JP2010277754A

JP2010277754A - 電気部品の接続方法とその接続装置

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Publication number: JP2010277754A
Application number: JP2009127383A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Takizawa; 力滝沢
Original assignee: Micro Denshi Co Ltd
Current assignee: Micro Denshi Co Ltd
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: JP5339232B2

Abstract

【課題】電気部品の多くがはんだ付けによって実装されているが、はんだは鉛とスズを主成分とする合金であるため、その使用が禁止される傾向にあるため、はんだを用いないで電気部品の電気接続が可能な接続装置を提供する。
【解決手段】処理室にマイクロ波電力と共に水素ガスを供給し、水素ガスの還元性気体の中で表面波プラズマを発生させるプラズマ発生装置を備え、酸化被膜２４、２５が形成された電気接続端子２２とプリント配線２３ａを接合させてコネクタ２０をプリント配線基板２３に配置した後、プリント配線基板２３を前記処理室に収容して表面波プラズマに晒し、上記した酸化被膜２４、２５や汚れなどを還元して電気接続端子２２をプリント配線２３ａに接続し、コネクタ２０をプリント配線基板２３に実装した構成としてある。
【選択図】図２

Description

本発明は、各種の電気部品（電子部品を含む）をはんだを用いないで外部との電気接続を可能とした電気部品の接続方法とその接続装置に関する。

電気部品（電子部品を含む）は様々な電気機器に装備され、例えば、集積回路、抵抗器、コンデンサーなどの電子部品ははんだ付けによってプリント配線基板に実装され、このプリント配線基板が電気機器に組み込まれている。

図９は、電子部品をプリント配線基板に実装するためのコネクタの従来例を示す。
このコネクタ１０は、細長い箱状に形成した合成樹脂材からなり、電子部品を挿入する内孔１１の内面には、各々の電気接続端子１２を電子部品に電気接続する複数のコンタクト１２ａが配列され、また、コネクタ１０の下端には、電気接続端子１２の複数のはんだ付け部１２ｂが横向きに突出している。

上記コネクタ１０は、図１０に示すように、プリント配線基板１３の板面にはんだ付けして実装し、その内孔１１に電子部品１４を挿入する。
このように内孔１１に挿入した電子部品１４は、そのコンタクト１４ａがコネクタ１０側のコネクタ１２ａに電気接続する。
コネクタ１０は、電気接続端子１２のはんだ付け部１２ｂをはんだ１５によってはんだ付けしてプリント配線１３ａに電気接続することで、コネクタ１０をプリント配線基板１３に実装させる。

一般に、上記のようなはんだ付けは、リフロー方式のはんだ処理で行われる。
つまり、プリント配線基板１３には、コネクタ１０の電気接続端子１２を接合する予定部所にはんだ１５（ペースト状のもの）を塗布した後に、コネクタ１０を載置し、続いて、リフロー炉の中で加熱してはんだ１５を溶融し、その後、冷却してはんだ付けが行われる。

特開２０００−１７３６８３号公報

上記したようにコネクタ１０は、リフロー方式のはんだ処理時に、リフロー炉内で高熱に晒されるために、反り変形すると言う問題がある。
そのため、電気接続端子１２のはんだ付けが不十分となるために、上記したコネクタ１０では、底部１０ａに変形防止用の金属板や金属棒などを埋設しその問題を解決している。
このように、電気部品ははんだ付け時に加わる加熱によって変形したり、延いては、熱破壊してしまうおそれがある。
他方、電気接続端子１２の表面が酸化、あるいは、有機物により汚染されると、はんだの塗れ性が低下することがある。
これを防止するためには、電気接続端子表面を清浄したり、メッキを施してその問題を解決している。

また、上記したコネクタ１０にかぎらず、多くの電子部品がプリント配線基板にはんだ付けにより実装されているが、はんだは鉛とスズを主成分とする合金であるため、不要となったプリント配線基板の廃棄処理が社会的な問題となり、はんだの鉛使用が禁止される傾向にある。

