JP2011014594A - フレキシブルプリント基板接合体の製造方法 - Google Patents

フレキシブルプリント基板接合体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】接合させるフレキシブルプリント基板における金属パッド部の硬さや表面粗度によらず、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができるフレキシブルプリント基板接合体の製造方法を提供すること。
【解決手段】配線部、および上記配線部上に形成され金を主成分とする金属パッド部を有する接続領域を備える第一フレキシブルプリント基板と、第二フレキシブルプリント基板を準備するフレキシブルプリント基板準備工程と、上記金属パッド部の少なくとも一方に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる結晶粗大化処理を行う結晶粗大化工程と、上記結晶粗大化工程後に、上記金属パッド部を密着させ、超音波接合により、両者を拡散接合させる拡散接合工程と、を有することを特徴とするフレキシブルプリント基板接合体の製造方法を提供すること。
【選択図】図1

Description

本発明は、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体の製造方法に関する。
例えば、HDD(ハードディスクドライブ)において、サスペンション用基板は、マザーボード接続用中継基板と、Auめっきからなる金属パッド部を介して電気的に接続される。この際、サスペンション用基板の金属パッド部と、マザーボード接続用中継基板の金属パッド部とを接合する方法として、両者の金属パッド部を密着させ、超音波接合を行うことで、金属パッド部同士を拡散接合させる方法が知られている。
一方、金属パッド部同士の接合ではないものの、特許文献1においては、電極パッド(金属パッド部)と、突起電極(金属バンプ部)とを、超音波接合により、拡散接合させることが知られている。この技術では、250℃〜350℃の範囲内の温度で金属バンプ部を加熱し、金属バンプ部のビッカース硬度を40〜60とすることで、拡散接合を強固にするものである。
特開2001−196416号公報
従来、金属パッド部同士を拡散接合させる場合、以下のような問題がある。すなわち、一方のフレキシブルプリント基板(例えばサスペンション用基板)と、他方のフレキシブルプリント基板(例えばマザーボード接続用中継基板)とは、互いに金属パッド部の硬さや表面粗度が異なるため、単に超音波接合を行っても、接合強度が不充分であるという問題がある。また、例えば、一方のフレキシブルプリント基板と、他方のフレキシブルプリント基板とが、異なる製造業者により作製されたものである場合、金属パッド部の硬さや表面粗度が顕著に異なる場合があり、両者を接合させようとすると、その組み合せによって接合強度が異なり、接合強度のバラつきが大きいという問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、接合させるフレキシブルプリント基板における金属パッド部の硬さや表面粗度によらず、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができるフレキシブルプリント基板接合体の製造方法を提供することを主目的とする。
上記課題を解決するために、本発明においては、第一配線部、および上記第一配線部上に形成され金を主成分とする第一金属パッド部を有する接続領域を備える第一フレキシブルプリント基板と、第二配線部、および上記第二配線部上に形成され金を主成分とする第二金属パッド部を有する接続領域を備える第二フレキシブルプリント基板とを準備するフレキシブルプリント基板準備工程と、上記第一金属パッド部および上記第二金属パッド部の少なくとも一方に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる結晶粗大化処理を行う結晶粗大化工程と、上記結晶粗大化工程後に、上記第一金属パッド部および上記第二金属パッド部を密着させ、超音波接合により、両者を拡散接合させる拡散接合工程と、を有することを特徴とするフレキシブルプリント基板接合体の製造方法を提供する。
本発明によれば、結晶粗大化処理を行うことにより、超音波接合の際に金属パッドの変形が生じやすくなる。これにより、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができる。
上記発明においては、上記第一配線部および上記第一金属パッド部の間、ならびに、上記第二配線部および上記第二金属パッド部の間の少なくとも一方に、下地層が形成されていることが好ましい。
上記発明においては、上記結晶粗大化処理により、上記金属結晶のサイズを1.2μm以上の大きさまで粗大化させることが好ましい。金属パッド部が変形しやすくなり、強固な拡散結合を形成することができるからである。
上記発明においては、上記結晶粗大化処理により、上記第一金属パッド部および上記第二金属パッド部の少なくとも一方の硬度を、ビッカース硬度(HV)で80以下まで低下させることが好ましい。金属パッド部が変形しやすくなり、強固な拡散結合を形成することができるからである。
上記発明においては、上記結晶粗大化処理が、加熱処理であることが好ましい。熱により金属パッド部に含まれる金属結晶を再結晶化することで、容易に結晶の粗大化が生じるからである。
上記発明においては、上記加熱処理の温度が、180℃〜240℃の範囲内であることが好ましい。加熱温度が低すぎると、充分に金属結晶が粗大化しない可能性や金属結晶の粗大化に多くの時間を必要とするという可能性があり、加熱温度が高すぎると、フレキシブルプリント基板が熱収縮し、寸法精度が損なわれる可能性があるからである。
上記発明においては、上記結晶粗大化処理が、めっき処理であることが好ましい。金属パッド部に含まれる金属結晶の表面にさらに金属元素が堆積することで、容易に結晶の粗大化が生じるからである。
上記発明においては、上記第一フレキシブルプリント基板がサスペンション用基板であり、上記第二フレキシブルプリント基板が中継基板であることが好ましい。HDDに用いられるフレキシブルプリント基板接合体を得ることができるからである。
また、本発明においては、配線部、および上記配線部上に形成され金を主成分とする金属パッド部を有する接続領域を備える結晶粗大化前フレキシブルプリント基板を準備する結晶粗大化前フレキシブルプリント基板準備工程と、上記金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる結晶粗大化処理を行う結晶粗大化工程と、を有することを特徴とするフレキシブルプリント基板の製造方法を提供する。
