JP2008218185A - 異方性導電部材およびこれを用いたデバイス接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板、電子部品等の間に挟みこみ電気的な接続を得る異方性導電部材において信頼性良好かつ低コストな異方性導電部材を提供する。
【解決手段】異方性導電部材20の弾性部材10の内部に弾性率の低い屈曲位置規制部1を有している。この構造により、回路基板あるいは電子部品により異方性導電部材20を圧縮した際、異方性導電部材の導電部材である金属細線3は弾性率の低い屈曲位置規制部1を起点として折れ曲がる。このため、本異方性導電部材では金属細線が変形する箇所が一様となり電極パッドへの金属細線接触角、金属細線接触本数のバラツキが抑制され、信頼性の高い接続が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、異方性導電部材およびこれを用いたデバイス接続構造に関し、特に電子部品やプリント回路基板、フレキシブル基板などの間に挟みこみ、圧縮することで電気接続を得るための異方性導電部材の構造とこれを用いた電子部品やプリント基板間などの接続構造に関するものである。

従来より、プリント回路基板間やプリント回路基板と電子部品の電気的な接続に、絶縁性の弾性部材に導電性材料を含有させた、厚さ方向に導電性を有し、その垂直方向に導電性を有しない異方性導電部材が使用されてきた。
異方性導電部材を用いた接続とは、対向する2枚のプリント基板間またはプリント基板と電子部品の間に異方性導電部材を挟み、加圧することで、異方性導電部材の導電性材料により基板の電極と導通させるべき他方の電極とを接続させる接続方式である。異方性導電部材を用いた接続は半田接続のように接続媒体を用いて接続しないため、基板にダメージを与えることなく取り外しが可能であるという特徴がある。
異方性導電部材には導電材料として金属細線を用い金属細線が弾性部材を厚さ方向に貫通し、相互に隔離して配列された構造をもつものがある（例えば、特許文献１参照）。図１２は、従来の金属細線を用いた異方性導電部材を用いて回路基板間を接続した状態を示す断面図である。弾性部材１０内を金属細線３が貫通してなる異方性導電部材２０が、電極端子１１を有する基板１２と電極端子２１を有する基板２２との間に配置され、基板間に押圧力が印加されることにより、弾性部材１０が圧縮され金属細線３が屈曲して上下の基板の電極端子同士の電気接続が実現されている。
特開2004-31555号公報

上述した従来の異方性導電部材を用いた接続方法では、異方性導電部材を圧縮した際、図１２に示すように、弾性部材の中の金属細線が折れ曲がる形状が一様でないため、金属細線が基板パッドに接触する角度がばらつく、あるいは金属細線の上端部と下端部にオフセットが生じることでプリント基板、電子部品の電極へ接触する金属細線の本数が電極により異なる現象が発生する。
金属細線が電極に接触する角度については、信頼性試験の結果より接触角が40〜80度の範囲において信頼性が良好であることが判明しているが、接触角が上記範囲より大きい場合は落下等に対する機械的信頼性が低下するという問題が発生し、また接触角が小さい場合は温度サイクル試験等での長期接続信頼性が低下するという問題が発生する。また、金属細線が電極に接触する本数については、上下電極間の抵抗値に影響を及ぼし、接触本数が少なくなることで抵抗値が大きくなるという問題が発生する。

本発明の課題は、上術した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、接続端子間抵抗が低く、接続信頼性良好な異方性導電部材を提供できるようにすることである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、弾性部材と、該弾性部材にその先端部が露出する態様にて埋め込まれた複数の金属細線とを備えた異方性導電部材において、前記弾性部材が前記金属細線の屈曲する位置を規制する構造を有することを特徴とする異方性導電部材、が提供される。

そして、好ましくは、前記弾性部材内の前記金属細線の屈曲する位置を規制する屈曲位置規制部の厚さは、５μｍ以上で前記弾性部材の全体の厚さの1／3以下になされる。この屈曲位置規制部は、前記弾性部材内の中央部に配置される。そして、この屈曲位置規制部は、下記のように、部分的に弾性率の低い材料を挿入する、部分的に空隙部を設ける、などによって構成される。