そこで、現今では、鉛含有率を極力抑えた鉛フリーはんだの使用が進められている。
鉛フリーはんだは、スズ、銀、銅の合金やスズ、ビスマスの合金を主成分としたはんだであるが、しかし、溶融温度が高いために、電子部品の変形や熱破壊の危険性が一層高くなる他、上記した鉛はんだに比べ値段が高く、多くの電気部品の電気接続に使用されるために経済的には必ずしも好ましくない。
また、プリント配線基板の銅パターンには、鉛フリーはんだによる銅食われが発生することがあり、プリント配線が断線することがある。
なお、溶融温度が低い金系はんだがあるが、高価であることから、特に信頼性が求められる少ない用途以外には使用されていない。

本発明は、上記した実情にかんがみ、はんだを使用しないで電気部品（電子部品を含む）の電気接続部を接続することができる接続方法と接続装置を提案することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明では、第１の発明として、外部と接続する電気接続部が銅または酸化銅や銅化合物などの酸化材料からなる２つの電気部品間を電気接続する方法において、酸化被膜が形成された２つの電気部品の電気接続部を互いに重ね、少なくとも、重ねた電気接続部をプラズマに晒し、プラズマによって電気接続部の酸化被膜や汚れなどを還元して重ねた電気接続部を固着し、２つの電気部品を電気接続する方法を提案する。

第２の発明としては、外部と接続する電気接続部が銅または酸化銅や銅化合物などの酸化材料からなる２つの電気部品間を電気接続する装置において、減圧室として構成した処理室にマイクロ波エネルギーと共に還元性気体を供給し、還元性気体の中で表面波プラズマを発生させるプラズマ発生手段を備え、酸化被膜が形成された電気接続部を相対的に重合配置した２つの電気部品を被処理物として前記処理室に収容して表面波プラズマに晒し、表面波プラズマによって電気接続部の酸化被膜や汚れなどを還元して重合配置した電気接続部を固着し、２つの電気部品間を電気接続する装置を提案する。

第３の発明としては、外部と接続する電気接続部を有する２つの電気部品間を電気接続する装置において、減圧室として構成した処理室にマイクロ波エネルギーと共に還元性気体を供給し、還元性気体の中で表面波プラズマを発生させるプラズマ発生手段を備え、２つの電気部品の一方または両方の電気接続部に金属微粒子分散液、酸化物や化合物で覆われた金属微粒子または金属化合物溶液を塗布し、電気接続部を相対的に重合配置した２つの電気部品を被処理物として前記処理室に収容して表面波プラズマに晒し、表面波プラズマによって電気接続部に塗布した金属微粒子分散液または金属化合物溶液を焼結還元して重合配置した電気接続部を固着し、２つの電気部品間を電気接続する装置を提案する。

本発明は、電気部品の電気接続部に形成された酸化膜を積極的に利用して電気接続する。
そして、第１の発明によれば、酸化膜が形成されている２つの電気部品の電気接続部を相対的に重合配置してプラズマに晒すことで、電気接続部に形成されている酸化膜を還元させ、プラズマの還元作用で２つの電気部品の電気接続部を固着させて接続する。

また、第２の発明によれば、２つの電気部品の電気接続部を相対的に重合配置させた状態でプラズマ処理室に収納し、電気接続部に形成されている酸化膜を還元させるが、プラズマがマイクロ波表面波プラズマであるので、電子密度の高いプラズマによって酸化膜が効果的に還元されて電気接続する上、このプラズマは電子温度が低いので、電子部品の表面を変形させたり、絶縁破壊等のダメージを与えたりするなどのことがない。

第３の発明は、電気部品の電気接続部に形成された酸化被膜の還元だけでは、電気接続が不十分となるときなどに適用する。
つまり、電気接続部に塗布した金属微粒子分散液、酸化物や化合物で覆われた金属微粒子または金属化合物溶液はマイクロ波表面波プラズアマに晒すことで、金属微粒子または金属化合物が焼結して焼結導電体となり、また、既に述べたように、電気接続部の酸化被膜や汚れが還元して還元導電体となるから、これら、焼結導電体と還元導電体と一体的に結合した２つの電気部品の電気接続部が接続される。

一方、半導体電気部品や抵抗、コンデンサーなどの電気部品の接続端子（外部との電気接続部）は、銅材または銅合金材で形成され、表面をスズメッキしたものが多い。
すなわち、接続端子にスズメッキすることで、酸化被膜の形成を防ぎ、はんだ付けを可能にしている。

