CN101310573B - 用于连接印刷电路板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于连接印刷电路板的方法，其连接可靠性高，同时甚至在细节距时能够避免短路问题。一种用于连接包含金属布线的印刷电路板(PCB)或者连接包含金属布线的印刷电路板(PCB)与金属引线或金属触点的方法，该方法包括热压粘结粘合剂薄膜与连接体的步骤，所述粘合剂薄膜由包括热塑性树脂和有机颗粒的粘合剂组合物构成，其中粘度在100-250℃的温度下随着所施加的热压力增大而下降。

Description

用于连接印刷电路板的方法
技术领域
本发明涉及一种用于连接包含金属布线的印刷电路板(PCB)(包括柔性型和刚性型)或者连接包含金属布线的印刷电路板(PCB)与金属引线或金属触点(例如，在电连接件中的金属触点)的方法。
背景技术
利用焊接、各向异性导电胶和机械连接器的方法在过去已经被用作建立电路板间连接的电连接技术。焊接要求260℃和更高的温度，并且周边装配的零件乃至电路板本身有时无法耐受这么高的温度。必须考虑零件的装配次序和装配位置以便热阻低的零件不暴露于热量下，并且这已经减少了装配密度并对可被装配的零件种类进行限制。端子间焊接桥的形成是另一个问题，其使得难以实现0.3mm或更小节距的高密度装配。另一个问题是需要260℃和更高的高温来断开连接以便修复。各向异性导电胶通过树脂中的导电颗粒提供连续性，但它们的连接电阻高已经成为一个问题。此外，该方法不方便，因为断开连续性来进行修复需要有机溶剂等。另一方面，常规的机械连接器有助于修复，但具有与焊接类似的问题，因为连接器本身的装配必须使用焊接。此外，尤其是在机械连接器的情况下，由于它们具有允许连接的机械结构，连接器本身必须具有不利于高密度装配和薄型装配的某种尺寸，以使得0.3mm或更小节距的高密度装配和0.8mm或更小的薄型连接不能实现。
日本未经审查的专利公布(Kokai No.62-184788)描述了一种方法，其中连接通过将一对反向导体通穿过绝缘粘合剂而建立，但该技术未提供“塑料流动特性”(在该特性下粘合剂的粘度仅在施加高应力时下降)，而且它也不适于便利修复。
日本未经审查的专利公布(Kokai)No.62-184788。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种用于连接电路板的方法，与通过焊接或用各向异性导电组合物连接电路板的常规电路板连接相比，该方法可靠性高并且甚至在细小节距下不会引起短路问题。
根据一种模式，本发明提供：
(1)用于连接包含金属布线的印刷电路板(PCB)或者连接包含金属布线的印刷电路板(PCB)与金属引线或金属触点的方法，其为将金属之间固相接触或固相粘结与采用粘合剂的连接相结合的连接方法，所述方法包括以下步骤：：
(i)将粘合剂薄膜放置在印刷电路板(PCB)的金属布线的连接部分之间或者印刷电路板(PCB)的金属布线的所述连接部分和金属引线或金属触点之间，以及
(ii)在足以推开所述粘合剂薄膜以便在相对的电路板的连接部分之间或在所述电路板的连接部分和金属引线或金属触点之间电接触的温度和压力下利用所述粘合剂薄膜热压粘结所述连接部分和/或所述金属引线或金属触点，所述温度为不熔化所述金属布线或者金属引线或金属触点的温度，
其中所述粘合剂薄膜由包括热塑性树脂和有机颗粒的粘合剂组合物构成，并且在100-250℃的温度下其粘度随着所施加的热压力增大而下降。
本发明进一步提供(2)：以上(1)中所述的方法，其中所述粘合剂薄膜在100-250℃温度下热压粘结1-30秒后呈现5N/cm或更大的剥离粘合剂强度，如在25℃下以60mm/min的剥离速度通过90°剥离测试所确定的那样。
本发明进一步提供(3)：以上(1)或(2)中所述的方法，其中所述金属布线或金属引线的最外侧周边用贵金属涂布。
本发明还进一步提供(4)：以上(1)至(3)中所述的方法，其中在步骤(ii)中所形成的连接通过在印刷电路板(PCB)或者印刷电路板和金属引线上施加力与加热而断开，然后按与步骤(ii)同样的方式重新建立连接。
本发明还进一步提供(5)：以上(1)至(4)中任一项所述的方法，其中印刷电路板(PCB)具有在金属布线的连接体上所形成的凸出体以利于连接。
本发明还进一步提供(6)：以上(1)至(5)中任一项所述的方法，其中在步骤(ii)中，连接通过在100-250℃的温度下施加1-10MPa的载荷1-30秒热压粘结而建立。