すなわち、前記弾性部材は３層構造となっており、中央層の材料が上下層の材料より弾性率が低い、または硬度が低い。あるいは、前記弾性部材は、概略前記弾性部材の全体を構成する主体弾性部材と、該主体弾性部材の内部に集中的に層状をなして埋め込まれた、該主体弾性部材より弾性率が低い、または硬度が低い材料からなる粒状の埋込み弾性部材とから構成されている。そして、前記弾性部材の内部には、以下のように空隙部が設けられる。前記弾性部材が、２枚の弾性板状体から構成され、これら２枚の弾性板状体がスペースをあけて積層されている。あるいは、前記弾性部材が前記金属細線に対して略垂直方向に貫通する穴を有する。あるいは、前記弾性部材が、３枚の弾性板状体から構成され、中央部の弾性板状体は、他の弾性板状体より薄く、かつ、垂直方向に開けられた多数の穴を有している。あるいは、中央部の弾性板状体は、多孔質樹脂膜により構成される。

［作用］
本発明では異方性導電部材の弾性部材の内部に金属細線の屈曲位置を規定する屈曲位置規定部を有していることを特徴としており、プリント回路基板あるいは電子部品により異方性導電部材を圧縮した際、異方性導電部材の導電部材である金属細線は弾性率の低い屈曲位置規制部を起点として折れ曲がる。
このため従来の異方性導電部材ではプリント基板、電子部品により圧縮された際、異方性導電部材の導電部材である金属細線が折れ曲がる箇所が一様ではなかったのに対して、本発明の異方性導電部材では金属細線が変形する箇所が一様となるため基板パッドへの金属細線接触角、金属細線接触本数のバラツキが抑制され、接続端子間抵抗のバラツキの抑制された信頼性の高い接続が得られる。

本発明の異方性導電部材により、接続時すなわち押圧力印加時に、導電部材である金属細線の形状を制御できるため、従来の異方性導電部材で問題であった、金属細線上端部、下端部のオフセットを抑制でき、金属細線の接触本数の低下による抵抗上昇を防止することができる。
また、導電部材である金属細線が基板、電子部品の電極に接触する角度を一定にすることができるため、従来の異方性導電部材で問題であった、接触角のバラツキ抑制が可能となり、接続信頼性を向上させることができる。
また、本発明の異方性導電部材を用いることにより、プリント回路基板間、あるいは電子部品と基板間の接続信頼性を向上させることができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
［構造］
図１は、本発明の異方性導電部材２０の第１の実施の形態を示す断面図と平面図である。
図1に示すように、本実施の形態の異方性導電部材２０では、絶縁性の弾性部材１０は、屈曲位置規制部１を挟む高弾性率弾性部材２からなる３層構造となっており、屈曲位置規制部１として機能する中央の層は厚さ0.02mmのゴム硬度30のシリコーンゴム、上下層の高弾性率弾性部材２は厚さ0.15mm、ゴム硬度50のシリコーンゴムを用いて形成されており、さらに弾性部材１０には直径12μｍのニッケル細線に金めっき処理が施された金属細線３が、弾性部材厚さ方向に貫通し、相互に隔離されて配列されている。なお、金属細線の先端は弾性部材から20μｍ突き出ている。

高弾性率弾性部材２としてゴム硬度50のシリコーンゴムを使用した例を示したが、ゴム硬度としては20〜80度の範囲が望ましい。ゴム硬度が小さいと異方性導電部材を圧縮した際、シリコーンゴムの反発力も小さくなるため金属細線が電極に接触する力が弱くなり、またゴム硬度が大きいと、異方性導電部材の圧縮に大きな力が必要となるためである。また、本実施の形態では、屈曲位置規制部１の材料にゴム硬度が30のシリコーンゴムを使用しているが、屈曲位置規制部１には上下層の高弾性率弾性部材より弾性率の低い材料であれば、他の材料でも可能である。
また、異方性導電部材２０の導電部材である金属細線３はニッケル以外に金、銅、真ちゅう、りん青銅、ステンレス等が使用できる。さらに、この金属細線の一部あるいは全周に金メッキ処理を施すと抵抗値を低下させることができる。金属細線の太さは、φ5〜40μｍがよい。その理由は、線径が太いと異方性導電部材の剛性が高くなり、より大きな加圧力を必要とするし、逆に線径が細いと、抵抗値が大きくなり、接続に不向きになるからである。
また、金属細線３のピッチは電極ピッチに応じて設定され、例えば0.4mmピッチの電極の場合は金属配線のピッチは20〜100μｍがよい。金属配線のピッチが狭すぎると、金属配線の密度が高くなり、プリント基板や電子部品で異方性導電部材を加圧する際、より大きな加圧力が必要になるためであり、また金属細線のピッチが広すぎると、プリント回路基板、電子部品の電極に接触する金属細線の本数が少なくなり、電極間の抵抗値が高くなるためである。

