JP5119591B2 - フラットケーブルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器などに用いられる多心のフラットケーブル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は、可撓性の回路基板や平型導体を用いたフラットケーブル、また、これらの接続に用いられる電気コネクタ等がある。これらの配線部材は、多数の電気導体が高密度に配され互いに電気的に絶縁されるとともに、良好な電気接続の保証が求められている。

これらの配線部材の電気導体には、通常、導電率がよく、延性に富み、適度な強度を有し、他の金属によるコーティングが容易である銅が用いられる。この銅を用いた配線部材には、一般に、耐腐食性、半田付け性を目的として錫メッキが施されている。錫メッキは、通常、電気メッキにより形成されるが、この電気錫メッキの表面に針状結晶体（以下、ウィスカという）が発生することが知られている。

特に、銅系の金属材料に錫メッキをすると、銅原子が錫メッキ膜中に拡散して、銅−錫金属間化合物を作る。この金属間化合物は、錫と結晶構造が異なり、格子間距離に歪ができるため、錫メッキ膜中に圧縮応力が生じる。この圧縮応力がウィスカ成長の駆動力となるので、銅系材料上に錫メッキを施した場合は、ウィスカが発生しやすいとも言われている。このウィスカは、導体間を電気的に短絡する原因となるため、今までに種々の改善策が提案されている。

例えば、特許文献１には、錫メッキ導体を圧延または伸線した後に、温度２３２℃〜３５０℃で０．５秒〜３秒熱処理することにより、フラットケーブルにおけるウィスカの発生を抑えることが示されている。また、特許文献２には、ウィスカの発生を抑えるために、錫メッキ材を１８０℃〜錫の融点温度の範囲内の所定温度まで昇温速度５〜１００℃／秒で急速加熱し、該所定温度に１８０秒以内の間保持して熱処理することが示されている。

特開２００１−７３１８６号公報 特公昭６２−３２３９号公報

ところで、銅導体からなる平角導体を備えたフレキシブルなフラットケーブルを製造するためには、圧延した平角導体を熱処理して軟化させて良好な可撓性を確保する必要があり、このため、平角導体に通電してジュール熱を発生させて加熱する通電アニールを行っている。
しかし、この通電アニールは、温度を細かく制御することができないため、銅導体に形成された錫メッキが溶け出して長さ方向に移動してしまい、錫メッキの厚さにばらつきが生じてしまう。

そして、このように錫メッキの厚さにばらつきが生じると、特許文献１，２のようなウィスカの低減のための熱処理を行ったとしても、錫メッキの厚さが厚くなった部分にコネクタ端子が当たることにより、ウィスカが成長して短絡が発生するなどの不具合が生じてしまい、また、錫メッキの厚さが薄くなった部分では、コネクタ端子との接続信頼性が低下してしまう。

例えば、特許文献１に記載の熱処理では、錫の融点以上で加熱を行うために溶融した錫が移動して錫メッキの厚さにばらつきが生じやすい。
また、特許文献２に記載の熱処理は、基材の銅を軟化させるものではなく、良好な可撓性を有するフラットケーブルの導体を形成する際の熱処理として適していない。

そこで、本発明の目的は、十分な可撓性を得つつウィスカの発生を防止して高い接続信頼性が確保されたフラットケーブルを製造する製造方法を提供することにある。

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の製造方法は、平角導体を複数本平面上に配列して絶縁樹脂フィルムで被覆してフラットケーブルを製造する方法であって、銅を基材としてその上に０．２μｍ以上１．０μｍ以下の厚さで錫をメッキした前記平角導体を、１８０℃以上かつ錫の融点未満の温度で少なくとも５分外部から熱を加えることにより加熱して軟化させて巻き取り、巻き取られた前記平角導体を送り出して一平面上に配列して前記絶縁樹脂フィルムで被覆することを特徴としている。

本発明によれば、０．２μｍ以上１．０μｍ以下の厚さの錫メッキが施された平角導体を１８０℃以上かつ錫の融点以下にて熱処理することにより、メッキした錫が溶融せず錫メッキの厚さを均一に維持してウィスカを発生しにくくし、なおかつ平角導体を十分に軟化させて良好な可撓性を得ることができる。これにより、ウィスカの発生が防止されるとともに高い接続信頼性を有するフラットケーブルを得ることができる。

以下、本発明に係るフラットケーブル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は本発明により製造されたフラットケーブルの構造を示す斜視図であり、図２はフラットケーブルを構成する導体の断面図である。