本发明还进一步提供(7)：以上(1)至(6)中任一项所述的方法，其中在步骤(ii)中，在引入超声波的同时施加载荷。
本发明还进一步提供(8)：以上(4)中所述的方法，其中在步骤(ii)中所建立的连接在不高于250℃的温度下被断开，然后按与步骤(ii)同样的方式重新建立连接。
本发明还进一步提供(9)：以上(1)至(8)中任一项所述的方法，其中粘合剂薄膜包括按重量计100份粘合剂组合物中占25-90份的直径不大于10μm的有机颗粒。
本发明还进一步提供(10)：以上(1)至(9)中任一项所述的方法，其中聚酯树脂进一步与粘合剂组合物组合，以便在加热短时间后粘合剂组合物呈现粘着性。
本发明还进一步提供(11)：以上(1)至(10)中任一项所述的方法，其中粘合剂薄膜在丝网印刷步骤中形成在所述印刷电路板(PCB)上。
本发明还提供一种电子零件或电子装置，包括通过以上(1)至(11)中任一项所述的方法连接的印刷电路板。
在整个本说明书中，“90°剥离粘合剂强度”将是指通过如下步骤所确定的剥离粘合剂强度：将粘合剂薄膜放置在一个玻璃环氧树脂平板(FR-4)上，其上放置一张宽10mm以及厚35μm的轧制铜箔并在规定温度和压力下将它们热压粘结规定的时段，然后测量以相对于环氧树脂剥离平板90°的角度和60mm/min的剥离速度剥离铜箔的边缘时的载荷。
根据本发明，用位于每个连接部分之间的粘合剂薄膜来建立连接，这与通过常规焊接的FPCs和其它电路板之间的连接不同，因此甚至在连接部分之间存在细节距也不会发生短路问题。此外，由于连接部分受到粘合剂薄膜的支承和锚固，连接不会因外部应力而断开，从而连接的可靠性因此而得到提高。
此外，由于在连接温度下粘合剂薄膜的粘度随着所施加的热压力增大而降低，流动性在热压粘结步骤期间增大，并且在连接部分的金属截面之间建立了可靠连接。与此同时，连接可靠性高，因为连接不会断开，除非在连接后施加大的压力和施加过量的热，或者过量地施加压缩力或热中的一种。
本发明的连接方法因此可用于要求高密度装配的微电子装置的模块板和主板之间的连接，例如移动电话或数码相机中的照相机和液晶面板，或此类模块板之间的其它板的连接。
根据本发明的连接方法，连接可在比焊接方法更低的温度下建立。此外，在有缺陷板或板上有缺陷零件的情况下或在连接失效的情况下，可在连接断开后容易地建立重新连接。如果不使用机械连接器，则连接结构部分可为非常薄。
附图说明
图1A-1C显示显示本发明连接方法的工艺图。
具体实施方式
本发明现在将根据下面的实施例进行说明，需要理解的是，本发明并不限于这些具体描述的实施例。
印刷电路板(PCB)
用于本发明的印刷电路板(PCB)可为任何适用的电路板，例如基于玻璃环氧树脂的电路板、基于芳族聚酰胺的电路板、基于双马来酰亚胺三嗪(BT树脂)的电路板、具有由ITO或细小的金属颗粒形成的布线图案的玻璃面板或陶瓷板、诸如具有在表面上的金属导体连接部分的硅晶片之类的刚性电路板或柔性电路板。印刷电路板(PCB)也可连接到金属引线上。同样，金属引线的另一端可连接到一个单独的电路板上。
连接印刷电路板的方法
现在将说明依照本发明的连接两块印刷电路板(PCB)或连接印刷电路板(PCB)和金属引线或金属触点的方法的程序顺序。图1为图示说明在两块印刷电路板(PCB)之间连接的图解，但并不限于这种模式并且当然可在印刷电路板(PCB)和金属引线或金属触点之间建立相同的连接。
图1为显示本发明连接方法的工艺图。首先，制备具有在支承1上形成的金属布线2的印刷电路板(PCB)10(步骤(a))。接下来，制备第二印刷电路板(PCB)20用于连接到印刷电路板10上，并且采用粘合剂薄膜30将印刷电路板10的连接部分3和第二印刷电路板(PCB)20的连接部分33放置和连接到一起(步骤(b))。包括所连接的印刷电路板10、粘合剂薄膜30和第二印刷电路板(PCB)20的所述层合体被热压粘结以建立印刷电路板10的连接部分3和第二印刷电路板(PCB)20的连接部分33之间的电连接(步骤(c))。可用合适的涂敷方法例如丝网印刷将粘合剂薄膜30预粘结到印刷电路板10或20上。也可在与印刷电路板的连接相同的条件下通过热压粘结将粘合剂薄膜30预粘结在印刷电路板10或20上。
