JP2009068042A - 超音波溶接性に優れた銅箔、およびその表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波溶接で銅箔同士、あるいは銅箔と他の金属とを接合する、超音波溶接性に優れた銅箔と、該銅箔の表面処理方法とを提供する。
【解決手段】少なくとも片面にクロム水和酸化物層が被覆されている銅箔であって、前記クロム水和酸化物層の前記銅箔表面への被覆量を、０．５〜７０μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２とする。超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法は、銅箔を、６価クロム化合物の内の少なくとも１種を水に溶解したクロム酸水溶液に浸漬し、前記銅箔の表面にクロム水和酸化物層を被覆する。超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法は、銅箔を、６価クロム化合物の内の少なくとも１種を水に溶解したクロム酸水電解液により電解処理して、前記銅箔の表面にクロム水和酸化物層を被覆する。
【選択図】図１

Description

本発明は銅箔相互、あるいは銅箔と他の金属材料とを超音波溶接法により溶接する、超音波溶接性に優れた銅箔、ならびにその表面処理方法に関するものである。

従来、銅箔等の金属部品を接合する方法の一つとして、超音波溶接が行われている。この超音波溶接装置の一般的なものは図１に示すように、超音波振動ユニットＵの前方に突出するホーン１の先端に溶接ヘッド１２が下方に設けられており、その先端が溶接チップ（音極）１１となっている。その溶接チップ１１に対向してアンビル２が設けられており、溶接チップ１１とアンビル２の間に被溶接物（例えば銅箔）１３を挟んだ状態で加圧するとともに、溶接チップ１１に超音波による振動エネルギーを与えて振動させ、その時の溶接チップ１１と被溶接物（銅箔）１３との間に発生する振動熱（摩擦熱）によって溶接を行う。この超音波溶接は抵抗溶接に比較して接合温度が低いので母材を痛めにくく、特に異種金属同士の接合ではその接合部にもろい生成物がみられず、低コストであるという利点がある。

超音波溶接は、上述したような利点を有し、その利点を生かすべく、種々の電子部品の組み立てに多用されている。自動車等に用いられる電子部品の場合、近年の高密度化にともない、その電気接続部はより信頼性の高いものが要求され、特に、端子と銅箔等の異種金属同士の接合部については、より確実に接合されることが求められている。

また、リチウムイオン電池の負極集電体の銅箔同士、あるいは銅箔とタブ端子の接続は超音波溶接により行われており、強い接合強度が求められている。

超音波溶接は、接合面に一定の圧力を加えた状態で超音波振動を印加すると、被接合面が摩擦され、酸化被膜や不純物が機械的にクリーニングされるとともに、原子拡散を誘起させ、相互に接合される。

本発明者らは、銅箔の超音波溶接を行う際に、銅箔表面に設けた防錆処理層の厚さと銅箔の表面粗さにより、超音波溶接性（接合強度）が大きく影響されることを見出し、本発明を完成するに至った。

銅箔の場合、防錆処理を施さない方が溶接性は優れる。しかし、防錆処理を施さない状態では大気中で容易に酸化してしまい実用には適さない。これを防ぐため、酸性浴（ｐＨ１〜２）でクロメート処理を行い、クロメート被膜と呼ばれる、クロム水和酸化物膜を形成することが一般的である。クロム水和酸化物膜を酸性浴によりクロメート処理するのは、防錆層を比較的厚めに被着させて防錆効果を充分に発揮させるためである。

このようにクロメート被膜を施した銅箔は、大気中で変色しにくいが、一方でクロメート被膜の厚さが厚い場合、超音波溶接による接合強度が充分でない場合が発生する。

これは、防錆被膜が銅箔表面を覆っているため、超音波振動を印加しても、表面がクリーニングされにくく、純銅が表面に出てこないため、原子拡散が起こり難く、接合力が弱められるためであると考えられる。

また本発明者等の実験により、銅箔の超音波溶接による接合力には、銅箔の表面の粗さも影響が大きいことが判明した。即ち、表面粗さの粗い銅箔に超音波振動を印加して相互を接合した場合、表面粗さの粗い銅箔は接合強度が弱い。これは、粗さが粗いため接合時の接触が局部的になり、凹凸の凸の部分では接合が起こるが、凹の部分では接合が起こらず、接合強度が小さくなると推定される。

