JP2005139458A - 金表面へのエポキシ接着を強化する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波撮像プローブにおいて、金対他の金属、及び金対金の電気的接続におけるエポキシと金との結合強度を高める。
【解決手段】一つの表面を金表面に結合する方法が、（ａ）含硫アルコキシシランを含む溶液を混合するステップと、（ｂ）この溶液で金表面を処理するステップと、（ｃ）接着剤に含硫アルコキシシランを添加するステップと、（ｄ）添加物を有する接着剤を両方の表面の一方に塗布するステップと、（ｅ）間に塗布した接着剤が硬化している間に両表面を互いに対して押圧するステップとを含んでいる。
【選択図】 図５

Description

本発明は一般的には、電気的接続を形成する方法に関する。具体的には、本発明は、電気導体の一方又は両方が金表面を有する場合に一方の電気導体を他方の電気導体に電気的に接続する方法に関する。

フレキシブル・プリント回路（「フレックス回路」）、及び他の多くの金属化された基材は、周囲大気に触れる最終金属層としてしばしば金を有している。金表面は極めて安定であり、従って典型的には貯蔵中に変化しない。しかしながら、優れた環境安定性を提供する物理的特性と同じ物理的特性がまた、金表面への結合を極めて困難にしている。エポキシと金めっきを施したフレックス回路表面との間に形成する接着の水準が、エポキシと他の多くの金属との間に形成する接着よりも低いことは、当技術分野では周知である。しかしながら、金は優れた環境安定性のため、多くの応用において依然として好ましい最終金属層である。

幾つかの超音波トランスデューサは、個々の圧電素子のダイス加工に先立って、フレックス回路を圧電セラミックの表面に結合することにより製造されている。多くの場合に、セラミックの表面及びフレックス回路の表面の両方に、最終金属層として金が選択されている。フレックス回路を圧電セラミックに接続するのに用いられる一般的な一方法は、薄いエポキシ結合層との積層である。セラミックとフレックス回路との結合の結合強度が低いと、ダイス加工工程又は他の処理段階で圧電セラミックからフレックス回路が剥離し、圧電素子が機能しなくなる虞がある。従って、金表面に対するこのエポキシ結合の強度を実質的に高めることが望ましい。

結合を増強するように金表面を処理するための幾つかの下塗り剤（プライマー）が市販されている。これらの下塗り剤の多くは含硫アルコキシシランである。これらの下塗り剤は、推奨された表面処理方法で用いれば、下塗り剤を用いない場合よりも、又は含硫アルコキシシラン系でない下塗り剤よりも、金表面に結合したエポキシの結合強度を高める。

金対他の金属、及び金対金の電気的接続におけるエポキシと金との結合強度をさらに高める手段が必要である。

本発明は、含硫シラン系下塗り剤をエポキシ組成に直接添加することにより、エポキシと金の金属層との間に形成する接着の水準が大幅に高められるという発見に基づいている。概括的に述べると、本発明は、積層構造において結合剤の金表面への接着力を改善する方法と、得られる積層構造との両方に着目している。本発明は、超音波撮像の分野に特に応用することができ、接着力の増強によって、多列型アレイ又は二次元アレイに存在するような寸法が相対的に小さく相対的に多数の圧電素子を有する新規の超音波撮像プローブの開発が容易となる。

本発明の一観点は、第一の表面を金で形成されている第二の表面に結合する方法であって、（ａ）含硫アルコキシシランを含む溶液を混合するステップと、（ｂ）この溶液で金表面を処理するステップと、（ｃ）接着剤に含硫アルコキシシランを添加するステップと、（ｄ）接着剤を金表面、材料層の表面、又は両方に塗布するステップと、（ｅ）間に塗布した接着剤が硬化している間に金表面と第一の表面とを互いに対して押圧するステップと、を含んでいる。

本発明のもう一つの観点は、第一の基材を第二の基材に積層する方法であって、第一及び第二の基材の少なくとも一方の相互に対面している表面が少なくとも部分的に金で被覆されており、（ａ）含硫アルコキシシランを含む溶液を混合するステップと、（ｂ）この溶液で金に対面している各々の表面を処理するステップと、（ｃ）接着剤に含硫アルコキシシランを添加するステップと、（ｄ）第一及び第二の基材の対面している表面の少なくとも一方に接着剤を塗布するステップと、（ｅ）間に塗布した接着剤が硬化している間に第一及び第二の基材を固定した関係に保つステップと、を含んでいる。

本発明のさらにもう一つの観点は、金表面に結合されている硬化したエポキシを含む構造であって、このエポキシは、含硫アルコキシシランを配合されている。

本発明のさらにもう一つの観点は、相互に対面している表面を有する第一及び第二の基材を備えており、第一及び第二の基材の少なくとも一方の相互に対面している表面は少なくとも部分的に金で被覆されており、相互に対面している表面は接着剤の薄層によって結合されている、積層構造であって、接着剤は定着剤を配合されており、定着剤は含硫アルコキシシランである。

