JP5289753B2 - 異形ダイスおよびそれを用いて製造した極細異形線 - Google Patents

Description

本発明は、極細の異形線を製造するためのダイヤモンドからなる異形ダイス並びにそれを用いて製造した極細異形線に関するものである。

電子機器等の小型化や軽量化に伴い、搭載される配線材料も小型化が進んでいる。このため限られたスペースに収まると共にその可とう性も要求される。例えば、平角状の導体を複数本平面状に並べ、これをテープ状の絶縁体材料によって両側からラミネートしたフレキシブルフラットケーブル（以下、ＦＦＣ）が使用されている。このようなＦＦＣ用の平角導体は、半田付性等の関係から寸法精度等に優れていることが要求される。また、断面が角型の導体は巻線にした時にスペースファクターが取れるので、丸線に比較して効率が良いので携帯電話や小型の電気機器等に好ましいとされている。このために、一片の長さが０．５ｍｍ以下の極細線を安定して製造するための提案がなされている。例えば、特許文献１では焼結ダイヤモンドダイスのベアリング部を、０．１ｍｍ未満の正面形状が正方形に加工したダイヤモンドダイスが提案されている。このようなダイヤモンドダイスを用いることによって、超極細線の巻線を断線し難く高精度で製造でき、また、ダイスの寿命も長くすることができるとしている。しかしながら、ここに記載される加工方法では磨耗がより少ない天然ダイヤモンドダイスには応用が困難であり、また、得られた異形ダイスは寸法精度の高いものではなかった。さらに、本発明者等による特許文献２には、極細線用の伸線ダイスとして伸線ダイスのベアリング部を集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により寸法精度を向上させることが記載されている。しかしながら、この技術を異形ダイスの製造に適用することはなされておらず、また精度良く異形ダイスが製造できるかも不明である。
特開２００５−２５４３１１号公報 特開２００５−２５４３０２号公報

よって本発明が解決しようとする課題は、ダイヤモンドダイスを用いた対角線の長さが１０００μｍ以下であるか或いは多角形の一辺の長さが５００μｍ以下であって、寸法精度に優れた断面が星形形状或いは多角形状の異形ダイスを提供すること。そしてこの異形ダイスを用いて、寸法精度に優れた断面が星形或いは多角形の極細異形線を提供することにある。

前記解決しようとする課題は、請求項１に記載するように、天然ダイヤモンドからなる穴部が円形のダイスのベアリング部を、対角線の長さが１０００μｍ以下或いは多角形の一辺の長さが５００μｍ以下であって、断面が星形或いは多角形に加工された異形ダイスとすることによって、解決される。また、請求項２に記載するように、断面形状が正方形の異形ダイスであって、前記ベアリング部の長さが前記正方形の一辺の長さの１００〜３００％であるように加工した異形ダイスとすることによって、解決される。

また、請求項３に記載するように、前記異形ダイスのベアリング部を集束イオンビーム（以下、ＦＩＢ）を用いて加工した異形ダイスとすることよって、解決される。

さらに、請求項４に記載するように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の異形ダイスを用いて伸線加工された極細異形線とすることによって、解決される。

以上のような本発明によれば、穴部が円形のダイヤモンド、好ましくは天然ダイヤモンドダイスのベアリング部を、最長の対角線の長さ（星形の場合は尖がった部分までの間）を１０００μｍ以下に、或いは多角形の一辺の長さが５００μｍ以下であって、断面が星形或いは多角形に加工された異形ダイスとすることによって、断面が星形や多角形の極細異形線を製造するための異形ダイスを寸法精度良く得ることができる。特に、天然ダイヤモンドを使用した異形ダイスは、従来の焼結ダイヤモンドを用いた異形ダイスに比較して伸線加工時の耐摩耗性をより向上させることができる。また、このような異形ダイスを用いることによって、長く伸線加工を行っても形状変化が少ない極細異形線を得ることができる。また、ベアリング部の長さが前記正方形の一辺の長さの１００〜３００％の範囲で加工して製造した異形ダイスは、穴部の角部のラウンド（Ｒ）をより精度良く加工することが可能となる。具体的には、Ｒを０．８μｍ以下にすることができる。