本発明によれば、結晶粗大化処理を行うことにより、超音波接合の際に金属パッドの変形が生じやすいフレキシブルプリント基板を得ることができる。このようなフレキシブルプリント基板を用いることで、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができる。
上記発明においては、上記配線部および上記金属パッド部の間に、下地層が形成されていることが好ましい。
上記発明においては、上記結晶粗大化処理により、上記金属結晶のサイズを1.2μm以上の大きさまで粗大化させることが好ましい。金属パッド部が変形しやすくなり、強固な拡散結合を形成することができるからである。
上記発明においては、上記結晶粗大化処理により、上記金属パッド部の硬度を、ビッカース硬度(HV)で80以下まで低下させることが好ましい。金属パッド部が変形しやすくなり、強固な拡散結合を形成することができるからである。
上記発明においては、上記結晶粗大化処理が、加熱処理であることが好ましい。熱により金属パッド部に含まれる金属結晶を再結晶化することで、容易に結晶の粗大化が生じるからである。
上記発明においては、上記加熱処理の温度が、180℃〜240℃の範囲内であることが好ましい。加熱温度が低すぎると、充分に金属結晶が粗大化しない可能性や金属結晶の粗大化に多くの時間を必要とするという可能性があり、加熱温度が高すぎると、フレキシブルプリント基板が熱収縮し、寸法精度が損なわれる可能性があるからである。
上記発明においては、上記結晶粗大化処理が、めっき処理であることが好ましい。金属パッド部に含まれる金属結晶の表面にさらに金属元素が堆積することで、容易に結晶の粗大化が生じるからである。
上記発明においては、上記フレキシブルプリント基板がサスペンション用基板であることが好ましい。中継基板等との接合強度に優れたサスペンション用基板を得ることができるからである。
また、本発明においては、第一配線部、および上記第一配線部上に形成され金を主成分とする第一金属パッド部を有する接続領域を備える第一フレキシブルプリント基板と、第二配線部、および上記第二配線部上に形成され金を主成分とする第二金属パッド部を有する接続領域を備える第二フレキシブルプリント基板とを有し、上記第一金属パッド部および上記第二金属パッド部が、拡散接合により接合されており、かつ、接合された金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが1.2μm以上の大きさであることを特徴とするフレキシブルプリント基板接合体を提供する。
本発明によれば、接合された金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが上記範囲にあることで、金属パッド部の接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体とすることができる。
また、本発明においては、配線部、および上記配線部上に形成され金を主成分とする金属パッド部を有する接続領域を備えるフレキシブルプリント基板であって、上記金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが1.2μm以上の大きさであることを特徴とするフレキシブルプリント基板を提供する。
本発明によれば、金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが上記範囲にあることで、超音波接合の際に金属パッドの変形が生じやすくなる。このようなフレキシブルプリント基板を用いることで、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができる。
本発明においては、接合させるフレキシブルプリント基板における金属パッド部の硬さや表面粗度によらず、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができるという効果を奏する。
本発明のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法の一例を示す概略断面図である。 図1(b)における接合部分の模式図である。 超音波接合による、従来の接合状態と本発明における接合状態との違いを説明する概略断面図である。 本発明におけるサスペンション用基板の一例を示す概略平面図である。 フレキシブルプリント基板の作製に用いられる部材の概略断面図である。 本発明における中継基板の一例を示す概略平面図である。 本発明における中継基板を説明する概略断面図である。 ビッカース硬度の測定方法を説明する説明図である。 実施例1、2で得られたフレキシブルプリント基板接合体の接合部分の断面を示すSEM写真である。 実施例3、4で得られたフレキシブルプリント基板接合体の接合部分の断面を示すSEM写真である。 比較例1で得られたフレキシブルプリント基板接合体の接合部分の断面を示すSEM写真である。 実施例1〜4および比較例1で得られたフレキシブルプリント基板接合体の金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズを示すグラフである。 実施例1〜4で得られたフレキシブルプリント基板接合体の金属パッド部のビッカース硬度を示すグラフである。 実施例1〜4および比較例1で得られたフレキシブルプリント基板接合体の金属パッド部の接合強度を示すグラフである。 配線部のピール強度の測定で作製した試験片の概略断面図である。 配線部のピール強度の測定結果を示すグラフである。
以下、本発明のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法、フレキシブルプリント基板の製造方法、フレキシブルプリント基板接合体およびフレキシブルプリント基板について詳細に説明する。
A.フレキシブルプリント基板接合体の製造方法
本発明のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法は、第一配線部、および上記第一配線部上に形成され金を主成分とする第一金属パッド部を有する接続領域を備える第一フレキシブルプリント基板と、第二配線部、および上記第二配線部上に形成され金を主成分とする第二金属パッド部を有する接続領域を備える第二フレキシブルプリント基板とを準備するフレキシブルプリント基板準備工程と、上記第一金属パッド部および上記第二金属パッド部の少なくとも一方に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる結晶粗大化処理を行う結晶粗大化工程と、上記結晶粗大化工程後に、上記第一金属パッド部および上記第二金属パッド部を密着させ、超音波接合により、両者を拡散接合させる拡散接合工程と、を有することを特徴とするものである。
