JP4427044B2 - フレキシブル基板用導体およびその製造方法並びにフレキシブル基板 - Google Patents

Description

本発明は、配線用導体及び端末接続部に係り、特に電子機器に使用されるフレキシブルフラットケーブル（ＦＦＣ）、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）等のフレキシブル基板に用いる導体およびその製造方法並びにフレキシブル基板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に示すように、コネクタ１１とフレキシブルフラットケーブル（以下、ＦＦＣという）１３の端末接続部においては、コネクタ（コネクタ部材）１１のコネクタピン（金属端子）１２や、ＦＦＣ１３の導体１４の表面などにめっきが施されている。なかでも、Ｓｎはコストが安価であり、軟らかいため嵌合の圧力で容易に変形し、接触面積が増え、接触抵抗が低く抑えられることから、配線材の表面にＳｎめっきを施したものが広く一般的に使用されている。

このＳｎめっき用合金として、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が、近年は環境面での対応の観点から、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
特開２００６−１１１８９８号公報 特開２００５−２１６７４９号公報 特開２００５−２０６８６９号公報 特開２００６−４５６６５号公報 ＪＥＩＴＡ鉛フリー化完遂緊急提言報告会資料（２００５．２．１７） ＪＥＩＴＡ鉛フリーはんだ実用化検討２００５年成果報告書（２００５．６）

ところがＳｎめっきのＰｂフリー化に伴って、特にＳｎまたはＳｎ系合金めっきにおいては、図３に示すようにＳｎの針状結晶であるウィスカ２１がめっきから発生し、ウィスカ２１により隣接配線間の短絡事故が問題となっている。

ウィスカの発生原因の一つとして考えられているＳｎめっき中の応力を緩和させるため、電気めっきしたＳｎをリフロー処理することにより、ウィスカの発生を低減させることが可能であるとされている。しかし、そのウィスカ抑制のメカニズムは正確にはわかっていない。また、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抑えることができない。またＢｉやＡｇなどの合金電解あるいは無電解めっきによりウィスカを抑制することができるが、リフロー処理することにより逆に純Ｓｎのときよりもウィスカが発生してしまうことが報告されている。

電子部品の場合は、部品実装のためリフロー処理が必須となっており、これら合金めっきにも問題がある。

現在のところ有効な対策として１μｍ以下の薄いＳｎめっきを施す方法も開示されているが、特に高温放置時において従来よりも接触抵抗が増大するという問題がある。

以上の事情を考慮して本発明は創案されたものであり、その目的は、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めっき膜表面やはんだ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せず、高温放置環境においても接触抵抗が増大することのないフレキシブル基板用導体およびその製造方法並びにフレキシブル基板を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、フレキシブルフラットケーブルやフレキシブルプリント基板内部に配設される導体において、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる導体の表面にＳｎ又はＳｎ合金めっき膜が形成され、そのめっき膜の表面酸化膜が、Ｓｎ酸化物とＳｎ以外の元素の酸化物の混合からなることを特徴とするフレキシブル基板用導体である。

請求項２の発明は、上記Ｓｎ以外の元素が、Ｓｎよりも酸化傾向が高い元素である請求項１に記載のフレキシブル基板用導体である。ここに、酸化傾向が高い元素とは、その酸化物標準生成自由エネルギーの値が、Ｓｎよりも小さい（負の値で絶対値が大きい）元素を表し、例えば、Ｚｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉなどがこれにあたる。

請求項３の発明は、上記Ｓｎ以外の元素が、Ｚｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉのうちから選ばれる少なくとも１種以上の元素である請求項１又は２に記載のフレキシブル基板用導体である。

請求項４の発明は、上記Ｓｎ酸化物とＳｎ以外の元素の酸化物の混合酸化物による表面酸化膜厚さが、５ｎｍ以下である請求項１乃至３に記載のフレキシブル基板用導体である。

請求項５の発明は、フレキシブルフラットケーブルやフレキシブルプリント基板内部に配設される導体の製造方法において、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる導体の表面にＳｎ又はＳｎ合金めっき膜を形成すると共にその表面にＺｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉのうちから選ばれる少なくとも１種以上の元素のめっき膜を形成し、その後リフロー処理により、表面酸化膜を、これら選択した元素の酸化物、又はＳｎ酸化物とこれら選択した元素の酸化物の混合としたことを特徴とするフレキシブル基板用導体の製造方法である。