また、前記異形ダイスのベアリング部をＦＩＢを用いて加工することによって、断面が星形や多角形の穴部を寸法精度よく製造できる。その形状が正方形、長方形、五角形、六角形等の多角形の一辺の長さが１０〜５００μｍの多角形、或いは星形や多角形であって対角線の長さが１０〜１０００μｍのダイヤモンドからなる異形ダイスを得ることが可能となる。また、異形ダイスの穴部は寸法精度に優れ、また、角部のＲ値も０．８〜０．４μｍと非常に小さい異形ダイスが得られる。

前述した断面形状が星形や多角形の穴部を有する異形ダイスを用いて伸線加工を行うことによって、得られた極細の異形線はその寸法精度に優れた極細異形線であり、小型の電子機器類用に有用な極細異形線である。

以下に本発明を詳細に説明する。請求項１に記載する発明は、ダイヤモンドからなる穴部が円形のダイスのベアリング部を、対角線の長さが１０００μｍ以下或いは多角形の一辺の長さが５００μｍ以下であって、断面が多角形或いは星形に加工された異形ダイスである。なお、特に星形の場合の対角線の長さは、星形の尖がった部分間の長さ指すものとする。そして、請求項２に記載するように、前記ダイヤモンドは天然ダイヤモンドが好ましい。以下に、天然ダイヤモンドを用いた穴部の断面が多角形の異形ダイスについて、図１に記載した概略図によって説明する。図１（ａ）は、本発明の天然ダイヤモンドからなる異形ダイス１の縦断面図である。このダイスには→の方向から順次、ベル部、アプローチ部、リダクション部、ベアリング部２、バックリリーフ部、エキジット部の名称が付されているが、前記各部分は連続しているので明確には記載できないのでベアリング部以外は図示していない。符号２は異形ダイス１のベアリング部を示している。直線部分として示される部分で、その径を符号Ｄとした。この異形ダイス１は、元々はその穴部３の形状が円形のものである。本発明では、ベアリング部２の部分のみを、星形或いは多角形の対角線の長さが１０００μｍ以下、或いは多角形の一辺の長さが５００μｍ以下で断面が星形や多角形に加工される。このようにベアリング部２のみを断面が多角形に加工することによって、対角線の長さが１０００μｍ以下の星形や多角形、或いは多角形の一辺が５００μｍ以下で最小１０μｍ程度までの穴部を有する異形ダイス１とすることができる。具体的には、後述するＦＩＢ装置を用いて加工される。このような異形ダイス１を用いることによって、ステンレス線、銅合金線やめっき銅合金の極細異形線を、角部のＲが非常に小さな極細異形線として製造できることになる。図１（ｂ）は、図１（ａ）の横断面図で、図１（ａ）と略対応するように記載してある。図からベアリング部２のみが断面を略正方形に加工されていることが判る。また、図１（ｃ）は、断面が略正方形の穴部３を有する異形ダイス１の加工後の模式図である。この図から判るように、断面を正方形に加工するのはベアリング部２のみであるから、断面が正方形の角の部分は他の部分に比べて長くなっていることが判る。また図１（ｄ）には、穴部３の断面が星形形状、すなわち２４個の微小な突起が加工された異形ダイスの断面図を示した。

以上の天然ダイヤモンド異形ダイス１は、天然ダイヤモンドを加工して製造されたことにより焼結ダイヤモンドダイスに比べて長寿命であり、また、寸法精度に優れたものであるから長く伸線加工しても形状変化が小さい極細異形線を安定して製造することができる。すなわち、径が１０〜１０００μｍ程度の断面が星形や多角形、或いは一辺が１０〜５００μｍ程度の断面が多角形の極細異形線を確実に製造することができる。例えば、ＦＦＣ用の平角導体、携帯電話や小型の電気機器等の極細導体として好ましいものである。また、伸線加工においては減面率が高くなるほど異形ダイスの穴の角部のＲが小さくなり、寸法精度が向上した極細線を得ることができることが判った。例えば、Φが２６μｍ、２７μｍ、２８μｍおよび２９μｍの銀めっき銅合金（３質量％銀入り銅合金）線を用い、減面率を変えて伸線した結果を、減面率と極細平角線の角部のＲの関係を示した図面として第２図に示す。この図から明らかなように、減面率が大きくなるほどダイス穴部の角部のＲは小さくなり、得られる極細異形線の断面形状は異形ダイスの形状と良く一致した、すなわち、異形ダイスの形状をより正確に転写されるようにすることができることになる。ただし、高減面率になると引抜き力／破断力が高くなり断線の可能性が高くなるので、好適な減面率を選択する必要があることも判る。