本発明によれば、結晶粗大化処理を行うことにより、超音波接合の際に金属パッドの変形が生じやすくなる。これにより、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができる。また、接合させる2つのフレキシブルプリント基板の金属パッド部の硬さや表面粗度が異なる場合であっても、本発明における結晶粗大化処理を行うことにより、金属パッド部の状態を統一化できるため、接合強度のバラつきを小さくすることができるという利点を有する。
図1は、本発明のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法の一例を示す概略断面図である。より具体的には、2個のフレキシブルプリント基板の接続領域周辺を示す概略断面図である。なお、図1は、本発明のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法の理解を容易にするためのものであり、寸法は図1に限定されるものではない(その他の図においても同様である)。
図1においては、まず図1(a)に示すように、第一フレキシブルプリント基板10および第二フレキシブルプリント基板20を準備する(フレキシブルプリント基板準備工程)。ここで、第一フレキシブルプリント基板10は、SUSからなる支持部1と、支持部1上に形成されポリイミドからなる絶縁部2と、絶縁部2上に形成された第一配線部3と、第一配線部3上に形成されたカバー部4と、第一配線部3の絶縁部2側の表面に形成され、金を主成分とするめっきからなる接合側第一金属パッド部5aと、第一配線部3のカバー部4側の表面に形成され、金を主成分とするめっきからなる非接合側第一金属パッド部5bと、を有するものである。第一フレキシブルプリント基板10における第一配線部3はフライングリード部であり、接合側第一金属パッド部5aおよび非接合側第一金属パッド部5bが第一金属パッド部5になる。なお、第一フレキシブルプリント基板は、少なくとも接合側第一金属パッド部5aを有するものであり、接合側第一金属パッド部5aのみを有する場合は、それが第一金属パッド部になる。一方、第二フレキシブルプリント基板20は、SUSからなる支持部11と、支持部11上に形成されポリイミドからなる絶縁部12と、絶縁部12上に形成された第二配線部13および絶縁部14と、第二配線部13上に形成され、金を主成分とするめっきからなる第二金属パッド部15とを有するものである。
次に、第一フレキシブルプリント基板10および第二フレキシブルプリント基板20に対して、加熱処理を行い、第一金属パッド部5および第二金属パッド部15に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる(結晶粗大化工程)。その後、図1(b)に示すように、接合側第一金属パッド部5aおよび第二金属パッド部15を密着させ、超音波接合ツール30を用いて超音波接合(超音波振動および加圧による接合)行い、両者を拡散接合させる(拡散接合工程)。これにより、2つのフレキシブルプリント基板が接合したフレキシブルプリント基板接合体を得ることができる。
図2は、図1(b)における接合部分の模式図である。図2(a)に示すように、接合側第一金属パッド部5aおよび第二金属パッド部15を単に密着させた状態では、両者は接合していない。そこで、密着させた状態で超音波接合を行うことにより、図2(b)に示すように、接合側第一金属パッド部5aおよび第二金属パッド部15に含まれる金属が相互に変形し、近接することにより、両者が拡散接合されることになる。
図3は、超音波接合による、従来の接合状態と本発明における接合状態との違いを説明する概略断面図である。なお、図3(a)、(c)においては、便宜上、界面部分の結晶のみ記載している。従来は、図3(a)に示すように、第一金属パッド部5および第二金属パッド部15に含まれる金属結晶のサイズは小さい。サイズが小さいと、結晶粒界が多く存在し、その結晶粒界が結晶粒子のすべり面を固定することになる。そのため、結晶粒子が移動しにくくなり、第一金属パッド部5および第二金属パッド部15の硬度は高くなる。従って、金属結晶のサイズが小さいままで超音波接合を行ったとしても、第一金属パッド部5および第二金属パッド部15は変形しにくいため、両者に含まれる金属は充分に拡散されなくなる。その結果、第一金属パッド部5および第二金属パッド部15の接合強度は低くなる(図3(b))。
これに対して、本発明においては、図3(c)に示すように、第一金属パッド部5および第二金属パッド部15に含まれる金属結晶は、後述する結晶粗大化処理を行っているため、サイズが大きい。金属結晶のサイズが大きいと、結晶粒界が少ないため、結晶粒界がすべり変形し易くなり、第一金属パッド部5および第二金属パッド部15の硬度は低くなる。従って、超音波接合を行うと、第一金属パッド部5および第二金属パッド部15は変形しやすいため、両者に含まれる金属は充分に拡散される。その結果、第一金属パッド部5および第二金属パッド部15の接合強度は高くなるのである(図3(d))。
以下、本発明のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法について、工程毎に説明する。
1.フレキシブルプリント基板準備工程
まず、本発明におけるフレキシブルプリント基板準備工程について説明する。本工程は、第一配線部、および上記第一配線部上に形成され金を主成分とする第一金属パッド部を有する接続領域を備える第一フレキシブルプリント基板と、第二配線部、および上記第二配線部上に形成され金を主成分とする第二金属パッド部を有する接続領域を備える第二フレキシブルプリント基板とを準備する工程である。
本発明においては、第一フレキシブルプリント基板および第二フレキシブルプリント基板を総称して「フレキシブルプリント基板」と称する場合がある。同様に、第一配線部および第二配線部を総称して「配線部」と称する場合があり、第一金属パッド部および第二金属パッド部を総称して「金属パッド部」と称する場合がある。
(1)配線部
接続領域における配線部は、導電性を有するものであれば特に限定されるものではない。配線部の材料としては、例えば銅(Cu)等を挙げることができる。また、配線部の厚さとしては、フレキシブルプリント基板の種類によって異なるものであるが、通常6μm〜18μmの範囲内であり、中でも8μm〜12μmの範囲内であることが好ましい。
また、上記配線部は、上述した図1(a)の第一配線部3のように、フライングリードであっても良く、図1(a)の第二配線部13のように、一方の表面全体に絶縁部を有するものであっても良い。絶縁部の材料としては、例えばポリイミド(PI)等を挙げることができる。絶縁部の厚さは、通常5μm〜10μmの範囲内である。
(2)金属パッド部