金属布线或者金属引线或金属触点的材料可为诸如钎料(例如Sn-Ag-Cu)、铜、铜合金、镍、金等之类的导体。从连接性方面来看，表面光洁度可通过用诸如锡、金、镍、镍、金合金等之类的材料电镀来获得。金属布线或者金属引线或金属触点被粘合剂用固相粘合或固相接触锚固起来，从而形成连接。当将金属布线或者金属引线或金属触点用贵金属例如金在外周边上进行电镀时，形成固相接头是优选的。印刷电路板的支承可为刚性基料例如玻璃环氧树脂板，或者它可为柔性基料例如聚酸亚胺薄膜。在金属布线上形成的凸出体在连接期间将增大接触点处的压力，因此改善连接可靠性。可通过将不规则的模具压进印刷电路板在印刷电路板上形成凸出体。
热压粘结可用能够加热和加压的热粘结剂例如脉冲热粘结剂或陶瓷热粘结剂来实现。热压粘结通过用加热板进行压缩来进行。热压粘结的温度和压力由金属布线的选定组合物和粘合剂薄膜的树脂组合物而确定，并且不受限制。具体地讲，热压粘结在不熔化待连接的金属布线的温度下和在足以在金属布线之间电接触的温度和压力下进行。对于本发明而言，采用具有约100℃或更高的软化点的粘合剂薄膜通常是优选的。对于在金属布线之间或者金属布线和金属引线或金属触点之间连接，热压粘结通常在100-250℃的温度下和1-10MPa的压力下进行1-30秒。除了加压以外，也可利用超声波进行连接。当利用超声波时，振动作用在粘合剂薄膜上产生剪切应力，因此降低粘合剂组合物的粘度并有助于连接。
一旦在所形成的金属布线或者在金属布线和金属引线或金属触点之间已经建立了连接，它甚至在约100℃的高使用温度下也不会断开。然而，由于将力施加到连接部分上时粘合剂薄膜呈现降低的粘度以及流动性，通过将力施加到连接部分上可能断开所形成的连接，并且可通过热压粘结重新建立连接。这是因为用于本发明的粘合剂薄膜由于含有有机颗粒因而具有塑料流动性能。断开通常将在不高于250℃的温度(此温度为已装配的零件和电路板可耐受的温度)下实现。
现在将描述用于本发明的粘合剂薄膜。根据本发明，利用由包括热塑性树脂和有机颗粒的粘合剂组合物制成的粘合剂薄膜。热塑性树脂为在100℃或以上的温度下软化或熔化的树脂，以及有机颗粒为由下述材料制成的颗粒，其赋予粘合剂组合物塑料流动性，或换句话讲，其赋予一种功能，在该功能作用下，在热压温度下施加压力将导致粘性降低。在100-250℃的温度下在目标印刷电路板(例如，玻璃环氧树脂板(FR-4))上热压粘结1-30秒之后，粘合剂薄膜优选地呈现5N/cm或更大的剥离粘合剂强度，如通过在25℃以60mm/min的剥离速度的90°剥离试验所确定的那样。
构成呈现塑料流动性的粘合剂薄膜的热塑性树脂不受具体限制，并且它可为通常用于热熔粘合剂的基料聚合物。作为此类热塑性树脂，可提及苯乙烯化酚、乙烯-醋酸乙烯共聚物、低密度聚乙烯、乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚丙烯、苯乙烯一丁二烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯共聚物和苯氧基树脂，它们优选地具有100℃或更高的软化点。粘合剂组合物优选地包括聚酯树脂。这是因为在加热粘合剂薄膜短时间后聚酯树脂可在粘合剂组合物中产生压敏粘合剂特性。
用于本发明的粘合剂薄膜优选地在热压粘结条件下具有在500-20,000Pa·s范围内的粘度。“粘合剂薄膜粘度”通过以下步骤确定：将半径为a(m)的粘合剂薄膜放置在两个水平板之间并在测量温度T(℃)下施加恒定载荷F(N)时间t(秒)之后测量粘合剂薄膜的厚度(h(t))，并用以下公式进行计算：
h(t)/h0＝[(4h0 2Ft)/(3πηa4)+1]-1/2
(其中h0为粘合剂薄膜的初始厚度(m)，h(t)为t秒后的粘合剂薄膜厚度(m)，F为载荷(N)，t为距开始施加载荷F的时间(秒)，η为测量温度T(℃)下的粘度(Pa·s)，以及a为粘合剂薄膜的半径(m))。如果在热压粘结条件下粘度为500Pa·s或以下，则粘合剂薄膜将会流动并将不可能得到满意的连接。在另一方面，如果粘合剂薄膜的粘度太高，则甚至用高压力也将难以从连接体的布线导体之间推开树脂。
用于粘合剂薄膜的粘合剂组合物优选地包括25-90份(按重量计)有机颗粒，相对于100份(按重量计)上述粘合剂组合物。加入有机颗粒将使允许树脂呈现塑料流动性。
加入的有机颗粒可为由丙烯酸类树脂、苯乙烯一丁二烯树脂、苯乙烯一丁二烯-丙烯酸类树脂、三聚氰胺树脂、三聚氰胺-异氰脲酸复合物、聚酸亚胺、硅氧烷树脂、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚酯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯并咪唑、聚芳酯、液晶聚酯、烯烃树脂、乙烯-丙烯酸共聚物等制成的颗粒，并且它们的尺寸不大于10μm以及优选地不大于5μm。
