JP2023079632A - 接続構造体、及び接続構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接続抵抗値の上昇を抑えることができる接続構造体、及び接続構造体の製造方法を提供する。【解決手段】第１の端子列を有する表面実装部品と、第１の端子列に対応する第２の端子列を有する配線基板と、表面実装部品と配線基板との間に気泡を有し、第１の端子列と第２の端子列とを半田粒子により接合する接着層とを備え、接着層の接着面積に対する気泡の面積割合が、１７～７２％である。これにより、熱衝撃による表面実装部品と配線基板との線膨張差のストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。【選択図】図２

Description

本技術は、表面実装部品を半田により接続した接続構造体、及び接続構造体の製造方法に関する。

リジッド基板やフレキシブル基板への表面実装部品（ＳＭＤ：Surface Mount Device）の実装は、一般的に半田ペーストを基板に印刷し、その上に表面実装部品をマウンター搭載して、その後リフロー工程を用いて実装を行っている。

一般的な半田ペーストは、ペースト内の半田自体の絶対量が多く、ファインピッチ接続に対しては半田ブリッジが発生するため限界があった。そこで、ファインピッチに対応するにあたり、配線間に残る半田を少なくするため、半田含有量を下げ、更に半田の自己凝集性能を利用したファインピッチ対応の半田含有の異方性導電接着剤が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

図４は、従来の半田含有の異方性導電接着剤を用いた基板への部品実装を模式的に示す断面図である。従来の半田含有の異方性導電接着剤１０３を用いたリフロー実装では、表面実装部品１０１と基板１０２との線膨張差によって接続部に大きなストレスが掛かるため、表面実装部品１０１と接着剤との間の浮きや基板１０２と接着剤との間の浮きに繋がる場合があった。また、半田の金属結合部におけるクラック発生などの懸念があった。

特に、熱衝撃試験のように熱膨張・熱収縮による機械的な伸び縮みがある信頼性試験に対して、試験時の応力を緩和できず、抵抗値上昇を引き起こすことがあった。

特開２０１７－０４１４４２号公報 特開２０１６－２１９８０８号公報

本技術は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、接続抵抗値の上昇を抑えることができる接続構造体、及び接続構造体の製造方法を提供する。

本技術に係る接続構造体は、第１の端子列を有する表面実装部品と、前記第１の端子列に対応する第２の端子列を有する配線基板と、前記表面実装部品と前記配線基板との間に気泡を有し、前記第１の端子列と前記第２の端子列とを半田粒子により接合する接着層とを備え、前記接着層の接着面積に対する前記気泡の面積割合が、１７～７２％である。

本技術に係る接続構造体の製造方法は、半田粒子と、気泡を発生させる発泡成分とを含有する異方性導電接着剤を介して、配線基板上に表面実装部品を配置する配置工程と、前記半田粒子の融点以上に設定されたリフロー炉を用いて、前記異方性導電接着剤を硬化させ、前記表面実装部品と前記配線基板との間に接着層を形成するとともに、前記表面実装部品の第１の端子列と前記配線基板の第２の端子列とを前記半田粒子により接合させる接合工程とを有し、前記接着層の接着面積に対する前記気泡の面積割合が、１７～７２％である。

本技術によれば、接着層が所定量の気泡を有することにより、熱衝撃による表面実装部品と配線基板との線膨張差のストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

図１は、垂直嵌合タイプのコネクタにおけるプラグとレセプタクルとの短手方向の一例を示す断面図である。 図２は、コネクタのプラグと配線基板とを接続させた接続構造体の長手方向を模式的に示す断面図である。 図３は、コネクタのプラグと配線基板とを接続させた接続構造体の短手方向を模式的に示す断面図である。 従来の半田含有の異方性導電性接着材を用いた基板への部品実装を模式的に示す断面図である。

以下、本技術の実施の形態について、図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。
１．接続構造体
２．接続構造体の製造方法
３．異方性導電接着剤
４．実施例

＜１．接続構造体＞
本実施の形態に係る接続構造体は、第１の端子列を有する表面実装部品と、第１の端子列に対応する第２の端子列を有する配線基板と、表面実装部品と配線基板との間に気泡を有し、第１の端子列と第２の端子列とを半田粒子により接合する接着層とを備える。そして、接着層の接着面積に対する気泡の面積割合が、所定範囲であることにより、熱衝撃による表面実装部品と配線基板との線膨張差のストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