上記課題を解決するために、本発明は、超音波溶接で銅箔同士、あるいは銅箔と他の金属とを接合する場合、超音波溶接性に優れた銅箔と、該銅箔の表面処理方法とを提供するものである。

本発明の超音波溶接性に優れた銅箔は、少なくとも片面にクロム水和酸化物層が被覆されている銅箔であって、前記クロム水和酸化物層の前記銅箔表面への被覆量が０．５〜７０μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２である銅箔である。

前記銅箔の少なくともクロム水和酸化物層が被覆されている面のＲｚ（ＪＩＳＢ０６０１−１９９４で規定する１０点平均粗さ）は２．０μｍ以下であることが好ましい。

本発明の第一の超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法は、銅箔を、６価クロムの内の少なくとも１種を水に溶解したクロム酸水溶液に浸漬し、前記銅箔の表面にクロム水和酸化物層を被覆する表面処理方法である。

本発明の第二の超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法は、銅箔を、６価クロム化合物の内の少なくとも１種を水に溶解したクロム酸水電解液により電解処理して、前記銅箔の表面にクロム水和酸化物層を被覆する表面処理方法である。

前記表面処理において、６価クロムの被覆量は０．５〜７０μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２であることが好ましい。

本発明により、超音波溶接による銅箔同士、あるいは銅箔と他の金属との溶接性に優れた銅箔を提供することができる。
また、本発明の超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法は、超音波溶接による銅箔同士、あるいは銅箔と他の金属との溶接性に優れた銅箔を容易に製造することができる。

以下本発明を詳細に説明する。なお、本発明において、無水クロム酸、クロム酸塩、重クロム酸塩を個別に表現する必要がないときは、これらを総称して６価クロム化合物と表現する。
また、本発明において、電解銅箔、圧延銅箔を個別に表現する必要がないときは、これらを総称して銅箔と表現する。

本発明の銅箔は、銅箔の少なくとも片面におけるクロム水和酸化物の被覆量が、０．５〜７０μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２である。
さらに好ましくは、両面の表面粗さが、ＪＩＳＢ０６０１−１９９４で規定する１０点平均粗さ（Ｒｚ）で２．０μｍ以下である銅箔である。

前記クロム皮膜のクロム水和酸化物被覆量が０．５〜７０μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２である理由は、０．５μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２を下回ると、接合強度は良好であるが、銅箔表面が酸化変色しやすく実用的でないためである。また７０μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２を超えると変色はし難くなるが、接合強度が落ちるためである。

クロム水和酸化物被覆量が溶接性に影響する理由は、前述のようにクロム水和酸化物被膜が銅箔表面を覆っているため、被覆厚さが厚い場合には、超音波振動を印加しても、表面がクリーニングされ難く、純銅が表面に出てこないため、原子拡散が起こり難く、接合力が弱いと考えられる。

また接合力には、銅箔の表面の粗さも影響する。ＪＩＳＢ０６０１−１９９４で規定する１０点平均粗さ（Ｒｚ）で２．０μｍを超える銅箔に超音波振動を印加した場合、接合強度が小さくなる。
Ｒｚで２．０μｍを超える銅箔相互を超音波接合し、その銅箔の接合部断面を観察すると、ボイドの発生が多い。これは、粗さが粗いため接合時の接触が局部的になり、凹凸の凸の部分では接合が起こるが、凹の部分では接合が起こらず、その部分がボイドとなり、接合強度が小さくなると考えられる。

クロム水和酸化物被覆層の生成方法は、電解銅箔の場合、表面が酸化していない場合は、特に何の前処理も行わない。表面が酸化している場合は酸洗いし、水洗、ないしは水洗・乾燥処理を行う。この後、銅箔を三酸化クロム，クロム酸塩，重クロム酸塩の群から選ばれる少なくとも１種を水に溶解して成るクロム酸水溶液に浸漬し、クロム水和酸化物層を被着する。

圧延銅箔の場合は、表面に残る圧延油を脱脂処理し、脱脂後の銅箔を水洗、ないしは水洗・乾燥処理し、該脱脂後の銅箔を三酸化クロム，クロム酸塩，重クロム酸塩の群から選ばれる少なくとも１種を水に溶解して成るクロム酸水溶液に浸漬し、クロム水和酸化物層を被着する。

