JP2025096889A

JP2025096889A - 導電部材とその製造方法

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Publication number: JP2025096889A
Application number: JP2023212864A
Authority: JP
Inventors: ジュシントウ; Shuxin Dong; 盾八百川; Jun Yaokawa; 伸彦松本; Nobuhiko Matsumoto; 広行森; Hiroyuki Mori
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2023-12-18
Filing date: 2023-12-18
Publication date: 2025-06-30

Abstract

【課題】種々の芯材や可溶性銅基材を素材に用いつつ、高導電率または高純度な銅めっき層で被覆された導電部材が得られる製造方法やその導電部材を提供する。
【解決手段】本発明は、芯材と、芯材の外周面を被覆する銅めっき層とを有する導電部材である。その芯材は、例えば、導電率が９０％ＩＡＣＳ以下である。その銅めっき層は、例えば、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上である。銅めっき層は、その全体に対する銅の純度が、例えば、９９．９質量％以上ある。芯材は、例えば、アルミニウム基材、鉄基材または銅基材からなる。めっき工程で用いる陽極となる可溶性銅基材は、例えば、銅の純度が４０～８５質量％程度のスクラップ材や再生材でもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、導電部材等に関する。

配線用ワイヤやコイル用巻き線等を構成する導体は、通常、その全体が純銅（無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅等）からなることが多い。もっとも、ある金属からなる芯線材の外周面を、別な金属で被覆した被覆線も提案されており、関連する記載が下記の特許文献にある。

特開平１１－５７８４８特開２００８－２２９７０３特表２０１８－５２５５１９

特許文献１、２は、導線の軽量化等を図れる銅被覆アルミニウム線を提案している。その銅被覆アルミニウム線は、先ず、アルミニウム線を覆う銅テープの長手方向端部を溶接するテープクラッド法や、銅パイプにアルミニウム線を挿入するパイプクラッド法により原材が製造される。被覆線は、その原材をさらに伸線加工や熱処理して、芯材であるアルミニウム線とその外周面にある被覆銅とを密着させて得られる。伸線加工等を前提とする被覆線は、その形態自由度が乏しく、被覆銅の厚み調整も難しいため、用途が限られる。また、その加工時や熱処理時に、導電率を低下させ得る金属間化合物がアルミニウム線と被覆銅の間に形成される恐れもある。さらに、銅テープや銅パイプは高純度銅自体を加工して得られるため、上述したクラッド法では低純度銅等の銅資源を有効活用できない。

特許文献３は、銅等からなる円形ワイヤ（コア）の外周面を、銅以外の貴金属でコーティングしたシース層を有するワイヤを提案している。そのシース層は、耐食性を確保等するために設けられている薄膜（膜厚２０ｎｍ程度）に過ぎず、その内側にあるコア（銅線）が通電を担っている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、十分な導電性を確保しつつ、材質や形態の自由度を確保できる導電部材等を提供することを目的とする。

本発明者が鋭意研究した結果、種々の芯材の外周面を銅めっきすることで、様々な仕様に適した導電部材の提供が可能になることを着想し、これを具現化させた。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明が完成されるに至った。

《導電部材》
（１）本発明は、芯材と、該芯材の外周面を被覆する銅めっき層とを有する導電部材であって、該芯材は、導電率が９０％ＩＡＣＳ以下であり、該銅めっき層は、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上である導電部材である。

本発明の導電部材は、導電率が大きい銅めっき層により通電が担われるため、その芯材は必ずしも高純度銅でなくてもよく、まためっき可能な形態であれば足る。このため、芯材には種々の金属材を用いることができ、その断面は一定である必要もない。このため本発明によれば、仕様、製造コスト、環境等に応じて、導電部材の多様化（材質や形態の自由度拡大）を図ることが可能となる。また、高周波数（例えば５０Ｈｚ以上、１００Ｈｚ以上、５００Ｈｚ以上さらには１ｋＨｚ以上）の通電（電力供給、通信等）がなされる場合なら、表皮効果により、銅めっき層が高導電率な導電部材は十分な性能を発揮し得る。

