JP2004356319A

JP2004356319A - 超音波接合用銅材

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Publication number: JP2004356319A
Application number: JP2003151261A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Yamada; 剛志山田; Shoji Mimura; 彰治味村; Shoji Iwasaki; 庄治岩崎
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】銅材同士又は銅材を有するプリント配線基板同士を超音波接合させる技術において、簡便・安価であり、かつ高い接合強度を得ることができる接合方法を提供することである。
【解決手段】銅材を還元処理溶液に接触させて銅材の表面を処理することによって、表面に極薄の酸化膜が形成され、銅微粒子が付着している超音波接合に適した銅材を得ることができる。また、この銅材同士又はこの銅材を有するプリント配線基板同士を超音波接合させることによって高い接合強度を持った超音波接合物を得ることができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅材と銅材の超音波接合技術に関するものであり、プリント配線基板上の銅箔の接合等の技術分野において利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化、電子回路の高密度化、プリント配線基板上の配線の狭ピッチ化が進んでいる。このため、これらの技術において金属材同士を接合する方法として、従来のハンダ付けにとって代わり、超音波接合が多く用いられるようになってきている。超音波接合とは、周知のごとく、第１の部材を第２の部材に対して圧力を加えながら超音波振動させることにより、その接触面に発生した摩擦熱により両部材を溶着させる方法である。超音波接合によって金属材同士を接合する場合、接合性あるいは接合部の強度は、金属の種類によって大きく異なっている。例えば、金は表面に酸化膜が形成されにくいため、金属材同士を超音波接合すると、その接合性は良好である。これに対し、銅は大気中で酸化され易く、表面に酸化膜が形成され易いため、銅材同士を超音波接合しても、その接合性は良くない。
【０００３】
特に、フレキシブルプリント配線基板（以下、「ＦＰＣ」という。）同士を接合させるため、ＦＰＣ上に金属配線として形成されている銅箔同士に超音波接合を試みると、ＦＰＣの樹脂に起因して過大な圧力が必要となる。このような圧力の下では、銅材同士が接合される前に樹脂が破壊されてしまう。そこで、通常、プリント配線基板同士を超音波接合させる場合は、接合部の銅材の上に金メッキを施して超音波接合を行っている。
また、超音波接合を用いて高い接合強度を得るための方法として、接合部に突起を設けてそこに超音波振動のエネルギーを集中させて圧力を増加させる方法（特許文献１参照）や、ＦＰＣの金属配線をメッキ法により形成する際、メッキを硬メッキと軟メッキの２段構成とする方法（特許文献２参照）や、ＦＰＣの超音波による接合部位の基材フィルムを除去する方法（特許文献３参照）や、超音波接合の後に接合部にレーザービームを照射して熱を加える方法（特許文献４参照）等がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２７７８８２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１４４２０６号公報
【特許文献３】
特開２００１−１１９１４５号公報
【特許文献４】
特開平６−１３２６４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実際には、上述した技術はいずれも工程が複雑であるため、超音波接合を用いて高い接合強度が得られたとしても、接合物の製造コストが高いという問題があった。
【０００６】
