JP2004505457A - フレキシブルなプリント配線板をコンタクトパートナとコンタクトするための方法およびフレキシブルなプリント配線板とコンタクトパートナとから成るユニット - Google Patents

Abstract

片面アクセス型のフレキシブルなプリント配線板（１）と金属製のコンタクトパートナ（８）との間の電気的な結合を形成するための方法において、コンタクトパートナ（８）がアクセス開口（６）を通じてプリント配線板（１）の金属製の導体路（４）に当て付けられる。次いで、フレキシブルなプリント配線板（１）が、アクセス開口（６）に背中合わせに位置する個所でレーザ光線（９）で照射され、この場合、コンタクトパートナ（８）と導体路（４）との間に溶接結合が形成される。

Description

【０００１】
本発明は、導体路が片面でのみ露出している片面アクセス型のフレキシブルなプリント配線板と、金属製のコンタクトパートナ（コンタクト相手）との間の電気的な結合を形成するための方法、前記両エレメント、つまりフレキシブルなプリント配線板とコンタクトパートナと、これら両エレメントの間に実現された電気的な結合部とから成るユニットならびにこのような電気的な結合部を利用する、自動車のエンジンまたは変速機に完全に組み込むためのアッセンブリに関する。
【０００２】
フレキシブルなプリント配線板と金属製の導体との間の導電結合を実現するためにレーザ溶接法を使用することは既に知られている。このテクノロジの原理的な利点は、結合形成のために付加的な部分、たとえばリベットが必要とされず、結合が廉価に形成されかつ高い設計可変性を持って製作され得る点にある。
【０００３】
しかし、実際の使用のためには、現在、レーザ溶接が、導体路が両面で露出している両面アクセス型のプリント配線板においてしか実施され得ないことが不都合となる。さらに、レーザ光線の照射と共にしばしば、確実でかつ機械的に安定的な結合形成を保証するための別の手段も必要となる。すなわち、米国特許第５６７６８６５号明細書に記載のレーザ溶接法では、まずフレキシブルなプリント配線板の底部側の絶縁層とカバー側の絶縁層とに、互いに背中合わせに位置する開口が加工成形され、これにより開口範囲では、両絶縁層の間に延在する導体路が両面で露出する。露出した導体路には、次いで減径された直径を有するセンタ孔が設けられる。導体路の孔縁部は変形加工され、これにより孔縁部は導電体と接触する。この導電体には、フレキシブルなプリント配線板の片面が載置されている。導体路と導電体との溶接は、変形加工された孔縁範囲でレーザによって行われる。
【０００４】
この公知の方法では、センタ孔に基づき時折、確実でかつ耐久性の良い溶接結合を得るための十分な導体路材料が提供されていないという問題が生じる。
【０００５】
この問題を回避するための手段を提供するために、未公開のドイツ連邦共和国特許出願第１９９０６８０７号明細書には、導体路の機械的な加工（たとえば孔打抜き、変形加工）なしに導体路とコンタクトパートナとの間の溶接結合を形成することを可能にする方法が提案されている。しかし、この方法の場合でも、導体路への接近、つまりアクセスが両側もしくは両面から与えられていなければならない。この場合、両面アクセス型のプリント配線板が、比較可能な大きさと構造とを備えた、片面アクセス型のプリント配線板よりも著しく高価となることが不都合となる。その原因は、片面アクセス型のプリント配線板が廉価な「ロール・ツー・ロールプロセス（Ｒｏｌｌｅ−ｚｕ−Ｒｏｌｌｅ−Ｐｒｏｚｅｓｓ）」で連続的な材料に製造可能であるのに対して、両面アクセス型のプリント配線板は（互いに背中合わせに位置する両アクセス開口に関する整合精度に課せられる高い要求に基づき）個別材料区分から製造されなければならないことにある。
【０００６】
本発明の課題は、簡単でかつ廉価に実施することができると同時に、機械的に安定的でかつ電気的に確実な結合を実現する、フレキシブルなプリント配線板と金属製のコンタクトパートナとの間の電気的な結合を形成するための方法を提供することである。特に、当該方法を用いて形成された結合部は、たとえば自動車の変速機またはエンジン内で生ぜしめられるような困難にされた周辺条件下での電気的な構成部分をコンタクトするためにも適していることが望まれる。
