JP4526813B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、端子を具備する一対のプリント配線板等の被接合部材が接合されてなる接合体の製造方法に関する。

ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯用情報機器や、折り畳み式の携帯用電話機あるいは携帯用情報端末等の電子機器においては、中央演算処理装置（ＣＰＵ）や各種電子部品を搭載するリジッド配線板の接続端子と、液晶表示装置等に接続されるフレキシブルプリント配線板の接続端子とを電気的に接続する必要がある。接続端子同士の接合技術としては、同じ層数の配線板の接続端子同士を接合するリジッドフレックス構造（特許文献１等）、一方の配線板のコネクタ端子と他方の配線板のコネクタ部品とを嵌め合わせたコネクタ接続（特許文献２等）、配線板の接続端子同士を半田を介して接合する半田接合（特許文献３等）、配線板の接続端子同士を異方導電性のペーストやフィルムを介して接合する技術等が知られている。
特開平５−０１３９５８号公報 特開平７−１７６３４１号公報 特開平５−２６７８１１号公報

しかしながら、上記先行接合技術では以下のような問題があった。
リジッドフレックス構造では、（i）接続端子のパターン配置において不要な部分の占める面積が大きく、高密度化、狭ピッチ化への対応が難しい、（ii）接合工程が複雑であるため製造コストが高くなる、（iii）接合する配線板の層数が同じ層数に限定されてしまい設計上の自由度が制限されるという問題があった。
コネクタ接続では、配線板とは別部材であるコネクタ端子及びコネクタ部品を用いるために、部品コストが高くつく上、コネクタを配置するスペースが２次元的あるいは３次元的に必要になり、高密度実装の観点からも好ましくなかった。
半田接合では、接合を容易にかつ安価に行うことができるものの、接合後のリフロー工程において、接合部分が酸化、剥離する等の恐れがあった。
異方導電性のペーストやフィルムを用いた接合では、ペーストの印刷やフィルムの貼付等の工程が必要であるため、接合工程が複雑であり製造コストが高くつく上、電気的導通は樹脂中に含まれる導電粒子の接触状態に依存するため、電気的導通の信頼性に問題があった。

また、従来は、プリント配線板の端子ピッチが比較的広く、端子同士の接触面積をある程度確保できたため、上記先行接合技術にて接合するだけで、十分な接合強度を確保できた。しかしながら、近年、電子機器の小型化に伴って、プリント配線板の狭ピッチ化に対する要求は厳しくなっており、今後、狭ピッチ化に伴う端子同士の接触面積の低減が接合強度の低下を招き、外部応力等によって接合したプリント配線板の接合界面が剥離してしまう恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、高密度化、狭ピッチ化、薄厚化、小型化への対応、製造コストの低減が可能であり、設計上の自由度が制限される恐れがなく、接合部分の酸化、剥離等の恐れがなく、接合部分の電気的導通の信頼性も良好で、しかも被接合部材をより強固に接合することが可能な接合技術を提供することを目的とする。

本発明者は上記課題を解決するべく鋭意検討し、以下の接合体の製造方法を発明した。

本発明の接合体の製造方法は、基材上に複数の端子を具備する一対の被接合部材のうち、少なくとも一方の被接合部材の端子間領域に開口部を設ける開口工程と、前記一対の被接合部材の端子の表面に還元処理を施すことで、表面にＣｕ微粒子を析出させ、端子同士を超音波接合する端子接合工程と、前記開口部から、これに繋がる端子間隙に絶縁性の封止材を充填する封止材充填工程とを有することを特徴とする。
この本発明の製造方法によれば、簡易に上記の本発明の接合体を製造できる。特に本発明では、少なくとも一方の被接合部材の端子間領域にあらかじめ開口部を設けておくので、一対の被接合部材の端子同士を接合した後、開口部から端子間隙に対して簡易に封止材を充填することができ、好適である。
また、前記封止材充填工程において、前記開口部を封止材に浸漬させて、端子間隙に封止材を充填することが好ましい。かかる構成とすれば、狭ピッチで配列された端子の間隙に一括して封止材を充填させることができ、簡易にかつ効率良く、封止材を充填することができる。