实例
1.刚性电路板(PCB)和柔性印刷电路板(FPC)的制备
按如下方式制备刚性电路板(PCB)和柔性印刷电路板(FPC)。
PCB：基料：FR-4(0.4mm)，金属布线：金/镍/铜＝0.3μm/5μm/18μm
布线宽度(L)/布线间距离(S)＝100μm/100μm，50电路
FPC：基料：聚酸亚胺(25μm)，金属布线：金/镍/铜＝0.3μm/1.5μm/18μm
布线宽度(L)/布线间距离(S)＝100μm/100μm，50电路
通过用具有下列形式的模具按压在柔性印刷电路板电路面上形成凸出体。
模具：SKD-11，可从日本Gifu-ken的Ohtake Seisakusho K.K.商购获得，包括具有200μm节距、30μm高度的8个直线槽。
压板：线凸起和柔性印刷电路板电路正交布置并用400kgf载荷进行按压。
2.粘合剂薄膜的制作
通过在室温下搅拌制备表1中所列的组合物，然后涂敷到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜上并在烘箱中在100℃下干燥30分钟来获得具有25μm厚度的粘合剂薄膜。
表1粘合剂组合物(份数按重量计)
  TP294   ED512B   有机颗粒   有机颗粒加入量
  实例1   15   2   EXL2314   13
  实例2   15   3   EXL2314   20
  实例3   15   3   MC600   13
  比较例11   15   2   无   -
有机颗粒1EXL2314：丙烯酸颗粒，KUREHA PARALOID EXL，Kureha Chemical Industry Co.，Ltd.
有机颗粒2MC600：三聚氰胺-异氰脲酸复合物，Nissan ChemicalIndustry Co.，Ltd.
饱和聚酯树脂：TP-294，The Nippon Synthetic Chemical IndustryCo.，Ltd.，Nichigo POLYESTER
苯乙烯酚：ED-512B，Asahi Denka Co.，Ltd.，ADEKA GLYCIROL
3.粘合剂薄膜粘度的测量
薄膜的粘度在下面表2所示温度和压力下进行测量。粘度量度按以下方式进行。首先，将粘合剂薄膜切成具有半径a(m)(0.005m)的圆形，将粘合剂薄膜放置在厚度为12.5μm的聚酸亚胺薄膜中间，并根据施加恒定载荷F(N)时间t(sec)后粘合剂薄膜的厚度(h(t))由以下公式计算粘度：
h(t)/h0＝[(4h0 2Ft)/(3πηa4)+1]-1/2
(其中h0为热固性粘合剂薄膜的初始厚度(m)，h(t)为t秒后的粘合剂薄膜厚度(m)，F为载荷(N)，t为距开始施加载荷F的时间(秒)，η为测量温度T(℃)下的粘度(Pa·s)，以及a为粘合剂薄膜的半径(m))。结果如表2所示。
4.粘合剂强度的测量
将粘合剂薄膜放置在2mm厚的玻璃环氧树脂板(FR-4)上，然后将宽10mm以及厚35μm的轧制铜箔放置在其上，随后在150℃的温度下以200kgf按压20秒以便粘结。然后测量以相对于玻璃环氧树脂板90°的角度和60mm/min的剥离速度剥离铜箔边缘时的载荷作为剥离粘合剂强度。结果如表2所示。
表2
  粘度(P.as)(150℃，2.2MPa)   粘度(P.as)(150℃，5.9MPa)   粘合剂强度(N/cm)
  实例1   3170   1243   21
  实例2   4930   1289   22
  实例3   2616   1336   12
  比较例11   180   232   9
5.相连电路板的电阻
将粘合剂薄膜放置在其中已经按上述方式形成了凸出体的柔性印刷电路板电路面上，并在120℃下通过热压进行层合以便将粘合剂薄膜预粘合在柔性印刷电路板上。然后抵住层合体支撑粘合剂薄膜的一侧放置印刷电路板，并采用下列温度特征以20kgf的载荷(载荷压力：10MPa)进行连接。
在175℃或更高的温度下保压5秒。
最大温度：200℃。
在145℃去除作用到加热器上的载荷。
以上述方式所获得的印刷电路板和柔性印刷电路板之间的连接电阻值根据4点探针方法用毫欧计进行测量。结果如表3所示。确认所有的电路均与具有不大于1Ω的电阻连接，并具有如下所示的条件下的环境抗耐性(抗老化性)。结果如下面表3所示。
热循环：-40℃/30min+80℃/30min的500次循环