請求項６の発明は、フレキシブルフラットケーブルやフレキシブルプリント基板内部に配設される導体の製造方法において、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる導体の表面に、Ｚｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉのうちから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むＳｎ又はＳｎ合金めっき膜を形成し、その後リフロー処理により、表面酸化膜を、これら選択した元素の酸化物、又はＳｎ酸化物とこれら選択した元素の酸化物の混合としたことを特徴とするフレキシブル基板用導体の製造方法である。

請求項７の発明は、請求項１〜４いずれかに記載のフレキシブル基板用導体を、複数本並行に配列してなる導体群の両面に、絶縁層を設けたことを特徴とするフレキシブル基板である。

請求項８の発明は、上記絶縁層を、片面に接着層を有する樹脂フィルム材で構成した請求項７に記載のフレキシブル基板である。

本発明により、フレキシブルフラットケーブルやフレキシブルプリント配線板において嵌合部のような外部応力がかかる場合においてもＳｎの針状結晶であるウィスカを抑制することが可能になり、隣接配線間の短絡といった不具合を解決することができる。また高温環境においても接触信頼性を損なうことがない。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

Ｓｎめっき導体の酸化膜は、通常Ｓｎの酸化物だけで構成されるが、上記目的を達成すべく、本発明に関わる導体は表面酸化膜をＳｎ以外の元素の酸化物あるいはＳｎ酸化物とＳｎ以外の酸化物の混合としたことにある。Ｓｎ以外の元素としてＺｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉがある。

例えば、図１（ａ）に示すように、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる導体（図示せず）の表面あるいは周囲に、ＳｎまたはＳｎ合金めっき膜１５を形成し、その表面にＺｎ酸化物あるいはＳｎ酸化物とＺｎ酸化物からなる表面酸化膜１６ａを形成したものである。

また図１（ｂ）に示すように、ＳｎまたはＳｎ合金めっき膜１５の表面に、Ｐ酸化物あるいはＳｎ酸化物とＰ酸化物からなる表面酸化膜１６ｂを形成したものである。

この表面酸化膜１６ａ、１６ｂは、ＳｎまたはＳｎ合金めっき膜１５の表面にＺｎ，Ｐ，ＡｌやＴｉのめっきを形成した後に、これを酸化物としても、あるいはＳｎまたはＳｎ合金にＺｎやＰの元素を添加し、これを導体にめっきしてＳｎまたはＳｎ合金めっき膜１５を形成し、その表面を酸化して、Ｚｎ，Ｐ，ＡｌやＴｉを含む表面酸化膜１６ａ、１６ｂを形成するようにしてもよい。

通常、Ｓｎめっきに応力が加わったとき、表面酸化膜の欠陥がウィスカ発生の核となり、成長するということが言われている。（参考文献：錫ウィスカ成長プロセスの解明と対策 Ｒ＆Ｄプランニング社）
特許文献１では、Ｓｎめっき膜を酸化処理することにより、厚く緻密なＳｎ酸化物または水酸化膜を形成させ、表面の欠陥を減らし、ウィスカを抑制する方法が開示されている。

しかし、コネクタの嵌合部などＳｎめっき膜が大きく変形する場合では、表面酸化膜の欠陥の発生を防ぐことはできない。また表面に厚く酸化膜を形成させることは接触抵抗を増大させることになり、好ましくない。

本発明者らが鋭意研究した結果、Ｚｎ，Ｐ，Ａｌ，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を変えることができ、ウィスカ発生頻度を低減できることを見出した。またこれら酸化物が厚くなると、コネクタ嵌合によるウィスカ発生頻度は逆に大きくなることが分かった。

そこで、Ｃｕ平角線に溶融めっきにより、種々の濃度のＺｎ，Ｐ，ＡｌやＴｉを添加した厚さ８〜１０μｍのＳｎめっき膜を施し、ＸＰＳ分析（Ｘ線光電子分光法）により表面酸化物の種類を、ＡＥＳ深さ方向分析（オージェ電子分光法）から酸化膜の厚さを調査した。またそれぞれの試料をコネクタと嵌合し、２週間室温放置後、コネクタから外し、嵌合部をＳＥＭ観察し１０μｍ以上のウィスカのウィスカ発生頻度を計測した。

