JP2015119075A - 配線回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】配線パターンの狭ピッチ化を図ることができる配線回路基板を提供する。【解決手段】配線回路基板２は、電気絶縁性を有するベース基板２１と、導電性ペーストを印刷して硬化することによりベース基板２１に形成され、半田３によって電子部品４と電気的に接続されるランド部２２１、２２２を有する配線パターン２２と、を備え、硬化後の導電性ペーストの金属含有率は、６０％以上である。【選択図】 図１

Description

本発明は、半田によって電子部品が実装される配線回路基板に関するものである。

銀ペースト等の導電性ペーストを印刷することによって回路が形成されたメンブレン回路基板では、半田の代わりに導電性接着剤を用いて実装が行われている（例えば特許文献１（特に、段落［０００４］、図１３Ａ）参照）。

国際公開第２００９／０８１９２９号

上記技術では、電子部品の実装時に導電性接着剤が潰れて回路からはみ出すことにより当該回路が短絡し、回路の狭ピッチ化を図ることができない場合がある。

本発明が解決しようとする課題は、配線パターンの狭ピッチ化を図ることができる配線回路基板を提供することである。

本発明者は上記の問題点に鑑みて、鋭意検討を行った結果、基板に印刷して硬化した後の導電性ペーストにおける金属含有率を所定値以上に高めることにより、硬化後の当該導電性ペーストに対する半田の濡れ性が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。
［１］本発明に係る配線回路基板は、電気絶縁性を有する基板と、導電性ペーストを印刷して硬化することにより前記基板に形成され、半田によって電子部品と電気的に接続されるランド部を有する配線パターンと、を備え、硬化後の前記導電性ペーストの金属含有率は、６０％以上であることを特徴とする。

［２］上記発明において、硬化後の前記導電性ペーストの金属含有率は、９９％以上であってもよい。

［３］上記発明において、前記基板と、前記配線パターンと、の間に設けられ、電気絶縁性を有する下地層をさらに備え、下記（１）式を満たしていてもよい。
Ｅ_１＜Ｅ_２・・・（１）
ただし、上記（１）式において、Ｅ_１は前記半田の融点における前記下地層の弾性率であり、Ｅ_２は前記半田の融点における前記基板の弾性率である。

［４］上記発明において、下記（２）式を満たしていてもよい。
Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３・・・（２）
ただし、上記（２）式において、Ｔ_１は前記半田の融点における硬化後の前記導電性ペーストの線膨張係数であり、Ｔ_２は前記半田の融点における前記下地層の線膨張係数であり、Ｔ_３は前記半田の融点における前記基板の線膨張係数である。

本発明によれば、硬化後の前記導電性ペーストの金属含有率が６０％以上であることにより、導電性ペースト製の配線パターンに対する半田の濡れ性が向上する。これにより、導電性ペースト製の配線パターンへの半田を用いた電子部品の実装が可能となり、配線パターンの狭ピッチ化を図ることができる。

図１Ａ及び図１Ｂは本発明の第１実施形態における配線回路基板を有する電子部品実装体を示す図であり、図１Ａは平面図であり、図１Ｂは図１ＡのIB-IB線に沿った断面図である。 図２Ａ及び図２Ｂは本発明の第２実施形態における配線回路基板を有する電子部品実装体を示す図であり、図２Ａは平面図であり、図２Ｂは図２ＡのIIB-IIB線に沿った断面図である。 図３は、本発明の第２実施形態における配線回路基板が備える下地層の温度と弾性率の関係を示すグラフである。 図４は、本発明の第２実施形態の変形例における配線回路基板が備える下地層の温度と膨張率の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

<<第１実施形態>>
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、本実施形態における配線回路基板を有する電子部品実装体を示す平面図及び断面図である。

本実施形態における電子部品実装体１は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、配線回路基板２と、半田３を用いて配線回路基板２に実装された電子部品４と、を有している。

配線回路基板２は、いわゆるメンブレン回路基板であり、ベース基板２１と、当該ベース基板２１上に形成された配線パターン２２と、を備えている。

ベース基板２１は、電気絶縁性を有する可撓性材料から構成されており、このような可撓性材料としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の樹脂材料を例示することができる。このようなベース基板２１は、例えば、厚さが１０μｍ〜２５０μｍのシート形状を有しており、当該ベース基板２１の図１（Ｂ）中上側の主面２１１には、配線パターン２２が形成されている。本実施形態におけるベース基板２１が本発明の可撓性基板の一例に相当する。

