JP5324322B2 - 接続方法、接続構造および電子機器 - Google Patents
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Description
接着剤としては、いわゆる異方導電性接着剤(ACF)を用いる。
上記有機膜を形成する処理は、一般的には、プリフラックス処理(OSP処理:Organic Solderability Preservation)と呼ばれている。
上記基材としては、プリント配線板の基材フィルム、電子部品の電極の下地部材などがある。被接続導体や被半田接続導体には、他のプリント配線板の電極、電子部品の電極、コネクタの電極などがある。また、被接続導体と被半田接続導体とは、共通の部材に設けられていてもよいし、相異なる部材に設けられていてもよい。
接着剤接続用電極には、従来、酸化防止用の金めっきが施されていた。それに対し、OSP処理によって有機膜を形成する工程は、金めっき層を形成する工程と比較して、製造工程が簡素化される。また、高価な金を使用しないので、材料コストも低減される。よって、本発明により、接着剤を用いた接続を行うための電極構造を安価に製造することが可能となる。
一方、OSP処理により形成された有機膜は、構成材料の種類やその後の環境により、硬さの幅がある。例えば、半田リフローなどの高温処理を経たり、紫外線を浴びるなどより架橋部分が増加すると、硬さがきわめて高くなることがある。その場合、絶縁性接着剤を用いた場合には、接続工程で、接着剤接続用電極と被接続導体との間で、各一部が有機膜を突き破って相接触することが困難になる。また、導電性粒子を含む異方導電性接着剤を用いた場合には、接続工程で、導電性粒子が有機膜を突き破って電極等に接触することが困難になる。その結果、接続工程で、接着剤接続用電極と被接続導体との間で導通不良が生じるおそれがある。
それに対し、本発明では、半田リフロー処理時に有機膜が熱分解される。そして、その後、接着剤による接続工程を行うので、電極と被接続導体とが、導電性粒子を介して互いに導通し合う。よって、基材上の接着剤接続用電極と、被接続部材上の被接続導体との間における導通不良の発生を抑制することができる。
また、最終的に有機膜は熱分解されるので、OSP処理時における有機膜の膜厚の如何に拘わらず、接着剤接続用電極と被接続導体との導通を確保することができる。
なお、有機膜を熱分解しても、接着剤による接続を行う直前であれば、電極や被接続導体の酸化を抑制することができる。
また、非酸化性雰囲気でリフロー処理を施すことにより、接着剤接続用電極が露出しても、電極や導体表面の酸化進行が抑制されるため、導通不良の発生を抑制するこができる。
その場合、導電性粒子のアスペクト比が5以上であることにより、導電性粒子同士の接触確率が高くなる。その結果、導電性粒子の配合量を増やすことなく、接着剤接続構造を円滑に形成することができる。
その場合、導電性粒子の長径方向を、フィルム形状を有する接着剤の厚み方向に配向させることがより好ましい。これにより、接着剤の面方向においては、隣り合う電極間や導体間の絶縁を維持して短絡を防止することができる。一方、接着剤の厚み方向においては、多数の電極−導体間を一度に、かつ各々を独立して導電接続して、低抵抗を得ることが可能となる。
配線部材には、フレキシブルプリント配線板、リジッドプリント配線板などの配線板や、同軸ケーブル配線、フラットケーブル配線などのケーブル配線など、電極を有する多種の配線が含まれる。
特に、フレキシブルプリント配線板は、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等のカメラ、ポータブルオーディオプレーヤ、ポータブルDVDプレーヤ、ポータブルノートパソコンなど、多くの電子機器に内蔵されており、本発明に用いることで、格別の効果が得られる。
本発明の接続構造や電子機器により、製造工程の簡素化と金めっきの使用量の低減とを通じて、製造コストの削減を実現することができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る電子機器である携帯端末100の構造を概略的に示す斜視図である。