【０００７】
本発明の根底を成す上記課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴、請求項１０の特徴部に記載の特徴および請求項１１の特徴部に記載の特徴により解決される。
【０００８】
本発明の本質的な観点は、当該方法が片面アクセス型のフレキシブルなプリント配線板を使用することにあり、つまり本発明の枠内では、溶接構造（Ｓｃｈｗｅｉｓｓｇｅｆｕｅｇｅ）を形成するためのレーザ光照射を直接に第２の絶縁層を通じて行うことができることが判ったことにある。これによって、既にプリント配線板の製造時に第２の絶縁層の、あとからレーザ照射されるべき個所に切欠きを設けることが不要になるか、または完成したフレキシブルなプリント配線板において第２の絶縁層の局所的な除去によってこの個所にあとから両面アクセスを提供することが不要となる。
【０００９】
本発明の枠内で実施された実験により、プリント配線板製作において汎用されているプラスチックフィルム（たとえばポリイミドフィルム）において、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）の使用時にレーザ光線がプラスチックフィルム（第２の絶縁層）をほとんどエネルギ損失なしに貫通し、そして特に銅層として実現された導体路へレーザ光線が衝突したときに、はじめてエネルギ吸収が行われることが判った。この場合、溶接時に持ち込まれたエネルギは導体路の、事実上衝撃的な溶融を生ぜしめると共に、コンタクトパートナの当付け範囲へのレーザビームの侵入を生ぜしめる。溶接過程において形成される結合の品質のためには、コンタクトパートナ内部へのレーザビームの侵入の深さが重要となる。レーザビームがコンタクトパートナ内へ侵入することができないと、つまり導体路だけが溶融されてしまうと、満足し得る溶接結果は達成されない。他方において、レーザビームがコンタクトパートナ内へ侵入すると、深溶込み効果もしくは深溶接効果（Ｔｉｅｆｓｃｈｗｅｉｓｓｅｆｆｅｋｔ）と呼ばれる効果が生じる。この効果は、コンタクトパートナ材料が衝撃的に溶融され、そして金属溶融物の、多かれ少なかれ噴出的（ｅｒｕｐｔｉｖ）な挙動が観察されることにある。噴出挙動は溶融されたコンタクトパートナ材料の飛散を生ぜしめ、この場合、材料損失によってコンタクトパートナの中央の範囲に凹部が形成される。凹部形成の結果として、環状の溶接範囲が得られるが、このような環状の溶接範囲は望ましくない。なぜならば、環状開口の大きさに応じて、提供されている溶接面の一部が利用されないままとなるからである。したがって、本発明による方法は、溶接結合の品質を最適化する深溶接効果が達成されるように実施されると有利である。溶接結合の品質を最適化する深溶接効果を達成することは、コンタクトパートナ表面の溶融は行われるが、しかし金属溶融物の飛散は十分にまたは完全に阻止されることを意味する。これにより、理想的には全面にわたる（円板形の）溶接範囲が得られ、この場合、比較的小さな環状開口を有する環状の溶接範囲もまだ許容範囲内にあってよい。
【００１０】
溶接結合の品質を最適化する深溶接効果を得るためには、コンタクトパートナ表面の溶融深さもしくは溶込み深さが０．５〜１ｍｍとなるようにレーザが作動させられると有利である。
【００１１】
深溶接効果の強弱は、多数のパラメータにより影響を与えられる。良好な機械的および電気的な強度を有する溶接結合をもたらすパラメータとなる溶接エネルギ、パルス出力、溶接時間および光スポット直径のための有利な値領域は、請求項２以下に記載されている。
【００１２】
本発明による方法の別の有利な実施態様は、溶接結合を形成するために、位置をずらされて（ｌａｇｅｖｅｒｓｅｔｚｔ）第２の絶縁層に付与される複数のレーザ光線パルスを使用することを特徴としている。（第２の絶縁層における相応する光スポットの）位置ずれによって、溶接範囲の有効な拡大が達成される。このことは結合の強度を高める。