図１に示すように、フラットケーブル（フレキシブルフラットケーブル）１は、複数本の平角導体２を備え、これら平角導体２を平面上に配列して絶縁樹脂のフィルム３で被覆した構造とされている。

図２に示すように、平角導体２は、断面長方形に形成された銅基材１１上に錫メッキ層１２が積層された構造とされている。本実施形態では、銅基材１１の外周全域に錫メッキ層１２が形成されている。銅基材１１としては、銅または銅合金が用いられ、錫メッキ層１２が施された電気接続部分には、電気コネクタの弾性コンタクト片を押し付けるようにして挿抜可能に電気接続されるか、あるいは半田により固定的に電気接続される。

本実施形態では、銅基材１１の電気接続部分における錫メッキ層１２の厚さが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であるように形成されている。錫メッキ層１２の厚さは、例えば、電解式膜厚計で測定できる。錫メッキ層１２の厚さが０．２μｍ未満では銅基材１１に対してメッキされない部分が生じやすく、半田濡れ性や耐食性が損なわれる可能性があり、１．０μｍを超えると、錫の量が多くなってウィスカが発生しやすい。すなわち、錫メッキ層１２の厚さを所定値以下にすることにより、ウィスカの発生を低減させることができる。

次に、上記構造のフラットケーブル１を製造する製造方法について、その手順に沿って説明する。
図３に示すように、銅を基材とした断面円形の丸銅線からなる銅基材１１に錫をメッキして錫メッキ層１２を形成し、この錫メッキ銅線２ａを所定の径に伸線する。
なお、錫メッキ層１２は、伸線してさらに後述の圧延後における厚さが０．２μｍ以上１．０μｍ以下となるような厚さに形成しておく。

次いで、この伸線した錫メッキ銅線２ａを、図４に示すように、圧延ローラ２１，２２間に通すことにより圧延する。これにより、銅基材１１の表面に厚さが０．２μｍ以上１．０μｍ以下である錫メッキ層１２が形成された断面長方形の平角導体２を形成する。

上記のようにして平角導体２を形成したら、図５に示すように、平角導体２をリール２３から送り出し、その軸方向に走行させて円筒状のチューブヒータ２４内を通過させてリール２５に巻き取らせる。
ここで、平角導体２を通過させるチューブヒータ２４内の空間は、１８０℃以上かつ錫の融点以下の温度としておく。

これにより、このチューブヒータ２４によって１８０℃以上かつ錫の融点以下の温度で加熱された平角導体２は、その銅基材１１が熱処理されて軟化される。
ここで、この銅基材１１の軟化は、熱処理後における銅の伸びによって定義され、その伸び率は１５％以上である。
なお、平角導体２の加熱は、チューブヒータ２４によらず、例えば、平角導体２のパスライン付近に配置したヒータによって加熱しても良い。あるいは、図６に示すように、金属製ボビン３０に平角導体２を巻いた状態で、恒温槽３２内にて、バッチ方式で加熱しても良い。

ここで、平角導体２の熱処理温度が１８０℃未満では、銅基材１１の十分な軟化が行われず、良好な可撓性が得られない。
また、平角導体２の熱処理温度が錫の融点より高いと、錫メッキ層１２の錫が溶融し、長さ方向に移動してしまい、錫だまりが生じて錫メッキ層１２の厚さにばらつきが生じてしまう。
そして、このように錫メッキ層１２の厚さにばらつきが生じると、厚さが厚くなった部分にコネクタ端子が当たることにより、ウィスカが成長してショートなどの不具合が生じてしまい、また、厚さが薄くなった部分では、コネクタ端子との接続信頼性が低下してしまう。

これに対して、本実施形態では、平角導体２の熱処理温度を、１８０℃以上かつ錫の融点以下とすることにより、十分な可撓性を得つつウィスカの発生の防止及び高い接続信頼性を確保することができる。

上記のようにして、平角導体２に熱処理を施したら、図７に示すように、それぞれ平角導体２が巻き取られている複数のリール２５から平角導体２を送り出して同一平面上に配列する。そして、これら平角導体２の上下に、リール２６から絶縁樹脂のフィルム３を送り出してヒータローラ２８間に通し、巻き取りローラ２９に巻き取る。フィルム３には、互いの対向面に接着剤が塗布されている。つまり、ヒータローラ２８を通過することにより、フィルム３の接着剤が溶融し、平面上に配列された複数本の平角導体２には、表裏からフィルム３が接着剤によって貼り合わされ、これら平角導体２が平面上に配列されて絶縁樹脂で被覆されたフレキシブルなフラットケーブル１が形成される。