携帯端末100は、各種情報を表示するための表示部103と、入力部104と、ヒンジ部105とを備えている。表示部103には、液晶表示パネルを用いた表示装置106やスピーカ等が設けられている。入力部104には、入力キーやマイクが設けられている。ヒンジ部105は、入力部104と表示部103とを回動自在に連結している。
表示部103には、表示部筐体131と、表示部基板135とが主要部材として設けられている。表示部基板135は、表示装置106に表示用信号を送るための回路等を備えている。表示部筐体131は、互いに連結された第1筐体131aと第2筐体131bとを有している。そして、第1筐体131aと第2筐体131bとの間に、貫通穴133が設けられている。
また、入力キー基板145には、電子部品を半田により接合した半田接合部Dが設けられている。図示されていないが、同様に、表示部基板135にも、電子部品を半田により接合した半田接合部Dが設けられている。
図3は、本実施の形態の接着剤接続構造Cを形成する前の配線体Aの端部を示す斜視図である。配線体Aは、FPC10(基材)と、その端部に設けられた電極構造Bとを有している。
それに対し、本実施の形態の電極構造Bにおいては、接着剤接続用電極12には、金めっき層や他の貴金属めっき層(銀めっき層、白金めっき層、パラジウムめっき層等)は設けられていない。接着剤接続用電極12は、貴金属めっき層に代わる酸化防止膜としての有機膜15により、被覆されている。
OSP処理を施す方法としては、例えば、スプレー法、シャワー法、浸漬法等が用いられ、その後、水洗、乾燥させればよい。その際の水溶性プリフラックスの温度は、25〜40℃が好ましく、水溶性プリフラックスと接着剤接続用電極12との接触時間は、30〜60秒が好ましい。
従来は、異方導電性接着剤(ACF)や絶縁性接着剤(NCF)を用いた接続が行われる接着剤接続用電極上には、酸化防止膜として金めっき層などの貴金属めっき層が形成されている。
図4は、FPC10(フレキシブルプリント配線板)および電子部品40と、母基板20との間に形成される接着剤接続構造Cおよび半田接続構造Dの例1を示す断面図である。この接着剤接続構造Cは、絶縁性接着剤(NCF)を用いて形成されるものである。
そして、接着剤接続構造Cにおいては、NCFである接着剤30の締め付け力によって、両電極12、22が互いに強く接触しあって導通している。半田接続構造Dにおいては、半田層50と各電極26、42との合金化により、両電極26、42が互いに導通している。
なお、有機膜が熱分解してから3日程度の猶予時間が経過する前であれば、各電極12、22の表面に、接続抵抗を大きく増大させるような酸化膜を生じさせることなく、接着剤30による接続工程を行うことができる。低温、或いは低湿、或いは非酸化性雰囲気で保管した場合にも、猶予時間は長くなる。
各電極12、22が有機膜15、25で覆われている場合、少なくとも一方の電極の表面に突起部があれば、突起部が有機膜15、25を突き破るので、両電極12、22が確実に接触しうる。なお、両電極12、22間にバンプが配置されていてもよい。
例えば、FPC10および母基板20の少なくとも一方が、半田リフロー工程を経ることで、有機膜が硬質化する。その場合、有機膜によって各電極12、22間の導通が妨げられ、電気的に接続する接続抵抗が大きくなるおそれがある。特に、半田リフロー炉において加熱されると、有機膜が硬質化しやすい。
その結果、接着剤接続用電極12の突起部が、硬質化した有機膜を突き破りにくくなり、接続抵抗の増大を招くことになる。
よって、接着剤接続用電極12と、接着剤接続用電極22(被接続導体)との間における導通不良の発生(接続抵抗の増大など)を抑制することができる。
それに対し、本実施の形態では、有機膜が熱分解されるので、OSP処理時における有機膜の膜厚を例えば0.5μm以上にしても不具合は生じない。
図5は、接着剤接続構造Cの例2を示す断面図である。この接着剤接続構造Cにおいては、異方導電性接着剤(ACF)である接着剤30を用いている。すなわち、本例の接着剤30は、熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂組成物31中に、導電性粒子36を含ませたものである。