クロム水和酸化物層生成のもう一つの方法は、銅箔を必要により酸洗い、 脱脂後水洗、ないしは水洗・乾燥処理し、該銅箔を、三酸化クロム，クロム酸塩，重クロム酸塩の群から選ばれる少なくとも１種を水に溶解して成るクロム酸水溶液を電解液として電解処理し、クロム水和酸化物層を被着する。

クロム酸水溶液による銅箔の表面処理を行う前の処理方法として、酸洗いは、Ｈ_２ＳＯ_４＝５〜２００ｇ／ｌ、温度＝１０℃〜８０℃の希硫酸に浸漬する方法が効果的である。
また、脱脂の場合は、ＮａＯＨ＝５〜２００ｇ／ｌ、温度＝１０℃〜８０℃の水溶液中で、電流密度＝１〜１０Ａ／ｄｍ^２、０．１分〜５分で陰極又は／及び陽極電解脱脂を行うのが効果的である。

クロム酸水溶液としては、６価クロム（無水クロム酸、クロム酸塩、あるいは重クロム酸塩のいずれか１種）を１〜１０ｇ／ｌ、水酸化ナトリウムを１０〜５０ｇ／ｌ、ｐＨを１３程度に調整し、該（アルカリ性の）クロム酸水溶液に脱脂処理後の銅箔を浸漬してクロム水和酸化物層を被覆する。被覆厚は浸漬時間を調整することで制御することができる。

クロム酸電解液による銅箔の電解表面処理方法は、先ず必要に応じて銅箔を酸洗い、脱脂処理を行う。酸洗い、脱脂処理方法は前記と同様である。
次いで前処理した銅箔を、６価クロム化合物を水に溶解したクロム酸電解液で陰極電解処理する。電解処理条件は、陰極に被処理銅箔、陽極に酸化イリジウム被覆チタン板、陰極電解電流密度を０．１〜１０Ａ／ｄｍ^２とする。
クロム酸電解液としては、６価クロム化合物（無水クロム酸、クロム酸塩、あるいは重クロム酸塩のいずれか１種）を１〜１０ｇ／ｌ、水酸化ナトリウムを１０〜５０ｇ／ｌ、ｐＨを１３程度に調整し、該（アルカリ性）クロム酸電解液に必要により前処理した銅箔を陰極としてクロム水和酸化物層を被覆する。被覆厚は電解時間を調整することで制御することができる。

以下本発明を具体例（実施例）により説明する。

＜実施例１＞
電解銅箔：厚さ＝１０μｍ ；古河サーキットフォイル（株）製ＷＳ箔
光沢面側（陰極ドラム側）表面粗さ：Ｒｚ＝１．４３μｍ
粗面側（電解浴側）表面粗さ：Ｒｚ＝１．６９μｍ

電解銅箔を無水クロム酸のアルカリ溶液（無水クロム酸：５ｇ／ｌ ；水酸化ナトリウム：３０ｇ／ｌ ；ｐＨ：１３．０；浴温：２５℃）からなるクロム酸水溶液に１０秒間浸漬した後、水洗、乾燥して銅箔の両面にクロム水和酸化物層を形成させた。クロム水和酸化物層の厚みは、光沢面側（陰極ドラム側）が３５μg−Ｃｒ／ｄｍ^２、粗面側（電解浴側）が２９μg−Ｃｒ／ｄｍ^２であった。なお、クロム水和酸化物層の厚みは蛍光Ｘ線分析装置により測定した。皮膜を形成した銅箔につき下記の項目につき特性評価を行った。結果を表１に示す。

＜実施例２＞
実施例１に示す電解銅箔を使い、実施例1と同じ組成のクロム酸水溶液を電解液として、陰極電解処理（陰極：被処理銅箔、陽極（対極）：酸化イリジウム被覆チタン板、陰極電解電流密度：０．５Ａ／ｄｍ^２ 、処理時間：５秒）を行った。処理後の銅箔を水洗、乾燥して銅箔の両面にクロム水和酸化物層を形成させた。皮膜を形成した銅箔につき実施例１と同様の特性評価を行った。結果を表１に示す。なお、得られた皮膜の厚みは、光沢面側（陰極ドラム側）が６２mg−Ｃｒ／ｄｍ^２、粗面側（電解浴側）が５０mg−Ｃｒ／ｄｍ^２であった。

