JP2004130373A - 微小ジョイントメタル接合用ワイヤ及びそれを用いた接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小化する電子機器類の電気的接続を、有効且つ迅速に行い、接続状態が信頼性のおけるものである接続手段を得る。
【解決手段】電気的接続を目的とする導電性芯材と、該芯材に被覆したハンダからなる微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用い、被接合対象物上に前記微小ジョイントメタル接合用ワイヤを乗せ、その上から耐熱性樹脂層と導電性金属層からなる導電性テープを、耐熱性樹脂の側を被接合対象物に対面させて加熱ヘッドで押圧し、該導電テープを加熱することにより、該微小ジョイントメタル接合用ワイヤに被覆しているハンダを溶融させ、溶融されたハンダにより被接合対象物と微小ジョイントメタル接合用ワイヤを接合させる。前記微小ジョイントメタル接合用ワイヤの表面に電気絶縁性樹脂を被覆するとより好ましい。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の端子等のベースメタルに接合される微小ジョイントメタル接合用ワイヤ及びそれを用いた接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器類の省エネルギー化及び軽量化に伴い、個々の電子部品が非常に微小化している。これらの電子部品には従来と同様、電気的接続を必要とする。こうした微小の部分に電気的接続を容易に、且つ正確に行わしめるには、種々の工夫が必要になる。
【０００３】
微小ジョイントでよく知られる手段として、マイクロレーザ溶接やマイクロアーク溶接等の非接触式手段がある。また、接触式手段としてマイクロスポット溶接、パルスヒート溶接などがあげられる。
これら従来の溶接方式において、非接触式手段を用いる場合は、ベースメタルに対し、ジョイントメタルを接触させておき、そこに熱エネルギーを加えることで溶融接合する方法をとる。すなわち、微小面積のベースメタルに微小のジョイントメタルを接触させ、固定した状態で熱エネルギーを加えるために、エネルギーのショックで位置ずれや、浮きによる接合不良を誘発するおそれがある。微小ジョイントメタルを溶断することのないように、加えるレーザーやアークによるエネルギーの量も、微細に調節する必要がある。
また、接触式手段の場合は、微小ジョイントメタルをベースメタルに接触させ、加圧するため、位置ずれ等の問題は解決できるが、加圧力や加電力を微細に調節しないと、微小ジョイントメタルが通電加熱時に溶断してしまう。
【０００４】
この解決手段として、特開平１１−３３３５６１号公報には微細接合装置が記載されている。微細なベースメタル上に微小ジョイントメタルを置き、その上から微小なギャップを有する加熱ヘッドを押しつけ、被接合物と加熱ヘッドの間に介在する抵抗発熱体を加熱することにより、ベースメタルと微小ジョイントメタルを接合するものである。抵抗発熱体はリボン状で、接合ごとにリボンをずらし、常に新しいリボンを加熱させるため、接合の繰り返しによる経時変化は除外される。この装置を用いれば、加圧力や加電力の調節はしやすく、また被接合物同士の位置ずれも起こりにくい。
【０００５】
【先行技術文献】
特開平１１−３３３５６１号公報（第２頁右欄（０００９）〜第３頁右欄（００１６））。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記装置は、装置としての有効性がある。しかし、微小ジョイントメタルはより微小化してくると、加圧力による該ジョイントメタルの変形から起因する接合後の接合力低下、接合部分の破断等が予想される。そこで、ベースメタルもしくは微小ジョイントメタルの接合時に加圧力を減少し、ジョイントメタルの変形を防ぐ手段として、ハンダを接合部分に共存させ、加圧力をハンダの融着により補助させる手段を探索した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の問題を解決する一つの手段である。すなわち、微小ジョイントメタルにハンダを付加し、ジョイント時に該ハンダが接合を補助する役割を持つ。具体的には、電気的接続を目的とする導電性芯材と、該芯材に被覆しているハンダからなる微小ジョイントメタル接合用ワイヤである。ワイヤの導電性芯材は、電気的接続を目的とするため、導電性があれば使用できるが、前記導電性芯材が、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、ＡＩ、Ｃｕ合金、鉄合金、ニッケル合金またはアルミ合金からなる単味材料、もしくはＣｕクラッド品、ニッケルクラッド品、金クラッド品または白金クラッド品からなる複層材料であるのが好ましい。特に、比較的入手しやすい、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕクラッド品、Ａｌから選ばれる１種であるとより好ましい。
【０００８】