本例においても、母基板20は、リジッド基板21と、リジッド基板21上に設けられた接着剤接続用電極22とを有している。本例においても、接着剤接続用電極12および接着剤接続用電極22の表面は、いずれも、導通部分を除き、有機膜15、25によって被覆されている。
そして、各電極12、22は、導電性粒子36を介して互いに導通している。導電性粒子36は、微細な金属粒子が多数直鎖状に繋がった形状、または針形状を有する金属粉末からなる。
なお、本例においても、例1のように電極12、22同士が直接接触している箇所が存在していてもよい。
ただし、FPC10が半田リフロー工程を経ない場合には、図中破線で示す有機膜15は残存している。
この例では、当初から、樹脂組成物31中に微細な金属粒子が多数直鎖状に繋がった形状、または針形状を有する導電性粒子36を含ませている。
ただし、樹脂組成物31中に、微細な金属粒子からなる導電性粒子がランダムに分散したものを用いてもよい。その場合でも、加熱加圧処理を行うことにより、各電極12、22間では、微細な金属粒子が多数繋がった形状になるからである。
具体的には、異方導電性接着剤として、例えば、上述のエポキシ樹脂等の絶縁性の熱硬化性樹脂を主成分とし、当該樹脂中に、微細な金属粒子(例えば、球状の金属微粒子や金属でメッキされた球状の樹脂粒子からなる金属微粒子)が多数直鎖状に繋がった形状、または針形状を有する、所謂アスペクト比が大きい形状を有する金属粉末により形成された導電性粒子36が分散されたものを使用することができる。なお、ここでいうアスペクト比とは、図6に示す、導電性粒子36の短径(導電性粒子36の断面の長さ)Rと長径(導電性粒子36の長さ)Lの比のことをいう。
図7(a)〜(d)は、接着剤接続構造Cおよび半田接続構造Dを実現するための接続方法の手順を示す断面図である。
まず、図7(a)に示す工程で、接着剤接続領域Rcと、半田接続領域Rdとを有する母基板20(共通の基材)を準備する。母基板20において、接着剤接続領域Rcには接着剤接続用の接着剤接続用電極22が設けられており、半田接続領域Rdには半田接続用の半田接続用電極26が設けられている。
次に、各接着剤接続用電極22、26を覆う有機膜25を形成する。本実施の形態では、有機膜25の熱分解温度は、半田リフロー温度よりも低い。
これにより、半田接続領域Rdにおいて、半田接続構造Dが形成される。
なお、半田接続用電極26上を覆っていた有機膜25は、鉛フリー半田に含まれるフラックスなどと反応して、半田層50に溶け込んでいる。
ただし、FPC10を共通の基材として、FPC10に接着剤接続構造Cと、半田接続構造Dとを形成してもよい。その場合には、図7に示す母基板20をFPC10と置き換え、接着剤接続用電極12上に有機膜15を形成することになる。処理の手順は、上述の通りである。
なお、FPCには、片面回路型構造だけでなく両面回路型構造もある。両面回路型構造の場合には、半田リフロー炉に2回入れることになる。
通常、半田接続と接着剤接続とを同じ基板上で行う場合、半田接続用電極26と接着剤接続用電極22の双方の上に有機膜25を形成してから、半田接続を行い、その後、接着剤による接続を行うことになる。先に、接着剤接続を行うと、その後、半田リフロー処理の際に、接着剤の締め付けが緩んで、接続不良をおこす確率が高くなるからである。
本実施の形態の接続方法では、図7(a)に示す工程で、接着剤接続用電極22上に形成された有機膜25が半田リフロー温度よりも低い熱分解温度を有している。そのため、図7(b)に示す工程では、有機膜25が熱分解する温度で半田リフロー処理を行うことになる。
また、非酸化性雰囲気で処理しているので、有機膜25が分解することにより接着剤接続用電極22が露出しても酸化進行が抑制されるため、導通不良の発生を抑制できる。
その結果、図7(d)に示す工程の際に、接着剤30中の導電性粒子36が容易に接着剤接続用電極12、22に接触し、接着剤接続用電極12、22間を確実に導通させることができる。
