JP2011086717A - 回路装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】肉厚の薄い導電体にリード端子を直接超音波振動接合する方法の確立によって提供される、安価な回路装置とその製造方法の提供。
【解決手段】導電体３が形成されたセラミック基板２と、リード端子４が前記導電体に接続された電子部品５と、を備える回路装置１とその製造方法において、銅または銀を主成分とする導電体３をスクリーン印刷によってセラミック基板上２に形成し、リード端子４を超音波振動接合によって導電体３に接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅または銀を主成分とすると共にスクリーン印刷によって形成された導電体を基板上に有するセラミック基板と、リード端子が前記導電体に超音波振動接合された電子部品により、セラミック基板にクラックを発生させることなく安価に形成した回路装置と回路装置の製造方法の技術である。

電子部品のリード端子とセラミック基板上の導電体との接合は、両者の間にハンダ、導電性接着剤、レーザ溶着用リボン、アルミワイヤー等を介在させて行われている。また、前記リード端子を導電体にレーザー溶着する場合には、導電体上の溶着箇所に厚肉の金属パットを取り付けて、前記リード端子を金属パットに溶着することによって行われる。かかるハンダ、導電性接着剤、レーザ溶着用リボン、アルミワイヤー及び金属パットは、回路装置の製造コストを高くするため、リード端子は、導電体に直接接合されることが望ましい。しかし、セラミック基板は、金属パット無しにリード端子を導電体に直接レーザー溶着すると、高熱によって溶けるという問題がある。

そこで発明者は、前記リード端子と導電体の接合に超音波振動接合を用いることによって、高熱によるセラミック基板の溶解現象を発生させることなく接合出来るのではないかと考えたところ、超音波溶接を利用したセラミック基板の製造方法として、特許文献１に示すものを発見した。

特許文献１には、金属回路層（導電体）と金属リードを超音波溶接で接合するという記載（請求項１）が有り、実施例には、ろう付けなどによってセラミック基板に貼り付けられた厚さ０．５ｍｍの銅板によって金属回路層を形成し、ホーンによって前記銅板と金属リードに圧力を負荷しつつ振動を与え、銅板と金属リード間の接合界面に塑性流動を発生させることによって、両者を接合する方法が記載されている。

特開２００２−９１９０号公報

特許文献１の導電体は、０．５ｍｍ厚の銅板によって形成されている。しかし、０．５ｍｍ厚の銅板は、レーザー溶着に使用する金属パットとほぼ同厚であるため、金属パットを設置する場合と同様にコストアップを招く。従って、特許文献１の製造方法を使用しても、回路装置の製造コストを下げることができない。

一方で、導電体を構成する銅板の厚さを数ミクロンから数十ミクロンに薄くした場合には、リード端子を接合する際にセラミック基板にクラック等が発生するため問題がある。言い換えると、単に銅板で形成した導電体とリード端子を超音波溶接によって接合する方法は、導電体の厚さを薄くしてコストダウンを図る目的で使用する場合、セラミック基板にクラックを発生させて接合品質を低下させる点で問題がある。

これらの問題を総合的に検討した結果、本願発明者は、セラミック基板に形成する導電体を銅または銀を主成分とするものにし、さらに前記素材をスクリーン印刷処理することによってセラミック基板上に導電体を形成した場合、導電体の厚さを従来より格段に薄くしてもセラミック基板にクラックを発生させることなくリード端子を導電体に超音波振動接合出来ることを見いだした。

本願発明は、本願発明者の上記知見に基づいてなされたものであり、その目的は、肉厚の薄い導電体にリード端子を直接超音波振動接合する方法を確立することによって、安価な回路装置とその製造方法を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１の回路装置は、導電体が形成されたセラミック基板と、リード端子が前記導電体に接続される電子部品と、を備える回路装置において、前記導電体を銅または銀を主成分とし、かつスクリーン印刷によって前記セラミック基板上に形成し、前記リード端子を超音波振動接合によって前記導電体に接続した。