また、プリント配線基板は、銅箔膜で配線形成した後、ソルダーレジスト皮膜を設け、はんだ付けが必要な部分だけ銅箔として露出させたものが多い。
したがって、電気部品を実装させる前に、銅箔の酸化皮膜や汚れをクリーニングによって取り除き、はんだ付け性を高めることが一般的である。

これに対し、本発明を適用して電気部品をプリント配線基板に実装させる場合は、電気部品の接続端子に形成した酸化被膜とプリント配線基板の銅箔面の酸化被膜とを還元して電気接続するため、電気部品の接続端子にはスズメッキが不要となり、また、プリント配線基板のクリーニング工程が省略でき、その上、特に、接続部所にはんだを塗布する必要がない。
なお、接続端子がスズメッキされた電気部品であっても、第３の発明ように、
金属微粒子分散液または金属化合物溶液を塗布して還元することで、電気接続が可能である。

第１実施形態を示し、実装するコネクタをプリント配線基板に配置した状態を示す断面図である。図１上の点線Ａで囲まれた部分を拡大して示した拡大部分断面図である。電気接続端子の接続装置であるプラズマ発生装置の構成図である。第１実施形態によるコネクタの電気接続状態を示した図２同様の断面図である。第２実施形態のコネクタとプリント配線基板とを図２同様に示した拡大部分断面図である。第２実施形態によるコネクタの電気接続状態を示した図４同様の断面図である。第３実施形態のコネクタとプリント配線基板とを図２同様に示した拡大部分断面図である。第３実施形態によるコネクタの電気接続状態を示した図４同様の断面図である。従来例の電気部品として示したコネクタの斜視図である。コネクタをはんだ付けによりプリント配線基板に実装する状態を示した断面図である。

次に、本発明の実施形態について図面に沿って説明する。
図１、図２は第１実施形態を示し、図１は、コネクタ２０をプリント配線基板２３に配置させた状態を示す断面図、図２は、図１上の点線Ａで囲まれた部分を示す部分拡大断面図である。
また、図示するコネクタ２０は、従来例のコネクタ１０と同構成のもので、電子部品を挿入する内孔２１と、この内孔２１の内面に設けたコンタクト２２ａと端子接続部（従来例のはんだ付け部に相当）２２ｂとを有する複数の電気接続端子２２を備えている。
なお、これらの図面は、コネクタ２０の電気接続端子２２をプリント配線基板２３のプリント配線２３ａに接続していない状態を示している。

さらに、コネクタ２０の電気接続端子２２は、銅材または銅合金材で形成してあるが、本実施形態では端子表面はスズメッキしていない。
したがって、電気接続端子２２の表面には酸化被膜２４が形成されている。
また、本実施形態では、プリント配線基板２３はクリーニング処理しない。
したがって、はんだ予定部所に相当するプリント配線２３ａの表面に酸化被膜２５が形成されている。

上記のようにコネクタ２０を配置したプリント配線基板２３は、プラズマ発生装置の処理室に入れて電気接続端子の接続を行う。
図３には、本実施形態で使用するプラズマ発生装置の構成例を示す。
このプラズマ発生装置の処理室４０内には載置台４１が設けてあり、コネクタ２０を配置したプリント配線基板２３をその載置台４１に載置し、コネクタ２０の電気接続端子２２の接続処理を行う。

プラズマ発生装置は、処理室４０の天井壁に設けたマイクロ波照射窓４２からマイクロ波電力（マイクロ波エネルギー）を照射し、処理室４０内に表面波プラズマ４３を発生させる。
したがって、コネクタ２０とプリント配線基板２３とが表面波プラズマ４３に晒される。
なお、プリント配線基板２３に配置されたコネクタ２０の位置を保つために、コネクタ２０を接着材や接着テープなどで予めプリント配線基板２３に接着して位置保持することが好ましい。

処理室４０のマイクロ波照射窓４２には、導波管４４に設けた結合孔４５からマイクロ波電力を送る。
なお、マイクロ波照射窓４２は、石英ガラスで形成してある。
上記した導波管４４は、アイソレータ４６、パワーモニタ４７、チューナー４８などと共に導波管系回路を形成しており、マグネトロン４９が出力する周波数４．４５ＧＨｚのマイクロ波電力をその導波管系回路を介して送り、結合孔４５とマイクロ波照射窓４２を通して処理室４０内に伝播する。