本発明のさらにもう一つの観点は、各々の素子が導電体製のそれぞれの端子を含んでいる超音波トランスデューサ素子のアレイと、導電体製のトレース又はパッドのアレイを含むプリント回路であって、各々のトレース又はパッドが超音波トランスデューサ素子のそれぞれの端子に対面しており互いに実質的に電気的に絶縁されている、プリント回路と、プリント回路と超音波トランスデューサ素子のアレイとの間に配置されている接着剤の薄層と、を備えた超音波トランスデューサ装置であって、接着剤は定着剤を配合されており、定着剤は含硫アルコキシシランである。

本発明の他の観点は、以下に開示され、また特許請求の範囲で請求されている。

アルコキシシランは結合強度を強化するために用いられる定着剤の最も一般的な形態の一つである。これらの種別の下塗り剤はしばしば、アルコール又はアルコール水溶液への添加によって希釈した形態で用いられる。溶液内のアルコキシシラン濃度は、０．１％−１０％であってよい。溶液内の典型的なアルコキシシラン濃度は１％である。結合させたい基材を一定時間にわたって下塗り剤溶液内に投入し、溶液から取り出し、濯ぎ洗いして余分な下塗り剤を除去し、次いで乾燥させてから結合する。また、含硫アルコキシシランは、金表面に結合させるのに推奨される定着剤の形態である。上記の工程で用いると、殆どのエポキシの金表面への結合強度は、下塗り剤が存在しない同等のエポキシ結合層よりも強くなる。

しかしながら、含硫アルコキシシランを表面処理剤として用いることに加えて、エポキシ組成に直接添加すると、エポキシ結合強度がより一層強化され得るということは予期せぬ発見であった。実験工程計画法（ＤＯＥ）を実行して、金めっきを施したフレックス回路材料に対するエポキシ結合強度を最適化した。ＤＯＥでは、アルコキシシラン定着剤の利用、化学的性質の観点での定着剤の種別、及びエポキシ組成に定着剤を添加したか否かに注目した。２種類のアルコキシシラン定着剤は構造に硫黄を含有しており、金表面への結合を促進するものであった。これらの定着剤はメルカプトプロピルトリメトキシシラン（Ｍ８５００）及びジスルフィドプロピルトリエトキシシラン（Ｂ２４９４）であった。メルカプトプロピルトリメトキシシラン及びジスルフィドプロピルトリエトキシシランの化学構造を図１及び図２にそれぞれ示す。さらに２種類のアルコキシシラン定着剤は構造に硫黄を含有しないものであり、アミノプロピルトリエトキシシラン（Ｐ２２０）及びジフェニルホスフィントリエトキシシラン（Ｄ６１１０）であった。アミノプロピルトリエトキシシラン及びジフェニルホスフィントリエトキシシランの化学構造を図３及び図４にそれぞれ示す。

金めっきを施したフレックス回路材料の表面に結合されたエポキシについて、これらのアルコキシシランの各々についての引き剥がし接着力試験を行なった。各々の場合において、金表面は前述の工程によって、１％のイソプロピルアルコール溶液からのアルコキシシランで処理された。また、サンプルの半数は、１％の濃度でエポキシ組成に添加された同じアルコキシシランを有していた。用いられたエポキシは、脂肪族アミン硬化剤を用いて５０℃で硬化する市販のビスフェノールＡエポキシ樹脂であった。金表面に、接着力試験用の支持体を提供するように裏面に０．０２ｍｍの銅めっきを施した０．０５ｍｍ厚ポリイミドフィルムの１ｃｍ幅の短冊片を結合した。接着剤の結合強度は、銅裏付きポリイミドフィルムを９０°の角度で２インチ／分の速度で金表面から引き剥がすことにより測定された。接着力データは、記録された剥離力に２．５４を乗算することによりポンド／インチ幅（ｐｌｉ）に変換された。引き剥がし接着力データは、アルコキシシラン定着剤を用いないサンプル、金表面を様々なアルコキシシラン定着剤で処理したサンプル、及び様々なアルコキシシラン定着剤を金表面に塗布すると共にエポキシ組成に添加したサンプルについて取得した。表１（値の単位はｐｌｉ）に掲げる引き剥がし接着力データは、含硫アルコキシシラン（Ｍ８５００又はＢ２４９４）がエポキシ組成に添加されていると接着剤の結合強度が著しく高まることを示した。全ての場合に、金表面からのエポキシの除去によって接着破壊が起こった。ＤＯＥにおいて、金表面への接着強度を高めることについて同様に有意な要因は他には存在しなかった。