（作用）銅または銀を主成分とし、かつスクリーン印刷によって導電体をセラミック基板に形成した場合には、セラミック基板にクラックを発生させることなく、肉厚を格段に薄くした導電体に直接電子部品のリード端子を超音波振動接合することが出来る。導電体の肉厚を薄くして使用される材料を節減した結果、導電体の材料費が安価になり、回路装置が安価に製造される。

尚、銅板をセラミック基板に貼り付けて導電体を形成する方法は、導電体の厚さを変える場合、異なる厚さの銅板を準備しなければならないため、コスト増の面で問題があるが、スクリーン印刷によって導電体を形成する方法は、有機物等と金属粉末からなるペーストをセラミック基板に塗布して形成するため、セラミック基板にクラックが発生しない範囲で形成される導電体の厚さを容易かつコストアップすることなく調節できる。

また、請求項２は、請求項１記載の回路装置であって、前記導電体は、厚さが５ｕｍ〜３０ｕｍであり、表面荒さが１５ｕｍ以下である。

（作用）導電体の厚さを従来に比べて１／１００〜３／５０程度に格段に薄く出来たことにより、導電体形成に必要な材料が節約されて材料費がより安価になる。また、表面荒さが１５ｕｍ以下の導電体は、超音波振動によってリード端子と接する面が大きくなるため、リード端子と超音波振動接合されやすくなる。

請求項３は、請求項１または２に記載の回路装置であって、電子部品のリード端子を銅を主成分として形成した。

（作用）導電体との接合性を向上させると共に、リード端子を安価に形成できる。

請求項４は、請求項１から３のうちいずれかに記載の回路装置であって、前記セラミック基板の裏面を接着剤によって金属製のケースに接着した。

（作用）導電体を安価に形成したセラミック基板を金属製のケースに貼り付けて回路装置を製造することにより、回路装置を安価に製造出来る。

請求項５は、回路装置の製造方法であって、セラミック基板を金属製のケースに接着し、銅または銀を主成分とする導電体をスクリーン印刷によって前記セラミック基板に形成し、リード端子を超音波振動接合で前記導電体に接続することによって電子部品を前記セラミック基板に搭載して、回路装置を製造する。

（作用）銅または銀を主成分とし、かつスクリーン印刷によって導電体をセラミック基板に形成し、形成した薄肉の導電体に直接直接電子部品のリード端子を超音波振動接合すると、セラミック基板にクラックを発生させることなくリード端子を接合することが出来る。導電体の肉厚を薄くして導電体の材料費を安価にした結果、回路装置を安価に製造できる。

請求項１によれば、導電体の材料費の低コスト化によって回路装置をより安価に提供できる。また、導電体とリード端子の接合性の向上に伴ってセラミック基板にクラックが無い良質な回路装置を提供できる。

請求項２によれば、導電体の低コスト化によって回路装置をより安価に提供できる。

請求項３によれば、リード端子に銅を主成分とした素材を使用することにより、良質で安価な回路装置を提供できる。

請求項４によれば、導電体を安価に形成したセラミック基板を金属製のケースに貼り付けることにより、良質で安価な回路装置を提供できる。

請求項５の製造方法によれば、導電体の材料費を低コスト化して回路装置をより安価に製造できる。また、セラミック基板にクラックを発生させずに良質な回路装置を製造できる。

回路装置の実施例の斜視図である。 リード端子をセラミック基板上の導電体に接合した状態を示す、実施例の回路装置における基板の縦断面図である。 導電体の厚さと超音波振動接合におけるリード端子との接合強度を表すグラフを示す図である。 導電体の表面荒さと超音波振動接合におけるリード端子との接合強度を表すグラフを示す図である。