また、処理室４０には、水素ガスを供給する水素供給経路５０を配設し、この水素供給経路５０に、流量計５１、バルブ５２が設けてある。
さらに、処理室４０には、処理室４０内を減圧するための真空ポンプ経路５３を配設し、この真空ポンプ経路５３に、真空ポンプ５４、バルブ５５が設けてある。
その他、処理室４０には、処理室４０内の減圧状態を計測する圧力計５６などが配設してある。

上記したプラズマ発生装置は、処理室４０内に供給されたマイクロ波電力がプラズマ化し、処理室４０にはマイクロ波照射窓４１に沿った表面波プラズマ４３が発生し、コネクタ２０を配置したプリント配線基板２３が表面波プラズマ４３に晒される。
この表面波プラズアマ４３は、電子温度が約１ｅＶ以下と低く、電子密度が約
１×１０^１１〜１×１０^１３ｃｍ^−３と高い表面波プラズマ４３として発生するので、この表面波プラズマ４３に晒されたコネクタ２０とプリント配線基板２３とは、それらの電気接続端子２２の酸化被膜膜２４とプリント配線２３ａの酸化被膜２５がプラズマ作用で銅成分に還元される。

したがって、プラズマ発生装置からプリント配線基板２３を取り出せば、図４に示したように、コネクタ２０の端子接続部２２ｂとプリント配線基板２３のプリント配線２３ａとがプラズマの作用によって接続する。

図５、図６は、第２実施形態を示す。
本実施形態は、図５に示すように、コネクタ２０の電気接続端子２２には、金属化合物溶液２６を塗布し、また、プリント配線基板２３のプリント配線２３ａにも同様に金属化合物溶液２７を塗布した後、コネクタ２０の端子接続部２２ｂとプリント配線２３ａとを重合させるようにしてコネクタ２０を配置する。

そして、コネクタ２０を上記のようにして配置したプリント配線基板２３を第１実施形態同様にプラズマ発生装置の処理室４０に入れ、コネクタ２０の電気接続端子２２の電気接続処理を行う。
すなわち、コネクタ２０とプリント配線基板２３がプラズマ発生装置の処理室４０内で表面波プラズマ４３に晒されることで、金属化合物溶液２６、２７の金属が焼結されると共に、第１実施形態同様に酸化被膜２４、２５が還元することから、コネクタ２０の端子接続部２２ｂとプリント配線２３ａとが確実に接続されるようになる。

したがって、図６に示すように、プリント配線基板２３をプラズマ発生装置の処理室４０から取り出せば、コネクタ２０の電気接続端子２２をプリント配線２３ａに一体的に接続することができる。
なお、本実施形態の場合は、コネクタ２０の電気接続端子２２とプリント配線基板２３のプリント配線２３ａとのいずれか一方に金属化合物溶液を塗布するように実施してもほぼ同様の効果を得ることができる。
また、上記した第２実施形態は、第１実施形態で示した電気接続端子２２とプリント配線２３ａの酸化被膜還元では電気接続が不十分となるときなどに有効である。

図７、図８は、第３実施形態を示す。
本実施形態は、スズメッキされている電気接続端子２２を有するコネクタ２０について実施したことが特徴となっている。
図７に示したように、コネクタ２０の電気接続端子２２にスズメッキ２８がほどこされている場合には、図示する如く、電気接続端子２２の端子接続部２２ｂに金属化合物溶液２９を塗布した後、上記各実施形態同様に、コネクタ２０をプリント配線基板２３に配置し、プラズアマ発生装置でプラズアマ処理する。

本実施形態では、電気接続端子２２に塗布した金属化合物溶液２９の金属が焼結すると共に、プリント配線２３ａの酸化被膜２５が還元することから、図８に示したように、コネクタ２０の電気接続端子２２がプリント配線基板２３のプリント配線２３ａに電気接続される。