本発明によれば、高密度化、狭ピッチ化、薄厚化、小型化への対応、製造コストの低減が可能であり、設計上の自由度が制限される恐れがなく、接合部分の酸化、剥離等の恐れがなく、接合部分の電気的導通の信頼性も良好で、しかも被接合部材をより強固に接合することが可能な接合体およびその製造方法を提供することができる。

「第１実施形態」
次に、図１〜図３に基づいて、本発明に係る接合体の第１実施形態について説明する。図１は斜視図、図２は平面図、図３は図１（ｂ）のＡ−Ａ’断面図である。なお、図１（ａ）は配線板を接合する前の状態を示す図であり、図１（ａ）、（ｂ）では封止材の図示を省略してあり、図２では上側の被接合部材の図示を省略してある。図３（ｂ）は図３（ａ）の拡大図であり、端子接合界面およびその近傍を示す図である。また、いずれの図も、本実施形態の接合体を模式的に示すもので、縮尺や配線パターン等を実際のものとは異ならせてある。

本実施形態の接合体１は、図１（ａ）に示すフレキシブルプリント配線板（被接合部材、以下「ＦＰＣ」と略す。）１０と、リジッドプリント配線板（被接合部材、以下「ＲＰＣ」と略す。）２０とが、図１（ｂ）に示す如く接合されたものである。
ＦＰＣ１０は、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等からなる樹脂基板１１と、その表面に所定のパターンで形成された銅（Ｃｕ）からなる複数の配線１２とを具備してなり、各配線１２の一端部が外部と電気的に接続するための接続端子１３とされている。さらに、図１および図３に示すように、樹脂基板１１には、端子間領域６１および最端部の接続端子１３の外側隣接領域６２に、開口部５１が設けられている。各開口部５１は接続端子１３に沿って延在形成されており、樹脂基板１１の長手方向一側端面１１Ｓにおいて開放されている。このように、本実施形態では、ＦＰＣ１０を構成する樹脂基板１１が、接続端子１３と同一パターンの櫛歯状部１１Ｘを有するものとなっている。
一方、ＲＰＣ２０は、エポキシ樹脂及びガラス繊維の複合材料等からなる樹脂基板２１と、その表面に所定のパターンで形成された銅（Ｃｕ）からなる複数の配線２２とを具備してなり、各配線２２の一端部が外部と電気的に接続するための接続端子２３とされている。
これら配線板の各配線１２、２２の非端子部分表面は、ポリイミド等からなるフィルム状の絶縁材、あるいはエポキシ系樹脂等からなる液状の絶縁材（図示略）により被覆されている。

ＦＰＣ１０の接続端子１３とＲＰＣ２０の接続端子２３とは同一ピッチで形成され、各接続端子１３と各接続端子２３とが超音波接合されている。すなわち、接合体１は、ＦＰＣ１０とＲＰＣ２０の端子同士が超音波接合された接合部３０（図２で斜線で示す領域）を具備するものとなっている。
接続端子１３、２３の接合界面には、図３（ｂ）に示すように、空隙３１が複数個点在している。この空隙３１は、特定の超音波接合法にて両者を接合することで形成できる。なお、各接続端子１３、２３の表面には、あらかじめ接合に必要な処理等が施されている。

本実施形態ではさらに、図２、図３に示すように、樹脂基板１１の開口部５１内および開口部５１に繋がる端子間隙７１（詳細には接続端子１３の間隙および接続端子２３の間隙）内、さらには、接合部３０を構成する最端部の接続端子１３、２３の外側隣接部分に、絶縁性の封止材４０が充填されている。この封止材４０は、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の絶縁性を有する封止樹脂により構成されている。かかる封止樹脂を用いることにより、封止樹脂を充填した後、硬化させ、封止材４０を簡易に形成できる。
本実施形態の接合体１は以上のように構成されている。

「接合体の製造方法」
次に、上記の接合体１の製造方法の一実施形態について説明する。
はじめに、開口部を有しないＦＰＣ用樹脂基板の全面にＣｕ箔を貼り合わせ、これをエッチングし、所定パターンの配線１２を形成する。次いで、樹脂基板全面にフィルム状の絶縁材を貼り付け、この絶縁材の接続端子１３に対応する部分に開口を形成することにより、各配線１２の非端子部分を絶縁材で被覆する。
次いで、超音波接合を施す各接続端子１３の表面に、通常のメッキ処理にて、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）等を含有するメッキ膜等の耐腐食性金属膜を形成する。
以上のようにして開口部５１を有しないＦＰＣが得られる。