接続領域における金属パッド部は、上記配線部上に形成され、金を主成分とするものである。ここで、金を主成分とするとは、金属パッド部の組成において、金(Au)の割合が最も多いことをいう。すなわち、金属パッド部は、Au単体からなるものであっても良く、Auを主成分とする合金からなるものであっても良い。Auを主成分とする合金としては、例えばAu−Pd合金を挙げることができる。Au−Pd合金は金属表面が酸化、腐食し難く、接合し易いという利点を有する。
また、本発明における金属パッド部は、後述する結晶粗大化処理により、金属パッド部に含まれる金属結晶を粗大化させる。粗大化前の金属結晶のサイズは、通常0.001μm〜1.0μmの範囲内であり、0.1μm〜1.0μmの範囲内にあることが好ましい。なお、金属結晶のサイズの測定方法は、後述する「2.結晶粗大化工程」で詳細に説明する。
また、本発明における金属パッド部は、後述する結晶粗大化処理により、通常は硬度が低下する。粗大化前の金属結晶のビッカース硬度(HV)は、通常85〜120の範囲内であり、85〜90の範囲内にあることが好ましい。なお、ビッカース硬度の測定方法は、後述する「2.結晶粗大化工程」で詳細に説明する。
本発明における金属パッド部の厚さは、例えば0.5μm〜5.0μmの範囲内、中でも1.0μm〜4.0μmの範囲内であることが好ましい。
本発明における金属パッド部の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えばめっき法を挙げることができる。上記めっき法としては、電解めっき法、無電解めっき法等の公知のめっき法を用いることができ、中でも電解めっき法が好ましい。
さらに、本発明においては、配線部および金属パッド部の間に、下地層が形成されていることが好ましい。下地層の材料としては、例えば、Ni、Cr、Cuおよびこれらの合金等を挙げることができ、中でもNiおよびNi合金が好ましく、特にNiが好ましい。下地層の厚さは、通常0.1μm〜1.0μmの範囲内である。下地層は、例えばめっき法により形成することができる。上記めっき法としては、電解めっき法、無電解めっき法等の公知のめっき法を用いることができ、中でも電解めっき法が好ましい。特に、本発明においては、銅からなる配線部に、Niめっきにより下地層を形成し、その下地層の表面上にAuめっきからなる金属パッド部を形成することが好ましい。
また、本発明においては、第一フレキシブルプリント基板の第一配線部および第一金属パッド部の間、ならびに、第二フレキシブルプリント基板の第二配線部および第二金属パッド部の間の少なくとも一方に、下地層が形成されていることが好ましい。中でも、後述する結晶粗大化処理が行われるフレキシブルプリント基板に、下地層が形成されていることが好ましい。例えば、加熱処理による粗大化を行う場合、金属パッド部の接合面まで、下地層の材料(例えばNi)や配線部の材料(例えばCu)が拡散し、接合強度が低下する問題が生じる可能性があるが、本発明においては、後述するような適度な温度範囲でフレキシブルプリント基板を加熱することで、このような問題の発生を抑制することができるからである。
(3)フレキシブルプリント基板
本発明におけるフレキシブルプリント基板は、上述した配線部および金属パッド部を有する接続領域を備えるものであれば特に限定されるものではなく、任意のフレキシブルプリント基板を組合せることができる。具体的には、サスペンション用基板、中継基板および半導体用パッケージ基板等を挙げることができる。
(i)サスペンション用基板
本発明におけるフレキシブルプリント基板の一例としては、サスペンション用基板を挙げることができる。本発明におけるサスペンション用基板は、適度なばね性を有する基板である。サスペンション用基板の具体例としては、HDDに用いられ、磁気ヘッド等の素子を実装するものを挙げることができる。
図4は、本発明におけるサスペンション用基板の一例を示す概略平面図である。図4に示されるサスペンション用基板は、一方の先端には磁気ヘッドを実装するためのジンバル部51を有し、他方の先端には、他のフレキシブルプリント基板との接続を行うための接続領域52を有し、さらに、ジンバル部51および接続領域52を接続するための配線53(配線53a〜53d)を有している。配線53aおよび53b、並びに配線53cおよび53dがそれぞれ配線対を形成し、一方が記録用であり、他方が再生用である。本発明においては、接続領域52が、上述した配線部および金属パッド部を有する。
また、サスペンション用基板は、例えば、支持基板、絶縁層および導電層がこの順に積層された基本構造を有するものである。このような基本構造を有するフレキシブルプリント基板は、例えば図5に示すような支持基板61、絶縁層62および導電層63がこの順に積層された部材(3層材)に対してエッチング等のパターニングを行うことにより、得ることができる。この場合、導電層63をパターニングすることにより、接続領域における配線部(例えば図1(a)における第一配線部3)を形成することができ、絶縁層62をパターニングすることにより、接続領域における絶縁部(例えば図1(a)における絶縁部2)を形成することができ、支持基板61をパターニングすることにより、接続領域における支持部(例えば図1(a)における支持部1)を形成することができる。
さらに、パターニングにより得られた配線部の表面に、上述しためっき法を行うことにより、金属パッド部を形成することができる。また、サスペンション用基板は、必要に応じて、パターニングされた導電層(配線)を覆うカバー部等を有していても良い。なお、カバー部の材料としては、ポリイミド等を挙げることができる。
(ii)中継基板
本発明におけるフレキシブルプリント基板の他の例としては、中継基板を挙げることができる。本発明における中継基板(一方のフレキシブルプリント基板)は、他方のフレキシブルプリント基板と、その他の部材との電気的接続を中継するための基板である。中継基板の具体例としては、上述したHDDに用いられるサスペンション用基板と、マザーボードとの電気的接続を中継するマザーボード接続用中継基板を挙げることができる。特に、本発明においては、一方のフレキシブルプリント基板(第一フレキシブルプリント基板)がサスペンション用基板であり、他方のフレキシブルプリント基板(第二フレキシブルプリント基板)が中継基板であることが好ましい。また、本発明においては、第一フレキシブルプリント基板および第二のフレキシブルプリント基板の両方が、中継基板であっても良い。
