JP4956997B2

JP4956997B2 - フラットケーブル

Info

Publication number: JP4956997B2
Application number: JP2006000941A
Authority: JP
Inventors: 悟志宿島; 孝佳鯉沼
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-01-05
Also published as: US20080041611A1; US7482540B2; TW200842904A; JP2007184142A; TWI362046B

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、フラットケーブルを構成する平角導体として、錫−銅合金をメッキしたものを備え、メッキ層におけるウィスカの発生を抑制することが示されている。また、特許文献２には、電気・電子部品の接合部分に、錫−亜鉛合金をメッキ皮膜し、やはりウィスカの発生を抑制することが示されている。また、この他に、錫メッキの厚さが小さい方がウィスカを発生しやすいこと、錫に微量の鉛を添加することによりウィスカ発生を抑制できること、等についても知られている。

特開２００１−４３７４３号公報特開平１０−４６３８５号公報

上記特許文献１，２のように、錫−銅合金や錫−亜鉛合金をメッキすることにより、ある程度はウィスカを抑制することが可能であるが、挿抜タイプの電気コネクタを用いた接点部分では、メッキの表面が接触片から外部応力を受けることにより、特異的にウィスカが発生し易くなり、また、その長さも長くなる。したがって、この部分におけるウィスカによるショートという不具合を抑えるために、さらなるウィスカの抑制及びウィスカの長さの短縮を図ることが要求されている。

そこで、本発明の目的は、平面上に配列された複数の平角導体におけるウィスカの発生が確実に抑えられた接続信頼性の高いフラットケーブル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は、銅基材上に錫−銅合金層が形成され、その上に亜鉛を含む錫メッキ層が積層された平角導体が複数本平面上に配列されて絶縁樹脂で被覆されており、前記錫−銅合金層の厚さが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、亜鉛を含む前記錫メッキ層の厚さが０．２μｍ以上１．５μｍ以下であり、前記錫−銅合金層と亜鉛を含む前記錫メッキ層の合計の厚さが０．４μｍ以上１．７μｍ以下であることを特徴とする。

本発明に係るフラットケーブルにおいて、前記錫メッキ層における亜鉛の含有量が０．２％以上２０％以下であることが好ましい。

また、本発明に係るフラットケーブルにおいて、亜鉛を含む前記錫メッキ層にビスマスが２％以上４％以下含まれていることが好ましい。

本発明のフラットケーブルによれば、平角導体を構成する銅基材上に錫−銅合金層を形成し、その上に亜鉛を含む錫メッキ層を積層させたことで、ウィスカの実質的な発生源となる錫の量を少なくすることにより、鉛フリーでウィスカ発生を確実に低減することができ、また、そのウィスカの長さも短くすることができ、これにより、接続信頼性の大幅な向上を図ることができる。

以下、本発明に係るフラットケーブルの実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態のフラットケーブルの構造を示す斜視図、図２はフラットケーブルを構成する平角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でラミネートすることにより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、銅基材１１上に錫−銅合金層１２が形成され、さらに、その上に亜鉛を含む錫メッキ層１３が積層された構造とされている。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１３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、或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、銅導体１１の電気接続部分における錫−銅合金層１２の厚さが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、亜鉛を含む錫メッキ層１３の厚さが０．２μｍ以上１．５μｍ以下であるように形成されている。各層の厚さは、電解式膜厚計で測定することができる。すなわち、錫−銅合金層１２だけでなく、さらに、亜鉛を含む錫メッキ層１３を積層させたことにより、ウィスカの発生を確実に低減させることができる。
なお、錫−銅合金層１２の厚さが０．２μｍ未満では、接続信頼性が劣り、１．０μｍを超えると、ウィスカの発生の低減効果が確実に得られない。

また、錫メッキ層１３の厚さが０．２μｍ未満では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、１．５μｍを超えると、ウィスカが発生しやすい。すなわち、錫メッキ層１３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。

しかも、本実施形態では、錫メッキ層１３が亜鉛を含んでいるので、ウィスカの発生をさらに確実に低減させることができる。ここで、錫メッキ層１３における亜鉛の含有量が０．２％未満である場合は、ウィスカ抑止効果が小さくなり、２０％より多い場合は、耐食性が悪くなる。すなわち、錫メッキ層１３への亜鉛の含有量を０．２％以上２０％以下とすることにより、ウィスカの発生を確実に低減させることができる。

また、錫メッキ層１３に対して錫−銅合金層１２の割合を大きくすることで、実質的にウィスカの発生源となる錫メッキ層１３の割合を減らし、ウィスカの発生をより効果的に抑制することができる。なお、錫−銅合金層１２の割合を（錫−銅合金層１２の厚さ）／（錫メッキ層１３の厚さ＋錫−銅合金層１２の厚さ）とすると、これを５０％以上とすることが望ましい。なお、錫−銅合金層１２の厚さは、集束イオンビーム加工（ＦＩＢ）により断面を削り、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察を行なうことにより容易に測定することができる。