有機膜25が熱分解されるので、OSP処理時における有機膜25の膜厚を厳しく管理する必要がなくなる。
そこで、有機膜25の平均厚みTmを0.05μm以上0.5μm以下とすることにより、各電極12、22の酸化を抑制しつつ、導電性粒子36が有機膜25を突き破りやすくすることができる。よって、有機膜15、25が半田リフロー炉を通った後に、接着剤接続構造Cを形成しても、より確実に各電極12、22間の電気的な接続抵抗を小さく抑えることができる。
(1)本実施形態の接着剤接続構造Cにおいては、母基板20の接着剤接続用電極22およびFPC10の接着剤接続用電極12のそれぞれの表面にOSP処理を施して、酸化防止膜である有機膜15、25をそれぞれ形成する構成としている。この構成によれば、各電極12、22が金めっき層で被覆される場合と比較して、酸化防止膜を形成する工程が簡素化される。また、金などの貴金属を用いる場合と比較して、材料コストも低減される。その結果、各電極12、22を互いに接続する際の製造コストを安価にすることが可能となる。
また、有機膜15、25の平均膜厚や、OSP処理時における膜厚が小さい領域の面積率を厳しく管理する必要がない。
・上記実施形態においては、母基板20として硬質プリント基板(PWB)を使用しているが、他の構成であってもよい。例えば、母基板20としてフレキシブルプリント配線板(FPC)を使用してもよい。
(実施例1)
(接着剤の作製)
導電性粒子として、長径Lの分布が1μmから10μm、短径Rの分布が0.1μmから0.4μmである直鎖状ニッケル微粒子を用いた。また、絶縁性の熱硬化性樹脂としては、2種類のビスフェノールA型の固形エポキシ樹脂〔(1)ジャパンエポキシレジン(株)製、商品名エピコート1256、および(2)エピコート1004〕、ナフタレン型エポキシ樹脂〔(3)大日本インキ化学工業(株)製、商品名エピクロン4032D〕を使用した。また、熱可塑性であるポリビニルブチラール樹脂〔(4)積水化学工業(株)製、商品名エスレックBM−1〕を使用し、マイクロカプセル型潜在性硬化剤としては、(5)マイクロカプセル型イミダゾール系硬化剤〔旭化成エポキシ(株)製、商品名ノバキュアHX3941〕を使用し、これら(1)〜(5)を重量比で(1)35/(2)20/(3)25/(4)10/(5)30の割合で配合した。
幅150μm、長さ4mm、高さ18μmの銅電極である接着剤接続用電極が150μm間隔で30個配列されたフレキシブルプリント配線板を用意した。OSP処理により、接着剤接続用電極に、1,2−ジメチルイミダゾールを含む酸化防止膜を形成した。その熱分解温度は210℃、平均膜厚は0.10μm、厚さ0.1μm以下となる領域の面積率は60%であった。
上記フレキシブルプリント配線板に、窒素をフローすることで酸素濃度を1%以下としたリフロー槽内において、ピーク温度を260℃とした半田リフロー処理を施した。その後、フレキシブルプリント配線板同士を、連続する30箇所の接続抵抗が測定可能なデイジーチェーンを形成するように対向させて配置するとともに、これらフレキシブルプリント配線板の間に作製した接着剤を挟み、190℃に加熱しながら、5MPaの圧力で15秒間加圧して接着させ、フレキシブルプリント配線板同士の接合体を得た。次いで、この接合体において、接着剤接続用電極、接着剤、および接着剤接続用電極を介して接続された連続する30箇所の抵抗値を四端子法により求め、求めた値を30で除することにより、接続された1箇所あたりの接続抵抗を求めた。そして、この評価を10回繰り返し、接続抵抗の平均値を求めた。そして、接続抵抗が50mΩ以下の場合を、導電性を確保したものとして判断した。
上記のように作製した接続体を、85℃、85%RH高温高湿槽中に500hr静置した後、上記と同様に、接続抵抗を測定した。そして、接続抵抗の上昇率が50%以下の場合を、接続信頼性が良好と判断した。
酸化防止膜の平均膜厚を0.60μm、厚さ0.1μm以下となる領域の面積率を2%としたこと以外は、実施例1と同様にして、フレキシブルプリント配線板同士の接合体を得た。その後、実施例1と同一条件で、接続抵抗評価および接続信頼性評価を行った。