接着層の接着面積に対する気泡の面積割合は、例えば、接着層を接続方向に対して垂直に切断、すなわち、端子面に対して平行に切断し、その断面を金属顕微鏡、光学顕微鏡、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）等の電子顕微鏡などを用いた観察画像から算出することができる。また、観察画像を公知の画像解析ソフトを用いて気泡の面積割合を計測してもよい。また、測定個所は、表面実装部品の中央部、いわゆる腹部分あることが好ましく、例えば、コネクタの場合、リード端子が組み込まれるインシュレーター部分（樹脂部分）であることが好ましい。

配線基板の線膨張係数は、好ましくは表面実装部品の線膨張係数の１．５倍以上、より好ましくは表面実装部品の線膨張係数の３．０倍以上、さらに好ましくは表面実装部品の線膨張係数の５．０倍以上である。表面実装部品の線膨張係数は、例えば０．１～１ｐｐｍ／℃であり、配線基板の線膨張係数は、例えば１０～３０ｐｐｍ／℃である。配線基板の線膨張係数と表面実装部品の線膨張係数とが前述の関係である場合、熱衝撃により機械的ストレスが掛かりやすいものの、本技術を適用することにより、ストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

表面実装部品は、長手方向に端子を複数備えることが好ましく、短手方向に端子が対向していてもよい。また、表面実装部品における長手方向の長さに対する短手方向の長さの比は、好ましくは２以上、より好ましくは３以上、さらに好ましくは４以上である。表面実装部品が、上記範囲のアスペクト比である場合、熱衝撃により長手方向には線膨張差による大きなストレスが掛かりやすいものの、本技術を適用することにより、ストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

表面実装部品としては、半田リフローにより接合可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、コネクタ、ＩＣ（Integrated Circuit）やＬＳＩ（Large Scale Integration）のパッケージ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、スイッチなどが挙げられる。これらの中でも、長手方向に複数のピンを有する樹脂成型されたアスペクト比の大きなコネクタは、接続部に大きなストレスが掛かりやすいものの、本技術を適用することにより、ストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

以下では、表面実装部品の具体例として、垂直嵌合タイプのコネクタを用いて接続構造体について詳細に説明する。コネクタは、嵌合部を有する主に樹脂成型品であり、例えば、樹脂成形物に電極が複数長手方向に突き出ているもの（所謂、ムカデ型のコネクタ）であっても、突き出ていないもの（フリップチップ型のコネクタ）であってよい。

図１は、垂直嵌合タイプのコネクタにおけるプラグとレセプタクルとの短手方向の一例を示す断面図である。図１に示すコネクタの一例は、レセプタクル端子１１Ａ、１１Ｂが絶縁樹脂により固定されたレセプタクル１と、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂが絶縁樹脂により固定されたプラグ２から構成される。また、レセプタクル１の長手方向には、レセプタクル端子１１Ａ、１１Ｂが、所定のピッチで形成され、プラグ２の長手方向には、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂが、所定のピッチで形成される。

図２は、コネクタのプラグと配線基板とを接続させた接続構造体の長手方向を模式的に示す断面図であり、図３は、コネクタのプラグと配線基板とを接続させた接続構造体の短手方向を模式的に示す断面図である。すなわち、図２に示す長手方向の断面は、図３に示す短手方向の断面に対して垂直方向のＹ断面であり、図４に示す短手方向の断面は、図２に示す長手方向の断面に対して垂直方向のＸ断面である。

図２及び図３に示すように、接続構造体は、第１の端子列としてのプラグ端子２１Ａ、２１Ｂを有するプラグ２と、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂに対応する第２の端子列としての基板端子３１Ａ、３１Ｂを有する配線基板３と、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂと基板端子３１Ａ、３１Ｂとを半田４１により接合する接着層４とを備える。

プラグ２は、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂと、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂに連続する導電金属が折り曲げられた接続ピン２２Ａ、２２Ｂと、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂ及び接続ピン２２Ａ、２２Ｂを固定する絶縁樹脂２３とを備える。

絶縁樹脂２３は、例えばポリアミド、ＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer）などからなり、例えば樹脂成形により、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂ及び接続ピン２２Ａ、２２Ｂを固定する。また、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂの端部には、それぞれリードが形成され、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂは、表面実装型のリードアレイを構成する。