これらの条件により、錫−銅合金層１２と錫メッキ層１３の合計の厚さが０．４μｍ以上１．７μｍ以下であるように形成されている。

錫−銅合金層１２を形成する熱処理としては、例えば、銅基材１１に電気メッキにより錫メッキを施した後、２００℃〜１０００℃程度の加熱炉中を、０．０１秒〜３０秒程度の時間で通過させるインライン加熱方法を用いることができる。また、錫メッキが施された長尺の銅基材１１をボビンに巻き取り収納し、または絶縁フィルムでラミネートした後、恒温槽で所定温度と時間で熱処理するバッチ加熱方法等を用いてもよい。その他、銅導体１１に電流を通電して直接加熱する方法もある。錫−銅合金層１２の割合は、この加熱温度と加熱時間によって容易に設定または調整することができる。

また、本発明において、電気導体部品の電気接続部分を半田接続するような場合は、錫メッキ層１３の厚さが薄いため半田の濡れ性が低下することがある。このような場合は、亜鉛を含む錫にビスマスを添加してメッキすることにより、錫メッキ層１３に対する半田の濡れ性を改善することができる。これにより、通常行なわれているのと同様に、半田接続を容易に行なうことが可能となる。なお、錫メッキ層１３へのビスマスの添加量としては、２％以上４％以下であることが好ましい。ここで、錫メッキ層１３へのビスマスの添加量が２％未満である場合は、半田の濡れ性が不十分であり、４％より多い場合は、メッキが脆くなり、割れやすくなる。すなわち、錫メッキ層１３へのビスマスの含有量を２％以上４％以下とすることにより、ウィスカの発生を低減させつつ、半田の濡れ性を良好に改善することができる。

また、錫メッキ層１３を薄くすることにより、メッキ面に微細孔も生じやすい。このため、微細孔から水素や酸素が錫−銅合金層１２を介して銅導体１１面に浸入し、酸化、腐食を生じ接続の信頼性を低下させることが想定される。したがって、錫メッキ層１３の表面に封孔処理剤を塗布しておくのが好ましい。封孔処理剤としては、例えば、ベンゾトリアゾールなどの防錆剤を溶剤に溶かしたもの等を用いることができる。

表１は、上述した実施形態に基づいた実施例１〜３と、比較例１〜５についての評価結果を示したものである。各例は、複数本の平角導体を平行に並べたフラットケーブルの端末部を、補強プレートを用いてエッジコネクタ形状とし、ジャックコネクタに挿入される形態の試料導体とした。

全ての実施例及び比較例で、５重量％の亜鉛を含有させた錫メッキ層を形成し、実施例３の試料導体については、錫メッキ層に３重量％のビスマスを添加させた。また、全ての実施例と比較例１，２，４で、錫−銅合金層を形成した。錫−銅合金層は、錫メッキされた平角導体を熱処理により軟化する際に形成させる。

各試料導体の評価は、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続信頼性で行なった。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時間放置した後に、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）でコンタクトピン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。抵抗値が１００ｍΩ未満を良、抵抗値が１００ｍΩ以上を不良とし、表１ではそれぞれを○，×で示した。

表１に示すように、比較例１〜５で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見ると、比較例２，４，５では、抵抗値の振れが１００ｍΩ未満であったが、比較例１，３では、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。また、比較例２，４，５では、ウィスカ最長長さが７０〜９０μｍとなっており、好ましくない。

これに対して実施例１〜３は、何れも抵抗値の振れが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。実施例１〜３の各層の厚さは、錫−銅合金層の厚さが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、亜鉛を含む錫メッキ層の厚さが０．２μｍ以上１．５μｍ以下である。さらに、錫−銅合金層と亜鉛を含む錫メッキ層の合計の厚さが０．４μｍ以上１．７μｍ以下となっている。
そして、実施例１〜３のウィスカ発生率は最大で２０％、実施例１〜３のウィスカ最長長さは最大で４５μｍであり、何れも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ることがわかった。特に、実施例３のように錫メッキ層にビスマスを含有させることにより、より良好にウィスカの発生を抑え、長さを短くさせることができた。

本実施形態の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。

符号の説明

１フラットケーブル
２平角導体
３フィルム（絶縁樹脂）
１１銅基材
１２錫−銅合金層
１３錫メッキ層

Claims

銅基材上に錫−銅合金層が形成され、その上に亜鉛を含む錫メッキ層が積層された平角導体が複数本平面上に配列されて絶縁樹脂で被覆されており、
亜鉛を含む前記錫メッキ層にビスマスが２％以上４％以下含まれ、
前記錫−銅合金層の厚さが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であり、亜鉛を含む前記錫メッキ層の厚さが０．２μｍ以上１．５μｍ以下であり、前記錫−銅合金層と亜鉛を含む前記錫メッキ層の合計の厚さが０．４μｍ以上１．７μｍ以下であることを特徴とするフラットケーブル。
請求項１に記載のフラットケーブルであって、
前記錫メッキ層における亜鉛の含有量が０．２％以上２０％以下であることを特徴とするフラットケーブル。