フラットケーブル１においては、平角導体２の並列ピッチが広い場合にはウィスカによる不具合が起こりにくいが、並列ピッチが狭くになるほどウィスカによる不具合が顕在化する。
しかし、本実施形態では、前述したように、平角導体２の熱処理温度を、１８０℃以上かつ錫の融点以下とすることにより、良好な可撓性を得つつウィスカの発生を防止するので、平角導体２の間隔が０．５ｍｍ以下の狭ピッチなフラットケーブルを製造する場合にも大きな効果を奏することができる。

表１は、上述した実施形態に基づいた実施例と、従来技術に係る比較例についての評価結果を示したものである。

実施例及び比較例では、両者とも０．４μｍの厚さの錫メッキ層を形成し、実施例では、平角導体を１８０℃以上かつ錫の融点以下の範囲に収まる２１０℃にて５分加熱して熱処理を施した。これに対して、比較例では、平角導体を通電アニールによりジュール熱を発生させて加熱させた。

各試料の評価は、錫メッキ層の外観、熱処理後における銅の伸び率、ウィスカの発生率、最長ウィスカ長さ、高温高湿度環境下に放置後の接触抵抗の振れで行なった。ウィスカ発生率は、鉛フリーの電気コネクタに嵌合させ、室温に５００時間放置後に、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）でコンタクトピンの表面を観察したときにウィスカの発生が観察されたコンタクトピンの数を観測コンタクトピン数（２００ピン）で割った値である。また、併せて最長ウィスカ長さも観測した。

また、高温高湿度環境下における放置後の接続信頼性は、まず、平角導体の両端に鉛フリーコネクタを嵌合させ、これらコネクタの端子を半田で接続して回路を直列に繋ぎ、この状態にて、温度６０℃、相対湿度９５％の環境下において５００時間放置した後、コネクタ部分を軽くたたいてから接触抵抗値を測定することにより評価した。抵抗値の振れが１００ｍΩ未満を良、抵抗値の振れが１００ｍΩ以上を不良とし、表１ではそれぞれ○，×で示した。

表１に示すように、比較例では、錫メッキ層における錫だまりがあった。つまり、比較例では、通電アニールによるジュール熱で錫メッキが溶け出して長さ方向に移動したために錫だまりが形成された。
これに対して、実施例では、錫だまりがなかった。錫の融点以下である２１０℃による熱処理を行ったため、錫メッキが溶け出して錫だまりが形成されるようなことがなかった。

銅の伸び率は、比較例では２５％、実施例では２４％であり、実施例における熱処理を行った場合も、十分に銅を軟化させることができた。

また、比較例では、ウィスカ発生率が１０％で最大ウィスカ長さが７０μｍであった。
これに対して、実施例では、ウィスカ発生率が３％で最大ウィスカ長さが１０μｍであり、ウィスカ発生率が抑えられ、またウィスカの長さも短くなった。これは、実施例では、ウィスカの発生要因となる錫だまりが形成されなかったためである。

また、表１に示すように、高温高湿度環境下における５００時間の放置後の接続信頼性については、比較例では、抵抗値の振れが１００ｍΩ以上となり、電気接続が不安定となり信頼性が低いといえる。
これに対して、実施例では、抵抗値の振れが１００ｍΩ未満であり、安定した電気接続状態が得られ、高い信頼性が得られることがわかった。

本実施形態の製造方法によって製造するフラットケーブルの構造を示す斜視図である。 フラットケーブルを構成する平角導体の断面図である。 本実施形態の製造方法に使用される丸銅線の斜視図である。 本実施形態の製造方法における丸銅線を圧延する工程を示す斜視図である。 本実施形態の製造方法における平角導体を熱処理する工程を示す斜視図である。 本実施形態の製造方法における平角導体を熱処理する工程を示す模式図である。 本実施形態の製造方法における平角導体とフィルムとの一体化の工程を示す装置の概略構成図である。

符号の説明

１ フラットケーブル
２ 平角導体
３ 絶縁樹脂
１１ 銅基材
１２ 錫メッキ層

Claims (1)

1. 平角導体を複数本平面上に配列して絶縁樹脂フィルムで被覆してフラットケーブルを製造する方法であって、
   銅を基材としてその上に０．２μｍ以上１．０μｍ以下の厚さで錫をメッキした前記平角導体を、１８０℃以上かつ錫の融点未満の温度で少なくとも５分外部から熱を加えることにより加熱して軟化させて巻き取り、巻き取られた前記平角導体を送り出して一平面上に配列して前記絶縁樹脂フィルムで被覆することを特徴とするフラットケーブルの製造方法。

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