表１にそれぞれのデータを示す。

表面酸化膜がＳｎ酸化物のみからなる試料Ｎｏ．１と比較して、Ｚｎ酸化物からなる試料Ｎｏ．２〜５，Ｓｎ酸化物とＰ酸化物の混合からなる試料Ｎｏ．６，Ａｌ酸化物からなる試料Ｎｏ．７，Ｔｉ酸化物からなる試料Ｎｏ．８は、ウィスカ発生頻度を低減させることができた。

このように表面をＳｎ酸化物のみからなる場合と比較して、Ｓｎ以外の元素の酸化物あるいはＳｎ酸化物とＳｎ以外の元素の酸化物の混合とすることで、ウィスカ発生頻度を抑制できることを確認した。

また試料５の結果から、表面酸化膜をＳｎ以外の元素の酸化物としても、その厚さが厚い場合にはウィスカ抑制効果が得られないことが分かった。したがって、表面酸化膜は５ｎｍ以下好ましくは３ｎｍ以下とすることが望ましい。

Ｚｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉはどちらも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。

Ｚｎ添加の方法としては、特許文献２に開示されているように、Ｓｎめっきの周囲にＺｎのめっきを施し、熱処理する方法がある。このときＺｎめっきの厚さを変化させることで、表面酸化膜の厚さを変化させることができる。

（実施例）
Φ０．６ｍｍのＣｕ線の周囲に電気めっきにより厚さ５μｍのＳｎめっき膜を施し、ついでその周囲にフラッシュめっきにより厚さ０．５μｍＺｎを施した。その後、冷間伸線・圧延工程を経て厚さ０．０５ｍｍ、幅０．３ｍｍの平角線を作製した。ついで通電アニーラを使用してリフロー処理を施した。

最後にこれら導体を５０本、０．５ｍｍピッチで並行に配列し、その両面を、片面にポリエステル系接着剤層を有するポリエステルフィルムでラミネートし、ＦＦＣを作製した。

（従来例）
Φ０．６ｍｍのＣｕ線の周囲に電気めっきにより厚さ５μｍのＳｎめっき膜を施した。その後、冷間伸線・圧延工程を経て厚さ０．０５μｍ、幅０．３ｍｍの平角線を作製した。その後の工程は実施例と全く同じ条件でＦＦＣを作製した。

実施例及び従来例で作製したＦＦＣ端子部におけるＳｎめっき導体のＸＰＳを実施し、その表面酸化膜分析結果を図４、図５に示す。

図４はＳｎのＸＰＳ分析を示し、実施例及び従来例とも結合エネルギー（Ｂｉｎｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ）４８６、４８７ｅＶで、Ｘ線強度（ｋＣＰＳ）のピークがみられ、ＳｎＯ、ＳｎＯ₂ が形成されていることが認められた。

またＺｎについては、図５に示すように、実施例では、結合エネルギー２６２ｅＶで、Ｘ線強度のピークがみられ、ＺｎＯが形成されていることが認められたが、従来例ではＺｎのピークは認められなかった。

よって、従来例では表面酸化膜は、Ｓｎ酸化物のみから構成されているが、実施例ではＳｎ酸化物とＺｎ酸化物の混合で構成されていることが判る。

次に、実施例及び従来例で作製したＦＦＣ端子部におけるＳｎめっき導体のＡＥＳ深さ方向分析結果を図６（ａ）、図６（ｂ）に示す。

図６（ａ）の実施例と、図６（ｂ）の従来例とを比較すると、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｏ、Ｃの深さ方向の分布はほぼ同じであるが、実施例においては、深さ５ｎｍまでにＺｎ濃度のピークが認められる。

次いで、実施例及び従来例のＦＦＣをコネクタと嵌合し、２５０ｈｒ室温放置した。その後、ＦＦＣをコネクタから外し、嵌合部をＳＥＭ観察することにより１μｍ以上のウィスカ発生頻度を計測した。ＸＰＳ分析結果及びＡＥＳ深さ方向分析から得られた酸化膜厚さとともにウィスカ発生頻度を表２に示す。