プラグ端子２１Ａ、２１Ｂ及び基板端子３１Ａ、３１Ｂにおける隣接端子間距離（スペース間距離）の最小値の上限は、好ましくは０．８ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以下、さらに好ましくは０．２ｍｍ以下である。また、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂ及び基板端子３１Ａ、３１Ｂにおける隣接端子間の距離の最小値の下限は、好ましくは５０μｍ以上、より好ましくは６０μｍ以上、さらに好ましくは７０μｍ以上である。また、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂの表面は、金メッキされていることが好ましい。

配線基板３は、基材上にプラグ端子２１Ａ、２１Ｂに対応する基板端子３１Ａ、３１Ｂを備える。配線基板３は、所謂プリント配線板（ＰＷＢ）として広義に定義できるものであればよく、リジット基板であっても、フレキシブル基板（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuits）であってもよい。基材種類による基板例としては、例えば、ガラス基板、セラミック基板、プラスチック基板などが挙げられる。

基板端子３１Ａ、３１Ｂの隣接端子間には、ソルダーレジストに用いられる短絡防止の加工（壁や溝など）が形成されていないことが経済性の観点から好ましい。例えば、基板端子３１Ａ、３１Ｂの隣接端子間のスペース部の高さの上限は、好ましくは基板端子３１Ａ、３１Ｂの高さの１００μｍ以下、より好ましくは３５μｍ以下、さらに好ましくは１２μｍ以下である。また、基板端子３１Ａ、３１Ｂの隣接端子間の端子からの高さの下限は、基板端子３１Ａ、３１Ｂの高さと同じ（端子間が水平で基板面と同一であり、端子の隆起がない状態、基板の接続面がフラットな状態）であってもよく、基板に設けられた基板端子３１Ａ、３１Ｂが基板平面より突出していてもよい。また、基板端子３１Ａ、３１Ｂの表面は、金メッキされていることが好ましい。

接着層４は、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂと基板端子３１Ａ、３１Ｂとを接合する半田４１と、気泡４２とを備える。接着層４は、後述する異方性導電接着剤が硬化したものであり、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂと基板端子３１Ａ、３１Ｂとを半田４１により接合するとともに、プラグ２と配線基板３との間に異方性導電接着剤のバインダーが充填されてなる。一つの基板端子３１Ａ、３１Ｂ内には、複数の半田接合箇所が存在してもよく、複数の半田接合箇所以外は、バインダーによる接着箇所が存在してもよい。なお、プラグ端子２１Ａ、２１Ｂと基板端子３１Ａ、３１Ｂとの電極同士が直接接触し、バインダーがこれを保持してもよい。また、電極同士で接続している近傍の半田粒子が、これを補助するように働いてもよい。半田粒子は、電極間に挟持されていてもよく、電極間が直接接続した後に、その周辺に存在する半田粒子が溶融し、接合に寄与してもよい。

気泡４２は、後述する異方性導電接着剤中の発泡成分により発生し、接着層４内に形成される。接着層４の接着面積に対する気泡４２の面積割合は、１７～７２％であり、好ましくは２０～７０％、より好ましくは３０～６０％である。気泡４２の面積割合が小さ過ぎると熱衝撃による線膨張差のストレス緩和性が低くなり、気泡４２の面積割合が大き過ぎるとバインダー自体の凝集力が低下し、接続抵抗値の上昇を抑えることが困難となる。

本実施の形態に係る接続構造体によれば、接着層の接着面積に対する気泡の面積割合が、所定範囲であることにより、熱衝撃による表面実装部品と配線基板との線膨張差のストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。特に、長手方向に複数のピンを有する樹脂成型されたアスペクト比の大きなコネクタを実装した場合、接続部の大きなストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。また、本実施の形態に係る接続体は、ＢＧＡ（Ball grid array）などで広く使われている半田粒子により接続されており、接続信頼性が高いため、センサー機器、車載用機器、ＩｏＴ（Internet of Things）機器など、多くの用途に適用することができる。