（表１）
処理対象 なし Ｐ２２０ Ｄ６１１０ Ｍ８５００ Ｂ２４９４
表面 ０．５ ０．９ ０．６ １．３ １．５
エポキシ内添加 ０．６ １．１ ０．６ ４．２ ４．６

上に示すように、エポキシ組成に１％の含硫アルコキシシランを添加することにより、得られるエポキシ組成の結合強度を３倍以上に高めることができる。添加される含硫アルコキシシランの量は０．１％−１０％であってよい。この教示は、金表面に基材を結合するためにエポキシが用いられている如何なる構造にも応用され得るが、超音波プローブにおいて金めっき付きフレックス回路と金めっき付き圧電セラミック素子との結合強度を大幅に高めることができる。この結合強度の向上は、積層工程の堅牢性を高めることにより超音波プローブ製造に有益であり、また圧電素子の寸法が従来技術で通常用いられているものよりも遥かに小さい新規の多列型超音波アレイの商品化の成功を容易にする。

多くの超音波トランスデューサは、電気的且つ機械的に独立したトランスデューサ素子の単一又は多数の列を備えたフェーズド・アレイである。これらの形式のトランスデューサでは、各々のトランスデューサ素子は音響吸収材、圧電セラミック層、１以上の音響整合層、及び前面防摩板又は集束レンズを含む重層構造であってよい。典型的には、１以上のフレックス回路を用いて、圧電セラミック層から信号処理電子回路へ、又は最終的に信号処理電子回路に接続する同軸ケーブル束への電気的接続（信号及び接地）を形成する。

超音波トランスデューサ内の圧電セラミックへの電気的接続は、音響性能に影響を与えることなく、低い電気抵抗及び高い結合強度という必要条件を満たしていなければならない。超音波トランスデューサの圧電セラミックはしばしば、薄いエポキシ結合層を用いてフレキシブル・プリント回路板（以下「フレックス回路」と呼ぶ）又は他の電気的接続器に結合される。この結合の接合部は、印加電圧が圧電材料によって機械的エネルギに変換されるように導電性である必要がある。

図５は、圧電セラミック層２と、誘電フィルム６（例えばカプトン（商標）ポリイミド）で構成されているフレックス回路との間の例示的な界面を示しており、圧電セラミック層２は、金属化されて信号電極４を形成した底面を有し、フレックス回路は、信号電極４に対向する表面上に金属被膜のパターン８（例えば金属トレース）を有している。代替的には、金属被膜８は、金属化されたバイアによってフレックス回路基材の異なるレベルに位置する導電トレースに電気的に結合されている露出した金属パッドを含んでいてよい。フレックス回路は選択により、音響減衰性材料の層１４、例えば所謂「音響バッキング層」に支持されて接合されている。代替的な実施形態によれば、金属トレースの末端（又は金属トレースの末端に接続されているパッド）を界面に露出させた状態でフレックス回路を音響バッキング層に埋め込んで、圧電セラミック層の信号電極に結合することができる。圧電セラミック層２の上面もまた金属化されて接地電極１０を形成しており、接地電極１０は典型的には、共通の接地に接続されている導電体製の音響インピーダンス整合層１２に電気的に接続されている。

音響インピーダンス整合層１２は、音響的に透明である接着剤の薄層１８を用いて、トランスデューサ素子の金属化された上面に接合されている。同様に、フレックス回路は、音響的に透明である接着剤の薄層１６を用いて、トランスデューサ素子の金属化された底面に接合されている。各々の接着剤層は対向する表面の間の間隙を占有しているように描かれているが、実際には、接着剤層は、前述のように導電性の表面の間のオーム接触を可能にしている。

本発明の一実施形態によれば、圧電セラミック層の上面及び底面の金属被膜は、誘電体基材６の金属被膜と同様に金であるが、音響インピーダンス整合層１２は金製ではない。このように、図５に示す実施形態は、二つの金表面の間、及び金表面と金製でないもう一つの表面との間の電気的接続を形成するための本発明の利用を示している。各々の例において、接着剤層は、メルカプトプロピルトリメトキシシラン又はジスルフィドプロピルトリエトキシシランのような含硫アルコキシシランを濃度１％で含むエポキシ（例えば脂肪族アミン硬化剤を用いて５０℃で硬化するビスフェノールＡエポキシ樹脂）を含んでいる。