次に、上記で得られたＦＰＣの樹脂基板の端子間領域６１および最端部の接続端子の外側隣接領域６２を切除して開口部５１を形成し、図１（ａ）に示した櫛歯状部１１Ｘを有するＦＰＣ１０が製造される（開口工程）。なお、樹脂基板の端子間領域６１等を切除する方法としては、例えば、レーザーを用いて樹脂基板の端子間領域６１等を溶融分解させる方法等が挙げられる。

ＲＰＣ２０についても、ＦＰＣ１０と同様に製造する。但し、ＲＰＣ２０では、基板に開口部を設ける開口工程が不要である。

次いで、ＦＰＣ１０とＲＰＣ２０の端子同士を、接合界面に空隙３１が形成されるように、超音波接合により接合する（端子接合工程）。かかる接合は、例えば、ＦＰＣ１０の耐腐食性金属膜を形成した接続端子１３とＲＰＣ２０の耐腐食性金属膜を形成した接続端子２３とを重ね合わせ、一方の樹脂基板の外面に超音波接合機のホーンを載置し、このホーンに所定の加圧力を加えつつ、ホーンから発生する超音波振動を上記の重ね合わせた部分に印加することで実施できる。
ここでは、一方の樹脂基板の外面に超音波接合機のホーンを載置し、このホーンに所定の圧力を加えることにより、接続端子自体に直接ホーンが当たって傷が付く等がないため、圧力調整幅が拡がる。また、接続端子自体に傷が付かないため、接合時及び接合後における断線を抑制することができる。
超音波接合の条件は、例えば、加圧力：０．１〜３ｋｇｆ／ｍｍ^２、接合時間：０．１〜１秒、振幅：５〜３０μｍである。

次に、ＦＰＣ１０の各開口部５１から、樹脂基板１１の開口部５１内および開口部５１に繋がる端子間隙７１内、さらには、接合部３０を構成する最端部の接続端子１３、２３の外側隣接部分に封止樹脂を充填してから、これを硬化し、封止材４０を形成する（封止材充填工程）。封止樹脂の充填は、樹脂基板１１側から接合部３０全体に対して封止樹脂を塗布する方法、接合部３０を封止樹脂中に浸漬させる方法等によって実施できる。
例示した方法では樹脂基板１１の外表面（端子の非形成面）等に封止樹脂が付着することになるので、必要に応じて付着した樹脂を除去する工程を付加する。封止樹脂の硬化は、用いる樹脂の種類に応じて、加熱や光照射、自然冷却固化等により実施することができる。なお、「硬化」には、熱可塑性樹脂を自然にまたは強制的に冷却固化させる場合も含まれるものとする。
以上のようにして、接合体１が完成する。

超音波接合は上記以外の他の方法にても実施できる。
例えば、ＦＰＣ１０とＲＰＣ２０の各端子の表面に耐腐食性金属膜を形成し、これらを超音波接合する代わりに、各端子の表面に還元処理を施すことで、表面にＣｕ微粒子を析出させ、これらを超音波接合することによっても、接合界面に空隙３１が形成されるように、超音波接合することができる。また、かかる方法にて超音波接合を行う場合、還元処理に先立ち、酸洗浄を施しておくことが好ましい。
酸洗浄は、接続端子を、例えば硫酸と過酸化水素とを含有する洗浄液に浸漬することにより実施できる。還元処理は、接続端子を、例えば、ヒドラジンとＮａＢＨ_４とを含む処理溶液、あるいはホルムアルデヒド、アルキルアミン、ジメチルアミンボラン、ホウ化水素、ホスフィン酸、ホスフィン酸ナトリウム等を含む処理溶液に浸漬することにより実施できる。