接着剤接続用電極に2−フェニル−4−メチル−5−ベンジルイミダゾールを含む酸化防止膜を形成したこと以外は実施例2と同様にして、フレキシブルプリント配線板同士の接合体を得た。酸化防止膜の熱分解温度は310℃、平均膜厚は0.60μm、厚さ0.1μm以下となる領域の面積率は2%であった。その後、上述の実施例1と同一条件で、接続抵抗評価および接続信頼性評価を行った。
熱分解温度は、示差走査熱量測定(Differential Scanning Calorimetry:DSC)を用いて測定した。10℃/minの速度で昇温した際の発熱開始温度を熱分解温度とする。
(膜厚測定)
酸化防止膜が形成された接着剤接続用電極の断面を観察する。0.2μm間隔で膜厚を測定し、平均膜厚0.1μm以下の領域の面積率を算出する。
表1に示すように、実施例1、2のいずれの場合においても、初期接続抵抗が50mΩ以下であり、接続抵抗は十分小さく良好である。また、実施例1、2では、抵抗上昇率が50%以下であるので、接続信頼性も良好であることがわかる。
一方、比較例1では、初期接続抵抗が50mΩ以上と高かった。また、高温高湿槽中に500hr静置した後の抵抗上昇率も高い。この原因は、半田リフロー処理の際に比較例1の酸化防止膜が熱分解せずに硬質化したことで、導電性粒子が酸化防止膜を確実に突き破ることができず、そのために導電性粒子と接着剤接続用電極との接触が不安定になったことによると考えられる。
さらに、実施例1、2を比較すると、初期接続抵抗、抵抗上昇率共に、ほぼ同等である。よって、実施例2のごとく、平均膜厚を0.5μm以上に、かつ、膜厚が0.1μm以下となる領域の面積率を小さくしても、非酸化性雰囲気での半田リフロー処理の際に酸化防止膜が熱分解することで、初期接続抵抗を低く、かつ、接続信頼性を高く維持しうることがわかる。
11 ベースフィルム
12 接着剤接続用電極(被接続導体)
13 カバーレイ
15 有機膜
20 母基板
21 リジッド基板
22 接着剤接続用電極
25 有機膜
26 半田接続用電極
30 接着剤
31 樹脂組成物
36 導電性粒子
40 電子部品
41 チップ
42 チップ側電極(被半田接続導体)
50 半田層
Claims (9)
- 接着剤接続用電極および半田接続用電極が設けられた基材を準備する工程(a)と、
前記基材上の接着剤接続用電極および半田接続用電極を、酸化防止のための有機膜で被覆する工程(b)と、
非酸化性雰囲気中で、前記有機膜が熱分解する温度で半田リフロー処理することにより、前記半田接続用電極を被半田接続導体に接合する工程(c)と、
前記工程(c)の後、熱硬化性樹脂を主成分とする接着剤を介して前記接着剤接続用電極と被接続導体とを互いに接着させることにより電気的に接続する工程(d)と、
を含み、
前記工程(d)では、前記接着剤として、導電性粒子を含有した異方導電性接着剤を用いる、接続方法。 - 請求項1記載の接続方法において、
前記工程(c)の前に、前記接着剤接続電極上の有機膜を覆う保護膜を形成し、
前記工程(c)の後、前記工程(d)の前に、前記保護膜を除去する、接続方法。 - 請求項1または2記載の接続方法において、
前記接着剤として、複数の金属粒子が鎖状に繋がった形状、または針形状を有する金属粉末からなる導電性粒子を含有したものを用いる、接続方法。 - 請求項3記載の接続方法において、
前記導電性粒子のアスペクト比が5以上である、接続方法。 - 請求項1〜4のうちいずれか1つに記載の接続方法において、
前記接着剤として、フィルム形状を有するものを用いる、接続方法。 - 請求項5記載の接続方法において、
前記接着剤として、前記導電性粒子の長径方向を、前記フィルム形状を有する接着剤の厚み方向に配向させたものを用いる、接続方法。 - 請求項1〜6のうちいずれか1つに記載の接続方法において、
前記工程(a)では、前記基材として、フレキシブルプリント配線板を準備する、接続方法。 - 請求項1〜7のうちいずれか1つに記載の接続方法を用いて形成された接続構造。
- 請求項1〜8のうちいずれか1つに記載の接続方法を用いて組み立てられた電子機器。
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