芯材に被覆しているハンダは、従来使用されているＰｂ−Ｓｎ系ハンダでも良いが、Ｐｂフリーのハンダを用いるのが好ましい。Ｐｂフリーのハンダには、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダが好ましく用いられるが、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系ハンダやＳｎ−Ｚｎ−Ａｌ系ハンダも使用できる。
【０００９】
また、該ワイヤの外周に電気絶縁用樹脂が被覆していると、ベースメタルに接続後、他のベースメタルに接続する際に、該ワイヤの通過する空間の障害物に接触しても、電気的漏洩等の問題が起こらず、コンパクトな接続が可能になり、好ましい。特に、芯材に被覆するのはハンダであるので、該電気絶縁用樹脂は、耐熱性のあるポリイミドやポリアミドイミドのような耐熱性の電気絶縁用樹脂よりも、接続時の熱で分解除去されるポリウレタンを用いるのが好ましい。
【００１０】
また、該ワイヤの断面形状は、円形はもとより、多角形であっても、板状であっても構わない。板状の場合は、片面が芯材であり、片面がハンダであってもよい。この場合は、ハンダの面をベースメタル側に対向させればよい。しかし、発明の対象が微小なジョイントメタルであるから、ワイヤ状にして使用する場合の利便性を考慮して、断面形状はほぼ円形であるのが好ましい。この場合は、断面が円形である芯材、即ち芯線にハンダを被覆した後、巻線の製造方法を用いて電気絶縁用樹脂を被覆することができる。もちろん、ワイヤが多角形状でも板状であっても、電気絶縁用樹脂を被覆することは可能である。
【００１１】
このように、断面形状は必要に応じて選択できるが、微小ジョイントに使用する目的から、前記ワイヤの断面径（（最大径＋最小径）／２）が数μｍ〜３００μｍの範囲にあるものが好ましい。
【００１２】
この微小ジョイントメタル接合用ワイヤの製造は、以下のようにすると良い。芯材となる導電性の素材を所定の寸法に延伸し、これにハンダをクラッド、蒸着もしくはメッキする。できた複層構造のワイヤを伸線機等で所要の寸法まで延伸する。板状断面の場合は、芯材をシートに形成し、これにハンダをクラッド、蒸着もしくはメッキしてから、所要の厚みまで圧延し、その後スリット状に切断することで作製できる。さらに電気絶縁用樹脂を被覆するには、断面円形もしくは多角形の場合、巻線の製造方法を用いることで処理できる。すなわち、ハンダ被覆された芯材をウレタンワニス等のエナメルワニスにディッピングし、フェルト等で所要被覆量にしごいた後、焼付け炉で該樹脂を硬化すれば可能である。もちろん、電気絶縁用樹脂の選択によっては、電着塗装や粉体塗装も可能であるし、樹脂の溶剤によっては常温乾燥する手段もある。また、最近では反応蒸着のような気相反応を利用した手段も利用できる。板状の場合は、フォイル状のまま電気絶縁用樹脂溶液にてコーティングし、その後スリット状に切断して板状にすればよい。
【００１３】
微小ジョイントメタル接合用ワイヤを使用した接合方法は、被接合対象物上に前記微小ジョイントメタル接合用ワイヤを乗せ、その上から導電性テープを加熱ヘッドで押圧し、該導電性テープを加熱することにより、該ワイヤの芯材に被覆しているハンダを溶融させ、溶融されたハンダにより被接合対象物と微小ジョイントメタル接合用ワイヤを接合させることを特徴とする。用いる装置は、前記特開平１１−３３３５６１号公報記載の微細接合装置の電極部分が異なれば用いることもできるし、別の装置であっても、要件が揃えば特に指定するものではない。
【００１４】
ここで使用する導電性テープは、耐熱性樹脂層と導電性金属層からなり、耐熱性樹脂層の側を被接合対象物に対面させて用いる方法をとるのが好ましい。ベースメタルにはハンダバンプを有する場合もあるが、リードフレームの端子のように特に前処理されていない場合もある。本発明の微小ジョイントメタル接合用ワイヤであれば、ハンダが接合部分に存在するので、大きな圧力を接合部分に加えなくとも、ハンダの溶融により十分に接合できる。接合部分にハンダが存在するので、加熱ヘッド側には接合時に溶融したハンダを誘引する素材を用いない方が良い。この理由から、導電性テープは、加熱に必要な導電性金属層を加熱ヘッド側に置き、逆の側、即ち被接合側には耐熱性樹脂層のようなハンダとなじみの良くない材料の層を用いた複層テープを使用するのが好ましい。このようにすれば、被接合部からハンダが持ち出されることなく、有効にハンダとして働く。
【００１５】
前記導電性テープの耐熱性樹脂層がポリイミドであり、導電性金属層がＣｕもしくはステンレスを用いるとさらに好ましい。ポリイミドはハンダとのなじみが良くないので、溶融されたハンダが導電性テープに付着しにくい。導電性金属にＣｕを用いると、良導電性であり、さらにテープにしたときに十分に可撓性を有するので、被接合物を加熱ヘッドが押さえたときに、被接合物に覆い被さるように形状追随をするのでよい。ステンレスを用いると、防錆性があるので、テープを長期にわたり、メンテナンスフリーで使用できるが、Ｃｕのような形状追随は難しい。