【００１３】
電気的な結合部を有する本発明によるユニットの重要な工業的使用は、電気的な配線エレメントのコンタクティングまたは自動車のエンジンまたは変速機内に制御装置と一緒に収納されている各電子構成部品のダイレクトコンタクティング（直接コンタクト）にある。このようなメカトロニック的な制御システムのためには、最近、制御装置ハウジング内に収納された電子回路が、ハウジングのシールギャップを通じて外方へ案内されたフレキシブルなプリント配線板を介して電気的な配線エレメントに接続されるか、または変速機またはエンジン内に存在するセンサおよび／またはアクチュエータの接続脚に直接に接続されるような技術的なコンセプトが開発されている。このようなテクノロジのために、本発明によるユニットは前記各エレメントの間の適当でかつ廉価な電気的なコンタクティング手段を提供する。この場合、提供された溶接結合は意想外にも、変速機またはエンジン内に生ぜしめられる周辺条件（約−４０℃〜１５０℃の温度領域、最大約４０ｇまでの振動）に耐えられる程度の抵抗力を有している。
【００１４】
本発明のさらに別の有利な構成は、請求項２以下に記載されている。
【００１５】
以下に、本発明の１実施例と、その変化実施例とを図面につき詳しく説明する。
【００１６】
図１に示したように、フレキシブルなプリント配線板１は第１の絶縁層３と、第２の絶縁層２とを有しており、両絶縁層２，３の間には導体路４が埋め込まれている。
【００１７】
導体路４は、たとえばＣｕから成っていてよく、両絶縁層２，３はプリント配線板製作において汎用されているプラスチックフィルム、たとえばポリイミドフィルムから成っていてよく、そして約２５μｍあるいはまた５０μｍの厚さを有していてよい。導電体４と絶縁層２，３との間には、フレキシブルなプリント配線板１の構造に応じてアクリル樹脂接着剤またはエポキシ樹脂接着剤が設けられていてよい（図示しない）。
【００１８】
第１の絶縁層３には、導体路４への接近を可能にするアクセス開口６が形成されている。このアクセス開口６に背中合わせに位置する、第２の絶縁層２の対応する範囲５は完全な状態のままである。すなわち、導体路４は製作したいコンタクト部の範囲において、アクセス開口６とは反対の側では、第２の絶縁層２によって完全にカバーされている。
【００１９】
片側にのみアクセス開口を備えている、このようなフレキシブルなプリント配線板は、工業的には「片面アクセス型のプリント配線板（Ｌｅｉｔｅｒｐｌａｔｔｅ　ｍｉｔ　ｅｉｎｓｅｉｔｉｇｅｍ　Ｚｕｇｒｉｆｆ）」と呼ばれる。既に述べたように、このようなプリント配線板は「両面アクセス型のプリント配線板（Ｌｅｉｔｅｒｐｌａｔｔｅ　ｍｉｔ　ｂｅｉｄｓｅｉｔｉｇｅｍ　Ｚｕｇｒｉｆｆ）」、すなわちアクセス開口が両絶縁層２，３に設けられているようなプリント配線板、よりも著しく廉価に製造可能である。なぜならば、個々の層を形成する第２の絶縁層２（ベース材料）、導体路４（金属フィルム）および第１の絶縁層３（カバーフィルム）の貼付けならびに金属フィルムから導体路４を加工成形するための構造化ステップが連続的な材料ウェブで実施可能となるからである（「ロール・ツー・ロールプロセス」）。カバーフィルムもしくは第１の絶縁層３に設けられたアクセス開口６はこの場合、既に各フィルム２，３，４の接合前にカバーフィルム（第１の絶縁層３に相当）に前製作されているか、またはプリント配線板アッセンブリの形成後にあとからカバーフィルム材料の除去によってカバーフィルム（第１の絶縁層３）に加工成形され得る。
【００２０】
導体路４の下方には、導体路４と溶接したい金属製の、たとえば円筒形のコンタクトパートナ８が位置している。コンタクトパートナ８は、Ｃｕ合金、たとえばＣｕＳｎ４／５／６から成っていてよい。
【００２１】
溶接ステップを実施する前に、フレキシブルなプリント配線板１とコンタクトパートナ８とは互いに接近させられて、この場合、コンタクトパートナ８の端面１０が全面で導体路４に接触する。コンタクトパートナ８の長手方向中心軸線Ｘは導体路平面に対して垂直方向に延びている。導体路４の予備加工（たとえば導体路４の変形加工または穿孔）は不要である。導体路４は図１に示したようにほぼ平らなままである。