＜実施例３＞
電解銅箔：厚さ＝１０μｍ ；古河サーキットフォイル（株）製ＷＳ箔
光沢面側（陰極ドラム側）表面粗さ：Ｒｚ＝０．５７μｍ
粗面側（電解浴側）表面粗さ：Ｒｚ＝０．７８μｍ

無水クロム酸のアルカリ溶液（無水クロム酸：５ｇ／ｌ ；水酸化ナトリウム：３０／ｌ ；ｐＨ：１３．０；浴温：２５℃）に１０秒間浸漬した後、水洗、乾燥して銅箔の両面にクロム水和酸化物層を形成させた。クロム水和酸化物層の厚みは、光沢面側（陰極ドラム側）が２０μg−Ｃｒ／ｄｍ^２、粗面側（電解浴側）が１８μg−Ｃｒ／ｄｍ^２であった。この銅箔について実施例１と同様な特性評価を行った。結果を表１に示す。

＜実施例４＞
圧延銅箔厚さ：１０μｍ
Ａ面粗さ：Ｒｚ＝０．６５μｍ
Ｂ面粗さ：Ｒｚ＝０．７２μｍ
銅箔コイルの外側の面をＡ面、内側の面をＢ面とする。

無水クロム酸のアルカリ溶液（無水クロム酸：５ｇ／ｌ ；水酸化ナトリウム：３０ｇ／ｌ ；ｐＨ：１３．０；浴温：２５℃）に１０秒間浸漬した後、水洗、乾燥して銅箔の両面にクロム水和酸化物層を形成させた。クロム水和酸化物層の厚みは、Ａ面側が２０μg−Ｃｒ／ｄｍ^２、Ｂ面側が２１μg−Ｃｒ／ｄｍ^２であった。この銅箔について実施例１と同様な特性評価を行った。結果を表１に示す。

＜実施例５＞
電解銅箔：厚さ＝１０μｍ ；古河サーキットフォイル（株）製ＭＰＬ箔
光沢面側（陰極ドラム側）表面粗さ：Ｒｚ＝２．１０μｍ
粗面側（電解浴側）表面粗さ：Ｒｚ＝２．５４μｍ

実施例１と同じ無水クロム酸のアルカリ溶液（クロム酸水溶液）に１０秒間浸漬した後、水洗、乾燥して銅箔の両面にクロム水和酸化物層を形成させた。クロム水和酸化物層の厚みは、光沢面側（陰極ドラム側）が３８μg−Ｃｒ／ｄｍ^２、粗面側（電解浴側）が５７μg−Ｃｒ／ｄｍ^２であった。この銅箔について実施例１と同様な特性評価を行った。結果を表１に示す。

＜比較例１＞
実施例１に示した電解銅箔と同じ電解銅箔を使用し、クロメート処理浴を酸性浴（無水クロム酸：５ｇ／ｌ ；ｐＨ：１．５；浴温：２５℃）を用いて、陰極電解処理（陰極：被処理銅箔、対極陽極：酸化イリジウム被覆チタン板、陰極電解電流密度：０．５Ａ／ｄｍ^２ 、処理時間：５秒）を行った。処理後の銅箔を水洗、乾燥しクロメート防錆処理を施した銅箔を作製し、実施例１と同様の特性評価を行った。結果を表１に示す。なお、得られた皮膜の厚みは、光沢面側（陰極ドラム側）が８２mg−Ｃｒ／ｄｍ^２、粗面側（電解浴側）が７４mg−Ｃｒ／ｄｍ^２であった。

＜比較例２＞
実施例１に示した電解銅箔と同じ電解銅箔を使用し、実施例１と同じクロ酸水溶液を更に１０倍希釈した処理液に、１０秒間浸漬を行った。処理後の銅箔を水洗、乾燥し、実施例１と同様の特性評価を行った。結果を表１に示す。得られた皮膜の厚みは、光沢面側（陰極ドラム側）が０．４μg−Ｃｒ／ｄｍ^２、粗面側（電解浴側）が３μg−Ｃｒ／ｄｍ^２であった。