従って、本発明の課題は、銅材同士又は銅材を有するプリント配線基板同士を超音波接合させる技術において、簡便・安価であり、かつ高い接合強度を得ることができる接合方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる事情において、本発明者は種々の検討を行った結果、銅材を還元処理溶液に接触させて銅材の表面を処理することによって、超音波接合に適した銅材を得ることができることを見出した。また、この銅材同士を超音波接合させることによって高い接合強度を持った銅の接合物を得ることができることを見出した。さらに、この銅材を有するプリント配線基板同士を超音波接合させることによって高い接合強度を持ったプリント配線基板の接合物を得ることができることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
即ち、本発明の第１の発明は、表面に厚さ０．５〜５ｎｍの酸化膜が形成されていることを特徴とする超音波接合用銅材である。
【０００９】
本発明の第２の発明は、表面に直径０．０５〜０．５μｍの銅微粒子が付着していることを特徴とする超音波接合用銅材である。
【００１０】
本発明の第３の発明は、表面に厚さ０．５〜５ｎｍの酸化膜が形成され、かつ、直径０．０５〜０．５μｍの銅微粒子が付着していることを特徴とする超音波接合用銅材である。
【００１１】
本発明の第４の発明は、銅材を還元処理溶液に接触させて、請求項１から３のいずれか１項記載の超音波接合用銅材を得ることを特徴とする銅材の表面処理方法である。
【００１２】
本発明の第５の発明は、酸洗い後の銅材を還元処理溶液に接触させて、請求項１から３のいずれか１項記載の超音波接合用銅材を得ることを特徴とする銅材の表面処理方法である。
【００１３】
本発明の第６の発明は、還元処理溶液がヒドラジン、テトラヒドラホウ酸ナトリウム、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から選択された１種以上を含有することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の銅材の表面処理方法である。
【００１４】
本発明の第７の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の超音波接合用銅材を超音波接合することを特徴とする銅材の接合方法である。
【００１５】
本発明の第８の発明は、加圧力０．１〜３ｋｇｆ／ｍｍ^２、接合時間０．１〜１秒で超音波接合することを特徴とする請求項７記載の銅材の接合方法である。
【００１６】
本発明の第９の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の超音波接合用銅材を有するプリント配線基板を超音波接合してなるプリント配線基板である。
【００１７】
本発明の第１０の発明は、加圧力０．１〜３ｋｇｆ／ｍｍ^２、接合時間１〜３秒で超音波接合してなることを特徴とする請求項９記載のプリント配線基板である。
【００１８】
本発明の第１１の発明は、プリント配線基板が、フレキシブルプリント配線基板、リジッドプリント配線基板のいずれか一方若しくは両方からなることを特徴とする請求項９又は請求項１０記載のプリント配線基板である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る超音波接合用銅材の一例を示すもので、この例は、銅材として銅箔を用いたものである。図中符号１は、銅箔基体を示す。この銅箔基体１は、厚さ５〜５０μｍの電解銅、圧延銅等の銅からなるものである。この銅箔基体１の表面には酸化膜２が形成されている。この酸化膜２は、酸化銅からなる厚さ０．５〜５ｎｍの極めて薄い膜である。
【００２０】
図２は、本発明に係る超音波接合用銅材の他の一例を示すもので、この例では、銅箔基体１の表面に直径０．０５〜０．５μｍの銅微粒子３が多数付着している。この銅微粒子３は、酸化銅をほとんど含まない銅からなるものである。この銅微粒子３の付着量は、銅箔基体１の表面積１ｍｍ^２当たり、１０^５〜１０^８個の範囲とされる。
【００２１】
また、これ以外の超音波接合用銅材の例としては、銅箔基体１の表面に上述の酸化膜２が形成され、かつ、銅微粒子３が多数付着しているものであってもよく、この場合は、酸化膜２の上に銅微粒子３が多数付着した状態となっている。
【００２２】