さらに金属細線３の先端は弾性部材から10〜100μｍ突き出ている必要がある。これは金属細線の先端が弾性部材１０に埋もれていると、回路基板や電子部品で異方性導電部材を挟み込んだ際、金属細線が電極に接することができなくて、接続不良を生じるためである。また長すぎると、金属細線が弾性部材から突き出ている部分を起点に折れ曲がるため、金属細線が電極に接する際の接触角が小さくなり接続部の信頼性低下を招くためである。
屈曲位置規制部１を含む弾性部材１０の総厚は取り扱いの点で0.1mm以上、薄型化の観点では0.5mm以下の範囲が望ましく、屈曲位置規制部の厚さは5μｍから弾性部材の総厚に対して1/3までが望ましい。金属細線の径に対して屈曲位置規制部の厚さが薄すぎると、金属細線が屈曲位置規制部で曲がらず、屈曲位置規制部の厚さが厚すぎると上層の高弾性率弾性部材と屈曲位置規制部の界面、下層の高弾性率弾性部材弾性部材と屈曲位置規制部の界面の２箇所で変形が発生するためである。

［製法］
本実施の形態の異方性導電部材１０の製造方法を図２に示す。まず、ゴム硬度50のシリコーンゴム製の高弾性率弾性部材２でゴム硬度30のシリコーンゴム製の低弾性率材料膜１ａを挟む形で積層し〔図２（ａ）〕、150〜250℃に加熱・加圧して接着、一体化して弾性部材１０を形成する〔図２（ｂ）〕。本実施の形態ではゴム硬度50と30のシリコーンゴムを使用しているが、中央の層の弾性率が上下層のそれより低ければ、この組み合わせに限らない。なお、シリコーンゴムのゴム硬度としては20〜80の範囲が望ましい。
次に、金属細線の先端が弾性部材から突き出した形状にするために、治具４を弾性部材１０に重ね合わせる〔図２（ｃ）〕。次に、治具４の穴に沿って金属細線を所定のピッチで弾性部材の厚さ方向に貫通させ、金属細線を切断する〔図２（ｄ）〕。次に、治具４を取り外し、本実施の形態の異方性導電部材２０が完成する〔図２（ｅ）〕。

〔第２の実施の形態〕
［構造］
図3は、本発明の異方性導電部材の第2の実施の形態を示す断面図である。
第１の実施の形態では弾性部材１０の中央に上下層より弾性率の低い樹脂層を設けることで屈曲位置規制部を形成していたが、本実施の形態では、弾性部材１０の概略全体は高弾性率弾性部材２によって構成され、その中央部に低弾性率球状粒子１ｂを層状に配置することで屈曲位置規制部１を形成している。さらに弾性部材１０には金属細線３が弾性部材厚さ方向に貫通し、相互に隔離されて配列されている。なお、金属細線の先端は弾性部材１０から10〜100μｍ突き出ている。
低弾性率球状粒子１ｂの直径は金属細線の直径に対して±10μｍの範囲であることが望ましい。
本実施の形態では、低弾性率球状粒子１ｂとしては球状のものを用いていたが、立方体状や円柱状など適宜の形状のものであってよい。

［製法］
本実施の形態の異方性導電部材２０の製造方法を図４に示す。まず、ゴム硬度50のシリコーンゴム製の高弾性率弾性部材２間にゴム硬度30の球状シリコーンゴムである低弾性率球状粒子１ｂを挟み込み〔図４（ａ）〕、積層し、150〜250℃に加熱・加圧し、接着して弾性部材１０を形成する〔図４（ｂ）〕。次に、第１の実施の形態に記載の方法〔図２（ｃ）〜（ｅ）参照〕にて金属細線を貫通させ、本実施の形態の異方性導電部材２０が完成する。

〔第３の実施の形態〕
［構造］
図５は、本発明の異方性導電部材の第３の実施の形態を示す断面図である。
第１の実施の形態では、弾性部材の中央に上下層より弾性率の低い材料からなる屈曲位置規制部を形成していたが、本第３の実施の形態では、図５に示すように、高弾性率弾性部材２を２枚、屈曲位置規制部１となるスペースをあけて積層している。第１の実施の形態では、弾性部材１０を構成するのに２種類の弾性材料膜を使用していたのに対して、本実施の形態では使用するのは高弾性率弾性部材１種類であるため、コスト削減に効果がある。さらに弾性部材１０には金属細線３が弾性部材厚さ方向に貫通し、相互に隔離されて配列されている。なお、金属細線の先端は弾性部材から10〜100μｍ突き出ている。
屈曲位置規制部１となるスペースの厚さは5μｍから弾性部材の総厚に対して1/3までが望ましい。金属細線の径に対してスペースの幅が薄すぎると、金属細線が屈曲位置規制部で曲がらず、スペースの幅が厚すぎると上層の高弾性率弾性部材２とスペースの界面、下層の高弾性率弾性部材２とスペースの界面の2箇所で変形が発生するためである。