【００２２】
図２には、平面図で導体路４の輪郭線４′が示されている。図２から判るように、コンタクトパートナ８の端面１０の直径Ｂはアクセス開口６の開口直径Ａ（たとえば３ｍｍ）よりも小さく形成されている。
【００２３】
次のステップでは、レーザを用いて、第２の絶縁層２の、導体路４を裏側でカバーしている範囲５へレーザ光線９が照射される。長手方向中心軸線Ｘと整合する光軸を備えた、導体路平面に対して垂直な光線入射が選択されると有利である。１．０６μｍの波長と、３０〜５００Ｗの平均出力とを有するＮｄ：ＹＡＧレーザが使用される場合、ポリイミド材料（第２の絶縁層２）を通じた溶接のためには以下に挙げるパラメータが適していることが判った：
−溶接エネルギ：７〜１１Ｊ
−パルス出力：１〜３ｋＷ
−溶接時間：３〜１０ｍｓ
−レーザにより第２の絶縁層２に形成される光スポット（Ｌｉｃｈｔｆｌｅｃｋ）の直径：０．３〜０．６ｍｍ。
【００２４】
これらの領域に存在するパラメータ値を用いて、溶接結合の形成のために十分となるエネルギ量をシステム内に入力結合させて、深溶込み効果もしくは深溶接効果を十分に最適化することができる。この場合、約０．５〜１ｍｍのコンタクトパートナ表面の溶込み深さが得られる。その結果、良好な機械的強度と小さな電気的接触抵抗（Ｕｅｂｅｒｇａｎｇｓｗｉｄｅｒｓｔａｎｄ）とを有する溶接結合を形成することができる。
【００２５】
実施された実験の枠内では、影響量であるレーザビームの衝突角度、焦点位置およびＣｕ導体路４により、溶接の品質にさらに影響を与えることができることが判った。さらに別の影響量としては、コンタクトパートナ８の直径Ｂならびに（端面側で銀メッキされたコンタクトパートナ８の使用時では）この銀層（図示しない）の厚さが挙げられる。
【００２６】
念のため付言しておくと、上で挙げたパラメータと影響量とは少なくとも部分的に相互に影響を与え合う。すなわち、上で挙げたパラメータと影響量とは、深溶接効果を最小限に抑えることに関して互いに関連して最適化されなければならない。
【００２７】
既に述べたように、パラメータが理想的に選択されていると、ほぼ円板形の全面の結合ゾーンを有する溶接部が形成される。このときに、溶接部の裏側では、カバー範囲５において第２の絶縁層２の熱損傷が生じる。この場合、第２の絶縁層２で生じる材料損失は、レーザ照射時の吸収プロセスに基づき生じるのではなく、導体路４の熱加熱、ひいてはこれにより生ぜしめられる絶縁層材料の蒸発に基づき生じる。
【００２８】
得られた溶接構造（Ｓｃｈｗｅｉｓｓｇｅｆｕｅｇｅ）の強度は、カバーフィルムもしくは第１の絶縁層３の、背中合わせに位置するアクセス開口６の輪郭の内部に位置する種々異なる個所へ向けられたレーザ光線ダブルパルス（Ｌａｓｅｒｌｉｃｈｔ−Ｄｏｐｐｅｌｐｕｌｓｅｎ）の使用によって一層改善され得る。
【００２９】
フレキシブルなプリント配線板１とコンタクトパートナ８と電気的な結合部とから成る本発明によるユニットの重要な工業的使用は、配線エレメント（たとえば打抜き格子体）のコンタクティングまたは電子制御装置と共に自動車のエンジンまたは変速機に収納されている電子構成部品のコンタクティングに関するものである。
【００３０】
図３には、変速機制御装置１００が例示的に図示されている。この変速機制御装置１００はハウジングカバー１０１と、金属製の底部プレート１０２とを有している。ハウジングカバー１０１と底部プレート１０２とは中空室１０３を取り囲んでいる。この中空室１０３内には、回路支持体１０４が配置されており、この回路支持体１０４には電子回路が実現されている。回路支持体１０４としては、セラミック基板が設けられていてよく、その場合、このセラミック基板は熱伝導性接着剤を用いて、ヒートシンクとして働く金属製の底部プレート１０２に接着されている。
【００３１】