上記実施例、比較例で表面処理した銅箔につきその特性を下記の項目についてそれぞれ測定・評価した。

（１）防錆力：銅箔を恒温恒湿槽（温度：４０℃；相対湿度：９０％に設定）の中に７２時間入れ、酸化変色及び錆の発生程度の経時変化を目視観察した。評価は、変色が無く最も良好なものをＡとし、酸化変色の程度に応じて（酸化変色なし）Ａ＞Ｂ＞Ｃ（酸化変色あり）の順に評価付けした。

（２）溶接性１：ブランソン社株式会社の超音波溶接機により、銅箔を１０枚重ねて溶接を行った。溶接性の評価は接合強度を測定した。接合強度については、（強）Ａ＞Ｂ＞Ｃ（弱）の順に評価付けした。
（３）溶接性２：ブランソン社株式会社の超音波溶接機により、銅箔とリチウムイオン電池負極集電体のタブ端子とを重ねて溶接を行った。溶接性の評価は前記と同様接合強度を測定し強度により、（強）Ａ＞Ｂ＞Ｃ（弱）の順に評価付けした。

なお、表１において、「溶接性」は、溶接性１，２の特性が両者同じ傾向であったため、総合評価として示している
また、「総合評価」の欄は、防錆力、溶接性を総合評価してランク付けした。
表１から明らかなように、各実施例の表面処理銅箔は超音波溶接における溶接性に優れ、かつ、防錆機能も発揮している。なお、実施例２の溶接性をＢと評価したが、実施例１と比較してやや劣る程度である。また、実施例５は未処理銅箔の表面粗さが粗であるために、接着強度がやや劣っている。しかし、溶接強度の重要度によっては実用性がある強度を示しているのでＢと評価した。
一方、比較例１の表面処理銅箔は防錆層の厚みが厚いためと思われが、溶接性が劣っている。
また、比較例２の表面処理銅箔は防錆層の厚みが薄いため、溶接性には優れているが防錆機能が劣っている。

以上詳述したように、本発明の超音波溶接性に優れた銅箔は、超音波溶接による銅箔同士、あるいは銅箔と他の金属との溶接性に優れた銅箔である。
また、本発明の超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法は、超音波溶接による銅箔同士、あるいは銅箔と他の金属との溶接性に優れた銅箔を容易に製造することができる。

超音波溶接装置の要部を示す説明図である。

符号の説明

Ｕ 超音波振動ユニット
１ ホーン
２ アンビル
１１ 溶接チップ
１２ 溶接ヘッド
１３ 銅箔

Claims (6)

1. 少なくとも片面にクロム水和酸化物層が被覆されている銅箔であって、前記クロム水和酸化物層の前記銅箔表面への被覆量が０．５〜７０μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２である超音波溶接性に優れた銅箔
2. 前記銅箔の少なくともクロム水和酸化物層が被覆されている面のＲｚ（ＪＩＳＢ０６０１−１９９４で規定する１０点平均粗さ）が２．０μｍ以下である請求項１に記載の超音波溶接性に優れた銅箔
3. 銅箔を、６価クロム化合物の内の少なくとも１種を水に溶解したクロム酸水溶液に浸漬し、前記銅箔の表面にクロム水和酸化物層を被覆する超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法。
4. 銅箔を、６価クロム化合物の内の少なくとも１種を水に溶解したクロム酸水溶液により電解処理して、前記銅箔の表面にクロム水和酸化物層を被覆する超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法。
5. 銅箔を、６価クロム化合物の内の少なくとも１種を水に溶解したクロム酸水溶液に浸漬し、前記銅箔の表面に、被覆量が０．５〜７０μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２のクロム水和酸化物層を被覆する超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法。
6. 銅箔を、６価クロム化合物の内の少なくとも１種を水に溶解したクロム酸水溶液により電解処理して、前記銅箔の表面に、被覆量が０．５〜７０μｇ−Ｃｒ／ｄｍ^２のクロム水和酸化物層を被覆する超音波溶接性に優れた銅箔の表面処理方法。

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