配線パターン２２は、導電性ペーストを、ベース基板２１の主面２１１に印刷して硬化することにより形成されている。このような印刷法としては、スクリーン印刷法やグラビアオフセット印刷法等を例示することができる。

本実施形態において、配線パターン２２を形成するための導電性ペーストは、導電性粒子や、バインダ、溶剤等から構成されている。

導電性ペーストを構成する導電性粒子は、当該導電性ペーストに導電性を付与するために用いられ、例えば、平均一次粒子径が数μｍ程度の金属粒子から構成されている。このような金属粒子を構成する材料としては、銀、金、銅、ニッケル、白金、パラジウム等を例示することができる。なお、複数種の材料から構成される金属粒子の混合物として導電性粒子を構成してもよい。

導電性ペーストを構成するバインダは、導電性粒子間の隙間を埋めるために用いられる。このようなバインダとしては、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂等を例示することができる。なお、これらの樹脂を複数種用いて構成される混合物をバインダとしてとして用いてもよい。

導電性ペーストを構成する溶剤は、導電性ペーストの粘度調整等のために用いられる。このような溶剤としては、ブチルカルビトールアセテート、テトラエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールｎ‐ブチルエーテル、ベンジルグリコール、メチルポリグリコール、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、イソプロパノール、ブタノール、テルピネオール、チキサノール、ブチルセロソルブアセテート、イソホロン、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、γ‐ブチロラクトンの単独またはこれらの混合溶剤を例示することができる。

なお、導電性ペーストは、必要に応じて、顔料、チクソトロピー付与剤、消泡剤、分散剤、防錆剤、還元剤等を含んでいてもよい。

本実施形態において、配線パターン２２を形成するための導電性ペーストは、当該導電性ペーストをベース基板２１上に印刷して硬化した後において、金属含有率が６０vol％以上となっている。

このような導電性ペーストは、例えば、通常の導電性ペースト（硬化後の金属含有率が５０vol％程度）と比較して、バインダや溶剤等の樹脂成分の含有率が小さくなるように調整した混合物を用意し、攪拌脱泡装置や、ロール混練機、ミキサー、ホモミキサー、ボールミル、ビーズミルなどの混練機を用いて当該混合物を混練することにより調製することができる。

硬化後における導電性ペーストの金属含有率は、例えば、以下の様にして測定することができる。すなわち、硬化後の導電性ペーストを切断してその断面をＳＥＭで観察した際に、下記（１）式を満たす値Ｓ［vol％］として金属含有率を測定することができる。
Ｓ＝Ｓ_１／（Ｓ_１＋Ｓ_２）×１００・・・（１）
ただし、上記（１）式において、Ｓ_１は硬化後の導電性ペーストの断面における単位面積（当該断面に形成されている空隙部分を除く）に占める金属部分の面積であり、Ｓ_２は硬化後の導電性ペーストの断面における単位面積（当該断面に形成されている空隙部分を除く）に占める樹脂部分の面積である。

なお、ベース基板２１に印刷して硬化した後における導電性ペーストの金属含有率は、９９vol％以上であることが好ましい。このような導電性ペーストとしては、例えば、特開２００５−２００６０４や特開２００６−０４０６０３に記載されるような方法を用いて調製された高導電性ペーストを例示することができる。

本実施形態における配線パターン２２は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、図中左側から中央に向かって延在する第１の配線パターン２２Ｌと、図中右側から中央に向かって延在する第２の配線パターン２２Ｒと、を有しており、第１の配線パターン２２Ｌと第２の配線パターン２２Ｒとの間には間隙２３が形成されている。

第１の配線パターン２２Ｌは、間隙２３側の端部に略円形状の第１のランド部２２１を有している。また、第２の配線パターン２２Ｒは、間隙２３側の端部に略円形状の第２のランド部２２２を有している。本実施形態における第１及び第２のランド部２２１、２２２が本発明のランド部の一例に相当する。

本実施形態における電子部品４は、図１（Ｂ）に示すように、電子部品本体４１と、当該電子部品本体４１における図中の左側部を覆うように設けられた第１の端子４２Ｌと、電子部品本体４１における図中の右側部を覆うように設けられた第２の端子４２Ｒと、を有している。このような電子部品４としては、ＬＥＤや抵抗、ＩＣチップ、コンデンサ等を例示することができる。