本発明の一実施形態によれば、図５に示す例での金対金の強力な結合層は、以下のステップを含む方法を用いることにより達成される。すなわち、（ａ）含硫アルコキシシラン（０．１％−１０％、好ましくは１．０％−５．０％）を含む溶液を混合するステップと、（ｂ）エポキシ組成に含硫アルコキシシラン（０．１％−１０％、好ましくは１．０％−５．０％）を添加するステップと、（ｃ）金表面４及び８の各々を上述の溶液で処理するステップと、（ｄ）添加剤入りエポキシを一方の表面又は両方の表面に塗布するステップと、（ｅ）エポキシ１６が硬化している間に金表面４と８を互いに対して押圧するステップである。同じ方法が、音響インピーダンス整合層を接地電極に結合する場合にも適用されるが、この場合には、金表面のみが濯ぎ洗いを必要とし、整合層の表面は必要としない。

超音波トランスデューサについて十分に低い電気抵抗を有する結合層を得るために、一般的には、エポキシの硬化前及び硬化中に結合界面に高圧を加える。フレックス回路及び圧電セラミックの表面が微視的に粗く、エポキシ層が十分に薄い場合には、電気的接続は圧電セラミック表面上の高い点とフレックス回路上の高い点との間の直接的な接点の分布によって達成される。十分な圧力下では、セラミック上の金属化された凹凸がエポキシ結合層を貫通してフレックス回路と直接接触する。エポキシ結合層を薄くすることにより、低い電気抵抗及び許容可能な音響特性を提供することができる。

エポキシ組成に含硫アルコキシシランを添加する方法によって、金めっきを施した二つの表面が薄いエポキシ結合層によって互いに結合している二次元超音波トランスデューサ・アレイの開発に成功した。このトランスデューサ・アレイは、積層工程の後にダイス加工された。含硫アルコキシシランを含まないエポキシ組成を用いた試験では、エポキシが支持し得なかった素子を有するトランスデューサ・アレイを形成した。本書に開示する方法を用いた場合には、エポキシ結合層の破壊は見られなかった。

本発明を好適実施形態に関して説明したが、当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変形を施し、また本発明の要素を均等要素に置換し得ることを理解されよう。加えて、本発明の本質的な範囲を逸脱せずに本発明の教示に合わせて特定の状況を適応構成する多くの改変を加えることが可能である。従って、本発明は、本発明を実施するのに想到される最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を包含するものとする。

メルカプトプロピルトリメトキシシランの化学構造を示す図である。 ジスルフィドプロピルトリエトキシシランの化学構造を示す図である。 アミノプロピルトリエトキシシランの化学構造を示す図である。 ジフェニルホスフィントリエトキシシランの化学構造を示す図である。 本発明の一実施形態に従って含硫シラン添加物を有するエポキシ組成を用いて電気的接続を形成し得る例示的な超音波トランスデューサ素子の積層構造を示す図である。

符号の説明

２ 圧電セラミック層
４ 信号電極
６ 誘電フィルム
８ 金属被膜
１０ 接地電極
１２ 音響インピーダンス整合層
１４ 音響減衰性材料
１６、１８ 接着剤の薄層

Claims (10)

1. 第一の表面を金で形成された第二の表面に結合する方法であって、
   含硫アルコキシシランを含む溶液を混合するステップと、
   該溶液で前記金表面を処理するステップと、
   接着剤に含硫アルコキシシランを添加するステップと、
   前記接着剤を前記金表面、材料層の表面、又は両方に塗布するステップと、
   間に塗布した前記接着剤が硬化している間に前記金表面と前記第一の表面とを互いに対して押圧するステップと、
   を備えた方法。
2. 前記溶液内の含硫アルコキシシランの濃度は０．１％−１０％の範囲にある、請求項１に記載の方法。
3. 前記接着剤内の含硫アルコキシシランの濃度は０．１％−１０％の範囲にある、請求項１に記載の方法。
4. 前記含硫アルコキシシランはメルカプトプロピルトリメトキシシランである、請求項１に記載の方法。
5. 前記含硫アルコキシシランはジスルフィドプロピルトリエトキシシランである、請求項１に記載の方法。
6. 前記接着剤はビスフェノールＡエポキシ樹脂であり、前記硬化するステップは脂肪族アミン硬化剤を用いる、請求項１に記載の方法。
7. 相互に対面している表面を有する第一及び第二の基材（２及び６）を備えており、該第一及び第二の基材の少なくとも一方の前記相互に対面している表面は少なくとも部分的に金で被覆されており（４及び８）、前記相互に対面している表面は接着剤の薄層（１６）により結合されている、積層構造であって、前記接着剤は定着剤を配合されており、該定着剤は含硫アルコキシシランである、積層構造。
8. 前記接着剤内の含硫アルコキシシランの濃度は約１％である、請求項７に記載の積層構造。
9. 前記相互に対面している表面の両方が少なくとも部分的に金で被覆されている、請求項７に記載の積層構造。
10. 前記第一の基材（２）は圧電セラミック材料で形成されており、前記第二の基材（６）は誘電体で形成されている、請求項７に記載の積層構造。

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