将力施加到由上述方法所建立的电连接上，同时在加热器上加热到150℃。所述方法允许断开连接而不会使印刷电路板或柔性印刷电路板遭受损坏。其电连接已经被断开的柔性印刷电路板和印刷电路板然后在和前面一样的条件下被重新连接，并且测量修复后的连接电阻。结果显示在下面的表3中。
表3
  连接电阻(Ω)(初始) 连接电阻(Ω)(老化后) 连接电阻(Ω)(修复后)
  实例1   0.1   0.12   0.1
  实例2   0.1   0.11   0.1
  实例3   0.1   0.12   0.1
  比较例11   不可能有连接   -   -

Claims (13)

1.一种方法，用于连接包含金属布线的印刷电路板(PCB)，或者连接包含金属布线的印刷电路板(PCB)与金属引线或金属触点，其为将金属之间固相接触或固相粘结与采用粘合剂的连接相结合的连接方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将粘合剂薄膜放置在印刷电路板(PCB)的金属布线的连接部分之间或者印刷电路板(PCB)的金属布线的所述连接部分和金属引线或金属触点之间，以及
(ii)在足以推开所述粘合剂薄膜以便在相对的电路板的连接部分之间电接触的温度和压力下利用所述粘合剂薄膜热压粘结所述连接部分，或在足以推开所述粘合剂薄膜以便在所述电路板的连接部分和金属引线或金属触点之间电接触的温度和压力下利用所述粘合剂薄膜热压粘结所述连接部分和所述金属引线或金属触点，所述温度为不熔化所述金属布线或者金属引线或金属触点的温度，
其中所述粘合剂薄膜由包括热塑性树脂和有机颗粒的粘合剂组合物组成，并且在100-250℃的温度下其粘度随着所施加的热压力增大而下降。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘合剂薄膜在100-250℃温度下热压粘结1-30秒后呈现5N/cm或更大的剥离粘合剂强度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在25℃以60mm/min的剥离速度通过90°剥离测试确定所述剥离粘合剂强度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述金属布线或金属引线的最外侧周边用贵金属电镀。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在步骤(ii)中形成的所述连接通过在所述印刷电路板(PCB)上或所述印刷电路板和金属引线上加热而施加的力而断开，然后连接按与步骤(ii)同样的方式重新建立。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述印刷电路板(PCB)具有在所述金属布线的连接部分上形成的凸出体以利于连接。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在步骤(ii)中，连接通过在100-250℃的温度下施加1-10MPa的载荷1-30秒热压粘结而建立。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在步骤(ii)中，在引入超声波的同时施加所述载荷。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在步骤(ii)中所建立的所述连接在不高于250℃的温度下被断开，然后连接按与步骤(ii)同样的方式重新建立。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述粘合剂薄膜包括按重量计100份粘合剂组合物中占25-90份的直径不大于10μm的有机颗粒。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中聚酯树脂进一步与所述粘合剂组合物组合，以便在加热短时间后所述粘合剂组合物呈现粘着性。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述粘合剂薄膜在丝网印刷步骤中形成在所述印刷电路板(PCB)上。
13.一种电子零件或电子装置，包括用权利要求1至12中任一项所述的方法连接的印刷电路板。
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