＜２．接続構造体の製造方法＞
本実施の形態に係る接続構造体の製造方法は、半田粒子と、気泡を発生させる発泡成とを含有する異方性導電接着剤を介して、配線基板上に表面実装部品を配置する配置工程と、半田粒子の融点以上に設定されたリフロー炉を用いて、異方性導電接着剤を硬化させ、表面実装部品と配線基板との間に接着層を形成するとともに、表面実装部品の第１の端子列と配線基板の第２の端子列とを半田粒子により接合させる接合工程とを有する。そして、接着層の接着面積に対する気泡の面積割合が、所定範囲であることにより、熱衝撃による表面実装部品と配線基板との線膨張差のストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。ここで、接続構造体とは、二つの材料または部材が電気的に接続されたものをいう。また、接合とは、二つの材料または部材をつなぎ合わせることをいう。

［配置工程］
配置工程では、半田粒子と、気泡を発生させる発泡成分とを含有する異方性導電接着剤を介して、配線基板上に表面実装部品を配置する。例えば、ツールを用いて表面実装部品の第１の端子列と配線基板の第２の端子列とを位置合わせし、異方性導電接着剤上に表面実装部品を搭載する。ツールは、加熱型ピックアップツールであることが好ましく、表面実装部品を吸着する吸着機構を備えることが好ましい。また、異方性導電接着剤は、ペースト状であってもフィルム状であってもよい。ペースト状のものを表面実装部品の搭載時にフィルム状に近い形態としてもよい。

また、配置工程では、ツールにて表面実装部品側から押圧する仮圧着であってもよい。仮圧着条件としては、好ましくは２．０ＭＰａ以下、より好ましくは１．５ＭＰａ以下、さらに好ましくは１．０ＭＰａ以下である。

表面実装部品を押圧した場合、異方性導電接着剤の厚みに対する半田粒子の平均粒径の比の上限は、好ましくは１．４以下、より好ましくは１．２以下、さらに好ましくは１．０以下である。表面実装部品の第１の端子列と配線基板の第２の端子列との距離を半田粒子径の近傍まで異方性導電接着剤を押し込むことにより、リフロー工程の半田粒子による接合への寄与度を相対的に減少させ、導通を安定して得ることができる。

また、仮圧着では、異方性導電接着剤の硬化が開始されていてもよく、異方性導電接着剤が完全には硬化していない半硬化状態であってもよく、完全硬化されていてもよい。また、仮圧着では、ツールと表面実装部品との間に緩衝材を使用してもよい。緩衝材としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）、シリコンラバーなどを用いることができる。これにより、表面実装部品のダメージをさらに抑制することができる。

［接合工程］
接合工程では、半田粒子の融点以上に設定されたリフロー炉を用いて、異方性導電接着剤を硬化させ、表面実装部品と配線基板との間に気泡を含む接着層を形成するとともに、表面実装部品の第１の端子列と配線基板の第２の端子列とを半田粒子により接合させる。

リフロー炉は、機械的な加圧をせずに無荷重で加熱接合させることができるため、表面実装部品及び配線基板のダメージを抑制することができる。また、一般的な加熱加圧ツールを用いた異方性導電接続と比べて、不要な樹脂流動が発生しないことから、気泡の巻き込みも抑制することができる。また、無荷重であることから、半田粒子の移動量が小さくなり、半田粒子の捕捉効率は高いことが予想される。ここで、無荷重とは、機械的な加圧がない状態をいう。

リフロー炉としては、大気圧リフロー、真空リフロー、大気圧オーブン、オートクレーブ（加圧オーブン）などが挙げられ、これらの中でも、接合部に内包する気泡を排除することができる真空リフロー、オートクレーブなどを用いることが好ましい。

リフロー炉におけるピーク温度（最高到達温度）の下限は、半田粒子が溶融する温度以上であって、異方性導電接着剤が硬化を始める温度以上であれば良く、好ましくは１５０℃以上、より好ましくは１８０℃以上、さらに好ましくは２００℃以上である。また、リフロー炉におけるピーク温度の上限は、３００℃以下、より好ましくは２９０℃以下、さらに好ましくは２８０℃以下である。