なお、請求項２に記載するように、断面形状が正方形の異形ダイスであって、ベアリング部の長さが前記正方形の一辺の長さの１００〜３００％であるように加工された異形ダイスとすることにより、伸線加工時の引抜力を小さくできると共に多角形の角部のラウンド（Ｒ）をより精度良く加工することが可能となる。具体的には、角部のＲを０．８μｍ以下にすることができる。このようなベアリング部の長さであれば、極細異形線を伸線加工した場合に、断線等を少なくすることができるので好ましい。また、このような構造の天然ダイヤモンド異形ダイスを用いることにより、得られる極細異形線の寸法精度が向上するので、小型の電子機器類へ適用した場合に有用である。

また、請求項３に記載するように、前記異形ダイスのベアリング部はＦＩＢを用いて加工される。本発明者等は、ＦＩＢ装置は細く絞ったＦＩＢが得られることから微小領域に対して対応できるので、これを極細異形線用の伸線ダイスの加工方法について検討している。そして、ＦＩＢが天然ダイヤモンドダイスの加工に使用可能かを検討した結果、従来の穴部が円形のダイヤモンドダイスのベアリング部のみを、対角線の長さが１０００μｍ以下、或いは多角形の一辺の長さが５００μｍ以下である断面が星形や多角形の異形ダイスに加工できることを確認した。ＦＩＢは、イオン源として輝度の高いガリウム（Ｇａ）の液体金属が使用され、放出されたイオンは集束レンズと対物レンズ等により試料に集束されるようになっている。このような微細加工が可能なＦＩＢ技術によって、寸法精度の高い極細線用の天然ダイヤモンドの異形ダイスが得られることを確認した。具体的には、天然ダイヤモンドダイスのベアリング部が垂直になるように配置し、上部からＦＩＢ装置によってＦＩＢをダイス軸に対して平行に照射することによって加工できる。通常、５〜１０ｎｍ程度のビーム径のＦＩＢを照射することができるため、寸法精度良く異形ダイスを加工することが可能である。なお、ＦＩＢ装置からダイスの位置までの距離は、１０ｍｍ程度までとするのが好ましい。このように、穴部が円形の天然ダイヤモンドの異形ダイスを、対角線の長さが１０〜１０００μｍ以下の断面が星形や多角形、或いは一辺の長さが１０〜５００μｍ以下である多角形に加工された異形ダイスを得ることができる。なお、以上のＦＩＢの加工精度からすると、一辺の長さが１０μｍ未満の断面が多角形の天然ダイヤモンドからなる異形ダイスの製造も可能と思われる。

前記ＦＩＢによる加工条件は、必要な電流密度で粗加工処理をを行った後に、仕上加工を行う製造方法とするのが好ましい。一例で説明すると、天然ダイヤモンドダイス（Φ２０μｍ）をダイヤモンドダイスのバックリリーフ側からベアリング部のみをＦＩＢによって一辺が２２μｍの断面が正方形の異形ダイスに加工する実験を行った結果から得られたものである。すなわち、最初に１４ｍＡ／ｃｍ^２で３時間の粗加工、ついで、５．２ｍＡ／ｃｍ^２で５時間の加工処理を行い、最後に１．３ｍＡ／ｃｍ^２で５時間の仕上加工を施して製造したところ、この天然ダイヤモンドダイスを用いて製造した断面多角形の極細線は、十分に満足できる寸法精度のものであったためである。図３に、ＦＩＢの電流密度とエッチングレート（粗加工+仕上加工）の関係を、一辺が１０μｍの断面正方形の異形ダイスを得るために、電流密度を変化させた時の関係を示した。１．３ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度においては加工表面が粗くなることがなく、５．５μｍ／ｈｏｕｒのエッチングレートとなった。これは、加工領域が数十μｍ程度のものであれば、ＦＩＢによって天然ダイヤモンドダイスを異形に加工することが十分可能であることを示すものである。