上記した金属化合物溶液２６、２７、２９としては、金属錯体、有機化合物、無機化合物を溶解した溶液で、例えば、硫化銅、水酸化ナトリュウム、高純度セルロースを濃アンモニア水で混合した溶液、クエン酸、水酸化銅、ポリビニルアルコールを水に溶かした溶液などが使用可能である。

また、上記した金属化合物溶液２６、２７、２９に換えて金属微粒子分散液を使用することができる。
金属微粒子分散液としては、金、銀、銅、ニッケル、鉄、鉛、すず、亜鉛、インジューム、白金などからなる金属またはそれらの合金からなる金属微粒子を有機溶媒中に分散させた溶液などが使用可能である。
さらに、これらの金属微粒子表面は本発明によるマイクロ波表面波プラズマに
曝される時点で還元されるため、表面が酸化されている金属微粒子も使用することができる。
このことは金属微粒子分散液の製造、保管管理等の工程を厳しく管理する必要がなくなり、コスト低減に有利となる。

以上、各実施形態では、コネクタ２０の実装例について説明したが、本発明は、トランジスタや集積回路、コネクタ、コンデンサー、プリント配線基板などの電気部品についても同様に実施することができ、電気接続部などに形成される酸化被膜をプラズマ作用で還元し、或いは、上記の電気接続部の端部に塗布した金属微粒子分散液や金属化合物溶液の金属をプラズマ作用で焼結して電気接続する構成であるので、従来から広く使用されている「はんだ」を用いないで２つの電気部品間の電気接続が可能になり、その上、本発明では、２つの電気部品の電気接続部を重合配置してマイクロ波表面波プラズマに晒し、還元と金属焼結を実行するで、電気部品の表面を変性させたり絶縁破壊等のダメージを与えたりするなどのおそれがない。
また、塗布する金属微粒子の表面が酸化されていても還元されるので、金属微粒子分散液の製造、保管管理等の工程を厳しく管理する必要がなくなり、コスト低減を行なうことができる。

集積回路、トランジスタなどの半導体素子、コンデンサー、コネクタなどの電気部品をプリント配線基板に実装させる電気接続方法とその接続装置として適用することができる。

２０コネクタ
２２電気接続端子
２２ｂ端子接続部
２３プリント配線基板
２３ａプリント配線
２４、２５酸化被膜
２６、２７金属化合物溶液
２８スズメッキ
２９金属化合物溶液
４０プラズマ発生装置の処理室
４３表面波プラズマ

Claims

外部と接続する電気接続部が銅または酸化銅や銅化合物などの酸化材料からなる２つの電気部品間を電気接続する方法において、
酸化被膜が形成された２つの電気部品の電気接続部を互いに重ね、少なくとも、重ねた電気接続部をプラズマに晒し、
プラズマによって電気接続部の酸化被膜や汚れなどを還元して重ねた電気接続部を固着し、２つの電気部品を電気接続する方法。
外部と接続する電気接続部が銅または酸化銅や銅化合物などの酸化材料からなる２つの電気部品間を電気接続する装置において、
減圧室として構成した処理室にマイクロ波エネルギーと共に還元性気体を供給し、還元性気体の中で表面波プラズマを発生させるプラズマ発生手段を備え、
酸化被膜が形成された電気接続部を相対的に重合配置した２つの電気部品を被処理物として前記処理室に収容して表面波プラズマに晒し、
表面波プラズマによって電気接続部の酸化被膜や汚れなどを還元して重合配置した電気接続部を固着し、２つの電気部品間を電気接続する装置。
外部と接続する電気接続部を有する２つの電気部品間を電気接続する装置において、
減圧室として構成した処理室にマイクロ波エネルギーと共に還元性気体を供給し、還元性気体の中で表面波プラズマを発生させるプラズマ発生手段を備え、
２つの電気部品の一方または両方の電気接続部に金属微粒子分散液、酸化物や化合物で覆われた金属微粒子または金属化合物溶液を塗布し、電気接続部を相対的に重合配置した２つの電気部品を被処理物として前記処理室に収容して表面波プラズマに晒し、
表面波プラズマによって電気接続部に塗布した金属微粒子分散液または金属化合物溶液を焼結還元して重合配置した電気接続部を固着し、２つの電気部品間を電気接続する装置。