本実施形態では、第１の端子４２Ｌは、半田３によって配線回路基板２の第１の配線パターン２２Ｌにおける第１のランド部２２１と電気的に接続されている。同様に、第２の端子４２Ｒは、半田３によって配線回路基板２の第２の配線パターン２２Ｒにおける第２のランド部２２２と電気的に接続されている。

このような接続は、例えば、スクリーン印刷法等によって所定量の半田ペーストを第１及び第２のランド２２１、２２２上に印刷した後、電子部品４を当該第１及び第２のランド２２１、２２２上に載置してリフロー処理を施すことによって行うことができる。

なお、配線パターン２２の第１及び第２のランド部２２１、２２２と端子４２とを電気的に接続するための半田３は、特に限定されないが、融点が１６０℃程度以下である低融点半田を用いることが好ましい。このような低融点半田としては、Ｓｎ−Ｂｉ半田や、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ半田、Ｓｎ−Ｉｎ半田等を例示することができる。この場合には、半田３の溶融時の熱により配線回路基板２が損傷するのを抑制することができる。

次に、本実施形態における配線回路基板２の作用について説明する。

ベース基板上に、銀ペースト等の導電性ペーストを印刷して硬化することにより配線パターンを形成する際、硬化後の導電性ペーストの金属含有率が低い（５０vol％程度）場合には、当該配線パターンに対する半田の濡れ性が低下するため、導電性接着剤を用いて電子部品の実装を行う必要がある。この場合において、電子部品と配線パターンとの間に介在する導電性接着剤が実装時に潰れて配線パターン外に押し出されることにより、配線パターンが短絡する場合がある。

これに対し、本実施形態における配線回路基板２が備える配線パターン２２を構成する導電性ペーストは、ベース基板２１上に印刷して硬化した後において、金属含有率が６０vol％以上となっている。これにより、配線パターン２２に対する半田の濡れ性が良好となるため、半田３を用いて電子部品４を実装することができる。これにより、実装時における接続信頼性を向上することができる。

また、この際、配線パターン２２の外部（即ち、ベース基板２１の表面）において半田は濡れにくいため、実装時において半田３が配線パターン２２外に押し出されることが抑制される。これにより、実装時における配線パターン２２の短絡を抑制し、当該配線パターン２２の狭ピッチ化を図ることができる。

なお、硬化後の導電性ペーストにおける金属含有率は９９vol％以上であることが好ましく、この場合において上記の効果がより向上する。

<<第２実施形態>>
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は本実施形態における配線回路基板を有する電子部品実装体を示す平面図及び断面図であり、図３は本実施形態における配線回路基板が備える下地層の温度と弾性率の関係を示すグラフであり、図４は本実施形態の変形例における配線回路基板が備える下地層の温度と膨張率の関係を示すグラフである。

第２実施形態における配線回路基板は、下地層を備えていること以外は、上述した第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と相違する部分についてのみ説明し、第１実施形態と同一である部分については、第１実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態における電子部品実装体１Ｂは、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、配線回路基板２Ｂと、半田３を用いて配線回路基板２Ｂに実装された電子部品４と、を有している。配線回路基板２Ｂは、ベース基板２１と、配線パターン２２と、当該ベース基板２１及び配線パターン２２の間に設けられた下地層２４と、を備えている。

下地層２４は、電気絶縁性を有し、厚さ３μｍ〜５０μｍの可撓性材料から構成されており、ベース基板２１の主面２１１の全体を覆うように設けられている。このような下地層２４は、例えば、ソルダレジストを構成する絶縁樹脂材料をスクリーン印刷によりベース基板２１上に設けることにより形成することができる。このような絶縁樹脂材料としては、アクリル系やエポキシ系、シリコーン系の樹脂材料等を例示することができる。なお、下地層２４は、ベース基板２１において、少なくとも配線パターン２２と対応する位置に設けられていればよい。

本実施形態において、下地層２４を構成する材料の弾性率は、図３に示すように、広い温度範囲においてベース基板２１の弾性率よりも小さくなっており、特に、半田の融点（例えば１６０℃程度）において下記（２）式の関係を満たしている。
Ｅ_１＜Ｅ_２・・・（２）
ただし、上記（２）式において、Ｅ_１は半田３の融点における下地層２４の弾性率［ＧＰａ］であり、Ｅ_２は半田３の融点におけるベース基板２１の弾性率［ＧＰａ］である。