なお、ポリイミドとＣｕの組み合わせ時には、Ｃｕ側の表面にあらかじめＳｎ又はＳｎ合金のような防錆皮膜をつけておくと、発錆を押さえるため、テープ自体の長期安定性を加えることができる。
【００１６】
なお、前記導電性テープの導電性金属側に、低融点金属を被覆したテープを用いると、電極と導電性テープの密着性を向上させ、かつ電極や導電性テープを錆等から保護する役割を持ち、好ましい。該低融点金属がＳｎ又はＳｎ合金であれば、通電発熱時に溶融し、電極と導電性テープの導通を良くするため、特に好ましい。
【００１７】
前記加熱ヘッドは、オフセット電極であるのが好ましい。オフセット電極は被接合物を押さえ込む際に、両側から被接合物を囲い込むように押さえることがより容易にできるので特に好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて実施の形態を述べるが、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。
図１は、特開平１１−３３３５６１号公報に記載されている微細接合装置の加熱ヘッド部分を拡大したものである。本発明は、この微細接合装置の電極を異なるものにすれば用いることができる。加熱ヘッド２、それに付属するパラレル電極と呼ばれる電極２２ａ、２２ｂ及び絶縁体２１は本発明では使用しない。好ましくは、電極部を図２に示すオフセット電極になったものがよい。また、図１の左右に突き出たサプライリール２３ａ及び巻取りリール２３ｂさらには巻き取り用のモータ２５は特に変える必要はない。本発明で変えるもう一つは、テープ２４である。テープ２４は、図２に示すように、電極側が導電性金属層２４ａであり、反対側がハンダとなじみの良くない耐熱性樹脂層２４ｂからなる。異物除去手段２６は、本発明では使わなくても良い。
【００１９】
また、図１の加熱ヘッド２を押し下げて使用する点は、本発明でも同じであるが、押し当てる対象物である、被接合物が異なる。ここに本発明になる導電性金属からなる芯線５１ａとハンダ層５１ｂからなる微小ジョイントメタル接合用ワイヤ（ワイヤと略す）５１を用いる。図２では、ワイヤ５１を２層構造に記載するが、ハンダ層５１ｂの外周に電気絶縁用樹脂があると好ましい。電気絶縁用樹脂は、ウレタン樹脂であると、加熱ヘッドで被接合部分を加熱した時点で分解除去される。ところが、非被接合部分では電気絶縁性を保持するため、他の配線やデバイス等との接触時に電気的漏洩が起こらないので使用上有利である。
【００２０】
図２は、図１の電極部分が異なる、即ちオフセット電極を用いた時の拡大図である。ＩＣ４１の入出力端子４１ａはバンプ４２を乗せており、この上にワイヤ５１を置く。図２（ａ）の時点では、ワイヤ断面は２層状態を維持している。これら被接合物の上から、テープ２４を介して電極２２ａ、２２ｂが下降する。電極２２ａ、２２ｂは上下に動作すると共に左右にも動作するオフセット電極である。図２（ａ）に示すように２つの電極間に空間ができるように、先端部を一部削った状態にしておくのがよい。その効果は、図２（ｂ）に示すように、バンプ４２上に置かれたワイヤ５１が加熱ヘッド２２ａ、２２ｂの下降により、バンプ４２上に固定されるようになる。このとき、加熱ヘッド２２ａ、２２ｂは下降すると共に互いに寄ることで、ワイヤ５１を、テープ２４を介して挟む形状となる。そして固定された状態のワイヤ５１の周囲をテープ２４が取り囲む。この結果、加熱ヘッドからの電熱が被接合部分に伝わりやすく、かつテープ２４の被接合側がハンダとなじみの良くない耐熱性樹脂層２４ｂであるため、ワイヤ５１のハンダ層５１ｂは芯線５１ａを囲んでバンプ４２の方に選択的に流れる。結果として図２（ｃ）のように芯線５１ａがバンプ４２に半ばめり込む状態で固定され、さらにはハンダ層５１ｂが芯線上部を覆うように被接合する。このようにして本発明の微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用いて接合する方法は、芯線をつぶすことなく、信頼できる接合を得ることができる。
【００２１】
（実施例１）マグネットワイヤ用径２ｍｍの銅線を用意した。これに厚さ１ｍｍの鉛レスハンダ（Ａｇ３．５％、Ｃｕ０．７５％、Ｓｎ残部）板を用意し、前記銅線にクラッドして径４ｍｍのハンダクラッド銅線とした。ダイスによる伸線により引き落とし、径２０μｍにまで細線化した。得られたハンダクラッド銅線をエナメル焼き付け炉にサプライし、ウレタンエナメルワニスを塗布焼き付けし、電気絶縁用樹脂で被覆された微小ジョイントメタル接合用ワイヤを得た。できあがったワイヤは径２５μｍになった。このワイヤの断面は、円形で芯線の銅部分が径１０μｍ、ハンダの層が５μｍ、ウレタンエナメル層が２．５μｍである。
【００２２】
このワイヤを用いてＩＣのハンダバンプにジョイントした。使用装置は電極部分がオフセット電極である微細接合装置を用いた。そして、加熱ヘッド部に当たるテープは以下のように作製した。厚さ１８μｍの銅フィルムにポリイミドワニスを塗布乾燥し、２５μｍの厚さのポリイミドフィルムを形成した。このフィルムの銅の側にメッキ法でＳｎ合金を２５μｍコートした。このフィルムをスリッターで０．５ｍｍの幅に切り、テープとした。