このような超音波接合用銅材は、銅箔基体等の銅材を還元処理することで得ることができる。この還元処理は、銅箔基体を酸洗いした後、還元処理溶液に接触させるものである。酸洗いは、銅材に対する一般的な酸洗いの方法を用いて行われる。例えば、５〜５０体積％の硫酸と１〜１０体積％の過酸化水素との混合溶液に銅箔基体を浸漬し、銅箔基体表面のスケール、酸化物、油脂等を除去するとともに、銅箔基体表面を数μｍエッチングする。次いで、大気中で２００℃、３０分加熱することによりエッチングされた新鮮な銅箔の表面に厚さ２〜１０μｍ程の酸化銅からなる均一な酸化膜を形成する方法である。
【００２３】
次の還元処理は、以下のようにして行われる。還元処理に用いられる還元処理溶液には、例えば、ヒドラジンとＮａＢＨ_４との混合溶液が用いられる。ここで、ヒドラジンの濃度は１０〜８０質量％とされ、ＮａＢＨ_４の濃度は１０〜８０質量％とされる。これ以外の還元処理溶液としては、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の１０〜８０質量％溶液が用いられる。
【００２４】
還元処理は、この還元処理溶液中に銅箔基体を浸漬させるなどして、銅箔基体を還元処理溶液に接触させることによって行われる。この時、還元処理溶液の温度は、室温〜８０℃、処理時間は０〜１０分程度とされる。ここで、処理時間０分とは、実際には、銅箔基体を還元処理溶液に接触させることを行わず、酸洗いのみを行うことをいう。
次いで、この溶液による還元処理の終わった銅箔基体を還元処理溶液から取り出し、乾燥させることで、超音波接合用の銅材が得られる。この乾燥に際しては、１００℃以下の低温で、好ましくは窒素雰囲気中で行い、酸化膜の余分な生成を防止することが好ましい。
【００２５】
還元処理には、上述の還元処理溶液中に銅箔基体を浸漬する方法以外に、還元処理溶液を銅箔基体にスプレー等で噴射する方法や、カーテンコータ等で塗布する方法等が適宜採用できる。また、銅箔基体が長尺のものでは、還元処理溶液を満たした処理槽に連続的に送り込む方法も採用できる。
【００２６】
このような銅材の表面処理方法によって、銅箔基体の表面に極薄の酸化膜が形成され、あるいは、銅微粒子が析出・付着して、上述の図１あるいは図２に示すような超音波接合に適した銅材が得られる。
銅微粒子の析出は、還元溶液により酸化膜が還元されて、還元溶液中で銅イオンになり、乾燥させることで、銅イオンが還元され、表面に微粒子状に析出するものと推定される。
このような超音波接合用銅材は、後述する具体例で示されるように、通常の超音波接合条件によって強固に接合される。
【００２７】
次に、この超音波接合用の銅材を用いた超音波接合法について説明する。この接合は、例えば図３に示されるように、２枚の超音波接合用の銅箔４、５の端部を重ね合わせ、その重ね合わせ部分を超音波接合機のホーン６で加圧しつつ、このホーン６から超音波振動を印加する通常の方法で行われる。
この超音波接合の条件は、加圧力が０．１〜３ｋｇｆ／ｍｍ^２、接合時間０．１〜１秒、振幅５〜３０μｍとされ、従来の方法に比べて加圧力を低く設定でき、この条件でも高い接合強度が得られる。銅箔の超音波接合においては、２枚の銅箔を挟むヤスリ目状の治具を用いているため、接合時間が１秒を超えると銅箔に穴があいてしまう場合があるので好ましくない。
【００２８】
本発明において対象となるプリント配線基板としては以下のようなものがある。即ち、１）ポリイミド、ポリエチレンテレフタラート等からなる基材フィルム、あるいは、エポキシガラス繊維樹脂等からなる基材樹脂板の全面に銅箔を接着した銅箔貼り材、２）この銅箔の一部をエッチングにより除去して配線部を形成した配線済み銅箔貼り材、３）基材フィルムあるいは基材樹脂板上に配線となる銅箔をアディティブ法により形成したもの等がある。
【００２９】
このようなプリント配線基板を先に述べたように酸洗いし、次いで、還元処理溶液で表面処理することで、このプリント配線基板上の銅箔の表面に極薄の酸化膜が形成され、あるいは、銅微粒子が析出・付着され、超音波接合に適したプリント配線基板が得られる。
このプリント配線基板の超音波接合は、プリント配線基板の銅箔同士を重ね合わせ、上述の条件で行われる。
【００３０】
本発明は、銅箔、プリント配線基板上の銅箔に限定されることなく、超音波接合可能な厚さの銅板等にも適用できる。
【００３１】