《導電部材の製造方法》
本発明は、導電部材の製造方法としても把握される。例えば、本発明は、銅イオンを含むめっき浴に浸漬した芯材を陰極にして通電するめっき工程を備え、上述した導電部材が得られる製造方法でもよい。

《その他》
（１）銅めっき層は、延在する芯材の外周面を全体的に被覆していればよく、その端面まで被覆されていなくてもよい。銅めっき層が芯材（基材）の表面（界面）に直接的に密着している他、被着性の向上や元素拡散の抑制等を図る別層（下地層、バリア層等）が、芯材（基材）と銅めっき層との界面に介在していてもよい。

（２）本明細書では、適宜、導電率の程度を「％ＩＡＣＳ」で示す。「％ＩＡＣＳ」は、国際的に採択された焼鈍標準軟銅（ＩＡＣＳ：international annealed copper standard）に対する電気伝導度（または電気抵抗）の割合である。なお、導電率（電気伝導度）が１００％ＩＡＣＳである焼鈍標準軟銅の体積抵抗率は１．７２４１×１０^-２μΩｍである。

（３）本明細書でいう「ｘ～ｙ」は、特に断らない限り、下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。また、本明細書でいう「ｘ～ｙｍｍ」はｘｍｍ～ｙｍｍを意味する。他の単位系についても同様である。

めっき浴内における芯材と可溶性銅基材の配置例を示す模式図である。試料１と試料２の銅被覆線の断面を示す写真である。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、方法的な構成要素であっても物に関する構成要素ともなり得る。

《芯材》
芯材の材質、特性、形態等は、導電部材の要求仕様に適したものであればよい。例えば、芯材は銅材でなくてもよいし、さらには導電材でなくてもよい。芯材が導電材（半導体等を含む。）からなる場合、その導電率は、例えば、０．１～９０％ＩＡＣＳ、１～８０％ＩＡＣＳ、１０～７０％ＩＡＣＳまたは５０～６５％ＩＡＣＳでもよい。

芯材は、例えば、アルミニウム基材、鉄基材、銅基材、チタン基材、マグネシウム基材等の金属基材からなってもよい。本明細書でいう「Ｘ基材」は、Ｘが主成分（例えば、全体に対するＸ元素の含有量が５０質量％超さらには６０質量％以上）であれば、純金属、合金または化合物等のいずれでもよく、その組織等も問わない。例えば、鉄基材は、ステンレス鋼でもよいし、鋼材に限らず鋳物材でもよいし、さらに溶製材に限らず焼結材でもよい。

芯材は、例えば、断面（円形、楕円形、方形、異形等）が一定な線状または棒状でもよいし、屈曲や湾曲したものでもよい。なお、芯材の角部には適度な丸めがあるとよい。

《銅めっき層》
銅めっき層は、芯材の少なくとも長手方向に沿った外周表面を被覆する。その厚さは問わないが、例えば、０．０５～５ｍｍ、０．１～１ｍｍまたは０．３～０．８ｍｍである。芯材が断面円状の線材（棒材）なら、芯材の半径（ｒ）に対する銅めっき層の厚さ（ｔ）の比率（ｔ／ｒ）は、例えば、０．０１～０．８、０．１～０．７または０．２～０．６でもよい。ｔまたはｔ／ｒは、導電部材に通電する電流値や周波数に応じて、決定されるとよい。

銅めっき層は、例えば、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上、９７％ＩＡＣＳ以上、９８％ＩＡＣＳ以上、９９％ＩＡＣＳ以上さらには１００％ＩＡＣＳ以上の高導電率であるとよい。

高導電率な銅めっき層は、通常、高純度Ｃｕからなる。銅めっき層は、その全体に対する銅の純度が９９．９質量％以上、９９．９３質量％以上、９９．９５質量％以上または９９．９７質量％以上でもよい。

銅めっき層は、電解めっきの他、無電解めっきにより形成されてもよい。もっとも、電解めっき（電気めっき）によれば、所望厚さの銅めっき層を効率的に形成することができる。また銅めっき層を電気めっきで形成すれば、銅の供給源として、種々の可溶性銅基材を用いることができ、リサイクル等にも貢献できる。