本実施形態における配線パターン２２は、第１実施形態で説明したように、導電性ペーストを印刷して硬化することに形成されており、当該導電性ペーストの硬化後における金属含有率は６０vol％以上となっている。この場合において、硬化後における導電性ペースト（配線パターン２２）に占める樹脂成分等の割合は相対的に小さくなっているため、導電性ペーストの硬化後において、ベース基板２１に対する当該導電性ペーストの密着性が低下しやすい。このため、実装時においてベース基板２１から配線パターン２２が剥離してしまう場合がある。

つまり、電子部品４の実装時においては、溶融した半田３の熱（１６０℃程度）により配線パターン２２及びベース基板２１が膨張し、冷却時にこれらが収縮する。この際に、ベース基板２１と配線パターン２２の弾性率差が大きく（例えば８ＧＰａ程度）、配線パターン２２及びベース基板２１の膨張／収縮差を緩和できないため、ベース基板２１から配線パターン２２が剥離してしまう場合がある。

これに対し、本実施形態の配線回路基板２Ｂは、配線パターン２２とベース基板２１との間に下地層２４を備えており、当該下地層２４の弾性率は上記（２）式の関係を満たしている。これにより、電子部品４の実装時における配線パターン２２及びベース基板２１の膨張／収縮差は、下地層２４によって緩和されるため、ベース基板２１から配線パターン２２が剥離するのを抑制することができる。なお、半田３の融点における下地層２４の弾性率Ｅ_１は０．０１ＧＰａ〜０．１ＧＰａであることが好ましい。また、下地層２４の厚さは、３μｍ〜５０μｍであることが好ましい。これらの場合において上記の効果がより向上する。

なお、下地層を構成する材料の膨張率（線膨張係数）は、図４に示すように、広い温度範囲において配線パターン２２の膨張率よりも大きく、かつ、ベース基板２１の膨張率よりも小さくなっており、半田の融点（例えば１６０℃程度）において下記（３）式を満たしていてもよい。
Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３・・・（３）
ただし、上記（３）式において、Ｔ_１は半田３の融点における導電性ペースト（硬化後）の膨張率（線膨張係数）［１／℃］であり、Ｔ_２は半田３の融点における下地層の膨張率（線膨張係数）［１／℃］であり、Ｔ_３は半田３の融点におけるベース基板２１の膨張率（線膨張係数）［１／℃］である。

この場合において、電子部品４の実装時におけるベース基板２１の膨張率（線膨張係数、例えば０．６）と、電子部品４の実装時における硬化後の導電性ペーストの膨張率（線膨張係数、例えば０．３）と、の差により生じる応力を下地層により緩和することができる。このため、実装時にベース基板２１から配線パターン２２が剥離するのを抑制することができる。

本実施形態においても、配線回路基板２Ｂが備える配線パターン２２を構成する導電性ペーストは、ベース基板２１上に印刷して硬化した後における金属含有率が６０vol％以上となっているため、半田３を用いて電子部品４を実装することができる。これにより、実装時の接続信頼性を向上することができると共に、配線パターン２２の狭ピッチ化を図ることができる。

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、上述の実施形態では、メンブレン回路基板に本発明を適用した例について説明したが、特にこれに限定されない。

例えば、導電性ペースト製の配線パターンを、フレキシブル基板やリジッド基板に形成した回路基板に対して、本発明を適用してもよい。なお、フレキシブル基板はポリイミド等から構成され、リジッド基板はガラスエポキシ樹脂、セラミックス、ガラス等から構成される。

以下に、本発明をさらに具体化した実施例及び比較例により本発明の効果を確認した。以下の実施例及び比較例は、上述した実施形態における配線パターンへの半田の濡れ性向上効果を確認するためのものである。

＜実施例１＞
実施例１では、以下に示すような配線回路基板の試験サンプルを作製した。

すなわち、まず、ベース基板として厚さ７５［μｍ］のポリエチレンテレフタレートを使用し、硬化前において導電性粒子としての銅を８０wt％、フェノール系樹脂を９wt％、ブチルカルビトールを５wt％、添加剤を６wt％含む導電性ペーストを、スクリーン印刷法によりベース基板の全面に印刷した。そして、印刷後のベース基板を、温度１５０℃で４分間熱乾燥して硬化させることにより、厚さ１０［μｍ］の配線パターンを形成した。この際、硬化後の導電性ペーストの金属含有率は６０vol％であった。なお、硬化後における導伝性ペーストの金属含有率は、硬化後の当該導電性ペーストの一部を切断してその断面をＳＥＭで観察し、上記（１）式を満たす値Ｓ［vol％］として測定を行った。