リフロー炉では、加熱により異方性導電接着剤が溶融し、半田融点以上である本加熱により電極間に挟持された半田粒子が溶融し、半田が電極に濡れ広がり、冷却により表面実装部品の第１の端子列と配線基板の第２の端子列とが接合される。また、異方性導電接着剤中の発泡成分により気泡が発生し、接着層中に気泡が形成される。リフローは、昇温工程と降温工程のほか、一定温度に維持する工程（キープ工程）を含んでいてもよい。最も高温となるピーク工程があってもよく、昇温もしくは降温の途中でピーク工程を含んでいてもよい。昇温工程は、バインダーを溶融させる工程（例えば１２０℃まで）と、半田粒子が溶融し塗れ広がる工程（例えば１２０～１７５℃）の２段階となっていてもよい。そのため昇温速度は一例として１０～１２０℃／ｍｉｎでもよく、２０～１００℃／ｍｉｎでもよい。キープ工程（例えば１７５～１８０℃）の維持時間は、バインダーを硬化させる工程ともなる。この温度は、一例として温度１６０～２３０℃であり、５～１０℃程度の差があってもよく、ピーク温度と同じでもよい。この時間は適宜選択でき、例えば０．５ｍｉｎ以上や０．７５ｍｉｎ以上であり、長すぎると製造効率が悪化するので、例えば５ｍｉｎ以下や３ｍｉｎ以下である。

例えば、異方性導電接着剤のバインダーが熱硬化性である場合、リフロー工程の昇温・維持・降温と、バインダーの熱硬化性の挙動を合わせることにより、リフロー工程における樹脂溶融、端子間での半田粒子の挟持、半田溶融・樹脂硬化を最適化することができる。バインダーの熱硬化性の挙動は、ＤＳＣ測定やレオメーターによる粘度測定により知ることができる。

本実施の形態に係る接続構造体の製造方法によれば、異方性導電接着剤中の発泡成分により気泡が発生し、接着層中に気泡が形成されることにより、熱衝撃による表面実装部品と配線基板との線膨張差のストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

＜３．異方性導電接着剤＞
本実施の形態に係る異方性導電接着剤は、半田粒子と、気泡を発生させる発泡成分とを含有し、異方性導電接着剤のバインダー成分に対する発泡成分の含有量が、０．３～１．５ｗｔ％である。これにより、接着面積に対する気泡の面積割合を所定範囲である接着層を形成することができ、熱衝撃による表面実装部品と配線基板との線膨張差のストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

異方性導電接着剤は、フィルム状、又はペースト状のいずれであってもよい。また、ペーストを接続時にフィルム状にしても、部品を搭載することでフィルムに近い形態としてもよい。ペースト状の場合、基板上に所定量を均一に塗布することができればよく、例えば、ディスペンス、スタンピング、スクリーン印刷等の塗布方法を用いることができ、必要に応じて乾燥させてもよい。フィルム状の場合、フィルム厚により接合材料（例えば、異方性導電接合材料）の量を均一化することができるだけでなく、取り扱い易いので作業効率を高くすることができる。

異方性導電接着剤がフィルム状である場合、異方性導電接着剤の厚みに対する半田粒子の平均粒径の比の下限は、好ましくは０．６以上、より好ましくは０．８以上、さらに好ましくは０．９以上である。異方性導電接着剤の厚みに対する半田粒子の平均粒径の比が大きい場合、前述の配置工程において、半田粒子の電極間への挟持が容易になるが、フィルムにした場合に取り扱い性の難易度が高くなる虞がある。

フィルム厚みは、１μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以下を測定できる公知のマイクロメータやデジタルシックネスゲージ（例えば、株式会社ミツトヨ：ＭＤＥ－２５Ｍ、最小表示量０．０００１ｍｍ）を用いて測定することができる。フィルム厚みは、１０箇所以上を測定し、平均して求めればよい。但し、粒子径よりもフィルム厚みが薄い場合には、接触式の厚み測定器は適さないので、レーザー変位計（例えば、株式会社キーエンス、分光干渉変位タイプＳＩ－Ｔシリーズなど）を用いることが好ましい。ここで、フィルム厚みとは、バインダー樹脂層のみの厚みであり、粒子径は含まない。

異方性導電接着剤のバインダーは、熱硬化性であっても、熱可塑性であってもよいが、リフロー工程による温度制御により溶融・硬化可能な熱硬化性であることが好ましい。以下では、熱硬化性バインダー（絶縁性バインダー）について説明する。

［熱硬化型バインダー］
熱硬化性バインダーは、発熱ピーク温度が、半田粒子の融点よりも高いことが好ましく、半田粒子の融点よりも低い溶融温度を有するものであることが好ましい。ここで、発熱ピーク温度は、回転式レオメーター（サーモフィッシャー社製）を用い、測定圧力１Ｎ温度範囲３０～２００℃、昇温速度１０℃／分、測定周波数１Ｈｚ、測定プレート直径８ｍｍの条件で測定することができる。これにより、加熱により熱硬化性バインダーが溶融し、半田粒子が端子間に挟持された状態で半田が溶融するため、ファインピッチの電極を備える電子部品を接合させることができる。