本実施形態の接合体およびその製造方法によれば、ＦＰＣ１０の接続端子１３とＲＰＣ２０の接続端子２３とを超音波により直接接合する構成としているので、半田等を介して接合したものに比べて耐熱性に優れた接合体１を提供することができる。
さらに、本発明では、接合耐久性を向上させた接合体１が得られる。従来、超音波接合法により端子同士を接合した場合においても、実用上の接合強度は得られていたが、振動試験等の過酷な耐久試験を行うと接合強度が低下してしまうことがあった。しかしながら、本実施形態では、超音波接合時に接合界面に空隙３１を設けることで、接合耐久性を向上させている。
理由は必ずしも明らかではないが、従来の超音波接合では、接合界面が連続的に繋がっているため、接合界面に１箇所でも亀裂が生じた場合、そこから亀裂が容易に伝播するため、接合強度が低下しやすいのに対し、本実施形態では、接合界面に亀裂が生じても、接合界面に形成された空隙３１が、その伝播を妨げると推察される。
すなわち、本実施形態では、接合界面における接合耐久性が向上され、高寿命な接合体１が得られる。そのため、高密度化、狭ピッチ化、薄厚化、小型化への対応が容易となり、設計上の自由度も制限されない。

また、接合界面に半田や異方性導電材料等の異種物質を介在させないので、端子接合界面が酸化、剥離する等の恐れがなく、接合部分の電気的導通の信頼性にも優れた接合体１が得られる。加えて、接続端子同士を直接接合できるので、接合工程の簡略化、低コスト化を図ることもできる。

さらに、本実施形態の接合体およびその製造方法によれば、端子間隙７１内に絶縁性の封止材４０を充填する構成としているので、従来に比して接合強度が大幅に向上された接合体１を提供することができる。封止材４０によって接続端子１３、２３が補強されるので、外部応力や環境変化等によって発生する内部応力から接続端子１３、２３が保護され、またＦＰＣ１０／ＲＰＣ２０が端子同士の接合の他、封止材４０によっても接合されるからである。
加えて、本実施形態によれば、隣接する接続端子１３および隣接する接続端子２３が絶縁性の封止材４０によって電気的に隔離されるので、マイグレーション耐性等の絶縁信頼性が向上された接合体１を提供することができる。

また、本実施形態では、ＦＰＣ１０の樹脂基板１１の端子間領域６１に開口部５１を設ける構成としたので、ＦＰＣ１０／ＲＰＣ２０を接合した後、開口部５１から端子間隙７１に対して簡易に封止材４０を充填することができ、好適である。
特に、開口部５１を封止樹脂に浸漬させて、端子間隙７１に封止材４０を充填する場合には、狭ピッチで配列された接続端子１３、２３の間隙に一括して封止材４０を充填させることができ、簡易にかつ効率良く、封止材４０を充填することができる。

さらに、本実施形態では、各開口部５１を接続端子１３に沿って延在させ、樹脂基板１１の長手方向一側端面１１Ｓにおいて開放する構成としたので、端子１３がその先端部まで封止材４０で覆われ、より高い接合強度が得られる。

なお、本実施形態では、樹脂基板１１の開口部５１内および端子間隙７１内、接合部３０を構成する最端部の接続端子１３、２３の外側隣接部分に封止材４０を充填する構成としたが、封止材４０は、少なくとも端子間隙７１内に形成されていれば良い。また、封止材４０は、少なくとも一部の端子間隙７１内に形成されていれば、本実施形態と同様の効果が得られる。但し、封止材４０の形成領域が大きい程、接合強度の向上効果や絶縁信頼性の向上効果は大きくなる。

「第２実施形態」
次に、図４、図５に基づいて、本発明に係る接合体の第２実施形態について説明する。図４、図５は各々第１実施形態の図１、図３に相当する図である。基本的な構成は第１実施形態と同様であるので、同じ構成要素については同じ参照符号を付し、相違点についてのみ言及する。