次に、図１と２により本発明の好適な実施形態を説明する。

第１実施例の回路装置１は、セラミック基板２、導電体３、リード端子４を備えたトランス（電子部品）５によって構成される。

導電体３は、セラミック製の基板２上に口述するスクリーン印刷処理によって形成された導電路であって、Ａｇ（銀）系の合金によって形成される。前記Ａｇ系合金は、銀または銅（Ｃｕ）を主成分として含む合金であり、Ａｇ系合金には、例えば、ＡｇにＰｄ（パラジウム）を含有させた合金、ＡｇにＰｔ（白金）を含有させた合金、またはＡｇにＰｄとＰｔ双方を含有させた合金等を用いることが望ましい。

また、導電体３の厚さは、導電体を形成する素材の材料費削減、超音波振動接合時においてセラミック基板に発生するクラックを防止しつつ良好な接合強度を得られる厚さにすることが望ましい。

そこで本願の発明者は、図３のグラフに示すように膜厚が異なる導電体３のサンプルにリード端子４を接合して接合強度を測定する実験を行った。実験においては、各膜厚毎に５つのサンプルを用意してリード端子４を接合している。図３のグラフは、横軸Ｘが導電体の厚さを示し、縦軸Ｙが相対的な接合強度を示し、符号Ｓの横線が強度基準を示す。その結果、図３のグラフに示すように、導電体３の膜厚を５ｕｍ〜３０ｕｍとした場合には、接合強度が強度基準を上回り、導電体３の膜厚を１０ｕｍ〜２０ｕｍとした場合には、接合強度が特に高くなることが判明した。尚、実験においてセラミック基板には、クラックが発生しなかった。従って、導電体３の膜厚は、従来の導電体（銅板：厚さ０．５ｍｍ）に比べて１／１００〜３／５０程度となる５ｕｍ〜３０ｕｍになるようにすることが望ましく、１０ｕｍ〜２０ｕｍとすることが更に望ましい。

一方、本願の発明者は、図４のグラフに示すように表面荒さが異なる導電体のサンプルにリード端子を超音波振動接合して接合強度を測定する実験を行い、どのような接合強度が得られるか確認した。実験においては、各表面荒さ毎に５つのサンプルを用意してリード端子４を接合している。図４のグラフは、横軸Ｘが導電体の表面荒さを示し、縦軸Ｙが相対的な接合強度を示している。実験の結果、超音波振動接合による導電体とリード端子の接合強度は、導電体の表面荒さが大きくなるほど低下するものと判明した。

即ち、図４のグラフに示すように、導電体の表面荒さを１５ｕｍ前後にした場合には、５ｕｍや１０ｕｍ前後にした場合と比べて表面荒さが大きくなるほど接合強度が低下するものの、全てのサンプルにおいてリード端子との超音波振動接合が可能であった。しかし、導電体の表面荒さを２０ｕｍ前後にした場合には、一部のサンプルにおいてリード端子との超音波振動接合が出来なかった。尚、導電体の表面荒さが小さいほどリード端子との超音波振動接合が容易になる理由は、導電体の表面荒さが小さいほど超音波振動によってリード端子と接する面が大きくなるため、超音波振動によって結合され易くなるものと考えられる。以上の実験結果から、上記Ａｇ系合金によって形成された導電体３は、表面荒さを大きくとも１５ｕｍ以下にすることが望ましい。

また、トランス５は、トランス５の内部から外部に伸びる金属製のリード端子（またはバスバー）４を備える。リード端子４は、金属製の母材６とその外周のメッキ層７によって構成される。

母材６は、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）またはこれらのうち少なくとも一以上を含有する合金によって構成されることが望ましい。

また、メッキ層７は、母材６の表面における酸化低減または酸化防止のために母材６の外周を被覆する金属層であり、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ（金）またはこれらのうち少なくとも一以上を含有する合金によって構成されることが望ましい。尚、母材６をＣｕまたはＣｕ含有合金で形成した場合には、超音波振動接合によって母材６が導電体３に直接接合されるため、メッキ層７を母材６に形成しなくてもよい。