熱硬化型バインダーとしては、（メタ）アクリレート化合物と熱ラジカル重合開始剤とを含む熱ラジカル重合型樹脂組成物、エポキシ化合物と熱カチオン重合開始剤とを含む熱カチオン重合型樹脂組成物、エポキシ化合物と熱アニオン重合開始剤とを含む熱アニオン重合型樹脂組成物などが挙げられる。また、公知の粘着剤組成物を用いてもよい。なお、（メタ）アクリルモノマーとは、アクリルモノマー、及びメタクリルモノマーのいずれも含む意味である。

以下では、具体例として、固形エポキシ樹脂と、液状エポキシ樹脂と、エポキシ樹脂硬化剤とを含有する熱アニオン重合型樹脂組成物を例に挙げて説明する。

固形エポキシ樹脂は、常温で固形であり、分子内に１つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂であれば、特に限定されるものではなく、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂等であってもよい。これにより、フィルム形状を維持することができる。なお、常温とは、ＪＩＳ Ｚ ８７０３で規定する２０℃±１５℃（５℃～３５℃）の範囲である。

液状エポキシ樹脂は、常温で液状であれば、特に限定されるものではなく、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等であってもよく、ウレタン変性のエポキシ樹脂であっても構わない。

液状エポキシ樹脂の配合量は、固形エポキシ樹脂１００質量部に対し、好ましくは１６０質量部以下、より好ましくは１００質量部以下、さらに好ましくは７０質量部以下である。液状エポキシ樹脂の配合量が多くなると、フィルム形状を維持することが困難となる。また、液状エポキシ樹脂の配合量が多くなると、熱硬化後の硬化物性が一般的に高架橋密度による高弾性となるため、ストレス緩和能力が小さくなる。

エポキシ樹脂硬化剤は、熱で硬化が開始する熱硬化剤であれば、特に限定されるものではなく、例えば、アミン、イミダゾール等のアニオン系硬化剤、スルホニウム塩等のカチオン系硬化剤が挙げられる。また、硬化剤は、フィルム化させる際に使用される溶剤に対して耐性が得られるようにマイクロカプセル化されていてもよい。

［半田粒子］
半田粒子は、例えばＪＩＳ Ｚ ３２８２－１９９９に規定されている、Ｓｎ－Ｐｂ系、Ｐｂ－Ｓｎ－Ｓｂ系、Ｓｎ－Ｓｂ系、Ｓｎ－Ｐｂ－Ｂｉ系、Ｂｉ－Ｓｎ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｐｂ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｐｂ－Ａｇ系、Ｐｂ－Ａｇ系などから、電極材料や接続条件などに応じて適宜選択することができる。Ｂｉ系の半田は、靭性の高い合金であるため、半田の金属結合部におけるクラック発生などの懸念があるものの、本技術を適用することにより、ストレスを緩和し、半田の金属結合部におけるクラック発生を抑制し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

半田粒子の融点の下限は、好ましくは１１０℃以上、より好ましくは１２０℃以上、さらに好ましくは１３０℃以上。半田粒子の融点の上限は、２００℃以下でもよく、好ましくは１８０℃以下、より好ましくは１６０℃以下、さらに好ましくは１５０℃以下である。また、半田粒子は、表面を活性化させる目的でフラックス化合物が直接表面に結合されていても構わない。表面を活性化させることで電極部との金属結合を促進することができる。

半田粒子の平均粒径は、表面実装部品の第１の端子列及び配線基板の第２の端子列における端子間距離（スペース間距離）の最小値の０．２倍以下であることが好ましく、０．１５倍以下であることがより好ましく、０．１倍以下であることがさらに好ましい。このようなスペース間距離及び半田粒子の平均粒径との関係より、リフロー炉を用いて、表面実装部品の第１の端子列と配線基板の第２の端子列とを接合させることができる。半田粒子の平均粒径が表面実装部品の第１の端子列及び配線基板の第２の端子列における端子間距離の最小値の０．２倍より大きくなると、ショートが発生する可能性が高くなる。