回路支持体１０４は前後左右の全ての側で、フレキシブルなプリント配線板１によって取り囲まれている。このプリント配線板１はこれまで説明した実施例に相応して製造されかつ形成されている。フレキシブルなプリント配線板１の導体路４（図示しない）はボンディングワイヤ１０６を介して、あるいはまた直接的な電気的なコンタクト接着を介して、回路支持体１０４に設けられた対応するコンタクトパッドに接続されている。電子回路と、フレキシブルなプリント配線板１と、ハウジング貫通案内部との間の結合に関する構造の詳細は、国際公開第９８／４４５９３号パンフレットに記載されているので、ここでは詳しい説明を省略する。
【００３２】
ハウジングカバー１０１は、環状に延びる段状の、または溝として形成されたシール面１０７を有している。このシール面１０７には、リングパッキン１０９が接触している。フレキシブルなプリント配線板１はリングパッキン１０９と金属製の底部プレート１０２との間で、制御装置ハウジング１０１，１０２の中空室１０３から導出されている。
【００３３】
ハウジングカバー１０１は変速機制御装置１００の支持体として形成されていて、さらに中空室１０３の外部に配置された電子構成部品のための組付けプレートをも形成している。これらの電子構成部品の例としては、図３に温度センサ１０５が示されている。この温度センサ１０５はハウジングカバー１０１に設けられた組付け開口内に固定されている。
【００３４】
フレキシブルなプリント配線板１はハウジングカバー１０１の下側で温度センサ１０５にまで案内されていて、そして本発明により形成された溶接部によって温度センサ１０５の接続脚１０８とコンタクトしている。これらの接続脚１０８はコンタクトパートナ８を実現している。
【００３５】
図４ａおよび図４ｂには、フレキシブルなプリント配線板１と接続脚１０８との間の結合部が斜視図で示されている。これらの図面から明らかであるように、フレキシブルなプリント配線板１は、接続脚１０８とのコンタクトのために周面側で突出した複数のフィンガ１ａ，１ｂ，１ｃを備えて形成されていてよい。
【００３６】
ようするに、廉価な片面アクセス型のプリント配線板１の使用と、レーザ溶接による廉価な直接組付けプロセスの使用とに基づき、図３、図４ａおよび図４ｂに示した実施例では、特に大量生産での製造時に、著しいコスト節約が可能となることが判った。
【００３７】
図３、図４ａおよび図４ｂに示した、電子構成部品１０５の直接コンタクトに対して択一的に、プリント配線板１が、変速機またはエンジン内に延在する電気的な配線エレメント、たとえば打抜き格子体の端部に同様に結合されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】フレキシブルなプリント配線板と、金属製のコンタクトパートナとを、本発明による溶接結合が形成される直前の時点で示す概略的な断面図である。
【図２】図１に示したフレキシブルなプリント配線板の一部を、アクセス開口を有する第１の絶縁層の方向から見た平面図である。
【図３】変速機制御装置と、フレキシブルなプリント配線板と、このプリント配線板に直接にコンタクト接続された電子構成部品とから成るアッセンブリの概略的な断面図である。
【図４ａ】図３に示した、フレキシブルなプリント配線板と電子構成部品との間の結合部を、プリント配線板の上方で側方から見た斜視図である。
【図４ｂ】図３に示した、フレキシブルなプリント配線板と電子構成部分との間の結合部を、プリント配線板の下方で側方から見た斜視図である。

Claims (12)

1. 片面アクセス型のフレキシブルなプリント配線板（１）と金属製のコンタクトパートナ（８，１０８）との間の電気的な結合を形成するための方法において、以下のステップ：
   −２つの絶縁層（２，３）と、両絶縁層（２，３）の間に延在する少なくとも１つの金属製の導体路（４）とを有するフレキシブルなプリント配線板（１）を準備し、該プリント配線板（１）の第１の絶縁層（３）に、導体路（４）を露出させるアクセス開口（６）を形成し、
   −金属製のコンタクトパートナ（８，１０８）とフレキシブルなプリント配線板（１）とを互いに接近させ、この場合、前記アクセス開口（６）を通じて金属製のコンタクトパートナ（８，１０８）を金属製の導体路（４）に当て付け、