このように、本発明にかかる超音波接合においては、銅材の表面を酸洗いした後、還元処理溶液により還元処理することによって、銅材の表面の酸化膜の厚さを薄くし、銅材の表面に銅の微粒子を析出させた後に超音波接合を行っているため、接合強度の高い銅の接合物を得ることができる。また、この方法を用いれば、接合強度の高いプリント配線基板の接合物を得ることができる。
【００３２】
本発明の作用・効果を確認するために以下の具体例を示す。
〈具体例１〉
２枚の銅箔を表面処理し、次いで超音波接合によって接合し、接合物の接合強度を測定することにより接合物を評価した。
銅箔は、幅１０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ３５μｍのものを用いた。表面処理の方法は、実施の形態において説明した還元処理の方法を用い、比較例として、酸洗いの方法、酸化膜厚づけの方法の２種を用いた。
酸洗いの方法では、溶液：コブラエッチング（硫酸＋過酸化水素系の薬液；荏原電産社製）をエッチング速度２μｍ／分となるように調整し、１μｍエッチングした後、銅箔を水洗いして、室温で乾燥させた。
酸化膜厚づけの方法では、上記と同様の方法で酸洗いを行った後、銅箔を２００℃の炉に投入し、約３０分の熱処理を行った。
還元処理の方法では、上記と同様の方法で酸洗いを行った後、銅箔をヒドラジン（濃度７０質量％）の溶液に１０秒間浸した後、取り出して室温で乾燥させた。
次いで、上記の方法で表面処理した２枚の銅箔を重ね合わせ超音波接合を行った。図３に本具体例における超音波接合の様子を表した模式図を示す。符号４及び５は銅箔を表している。符号６は超音波振動を伝達するホーンを表している。銅箔４及び銅箔５をそれぞれの端部で重ね合わせホーン６を押し付けて超音波振動を印加させることで超音波接合を行う。本実施例においては、ホーン６の接触部の大きさは６ｍｍ×０．５ｍｍであった。ホーン６の表面には滑り止めのローレット加工が施され、ホーン６の加工ピッチは０．２ｍｍであった。２枚の銅箔４及び５は、振幅２０μｍ、加圧力３ｋｇｆ／ｍｍ^２、接合時間０．５秒の接合条件で接合した。
次いで、２枚の銅箔の接合物の両端を引っ張り、接合部が破断する時の荷重（破断荷重）を測定することにより、接合強度の評価をした。図４に本実施例における２枚の銅箔の接合物の引っ張りの状態を表した模式図を示す。また、図５に３種の表面処理方法とそれぞれの表面処理方法に対する接合物の破断荷重の関係を示す。
図５からわかるように、還元処理の方法を用いた銅箔の超音波接合物が最も高い接合強度を示した。
【００３３】
〈具体例２〉
具体例１における銅箔の接合性のメカニズムを解明するため、３種の表面処理方法について、それぞれの表面処理をした後の銅箔の酸化膜の厚さを測定した。酸化膜の厚さは、オージェ電子分光の深さプロファイルの方法で測定した。
図６に３種の表面処理方法に対する銅箔の酸化膜の厚さと接合物の破断荷重の関係を示す。この図からわかるように、接合物の接合強度と酸化膜の厚さの間には緩やかな相関関係が成立し、酸化膜が薄くなるほど、接合物の接合強度が高いことがわかった。
【００３４】
〈具体例３〉
具体例１において還元処理の方法による銅箔の表面を観察したところ、表面に銅の微粒子が析出していることがわかった。そこで還元処理の条件を変えて、銅の微粒子を析出させない状態にして銅箔を接合し、具体例１と同様に破断荷重を測定した。銅箔を還元処理溶液で処理した後、還元剤をつけて水洗いすると銅微粒子は析出しなくなる。図７に、酸洗いの方法と銅の微粒子を析出させない還元処理の方法と銅の微粒子を析出させる還元処理の方法の３種の表面処理方法とそれぞれの表面処理方法に対する接合物の破断荷重の関係を示す。この図からわかるように、銅箔の表面に銅の微粒子を析出させることにより、接合物の接合強度が向上していることがわかった。
【００３５】
〈具体例４〉
具体例１から３の結果により、還元処理の方法が銅箔の接合性向上に有効であることがわかった。そこでＦＰＣにおいても同様の効果が得られるかどうかを以下の具体例で確認した。
本具体例においては、ポリイミドと接着剤と銅箔の３層からなる幅１０ｍｍ、長さ３０ｍｍのＦＰＣ（ポリイミド／接着剤／銅箔の厚さはそれぞれ２５μｍ／２０μｍ／３５μｍ）を用い、接触部の大きさが６ｍｍ×０．５ｍｍのホーンを用いた。