そして、請求項４に記載するように、請求項１〜３のいずれかに記載の異形ダイスを用いて伸線加工された極細異形線は、その寸法精度が優れた極細異形線であり小型の電子機器類用に有用な極細異形線である。具体的には、その径が１０〜１０００μｍ程度の断面が星形形状や多角形状（三角形、正方形、長方形、五角形、六角形等）、或いは一辺が１０〜５００μｍ程度の断面が多角形状（三角形、正方形、長方形、五角形、六角形等）の極細異形線である。このような極細異形線が得られるのは、前述したような寸法精度に優れた断面が異形のダイスを得られるようになったためである。

以下に実験例を記載して、本発明の効果を述べる。円形の穴部を有する天然ダイヤモンドを用いて、穴部一辺が１００μｍの正方形の穴部の異形ダイスを作製するに当たり、ベアリング部の長さを前記正方形一辺の長さに対して、５０％、１００％、２００％、３００％および４００％の長さとなるようにＦＩＢ加工を行って試料を作製した。この試料を用いて銅極細異形線を製造し、その際の引抜き力／破断力（％）および得られた異形線の角部のＲ値を測定した。結果を表１に示した。

つぎに、一辺が１００μｍの穴部を有する天然ダイヤモンドの異形ダイスを用いて、伸線加工を２回行った。すなわち、Φ０．１１２の丸銅線を一辺が１００μｍの極細平角銅線に伸線したものである。伸線長は１００ｋｍである。その際、前記異形ダイスの角部のＲ値を、伸線前と伸線後で比較した。結果を表２に記載した。

表１から明らかなように、実験例１〜５のベアリング部の長さ（正方形の一辺の長さに対するベアリング部の長さの割合で示した）が１００〜３００％の範囲であれば、引抜力／破断力（％）が４０〜７０と実用的な範囲であり、また得られた極細異形線の角部のＲ値を０．８〜０．４μｍと非常に小さくすることができる。なお、実験例５は角部のＲ値は小さいが、引抜力／破断力が９０％と大きいので避けるべきである。

また、表２に記載した実験例６および７から明らかなように、１００ｋｍの伸線加工後の異形ダイスの角部のＲ値が初期値に対して倍の値となっていた。これは、焼結ダイヤモンドを用いた異形ダイスに比較して６倍以上の耐摩耗性を有するものである。このことは、断面が多角形の極細線を伸線加工するのに十分実用的であることが判った。

本発明の異形ダイスは、ダイヤモンドからなりその寸法精度も優れているので、極細の異形線を効率よく安定して製造することができる。そのため、得られた極細の異形線はＦＦＣ用の平角導体、携帯電話や小型の電子機器等用として好ましいものである。

（ａ）本発明の天然ダイヤモンド異形ダイスの概略を示す縦断面図、（ｂ）前記の横断面図、（ｃ）前記ダイスのベアリング部とリダクション部を示す概略図面、（ｄ）星形断面形状を示す図面である。 減面率と角部のＲ、引抜力／破断力の関係を示すグラフ。 ＦＩＢの電流密度とエッチングレートの関係を示すグラフ。

符号の説明

１ 異形ダイス
２ ベアリング部
３ 穴部

Claims (3)

1. 天然ダイヤモンドからなる穴部が円形のダイスのベアリング部を、対角線の長さが１０００μｍ以下或いは一辺の長さが５００μｍ以下であって、断面が正方形に加工されるとともに、前記ベアリング部の長さが前記正方形の一辺の長さの１００〜３００％であることを特徴とする異形ダイス。
2. 前記異形ダイスのベアリングは、集束イオンビームを用いて加工されたことを特徴とする請求項１記載の異形ダイス。
3. 請求項１または２に記載の異形ダイスを用いて伸線加工されたことを特徴とする極細異形線。