できあがったテープを前記微細接合装置のサプライリールに装着し、使用した。接続条件は、電圧１．３Ｖ、電流２７Ａ、電力２０Ｗの条件で２０ｍｓ加圧通電した。芯線は押し下げられ、ＩＣのバンプに半ば埋め込まれ、上部をワイヤのハンダが覆い被さり、確実な接合ができた。
【００２３】
【発明の効果】
本発明になる微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用いた電子装置類の微小端子への接合は、なによりも確実にでき、信頼性を有すると共に、余分なハンダ等による汚れも残さずに接続できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる微細接合装置の加熱ヘッド部分拡大図である。
【図２】本発明の方法の例を示す動作図である。（ａ）は接合前、（ｂ）は加圧接合中、（ｃ）は接合後除圧の状態である。
【符号の説明】
１．　　　　基台
２．　　　　加熱ヘッド
２１．　　　絶縁体
２２．　　　電極
２２ａ．　　電極左
２２ｂ．　　電極右
２３ａ．　　サプライリール
２３ｂ．　　巻取りリール
２４．　　　テープ
２４ａ．　　導電性金属層
２４ｂ．　　耐熱性樹脂層
２５．　　　モータ
２６．　　　異物除去手段
４１．　　　ＩＣ
４１ａ　　　入出力端子
４１ｂ．　　固定端子
４２．　　　バンプ
５１．　　　ワイヤ
５１ａ．　　芯線
５１ｂ．　　ハンダ層
ｄ．　　　　電極間の距離

Claims (13)

1. 電気的接続を目的とする導電性芯材と、該芯材に被覆しているハンダからなる、電極間の電気回路形成用に用いる、微小ジョイントメタル接合用ワイヤ。
2. 前記導電性芯材が、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、ＡＩ、Ｃｕ合金、鉄合金、ニッケル合金またはアルミ合金からなる単味材料、もしくはＣｕクラッド品、ニッケルクラッド品、金クラッド品または白金クラッド品からなる複層材料である請求項１に記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤ。
3. 請求項１又は２に記載のワイヤの外周に電気絶縁用樹脂を被覆している微小ジョイントメタル接合用ワイヤ。
4. 前記電気絶縁用樹脂がポリウレタンである請求項３に記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤ。
5. 前記導電性芯材の断面がほぼ円形である請求項１乃至４のいずれかに記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤ。
6. 前記ワイヤの断面径（（最大径＋最小径）／２）が数μｍ〜３００μｍの範囲にある請求項１乃至５のいずれかに記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤ。
7. 被接合対象物上に前記微小ジョイントメタル接合用ワイヤを乗せ、その上から導電性テープを加熱ヘッドで押圧し、該導電性テープを加熱することにより、該微小ジョイントメタル接合用ワイヤの芯材に被覆しているハンダを溶融させ、溶融されたハンダにより被接合対象物と微小ジョイントメタル接合用ワイヤを接合させることを特徴とする微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用いた接合方法。
8. 前記導電性テープが耐熱性樹脂層と導電性金属層からなり、耐熱性樹脂層の側を被接合対象物に対面させて用いる請求項７に記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用いた接合方法。
9. 前記導電性テープの耐熱性樹脂層がポリイミドであり、導電性金属層がＣｕもしくはステンレスを用いたことを特徴とする、請求項８に記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用いた接合方法。
10. 前記導電性テープの導電性金属層側に、低融点金属が被覆されているテープを用いたことを特徴とする、請求項７又は８に記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用いた接合方法。
11. 前記低融点金属が、Ｓｎ又はＳｎ合金である請求項１０に記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用いた接合方法。
12. 前記加熱ヘッドが、オフセット電極である請求項７に記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用いた接合方法。
13. 前記オフセット電極が、被接合対象物上に置かれた微小ジョイントメタル接合用ワイヤを挟み込む形状をなし、その結果として押圧と同時に該ワイヤを被接合対象物上に押しつける請求項１２に記載の微小ジョイントメタル接合用ワイヤを用いた接合方法。

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