以上に説明した構成の実施例１の試験サンプルに対して、以下の半田濡れ性試験を行った。

具体的には、まず、スクリーン印刷法により配線パターンの中央に、直径２０［ｍｍ］の円形状となるよう導電性ペーストを印刷して硬化させ、その上に、直径１０［ｍｍ］の円形状となるように半田ペーストを同様に印刷した。半田ペーストとしては、Ｓｎ−Ｂｉ半田を用いた。そして、その状態で１６０［℃］、４分間の条件下でリフロー処理を行った後、室温で半田を冷却することにより試験サンプルを作製した。

次いで、試験サンプルを平面視で観察することにより、リフロー処理の前後において配線パターン上に形成された半田の面積比率（（リフロー後の半田面積／リフロー前の半田面積）×１００）で評価した。この比率が１００［％］に近づくほど半田の濡れ性が良いことを示す。

上記の面積比率が９０［％］〜１００［％］を満たす場合には、半田の濡れ性が優良であるとして「◎」とし、上記の面積比率が９０［％］未満であり半田ペーストが導電性ペーストと接合している場合には、半田の濡れ性が良好であるとして「〇」とし、半田ペーストが導電性ペーストと接合していない場合には「×」として評価を行った。

＜実施例２＞
実施例２では、硬化前において導電性粒子としての銀を９６wt％、テルピネオールを３wt％含み、硬化後の金属含有率は９９vol％である導電性ペーストを用いて配線パターンを形成したこと以外は実施例１と同様にして、試験サンプルの作製を行った。この試験サンプルについても、実施例１と同等の条件で半田濡れ性試験を行った。

＜比較例１＞
比較例１では、硬化前において導電性粒子としての銀を７０〜８０wt％、ポリエステル系樹脂を９wt％、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテートを１０〜１５wt％含み、硬化後の金属含有率は５０vol％である導電性ペーストを用いて配線パターンを形成したこと以外は実施例１と同様にして、試験サンプルの作製を行った。この試験サンプルについても、実施例１と同等の条件で半田濡れ性試験を行った。

実施例１、実施例２、及び比較例１の測定結果を表１に示す。

表１に示す結果によると、実施例１の試験サンプルでは、半田の濡れ性が良好「〇」であり、実施例２の試験サンプルでは、半田の濡れ性が優良「◎」であることが分かった。一方、比較例１の試験サンプルでは、半田の濡れ性が劣る（「×」である）ことが分かった。

以上のように、硬化後の金属含有率が６０vol％以上である実施例１及び実施例２は、半田の濡れ性が優れていることが確認された。また、実施例１及び実施例２の結果から、硬化後の金属含有率が高い方がより半田の濡れ性が優れることが確認された。

これは、硬化後における導電性ペーストの金属含有率が高いほど（６０vol％以上）、硬化後の半田ペースト中に占める樹脂成分等の割合が小さくなるため、半田の濡れ性が向上したと考えられる。

１、１Ｂ・・・電子部品実装体
２、２Ｂ・・・配線回路基板
２１・・・ベース基板
２２・・・配線パターン
２２１・・・第１のランド部
２２２・・・第２のランド部
２４・・・下地層
３・・・半田
４・・・電子部品

Claims (4)

1. 電気絶縁性を有する基板と、
   導電性ペーストを印刷して硬化することにより前記基板に形成され、半田によって電子部品と電気的に接続されるランド部を有する配線パターンと、を備え、
   硬化後の前記導電性ペーストの金属含有率は、６０％以上であることを特徴とする配線回路基板。
2. 請求項１に記載の配線回路基板であって、
   硬化後の前記導電性ペーストの金属含有率は、９９％以上であることを特徴とする配線回路基板。
3. 請求項１又は２に記載の配線回路基板であって、
   前記基板と、前記配線パターンと、の間に設けられ、電気絶縁性を有する下地層をさらに備え、
   下記（１）式を満たすことを特徴とする配線回路基板。
   Ｅ_１＜Ｅ_２・・・（１）
   ただし、上記（１）式において、Ｅ_１は前記半田の融点における前記下地層の弾性率であり、Ｅ_２は前記半田の融点における前記基板の弾性率である。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の配線回路基板であって、
   下記（２）式を満たすことを特徴とする配線回路基板。
   Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３・・・（２）
   ただし、上記（２）式において、Ｔ_１は前記半田の融点における硬化後の前記導電性ペーストの線膨張係数であり、Ｔ_２は前記半田の融点における前記下地層の線膨張係数であり、Ｔ_３は前記半田の融点における前記基板の線膨張係数である。

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