《導電部材》
導電部材は、芯材と銅めっき層を合せた全体的な導電率（「平均導電率」という。）が、例えば、４０～９８％ＩＡＣＳ、５０～９５％ＩＡＣＳ、６０～９０％ＩＡＣＳまたは７０～８５％ＩＡＣＳでもよい。平均導電率は、通常、導電部材の長手方向に沿って求めればよい。

導電部材は、具体的な形態や用途等を問わないが、例えば、線状または棒状のワイヤ、配線（ハーネス）、コイル、電機子の巻き線を構成するセグメントコイル（ＳＣ）等である。

《めっき工程》
銅めっき層を電気めっき（電析）で形成する場合、例えば、めっき浴に浸漬した芯材へ通電すればよい。通電は、芯材を陰極にしてなされるとよい（陰極電気めっき法）。このとき、銅イオンの安定的な供給源として、可溶性銅基材を陽極とするとよい。

可溶性銅基材は、純銅（無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅等）でもよいが、純度が２０～９５質量％、４０～８５質量％程度の低純度銅でもよい。低純度銅を可溶性電極にしても、電気めっきにより、芯材の外周面には高純度な銅めっき層が形成される。

可溶性銅基材として、例えば、スクラップ材や再生材を用いれば、貴重な銅資源を効率的に有効活用でき、ＳＤＧｓ（Sustainable Development Goals）や循環経済（Circular economy）の実現に貢献できる。

めっき浴は、銅イオン（Ｃｕ^２+、Ｃｕ⁺）を含む電解質であればよい。めっき浴の具体的な組成は問わないが、例えば、硫酸銅めっき浴、シアン化銅めっき浴、ピロリン酸銅めっき浴などを用いるとよい。硫酸銅水溶液を主な電解質とする硫酸銅めっき浴は、安価で取扱性に優れ、めっき表面を平滑にする（レベリング作用）。なお、めっき浴は、適宜、種々の添加剤を含んでもよい。

めっき条件は、芯材の材質、銅めっき層の厚さや形成速度等を考慮して、適宜、決定されるとよい。例えば、めっき浴の銅イオン濃度は、例えば、０．０１～２．５ｍｏｌ／Ｌ、０．１～１．５ｍｏｌ／Ｌである。めっき浴の温度は、例えば、５～６０℃または１０～４０℃である。その成膜速度は、例えば、０．１～５０μｍ／ｍｉｎまたは１～２０μｍ／ｍｉｎである。

通電は、例えば、電流密度を０．２～８０Ａ／ｄｍ^２または２～３０Ａ／ｄｍ^２としてなされる。銅めっき層の所望厚さによるが、めっき時間（通電時間）は、例えば、０．５～２０時間または１～１０時間である。

なお、めっき工程後の芯材は、適宜、洗浄、表面処理、熱処理、塗装等がなされてもよい。

芯材の外表面に銅めっきした試料（複合導線／導電部材）を製作し、それらを評価した。このような具体例に基づいて、本発明をより詳しく説明する。

《試料の製作》
（１）芯材
表１に示す芯材を用意した。いずれの芯材も、素材を線状または棒状（長さ３００ｍｍ）に伸線加工したものである。

低純度Ｃｕにはクロム銅（ＪＩＳＺ３２３４）を用いた（他の低純度Ｃｕも同様）。純ＡｌにはＡ1Ｎ９０（純度９９．９０％以上）を用いた。なお、本明細書でいう純度または成分組成は、その対象全体に対する質量割合であり、単に「％」で表記する。その測定方法は後述する。

（２）可溶性銅基材
陽極材には、表１に示す可溶性銅基材を用いた。いずれも、芯材と同様に線状または棒状に加工して用いた（長さ３５０ｍｍ）。タフピッチ銅には、Ｃ１１００（ＪＩＳ／純度９９．９０％）の市販材を用いた。