次に、回路装置１の製造方法について説明する。まず、セラミック基板２の裏面に接着剤を塗布する等によって、セラミック基板２を取り付ける金属製のケース９に接着する。セラミック基板２を金属製のケース９に接着後、スクリーン印刷によって導電体３を形成する。

導電体３は、導電体３の素材となる上述したＡｇ系合金を粉末状にしたものを粘性のある有機物に混ぜ合わせたペースト材から形成される。スクリーン印刷においては、枠に貼られた繊維製の紗（スクリーン）の上に導電体３の配線形状以外の部分を目隠しした版膜（レジスト）を作成する（図示せず）。前記スクリーンの下方にセラミック基板２を配置し、前記スクリーン上に前記ペースト材を塗布して、その上からスキージ等で摺動すると、ペースト材が版膜の目隠し以外の部分からセラミック基板２の上に導電体３の配線形状に塗布される。塗布されたペースト材は、一定時間乾燥させた後、５００℃〜９００℃の高温で焼成する。その結果、セラミック基板２上には、所定の配線形状に導電体３が形成される（図１の導電体３においては、図の見やすさのため、リード端子４の接続箇所以外の部分を省略している）。導電体３の厚さは、セラミック基板２上へのペースト材の塗布量や塗布の回数によって調節されることにより、容易に調節される。

導電体３が形成されたセラミック基板２には、はんだ等の金属ペーストを印刷し、その上に電子部品（半導体端子、セラミックコンデンサ等）を実装する。次にリフロー炉または硬化路により、印刷したはんだ等の金属ペーストを溶融または硬化させる。はんだ等を使用した場合には、フラックス等の有機物を除去するためにセラミック基板を洗浄する。洗浄後、必要があれば、ワイヤーボンディングによって回路を形成する。その後、セラミック基板２の裏面に接着剤を塗布することによって金属製のケース９に接着する。

次に導電体３とリード端子４との超音波振動接合を説明する。まず、セラミック基板２上に形成された導電体３の上にリード端子４を載せ、その上から超音波振動ホーン８によって荷重を加える。荷重を加えつつ超音波振動ホーン８をリード端子の面方向に超音波振動させると、導電体３とリード端子４のメッキ層７（メッキ層７が形成されて無い場合は、母材６）との間には、接合界面において摩擦が発生する。摩擦によって導電体３とメッキ層７の接合界面にそれぞれ形成された酸化膜が除却されると、導電体３とメッキ層７（若しくはメッキ層７が摩擦で禿げる場合、その内側の母材６）の接合界面には、発生した塑性流動によって金属結合が発生する。その結果、リード端子４は、レーザ溶接におけるパッド材等に相当する別部材を導電体３との間に配置しなくても高温やクラックをセラミック基板２に発生させず、短時間で導電体３に対して直接、超音波振動接合される。

１ 回路装置
２ セラミック基板
３ 導電体
４ リード端子
５ トランス（電子部品）
９ 金属製のケース

Claims (5)

1. 導電体が形成されたセラミック基板と、リード端子が前記導電体に接続される電子部品と、を備える回路装置において、
   前記導電体は、銅または銀を主成分とし、スクリーン印刷によって前記セラミック基板上に形成され、
   前記リード端子は、超音波振動接合によって前記導電体に接続されたことを特徴とする回路装置。
2. 前記導電体は、厚さが５ｕｍ〜３０ｕｍであり、表面荒さが１５ｕｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の回路装置。
3. 前記リード端子は、銅を主成分として形成されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の回路装置。
4. 前記セラミック基板は、その裏面が接着剤によって金属製のケースに接着されたことを特徴とする、請求項１から３のうちいずれかに記載の回路装置。
5. 銅または銀を主成分とする導電体をスクリーン印刷によって前記セラミック基板に形成し、電子部品のリード端子を超音波振動接合で前記導電体に接続したことを特徴とする、回路装置の製造方法。