このＦＰＣについて、還元処理の方法で表面処理をし、比較例として酸洗いの方法で表面処理をし、具体例１と同様の方法で２枚のＦＰＣを超音波接合させた。本具体例では２枚のＦＰＣは、振幅２０μｍ、加圧力３ｋｇｆ／ｍｍ^２、接合時間０．５、１．０、１．５、２．０、３．０秒の接合条件で接合した。次いで、２枚のＦＰＣの接合物の両端を引っ張り、接合部が破断する時の加重（破断加重）を測定することにより、接合強度の評価をした。図８に２種の表面処理方法における接合時間と接合物の破断荷重の関係を示す。図８からわかるように、酸洗いの方法においては、ＦＰＣ上の銅箔の超音波接合が不可能であったのに対し、還元処理の方法においては、ＦＰＣ上での銅箔の超音波接合の接合強度が高いことがわかった。本実施例においては、接合時間が３秒を超えると樹脂と銅箔とのはく離が発生してしまうことが分かった。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、銅材を還元処理溶液に接触させて銅材の表面を処理することによって、表面に極薄の酸化膜が形成され、銅微粒子が付着している超音波接合に適した銅材を得ることができる。また、この銅材同士を超音波接合させることによって高い接合強度を持った銅の接合物を得ることができる。さらに、この銅材を有するプリント配線基板同士を超音波接合させることによって高い接合強度を持ったプリント配線基板の接合物を得ることができる。また、本発明における銅材の表面処理方法は簡便であり、低い製造コストで高い接合強度を持つ銅の接合物やプリント配線基板の接合物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波接合用銅材の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る超音波接合用銅材の他の一例を示す模式図である。
【図３】本発明に係る超音波接合方法の一例を示す模式図である。
【図４】本発明における超音波接合物の引張試験の状態を表した模式図である。
【図５】酸洗い、酸化膜厚づけ、還元処理の３種の表面処理方法とそれぞれの表面処理方法に対する接合物の破断荷重の関係を示すグラフである。
【図６】酸洗い、酸化膜厚づけ、還元処理の３種の表面処理方法に対する銅箔の酸化膜の厚さと接合物の破断荷重の関係を示すグラフである。
【図７】酸洗いの方法と銅の微粒子を析出させない還元処理の方法と銅の微粒子を析出させる還元処理の方法の３種の表面処理方法とそれぞれの表面処理方法に対する接合物の破断荷重の関係を示すグラフである。
【図８】酸洗いの方法と還元処理の方法の２種の表面処理方法における接合時間と接合物の破断荷重の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２・・・酸化膜、３・・・銅微粒子

Claims

表面に厚さ０．５〜５ｎｍの酸化膜が形成されていることを特徴とする超音波接合用銅材。
表面に直径０．０５〜０．５μｍの銅微粒子が付着していることを特徴とする超音波接合用銅材。
表面に厚さ０．５〜５ｎｍの酸化膜が形成され、かつ、直径０．０５〜０．５μｍの銅微粒子が付着していることを特徴とする超音波接合用銅材。
銅材を還元処理溶液に接触させて、請求項１から３のいずれか１項記載の超音波接合用銅材を得ることを特徴とする銅材の表面処理方法。
酸洗い後の銅材を還元処理溶液に接触させて、請求項１から３のいずれか１項記載の超音波接合用銅材を得ることを特徴とする銅材の表面処理方法。
還元処理溶液が、ヒドラジン、テトラヒドラホウ酸ナトリウム、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から選択された１種以上を含有することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の銅材の表面処理方法。
請求項１から３のいずれか１項記載の超音波接合用銅材を超音波接合することを特徴とする銅材の接合方法。
加圧力０．１〜３ｋｇｆ／ｍｍ^２、接合時間０．１〜１秒で超音波接合することを特徴とする請求項７記載の銅材の接合方法。
請求項１から３のいずれか１項記載の超音波接合用銅材を有するプリント配線基板を超音波接合してなるプリント配線基板。
加圧力０．１〜３ｋｇｆ／ｍｍ^２、接合時間１〜３秒で超音波接合してなることを特徴とする請求項９記載のプリント配線基板。
プリント配線基板が、フレキシブルプリント配線基板、リジッドプリント配線基板のいずれか一方若しくは両方からなることを特徴とする請求項９又は請求項１０記載のプリント配線基板。