［製法］
本実施の形態の異方性導電部材２０の製造方法を図６に示す。まず高弾性率弾性部材２を2枚、スペーサ部品６を介して積層する〔図６（ａ）〕。またスペーサ部品６の形状としては、後で取り外すため、コの字型などの取り外しやすい形状が望ましい。
次に、金属細線の先端が弾性部材から突き出した形状にするために、治具４を弾性部材に重ね合わせる〔図６（ｂ）〕。次に、治具４の穴に沿って金属細線を所定のピッチで弾性部材の厚さ方向に貫通させ、金属細線を切断する〔図６（ｃ）〕。
次に、治具４および2枚の高弾性率弾性部材２間に挿入したスペーサ部品６を取り外し、本実施の形態の異方性導電部材２０が完成する〔図６（ｄ）〕。

〔第４の実施の形態〕
［構造］
図7は、本発明の異方性導電部材の第４の実施の形態を示す断面図である。
第３の実施の形態では弾性部材の内部にスペースを含有させることで屈曲位置規制部を形成していたが、本実施の形態では弾性部材に金属細線に対して略垂直方向から貫通する貫通穴１ｃを形成することで、屈曲位置規制部１を形成している。弾性部材を貫通する貫通穴の直径は金属細線の直径に対して±10μｍの範囲であり、弾性部材の厚さ方向の中央部にあることが望ましい。また、貫通穴のピッチは金属細線のピッチと同じである。

［製法］
本実施の形態の異方性導電部材の製造方法を図8に示す。まず、高弾性率弾性部材２を用意し、金属細線の先端が弾性部材から突き出した形状にするために、治具４を弾性部材に重ね合わせる〔図８（ａ）〕。次に、治具４の穴に沿って金属細線３を所定のピッチで弾性部材の厚さ方向に貫通させ、金属細線を切断する〔図８（ｂ）〕。次に、金属細線３と接触しないように注意し、金属細線に対して略垂直方向から貫通穴形成用の貫通ピン７を挿入する〔図８（ｃ）〕。
次に、治具４を取り外し、貫通穴形成用のピン７を抜き取ることで貫通穴８が形成され本実施の形態の異方性導電部材２０が完成する〔図８（ｄ）〕。

〔第５の実施の形態〕
［構造］
図９は、本発明の異方性導電部材２０の第５の実施の形態を示す断面図である。
第４の実施の形態では弾性部材の内部に貫通穴を形成することで屈曲位置規制部を形成していたが、本実施の形態では２枚の高弾性率弾性部材間に垂直方向に多数の穴を有する網状樹脂膜１ｄを配置することで、屈曲位置規制部１を形成している。網状樹脂膜１ｄの好ましい膜厚は、５μｍ以上で弾性部材１０の厚さの１／３以下である。
本実施の形態では、網状樹脂膜１ｄの材料としては高弾性率弾性部材２と同じものを用いたが、これより低い弾性率の材料の樹脂膜を用いてもよい。また、網状樹脂膜に代えて多孔質樹脂膜を用いてもよい。

［製法］
本実施の形態の異方性導電部材の製造方法を図１０に示す。まず、網状樹脂膜１ｄと2枚の高弾性率弾性部材２とを用意し、高弾性率弾性部材２間に網状樹脂膜１ｄを配置する〔図８（ａ）〕。３者を重ね合わせ、更に金属細線の先端が弾性部材から突き出した形状にするために、治具４を高弾性率弾性部材２に重ねる〔図８（ｂ）〕。次に、治具４の穴に沿って金属細線３を所定のピッチで弾性部材の厚さ方向に貫通させ、金属細線を切断する〔図８（ｃ）〕。次に、治具４を取り外して、網状樹脂膜１ｄにより屈曲位置規制部１が構成された本実施の形態の異方性導電部材２０が完成する〔図８（ｄ）〕。