図6は、本発明における中継基板の一例を示す概略平面図である。図6に示される中継基板80は、端子71と、プリアンプ72と、コネクター73と、これらを接続する配線74とを有するものである。本発明においては、端子71が接続領域に該当し、上述した配線部および金属パッド部を有する。また、中継基板の一例としては、例えば、図7(a)に示すように、支持部101と、支持部101上に形成された絶縁部102と、絶縁部102上に形成された配線部103および絶縁部104と、配線部103上に形成された金属パッド部15とを有するものを挙げることができる。また、中継基板の他の例としては、支持部101および絶縁部102の間に、接着部106を有するもの(図7(b))、および、支持部101を有しないもの(図7(c))等を挙げることができる。なお、図7(a)〜(c)において、絶縁部104がない場合もある。
2.結晶粗大化工程
次に、本発明における結晶粗大化工程について説明する。本工程は、上記第一金属パッド部および上記第二金属パッド部の少なくとも一方に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる結晶粗大化処理を行う工程である。
本発明においては、第一金属パッド部および第二金属パッド部の少なくとも一方に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる。中でも、後述する超音波接合に用いられる超音波接合ツールの接触面に近い側の金属パッド部(図1(b)では第一金属パッド5)に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させることが好ましい。仮に、超音波接合ツールの接触面に遠い側の金属パッド部が変形しにくくても、接触面に近い側の金属パッド部が変形することで、強固な拡散接合を形成することができるからである。特に、本発明においては、第一金属パッド部および第二金属パッド部の両方に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させることが好ましい。両方の金属パッド部が変形しやすくなることで、さらに強固な拡散接合を形成することができるからである。
本発明においては、結晶粗大化処理により、金属結晶のサイズを1.2μm以上の大きさまで粗大化させることが好ましく、1.4μm以上がより好ましく、1.6μm以上がさらに好ましく、1.8μm以上が特に好ましい。金属パッド部が変形しやすくなり、強固な拡散結合を形成することができるからである。一方、本発明においては、結晶粗大化処理により、金属結晶のサイズを3.0μm以下の大きさまで粗大化させることが好ましく、2.5μm以下がより好ましく、2.0μm以下がさらに好ましい。金属パッド部の変形という観点からは、金属結晶のサイズを大きくすることが好ましいが、その反面、結晶粗大化処理を過度に行うと、金属パッド部以外のフレキシブルプリント基板の部材に悪影響を与える可能性があるからである。
また、本発明においては、結晶粗大化処理により、金属結晶のサイズを、1.2倍〜3.0倍の範囲内で粗大化させることが好ましく、1.5倍〜2.5倍の範囲内で粗大化させることがより好ましい。上記範囲内であれば、金属パッド部が変形しやすくなり、強固な拡散結合を形成することができるからである。
本発明における「金属結晶のサイズ」は、以下の方法により測定することができる。すなわち、金属パッド部の断面を長さ方向で10μm程度の範囲で、結晶粒界が認識できるように、ミクロトーム等でめっき断面を切断し、SEMにより倍率15,000倍程度で観察し、結晶粒の最も大きいものから10個において、結晶の対角線の最長部位の長さを測定することにより求めることができる。
また、本発明においては、結晶粗大化処理により、第一金属パッド部および第二金属パッド部の少なくとも一方の硬度をビッカース硬度(HV)で80以下まで低下させることが好ましく、75以下がより好ましく、70以下がさらに好ましい。一方、本発明においては、結晶粗大化処理により、ビッカース硬度(HV)で50以上まで低下させることが好ましく、55以上であることがより好ましく、61以上であることがさらに好ましい。
ビッカース硬度は、JIS Z 2244に記載された方法により測定することができる。具体的には、図8に示すように、対面角α=136°の正四角錐ダイヤモンドで作られたピラミッド形の圧子200を、サンプル210の表面に押し込み、圧子200を除いた後に、サンプル210に残った凹みの対角線の長さd(mm)から表面積S(mm)を算出する。試験荷重F(N)を算出した表面積S(mm)で割った値がビッカース硬さ(HV)であり、以下の式で求められる。
Figure 2011014594
次に、本発明における結晶粗大化処理について具体的に説明する。本発明における結晶粗大化処理としては、金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズを粗大化できる処理であれば特に限定されるものではないが、例えば、加熱処理およびめっき処理等を挙げることができる。以下、加熱処理およびめっき処理について、詳細に説明する。
(1)加熱処理
結晶粗大化処理が加熱処理である場合、熱により金属パッド部に含まれる金属結晶を再結晶化することで、容易に結晶の粗大化が生じる。加熱温度は、180℃以上であることが好ましく、190℃以上であることがより好ましく、200℃以上であることがさらに好ましい。加熱温度が低すぎると、充分に金属結晶が粗大化しない可能性や金属結晶の粗大化に多くの時間を必要とするという可能性があるからである。一方、加熱温度は、240℃以下であることが好ましく、230℃以下であることがより好ましく、220℃以下であることがさらに好ましい。加熱温度が高すぎると、フレキシブルプリント基板が熱収縮し、寸法精度が損なわれる可能性があるからである。特に、フレキシブルプリント基板の絶縁層が、ポリイミド等の樹脂である場合は、熱収縮が顕著に生じる。さらに、加熱温度が高すぎると、金属パッド部の接合面まで、配線部の材料(例えばCu)や下地層の材料(例えばNi)が拡散し、接合強度が低下する問題が生じる可能性がある。
加熱時間は、加熱温度によって異なるものであるが、金属結晶のサイズや金属パッド部の硬さが所望の範囲になる程度の時間であることが好ましく、例えば30分間〜60分間の範囲内であることが好ましい。
また、加熱方法は、例えば、接合するフレキシブルプリント基板にホットプレートを接触させて加熱する方法、バッチ式オーブンにて加熱する方法等を挙げることができる。
(2)めっき処理
結晶粗大化処理がめっき処理である場合、金属パッド部に含まれる金属結晶の表面にさらに金属元素が堆積することで、容易に結晶の粗大化が生じる。金属パッド部がAuめっきである場合の結晶粗大化の一例としては、無光沢タイプのAuめっき液を用いた電解Auめっきの際に電流密度を調整する方法を挙げることができる。
また、結晶粗大化処理がめっき処理である場合、上述したフレキシブルプリント基板準備工程と連続的に行っても良い。すなわち、フレキシブルプリント基板の金属パッド部をめっき法により形成し、そのまま連続的にめっき処理を行っても良い。
3.拡散接合工程
