的，从无铅的电镀的锡中产生的须会生长到100微米或更长，所以可断言这些结果意想不到的。
在上述测试工件1-42之中，因为其长度被进一步地减小到30纳米或更少，所以满足下述条件的那些(测试工件14-36和39-42)普遍地示出对须长度的更有效的抑制，其中，所述条件为A相(第二金属间化合物)层和表面层之间的界面的粗糙度落入150纳米或更少的范围内。因此，150纳米或更少的范围中的粗糙度还提供更多有益且意想不到的结果。
在上述测试工件1-42之中，满足下述条件的那些(测试工件5-13、18-42)在抗弯曲的抵抗性方面是十分优秀的，其中，所述条件为A相对B相的体积比落入从1.5到3.0的范围内。因此，处于从1.5到3.0的范围中的体积比也提供有益且意想不到得结果。
此外，测试工件37-42使用磷铜和锡-1％银中的任意一种或者两者来代替作为导体的铜和作为电镀层的纯锡。这些测试工件也提供如测试工件1-36所提供的有益的结果。
相反，测试工件C1-C11的结构参数不在上述范围内。属性中的一些是不足的(C或D)，因此其总评分数是C或D。
尽管已经通过参考本发明的某些示例性实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述示例性实施例。在上述指导的启发下，本领域中技术人员可以对上述实施例做出修改和改变。

Claims (12)

1.一种用于柔性扁平电缆的电镀的扁平导体包括：
扁平导体，所述扁平导体包括从由铜和铜合金组成的组中选择的导电材料；以及
电镀层，所述电镀层形成在所述扁平导体的表面上，包括，
第一金属间化合物层，所述第一金属间化合物层包括就在所述扁平导体的表面上的Cu3Sn，
第二金属间化合物层，所述第二金属间化合物层包括在所述第一金属间化合物层上形成的Cu6Sn5，以及
表面层，所述表面层形成在所述第二金属间化合物层上，所述表面层包括从由纯锡和锡合金组成的组中选择的电镀材料并且具有从0.3微米到1.0微米的平均厚度以及1.0微米或更少的最大厚度，
其中所述第二金属间化合物层对所述第一金属间化合物层的体积比为1.5或更大。
2.根据权利要求1所述的电镀的扁平导体，其中所述第二金属间化合物层对所述第一金属间化合物层的体积比为从1.5到3.0。
3.根据权利要求1或2所述的电镀的扁平导体，其中所述第二金属间化合物层和表面层之间的界面的粗糙度平均为150纳米或更少。
4.根据权利要求1或2所述的电镀的扁平导体，其中所述锡合金是从由锡铜合金、锡银合金和锡铋合金组成的组中选择的。
5.根据权利要求3所述的电镀的扁平导体，其中所述锡合金是从由锡铜合金、锡银合金和锡铋合金组成的组中选择的。
6.根据权利要求1所述的电镀的扁平导体，其中电镀层通过热处理电镀由在扁平导体上的锡或锡合金形成。
7.一种柔性扁平电缆，包括：
多个平行安排的导体，所述导体的每一个包括权利要求1中的所述电镀的扁平导体；以及
绝缘膜，所述绝缘膜覆盖所述导体。
8.根据权利要求7所述的柔性扁平电缆，其中所述第二金属间化合物层对所述第一金属间化合物层的体积比为从1.5到3.0。
9.根据权利要求7或8所述的柔性扁平电缆，其中所述第二金属间化合物层和表面层之间的界面的粗糙度平均为150纳米或更少。
10.根据权利要求7或8所述的柔性扁平电缆，其中所述锡合金是从由锡铜合金、锡银合金和锡铋合金组成的组中选择的。
11.根据权利要求9所述的柔性扁平电缆，其中所述锡合金是从由锡铜合金、锡银合金和锡铋合金组成的组中选择的。
12.根据权利要求7所述的柔性扁平电缆，其中电镀层通过热处理由电镀在扁平导体上的锡或锡合金形成。
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