〔接続構造の実施の形態〕
次に、本発明の異方性導電部材を用いた接続構造の実施の形態について説明する。図１１は、本発明の第１の実施の形態の異方性導電部材２０を用いた基板間接続構造の実施の形態を示す断面図である。
本実施の形態の接続構造は、表層に接続のための第１の電極端子１１を設けた第１の基板１２と、表層に接続のための第２の電極端子２１を設けた第２の基板２２と、両基板１２、２２の電極端子１１、２１の間に配置した異方性導電部材２０と、接続に必要な加圧力を発生する加圧部品１５とで構成される。基板１２および基板２２と、これらの間に配置された異方性導電部材２０とは、加圧部品１５により加圧することにより、異方性導電部材２０と第１の電極端子１１と第２の電極端子２１とが接触するので、両基板の電極端子間は電気的に接続される。
図１１に示した実施の形態は、リジッドな基板間を接続する構造であったが、本発明の接続構造は、リジッド回路基板−リジッド回路基板間のみならず、フレキシブル回路基板−リジッド回路基板間、フレキシブル回路基板−フレキシブル回路基板間のいずれであってもよく、さらには電子部品とリジッドないしフレキシブル回路基板との接続構造であってもよい。
以上、この発明の実施の形態を図面により説明したが、具体的な構成・製法はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の適宜の変更などがあってもこの発明に含まれる。

本発明の異方性導電部材の第１の実施の形態を示す断面図および平面図。 本発明の第1の実施の形態の異方性導電部材の製法を示す工程順の断面図。 本発明の異方性導電部材の第２の実施の形態を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態の異方性導電部材の製法を示す工程順の断面図。 本発明の異方性導電部材の第３の実施の形態を示す断面図。 本発明の第３の実施の形態の異方性導電部材の製法を示す工程順の断面図。 本発明の異方性導電部材の第４の実施の形態を示す断面図。 本発明の第４の実施の形態の異方性導電部材の製法を示す工程順の断面図。 本発明の異方性導電部材の第５の実施の形態を示す断面図。 本発明の第５の実施の形態の異方性導電部材の製法を示す工程順の断面図。 本発明の基板間接続構造の実施例形成を示す断面図。 従来の異方性導電部材を示す断面図。

符号の説明

１ 屈曲位置規制部
１ａ 低弾性率材料膜
１ｂ 低弾性率球状粒子
１ｃ 貫通穴
１ｄ 網状樹脂膜
２ 高弾性率弾性部材
３ 金属細線
４ 治具
６ スペーサ部品
７ 貫通ピン
１０ 弾性部材
１１、２１電極端子
１２、２２基板
１５ 加圧部品
２０ 異方性導電部材

Claims (10)

1. 弾性部材と、該弾性部材にその先端部が露出する態様にて埋め込まれた複数の金属細線とを備えた異方性導電部材において、前記弾性部材が前記金属細線の屈曲する位置を規制する構造を有することを特徴とする異方性導電部材。
2. 前記弾性部材は３層構造となっており、中央層の材料が上下層の材料より弾性率が低い、または硬度が低いことを特徴とする請求項１に記載の異方性導電部材。
3. 前記弾性部材は、概略前記弾性部材の全体を構成する主体弾性部材と、該主体弾性部材の内部に層状をなして埋め込まれた、該主体弾性部材より弾性率が低い、または硬度が低い材料からなる粒状の埋込み弾性部材とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の異方性導電部材。
4. 前記弾性部材の内部に空隙部を有することを特徴とする請求項１に記載の異方性導電部材。
5. 前記弾性部材が、２枚の弾性板状体から構成され、これら２枚の弾性板状体がスペースをあけて積層されていることを特徴とする請求項４に記載の異方性導電部材。
6. 前記弾性部材が前記金属細線に対して略垂直方向に貫通する穴を有することを特徴とする請求項4に記載の異方性導電部材。
7. 前記弾性部材が、３枚の弾性板状体から構成され、中央部の弾性板状体は、他の弾性板状体より薄く、かつ、網状若しくは多孔質のものであることを特徴とする請求項4に記載の異方性導電部材。
8. 前記弾性部材内の前記金属細線の屈曲する位置を規制する屈曲位置規制部の厚さが５μｍ以上で前記弾性部材の全体の厚さの1／3以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の異方性導電部材。
9. 第１のデバイスと第２のデバイスとが請求項１から８のいずれかに記載された異方性導電部材を介して重ねられ、該異方性導電部材を介して第１のデバイスと第２のデバイスとの電気的接続が達成されていることを特徴とするデバイス接続構造。
10. 前記第１のデバイスが、電子部品、リジッド回路基板またはフレキシブル回路基板の中のいずれかであり、前記第２のデバイスが、リジッド回路基板またはフレキシブル回路基板のいずれかであることを特徴とする請求項９に記載のデバイス接続構造。

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