次に、本発明における拡散接合工程について説明する。本工程は、上記結晶粗大化工程後に、上記第一金属パッド部および上記第二金属パッド部を密着させ、超音波接合により、両者を拡散接合させる工程である。
超音波接合は、通常、超音波接合ツールを用いる。超音波振動の周波数は、例えば30kHz〜150kHzの範囲内、中でも60kHz〜120kHzの範囲内であることが好ましい。超音波振動の振幅、超音波接合の際に印加する圧力については、金属パッド部の種類に応じて、適宜選択することが好ましい。超音波接合の接合時間は、充分な接合強度が得られる程度の時間であれば特に限定されるものではないが、例えば、数秒程度である。
本発明においては、超音波接合の際に、同時に加熱を行っても良い。加熱方法としては、例えば、接合するフレキシブルプリント基板にホットプレートを接触させて加熱する方法を挙げることができる。
また、本発明において、上述した結晶粗大化工程で加熱処理を行う場合、結晶粗大化工程の後に、連続的に超音波接合工程を行うことが好ましい。結晶粒子が移動しやすい状態で接合を行うことにより、さらに接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができるからである。
本発明により得られるフレキシブルプリント基板接合体は、金属パッド部同士が良好な強度で接合している。この接合部分における接合強度は、例えば50gf以上であることが好ましく、70gf〜100gfの範囲内にあることがより好ましい。
B.フレキシブルプリント基板の製造方法
次に、本発明のフレキシブルプリント基板の製造方法について説明する。本発明のフレキシブルプリント基板の製造方法は、配線部、および上記配線部上に形成され金を主成分とする金属パッド部を有する接続領域を備える結晶粗大化前フレキシブルプリント基板を準備する結晶粗大化前フレキシブルプリント基板準備工程と、上記金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる結晶粗大化処理を行う結晶粗大化工程と、を有することを特徴とするものである。
本発明によれば、結晶粗大化処理を行うことにより、超音波接合の際に金属パッドの変形が生じやすいフレキシブルプリント基板を得ることができる。このようなフレキシブルプリント基板を用いることで、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができる。
本発明における結晶粗大化前フレキシブルプリント基板準備工程は、配線部、および上記配線部上に形成され金を主成分とする金属パッド部を有する接続領域を備える結晶粗大化前フレキシブルプリント基板を準備する工程である。本工程については、上記「A.フレキシブルプリント基板接合体の製造方法」におけるフレキシブルプリント基板準備工程と同様である。また、配線部、金属パッド部およびその他の事項についても、上述した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。また、本発明における結晶粗大化工程についても、上記「A.フレキシブルプリント基板接合体の製造方法」における結晶粗大化工程と同様である。
C.フレキシブルプリント基板接合体
次に、本発明のフレキシブルプリント基板接合体について説明する。本発明のフレキシブルプリント基板接合体は、第一配線部、および上記第一配線部上に形成され金を主成分とする第一金属パッド部を有する接続領域を備える第一フレキシブルプリント基板と、第二配線部、および上記第二配線部上に形成され金を主成分とする第二金属パッド部を有する接続領域を備える第二フレキシブルプリント基板とを有し、上記第一金属パッド部および上記第二金属パッド部が、拡散接合により接合されており、かつ、接合された金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが1.2μm以上の大きさであることを特徴とするものである。
本発明によれば、接合された金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが上記範囲にあることで、金属パッド部の接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体とすることができる。なお、本発明における第一フレキシブルプリント基板、第二フレキシブルプリント基板、金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズ等については、上記「A.フレキシブルプリント基板接合体の製造方法」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
D.フレキシブルプリント基板
次に、本発明のフレキシブルプリント基板について説明する。本発明のフレキシブルプリント基板は、配線部、および上記配線部上に形成され金を主成分とする金属パッド部を有する接続領域を備えるフレキシブルプリント基板であって、上記金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが1.2μm以上の大きさであることを特徴とするものである。
本発明によれば、金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが上記範囲にあることで、超音波接合の際に金属パッドの変形が生じやすくなる。このようなフレキシブルプリント基板を用いることで、接合強度に優れたフレキシブルプリント基板接合体を得ることができる。本発明におけるフレキシブルプリント基板については、上記「A.フレキシブルプリント基板接合体の製造方法」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と、実質的に同一の構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる場合であっても本発明の技術的範囲に包含される。
以下、実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。
[製造例]
(第一フレキシブルプリント基板10の作製)
図1(a)に示す第一フレキシブルプリント基板10を作製した。まず、図5に示す3層材を用意した。ここで、支持基板61は厚さ20μmのSUS304であり、絶縁層62は厚さ10μmのポリイミド層であり、導電層63は厚さ12μmの電解銅箔である。次に、この部材に化学エッチングを行い、金属パッド部を形成する前の第一フレキシブルプリント基板10を得た。