   −第２の絶縁層（２）の、前記アクセス開口（６）に背中合わせに位置する個所（５）をレーザ光線（９）で照射して、コンタクトパートナ（８，１０８）と導体路（４）との間に溶接結合を形成する、
   を実施することを特徴とする、片面アクセス型のフレキシブルなプリント配線板と金属製のコンタクトパートナとの間の電気的な結合を形成するための方法。
2. 溶接過程を、導体路（４）とコンタクトパートナ（８，１０８）との間の環状の溶接範囲の出現が十分に回避されるか、または完全に回避されるように実施する、請求項１記載の方法。
3. 溶接過程を、レーザ光線照射により０．５〜１ｍｍのコンタクトパートナ表面の溶込み深さが得られるように実施する、請求項１または２記載の方法。
4. レーザ光線源としてＮｄ：ＹＡＧレーザを使用し、該レーザを３０〜５００Ｗの領域の平均出力で作動させる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. レーザの光路に位置する光学レンズ系を用いて、第２の絶縁層（２）に、０．３〜０．６ｍｍの直径を有する光スポットを形成する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ３〜１０ｍｓの溶接時間中に７〜１１Ｊの溶接エネルギを付与する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. １〜３ｋＷのパルス出力を有する、パルスＮｄ：ＹＡＧレーザを使用する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 溶接結合を形成するために、位置をずらされて第２の絶縁層（２）に付与される複数のレーザ光線パルスを使用する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. コンタクトパートナ（８，１０８）が銀メッキされた当付け表面を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 片面アクセス型のフレキシブルなプリント配線板（１）と、金属製のコンタクトパートナ（８，１０８）と、前記フレキシブルなプリント配線板（１）と前記金属製のコンタクトパートナ（８，１０８）との間の電気的な結合部とから成るユニットにおいて、
    −フレキシブルなプリント配線板（１）が、２つの絶縁層（２，３）と、両絶縁層（２，３）の間に延在する少なくとも１つの金属製の導体路（４）とから形成されており、
    −第１の絶縁層（３）にアクセス開口（６）が形成されており、
    −該アクセス開口（６）を通って金属製のコンタクトパートナ（８，１０８）が貫通していて、金属製の導体路（４）と溶接されており、
    −第２の絶縁層（２）に、前記アクセス開口（６）に背中合わせに位置するように、溶接のために使用されたレーザ光線照射により生ぜしめられた燃焼損傷範囲が存在している
    ことを特徴とする、フレキシブルなプリント配線板とコンタクトパートナとから成るユニット。
11. 自動車のエンジンまたは変速機に完全に組み込むためのアッセンブリにおいて、
    −制御装置（１００）が設けられており、該制御装置（１００）がオイル密なハウジング（１０１，１０２）を有しており、該ハウジング（１０１，１０２）内に電子回路が収納されており、
    −フレキシブルなプリント配線板（１）が設けられており、該プリント配線板（１）が前記電子回路に電気的に接続されていて、前記ハウジング（１０１，１０２）に設けられたシールギャップを通じて外方へ案内されており、
    −前記制御装置（１００）の外側に電気的な接続部（１０８）が設けられており、該接続部（１０８）が、請求項１０に記載のユニットにより、コンタクトパートナとしてフレキシブルなプリント配線板（１）に結合されている
    ことを特徴とする、自動車のエンジンまたは変速機へ完全に組み込むためのアッセンブリ。
12. 電気的な接続部（１０８）が金属製の打抜き格子体により実現されている、請求項１１記載のアッセンブリ。