（３）めっき工程（電析工程）
図１に示すように、上述した芯材を中央にして、その外周側を取り囲むように複数の可溶性銅基材をそれぞれ配置した。これらを硫酸銅水溶液を入れためっき浴内に浸漬して、芯材を陰極、各可溶性銅基材を陽極として直流通電した。

硫酸銅（ＣｕＳＯ_４）水溶液の濃度は１．３ｍｏｌ／Ｌとし、めっき浴の温度は２５～３０℃に維持した。直流通電は電流（密度）を制御して行なった。各試料毎の電流密度と通電時間（めっき時間）は表１に併せて示した。

めっき終了後、各試料を十分に水洗した。なお、めっき前に、低純度Ｃｕ芯材とＳＵＳ３０４芯材は、予めアセトン中で１分間脱脂処理した後に、上述しためっき工程に供した。純Ａｌ芯材は、めっき前にジンゲート処理した後、予めピロリン酸銅浴中でＣｕ膜（厚み約１μｍ）をめっきしてから、上述しためっき工程に供した。

《観察》
試料１と試料２の複合導線断面を光学顕微鏡で拡大して観察した。その様子を図２に併せて示した。

《測定・分析》
（１）めっき厚さ
めっき前後の直径の変化から銅めっき層の厚さをノギスで測定した。いずれの試料も、めっきにより直径が約１ｍｍ増加しており、その厚さは約０．５ｍｍであった。

（２）純度
純度はダイナミック二次イオン質量分析法（Ｄ－ＳＩＭＳ）により測定した。

（３）導電率
芯材の導電率と複合導線（試料）の平均導電率は、ＪＩＳＨ０５０５-１９７５に規定された方法で測定した。銅めっき層の導電率は、銅めっき層が芯材の外表面に均一的に（厚さ一定で）形成されているとして、芯材の導電率と複合導線の平均導電率から算出した。

《評価》
図２から明らかなように、芯材の外周面が銅めっき層で均一的に被覆された複合導線（導電部材）が得られることが確認された。また、銅めっき層の外周表面は非常に平滑であった。

表１から明らかなように、芯材や可溶性銅基材が異なっても、銅めっき層はいずれも９９．９％以上の高純度であり、９８％ＩＡＣＳ以上の高導電率であった。換言するなら、可溶性銅基材に高純度な銅材を用いるまでもなく、スクラップ材や再生材等の低純度銅材を用いても、高純度で高導電率な銅めっき層を形成できることがわかった。

試料（複合導線／導電部材）全体の平均導電率には芯材の導電率が影響したが、表皮効果で重要な銅めっき層自体の純度や導電率には芯材（材質）による影響が実質的にないこともわかった。

以上から、本発明によれば、陽極側の可溶性銅基材に純度に拘わらす、高導電率（または高純度）な銅めっき層で被覆された導電部材が得られることが確認された。

Claims

芯材と、該芯材の外周面を被覆する銅めっき層とを有する導電部材であって、
該芯材は、導電率が９０％ＩＡＣＳ以下であり、
該銅めっき層は、導電率が９５％ＩＡＣＳ以上である導電部材。
前記銅めっき層は、その全体に対する銅の純度が９９．９質量％以上ある請求項１に記載の導電部材。
前記芯材は、アルミニウム基材、鉄基材または銅基材からなる請求項１に記載の導電部材。
長手方向全体の平均導電率が４０％ＩＡＣＳ以上ある請求項１に記載の導電部材。
前記銅めっき層は、厚さが０．０５～５ｍｍある請求項１に記載の導電部材。
銅イオンを含むめっき浴に浸漬した芯材を陰極にして通電するめっき工程を備え、
請求項１～５のいずれかに記載の導電部材が得られる製造方法。
前記めっき工程は、銅の純度が２０～９５質量％である可溶性銅基材を陽極としてなされる請求項６に記載の導電部材の製造方法。
前記可溶性銅基材は、スクラップ材または再生材からなる請求項７に記載の導電部材の製造方法。
前記めっき浴は、硫酸銅水溶液からなる請求項６に記載の導電部材の製造方法。