次に、第一配線部3の絶縁部2側の表面に、スルファミン酸Niめっき浴を用いた電解浸漬めっきにより、1.6A、40secの処理条件にてめっきを行い、Niめっきからなる下地層(0.3μm)を形成した。次に、得られた下地層の表面に、シアン系の電解Auめっき液を用い、65℃、0.9A、2.5minの条件にてめっきを行い、Auめっきからなる第一金属パッド部5を形成した。なお、接合側第一金属パッド部5aおよび非接合側第一金属パッド部5bの厚さは、それぞれ2.5μmとした。これにより、第一フレキシブルプリント基板10を得た。
(第二フレキシブルプリント基板20の作製)
第一フレキシブルプリント基板10の作製時と同様の3層材を用い、同様の方法により、第二フレキシブルプリント基板20を得た。なお、Auめっきからなる第二金属パッド部15の厚さは1.0μmとした。
[実施例1]
製造例で得られた第一フレキシブルプリント基板10および第二フレキシブルプリント基板20の両者を、150℃60分の条件で加熱した。加熱はバッチ式オーブンにより行った。その後、冷却することで、結晶を粗大化させたフレキシブルプリント基板を得た。次に、第一フレキシブルプリント基板10と、第二フレキシブルプリント基板20とを超音波接合により接合した。超音波接合は、図1(b)に示すように、接合側第一金属パッド部5aと、第二金属パッド部15とを密着させ、超音波接合ツール30を圧着させることにより行った。この時、超音波振動の周波数は120kHzであった。これにより、フレキシブルプリント基板接合体を得た。
[実施例2]
加熱処理の条件を、180℃60分に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフレキシブルプリント基板接合体を得た。
[実施例3]
加熱処理の条件を、210℃60分に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフレキシブルプリント基板接合体を得た。
[実施例4]
加熱処理の条件を、240℃60分に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフレキシブルプリント基板接合体を得た。
[比較例1]
加熱処理を行わなかったこと以外は、実施例1と同様にしてフレキシブルプリント基板接合体を得た。
[実施例5]
加熱処理の条件を、210℃15分に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフレキシブルプリント基板接合体を得た。
[実施例6]
加熱処理の条件を、210℃30分に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフレキシブルプリント基板接合体を得た。
[実施例7]
加熱処理の条件を、240℃15分に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフレキシブルプリント基板接合体を得た。
[実施例8]
加熱処理の条件を、240℃30分に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてフレキシブルプリント基板接合体を得た。
[評価]
(1)金属結晶のサイズの測定
実施例1〜4および比較例1で得られたフレキシブルプリント基板接合体の接合部分の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて測定した。そのSEM写真を図9〜図11に示す。また、得られたSEM写真を用いて、金属結晶のサイズを測定した。なお、この測定方法については上述した通りである。その結果を図12に示す。図12に示されるように、加熱処理により、実施例1〜4において金属結晶のサイズが粗大化することが確認された。
(2)金属パッド部のビッカース硬度の測定
製造例で得られた第一フレキシブルプリント基板を用いて、第一金属パッド部のビッカース硬度の経時変化を測定した。加熱温度は、上述した実施例1〜4と同様に、それぞれ150℃、180℃、210℃、240℃とした。また、測定には市販の測定機器を用い、荷重10g、負荷速度10μm/秒の条件で測定した。その結果を図13に示す。図13に示されるように、加熱処理により、金属パッド部のビッカース硬度が低下することが確認された。なお、加熱処理の前の金属パッド部のビッカース硬度は90Hvであった。
(3)接合された金属パッド部の接合強度
実施例1〜4および比較例1で得られたフレキシブルプリント基板接合体の接合部分の接合強度を測定した。具体的には、市販の測定装置を用い、第二フレキシブルプリント基板20から第一フレキシブルプリント基板10を引き剥がす時のピール強度を測定した。ピール方向は、90°上方とし、ピール速度50mm/分とした。その結果を図14に示す。図14に示すように、比較例1に比べて、接合強度は、実施例1では8.3%向上し、実施例2では16.7%向上し、実施例3では66.7%向上し、実施例4では83.3%向上することが確認された。
(4)加熱処理後の金属パッド部の表面元素分析
実施例1〜4において、加熱処理後、超音波接合前の第一フレキシブルプリント基板10を用いて、第一金属パッド部の表面元素分析を行った。表面元素分析はオージェ電子分光法により行った。その結果を表1に示す。
Figure 2011014594
表1に示されるように、実施例1〜3では、接合側第一金属パッド部5aおよび非接合側第一金属パッド部5bの両方で、微量のCuが検出された。なお、微量のCuが金属パッド部の表面で観察されるのは、めっき法で金属パッド部を形成した際に、配線部のCuが溶出したためであると考えられる。これに対して、実施例4では、接合側第一金属パッド部5aおよび非接合側第一金属パッド部5bの両方で、Cuの割合が高かった。これは、上記めっき法によるCuの溶出に加えて、加熱処理による配線部のCuの拡散が生じたためであると考えられる。金属パッド部の表面にCuが存在すると、接合強度が低くなる可能性がある。
次に、実施例5〜8において、加熱処理後、超音波接合前の第一フレキシブルプリント基板10を用いて、第一金属パッド部の表面元素分析を行った。その結果を表2に示す。
Figure 2011014594
表2に示されるように、実施例5、6では、接合側第一金属パッド部5aおよび非接合側第一金属パッド部5bの両方で、Cuの割合は低かった。これに対して、実施例7、8では、接合側第一金属パッド部5aおよび非接合側第一金属パッド部5bの両方で、Cuの割合が高く、さらには、下地層の成分であるNiが検出された。これは、加熱処理によって、配線部のCuや下地層のNiが、金属パッド部の表面まで拡散したためであると考えられる。そのため、CuやNiの熱拡散の影響を抑制する観点からは、加熱温度が240℃よりも小さいことが好ましいことが確認された。
(5)配線部のピール強度