図４、図５に示すように、本実施形態の接合体２においては、ＲＰＣ２０の樹脂基板２１にも、ＦＰＣ１０の樹脂基板１１と同様の開口部５２が設けられている。すなわち、樹脂基板２１には、端子間領域６１および最端部の接続端子２３の外側隣接領域６２に、開口部５２が設けられている。また、各開口部５２は接続端子２３に沿って延在形成されており、樹脂基板２１の一側端面２１Ｓにおいて開放されている。このように、本実施形態では、ＲＰＣ２０についても、これを構成する樹脂基板２１が、接続端子２３と同一パターンの櫛歯状部２１Ｘを有するものとなっている。そして、本実施形態では、ＲＰＣ２０の樹脂基板２１に設けられた開口部５２内にも、封止材４０が充填されている。
本実施形態の接合体２の製造方法は、ＦＰＣ１０とＲＰＣ２０を接合する前に、開口部のないＲＰＣに開口部５２を設ける開口工程を付与する以外は第１実施形態と同様であり、また同工程はＦＰＣに開口部を設ける開口工程と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態の接合体２においても、接続端子１３、２３同士を超音波により直接接合し、ＦＰＣ１０、ＲＰＣ２０に開口部５１、５２を設け、これに繋がる端子間隙７１内に絶縁性の封止材４０を充填する構成としているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。
さらに、本実施形態では、両配線板（ＦＰＣ１０およびＲＰＣ２０）の端子間領域６１に開口部５１、５２を設ける構成としているので、接合部３０を封止樹脂中に浸漬させることにより、双方の配線板の開口部５１、５２から端子間隙７１に対して同時に封止材４０を充填することができ、極めて効率良く封止材４０を形成することができる。

「第３実施形態」
次に、図６に基づいて、本発明に係る接合体の第３実施形態について説明する。図６は第１実施形態の図１に相当する図である。基本的な構成は第１実施形態と同様であるので、同じ構成要素については同じ参照符号を付し、相違点についてのみ言及する。
図６に示すように、本実施形態の接合体３においては、ＦＰＣ１０の樹脂基板１１に設けられた開口部５１が、樹脂基板１１の長手方向側端面１１Ｓまで延在せず、接続端子１３先端部が、開口部を有しない基板先端部１１Ｙに固定されている。
本実施形態の接合体３の製造方法は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態の接合体３においても、接続端子１３、２３同士を超音波により直接接合し、ＦＰＣ１０に開口部５１を設け、これに繋がる端子間隙７１内に絶縁性の封止材４０を充填する構成としているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。
さらに、本実施形態では、開口部５１を、樹脂基板１１の長手方向側端面１１Ｓまで延在形成せず、接続端子１３先端部を、開口部を有しない基板先端部１１Ｙに固定する構成としたので、接続端子１３先端部の取り扱いや接合時の位置合わせが容易となり、好適である。

以上、第１〜第３実施形態では、ＦＰＣ／ＲＰＣ接合体に本発明を適用した例についてのみ説明したが、本発明は、端子を具備する一対の被接合部材が接合されてなるものであれば、いかなる構造の接合体にも適用可能である。

本発明の接合体およびその製造方法は、携帯用情報機器、携帯用電話機等の電子機器に搭載される電子部品の接合体、具体的にはＦＰＣ／ＦＰＣ接合体、ＲＰＣ／ＦＰＣ接合体、フレキシブルフラットケーブル／ＦＰＣ接合体、メンブレン／ＦＰＣ接合体、テープキャリアパッケージ／ＦＰＣ接合体、テープキャリアパッケージ／ＲＰＣ接合体等に好適に利用できる。

本発明に係る第１実施形態の接合体の斜視図である。 本発明に係る第１実施形態の接合体の平面図である。 図１（ｂ）のＡ−Ａ’断面図である。 本発明に係る第２実施形態の接合体の斜視図である。 図４（ｂ）のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明に係る第３実施形態の接合体の斜視図である。

符号の説明

１、２、３…接合体、１０…フレキシブルプリント配線板（被接合部材）、２０…リジッドプリント配線板（被接合部材）、１１、２１…樹脂基板、１２、２２…配線、１３、２３…接続端子、３０…接合部、３１…空隙、４０…封止材、５１、５２…開口部、６１…端子間領域、７１…端子間隙。

Claims (2)

1. 基材上に複数の端子を具備する一対の被接合部材のうち、少なくとも一方の被接合部材の端子間領域に開口部を設ける開口工程と、
   各端子接合界面に空隙が形成されるように、前記一対の被接合部材の端子の表面に還元処理を施すことで表面にＣｕ微粒子を析出させ、端子同士を超音波接合する端子接合工程と、
   前記開口部から、これに繋がる端子間隙に絶縁性の封止材を充填する封止材充填工程とを有することを特徴とする接合体の製造方法。
2. 前記封止材充填工程において、前記開口部を封止材に浸漬させて、端子間隙に封止材を充填することを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。

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