このように本発明の実施例は、従来例と比較しウィスカ発生頻度を２２％から７．６％と、約１／３にまで低減することを確認した。

さらに、熱処理による導体表面酸化の進行度合いを比較するため、実施例及び従来例で作製したＦＦＣを１５０℃で２４ｈｒの熱処理を施した。その後、ＦＦＣ端子部におけるＳｎめっきのＡＥＳ深さ方向分析を実施した。その結果を図７（ａ）、図７（ｂ）に示す。

図７（ｂ）の従来例では、初期状態の図６（ｂ）と比較して、初期状態ではＯ原子は、５ｎｍ以下にピークがあったが、熱処理によってＯ原子が１０ｎｍ以上の内部まで侵入し、酸化膜が厚く成長している。これに対して、図７（ａ）の本発明の実施例では、初期状態で、Ｏ原子の５ｎｍ以下にあるピークは、熱処理でもほぼ変わらず、Ｏ原子の侵入深さが初期状態と比較して差がそれほど見られない。

このことから本発明の実施例では、通常ＦＦＣが使用される環境において、表面酸化膜がほとんど成長せず、良好なウィスカ特性・接触抵抗特性を維持することができることが確認できた。

本発明の一実施の形態を示す模式図である。 コネクタとＦＦＣの嵌合例を示す斜視図である。 コネクタとＦＦＣの嵌合で、ウイスカが発生し隣接配線間を短絡する様子を説明した拡大斜視図である。 本発明の実施例と従来例によるＳｎの表面酸化膜の同定のためのＸＰＳ分析結果を示す図である。 本発明の実施例と従来例によるＺｎの表面酸化膜の同定のためのＸＰＳ分析結果を示す図である。 本発明の実施例と従来例による表面酸化膜、Ｓｎめっき膜のＡＥＳ深さ方向の分析結果を示す図である。 本発明の実施例と従来例による導体を１５０℃、２４ｈｒ熱処理した後の表面酸化膜、Ｓｎめっき膜のＡＥＳ深さ方向の分析結果を示す図である。

符号の説明

１１ コネクタ
１２ コネクタピン
１３ ＦＦＣ
１４ 導体
１５ Ｓｎめっき膜
１６ａ、１６ｂ 表面酸化膜
２１ ウィスカ

Claims (8)

1. フレキシブルフラットケーブルやフレキシブルプリント基板内部に配設される導体において、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる導体の表面にＳｎ又はＳｎ合金めっき膜が形成され、そのめっき膜の表面酸化膜が、Ｓｎ酸化物とＳｎ以外の元素の酸化物の混合からなることを特徴とするフレキシブル基板用導体。
2. 上記Ｓｎ以外の元素が、Ｓｎよりも酸化傾向が高い元素である請求項１に記載のフレキシブル基板用導体。
3. 上記Ｓｎ以外の元素が、Ｚｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉのうちから選ばれる少なくとも１種以上の元素である請求項１又は２に記載のフレキシブル基板用導体。
4. 上記Ｓｎ酸化物とＳｎ以外の元素の酸化物の混合酸化物による表面酸化膜厚さが、５ｎｍ以下である請求項１乃至３に記載のフレキシブル基板用導体。
5. フレキシブルフラットケーブルやフレキシブルプリント基板内部に配設される導体の製造方法において、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる導体の表面にＳｎ又はＳｎ合金めっき膜を形成すると共にその表面にＺｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉのうちから選ばれる少なくとも１種以上の元素のめっき膜を形成し、その後リフロー処理により、表面酸化膜を、Ｓｎ酸化物とこれら選択した元素の酸化物の混合としたことを特徴とするフレキシブル基板用導体の製造方法。
6. フレキシブルフラットケーブルやフレキシブルプリント基板内部に配設される導体の製造方法において、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる導体の表面に、Ｚｎ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉのうちから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含むＳｎ又はＳｎ合金めっき膜を形成し、その後リフロー処理により、表面酸化膜を、Ｓｎ酸化物とこれら選択した元素の酸化物の混合としたことを特徴とするフレキシブル基板用導体の製造方法。
7. 請求項１〜４いずれかに記載のフレキシブル基板用導体を、複数本並行に配列してなる導体群の両面に、絶縁層を設けたことを特徴とするフレキシブル基板。
8. 上記絶縁層を、片面に接着層を有する樹脂フィルム材で構成した請求項７に記載のフレキシブル基板。

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