図15に示す試験片90を作製した。まず、実施例1と同様の3層材を用意し、実施例1と同様の方法により、導電層63の表面に、Auめっきからなる金属パッド部64を形成し、試験片90(初期試験片)を得た。次に、初期試験片を、実施例3と同様の210℃60分の条件で加熱処理を行った。これにより、加熱後試験片を得た。次に、加熱後試験片を、温度85℃、湿度85RH%の条件下に168時間静置させた。これにより、耐久後試験片を得た。
その後、初期試験片、加熱後試験片および耐久後試験片を用いて、導電層(配線部)のピール強度を測定した。具体的には、市販の測定装置を用い、図15に示すように、試験片90の絶縁層62から、導電層63を引き剥がす時のピール強度を測定した。ピール方向は、90°上方とし、ピール速度50mm/分とし、ピール幅1.00mmとし、測定サンプル数を9個とした。その結果を図16に示す。図16に示されるように、加熱後試験片および耐久後試験片は、0.6kN/m以上のピール強度を有しており、初期試験片に比べて、大幅な劣化は見られないことが確認できた。
1、11 … 支持部
2、12 … 絶縁部
3… 第一配線部
4… カバー部
5… 第一金属パッド部
5a… 接合側第一金属パッド部
5b… 非接合側第一金属パッド部
10… 第一フレキシブルプリント基板
13… 第二配線部
14… 絶縁部
15… 第二金属パッド部
20… 第二フレキシブルプリント基板
30… 超音波接合ツール

Claims (18)

  1. 第一配線部、および前記第一配線部上に形成され金を主成分とする第一金属パッド部を有する接続領域を備える第一フレキシブルプリント基板と、第二配線部、および前記第二配線部上に形成され金を主成分とする第二金属パッド部を有する接続領域を備える第二フレキシブルプリント基板とを準備するフレキシブルプリント基板準備工程と、
    前記第一金属パッド部および前記第二金属パッド部の少なくとも一方に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる結晶粗大化処理を行う結晶粗大化工程と、
    前記結晶粗大化工程後に、前記第一金属パッド部および前記第二金属パッド部を密着させ、超音波接合により、両者を拡散接合させる拡散接合工程と、
    を有することを特徴とするフレキシブルプリント基板接合体の製造方法。
  2. 前記第一配線部および前記第一金属パッド部の間、ならびに、前記第二配線部および前記第二金属パッド部の間の少なくとも一方に、下地層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法。
  3. 前記結晶粗大化処理により、前記金属結晶のサイズを1.2μm以上の大きさまで粗大化させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法。
  4. 前記結晶粗大化処理により、前記第一金属パッド部および前記第二金属パッド部の少なくとも一方の硬度を、ビッカース硬度(HV)で80以下まで低下させることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法。
  5. 前記結晶粗大化処理が、加熱処理であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法。
  6. 前記加熱処理の温度が、180℃〜240℃の範囲内であることを特徴とする請求項5に記載のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法。
  7. 前記結晶粗大化処理が、めっき処理であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法。
  8. 前記第一フレキシブルプリント基板がサスペンション用基板であり、前記第二フレキシブルプリント基板が中継基板であることを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれかの請求項に記載のフレキシブルプリント基板接合体の製造方法。
  9. 配線部、および前記配線部上に形成され金を主成分とする金属パッド部を有する接続領域を備える結晶粗大化前フレキシブルプリント基板を準備する結晶粗大化前フレキシブルプリント基板準備工程と、
    前記金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズを粗大化させる結晶粗大化処理を行う結晶粗大化工程と、
    を有することを特徴とするフレキシブルプリント基板の製造方法。
  10. 前記配線部および前記金属パッド部の間に、下地層が形成されていることを特徴とする請求項9に記載のフレキシブルプリント基板の製造方法。
  11. 前記結晶粗大化処理により、前記金属結晶のサイズを1.2μm以上の大きさまで粗大化させることを特徴とする請求項9または請求項10に記載のフレキシブルプリント基板の製造方法。
  12. 前記結晶粗大化処理により、前記金属パッド部の硬度を、ビッカース硬度(HV)で80以下まで低下させることを特徴とする請求項9から請求項11までのいずれかの請求項に記載のフレキシブルプリント基板の製造方法。
  13. 前記結晶粗大化処理が、加熱処理であることを特徴とする請求項9から請求項12までのいずれかの請求項に記載のフレキシブルプリント基板の製造方法。
  14. 前記加熱処理の温度が、180℃〜240℃の範囲内であることを特徴とする請求項13に記載のフレキシブルプリント基板の製造方法。
  15. 前記結晶粗大化処理が、めっき処理であることを特徴とする請求項9から請求項12までのいずれかの請求項に記載のフレキシブルプリント基板の製造方法。
  16. 前記フレキシブルプリント基板がサスペンション用基板であることを特徴とする請求項9から請求項15までのいずれかの請求項に記載のフレキシブルプリント基板の製造方法。
  17. 第一配線部、および前記第一配線部上に形成され金を主成分とする第一金属パッド部を有する接続領域を備える第一フレキシブルプリント基板と、
    第二配線部、および前記第二配線部上に形成され金を主成分とする第二金属パッド部を有する接続領域を備える第二フレキシブルプリント基板とを有し、
    前記第一金属パッド部および前記第二金属パッド部が、拡散接合により接合されており、かつ、接合された金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが1.2μm以上の大きさであることを特徴とするフレキシブルプリント基板接合体。
  18. 配線部、および前記配線部上に形成され金を主成分とする金属パッド部を有する接続領域を備えるフレキシブルプリント基板であって、
    前記金属パッド部に含まれる金属結晶のサイズが1.2μm以上の大きさであることを特徴とするフレキシブルプリント基板。
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