半田粒子の平均粒径の下限は、好ましくは０．５μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上である。これにより、フィルムの塗布厚みを一定にすることができる。半田粒子の平均粒径が０．５μｍより小さいと電極部と良好な半田接合状態を得ることができず、信頼性が悪化する傾向にある。また、半田粒子の平均粒径の上限は、５０μｍ以下であってもよく、３０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下である。

平均粒径は、金属顕微鏡、光学顕微鏡、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）等の電子顕微鏡などを用いた観察画像において、例えばＮ＝２０以上、好ましくはＮ＝５０以上、さらに好ましくはＮ＝２００以上で測定した粒子の長軸径の平均値であり、粒子が球形の場合は、粒子の直径の平均値である。また、観察画像を公知の画像解析ソフト（「ＷｉｎＲＯＯＦ」：三谷商事（株）、「Ａ像くん（登録商標）」：旭化成エンジニアリング株式会社など）を用いて計測された測定値、画像型粒度分布測定装置（例として、ＦＰＩＡ－３０００（マルバーン社））を用いて測定した測定値（Ｎ＝１０００以上）であってもよい。観察画像や画像型粒度分布測定装置から求めた平均粒径は、粒子の最大長の平均値とすることができる。なお、異方性導電接着剤を作製する際には、簡易的にレーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における頻度の累積が５０％になる粒径（Ｄ５０）、算術平均径（体積基準であることが好ましい）などのメーカー値を用いることができる。

また、複数の半田粒子が凝集した凝集体である場合、凝集体の大きさを異方性導電接着剤の厚みよりも小さくすることが好ましい。個々の半田粒子の大きさは、前述した画像観察により求めることができる。

半田粒子は、バインダー中に分散されていることが好ましく、半田粒子はランダム配置であっても、一定の規則で配置されていても良い。また、半田粒子は、複数個が凝集した凝集体であってもよい。

半田粒子の配合量の質量比範囲の下限は、好ましくは２０ｗｔ％以上、より好ましくは３０ｗｔ％以上、さらに好ましくは３５ｗｔ％以上である。また、半田粒子の配合量の体積比範囲の下限は、好ましくは５ｖｏｌ％以上、より好ましくは１０ｖｏｌ％以上、さらに好ましくは１５ｖｏｌ％以上である。半田粒子の配合量は、前述の質量比範囲又は体積比範囲を満たすことにより、優れた導通性、放熱性、及び接着性を得ることができる。半田粒子がバインダー中に存在する場合には、体積比を用いてもよく、異方性導電接合材料を製造する場合（半田粒子がバインダーに存在する前）には、質量比を用いてもよい。質量比は、配合物の比重や配合比などから体積比に変換することができる。半田粒子の配合量が少なすぎると優れた導通性、放熱性、及び接着性が得られなくなり、配合量が多すぎると異方性が損なわれ易くなり、優れた導通信頼性が得られ難くなる。

［発泡成分］
発泡成分は、トルエン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、アセトン、酢酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートメトキシプロピルアセテート（ＰＭＡ）、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）からなる群より選ばれる１種以上であることが好ましい。また、エポキシモノマーや（メタ）アクリルモノマーなどの液状の反応性モノマーを反応前に揮発させることで気泡成分とすることができる。発泡成分が、前述のような揮発成分であることにより、リフロー工程において容易に気泡を発生させることができる。

バインダー成分に対する発泡成分の含有量は、０．３～１．５ｗｔ％であることが好ましい。これにより、接着面積に対する気泡の面積割合が所定範囲である接着層を得ることができ、熱衝撃による表面実装部品と配線基板との線膨張差のストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

［他の添加剤］
異方性導電接着剤には、上述したバインダー、半田粒子及び発砲成分に加えて、本発明の効果を損なわない範囲で、従来、接着剤として使われている種々の添加剤を配合することができる。添加剤の粒子径は、半田粒子の平均粒子径よりも小さいことが望ましいが、電極間接合を阻害しない大きさであれば特に限定はない。

前述の異方性導電接着剤は、例えば、絶縁性バインダー、半田粒子及び発砲成分を溶剤中で混合し、この混合物を、バーコーターにより、剥離処理フィルム上に所定厚みとなるように塗布した後、乾燥させて溶媒を揮発させることにより得ることができる。また、混合物をバーコーターにより剥離処理フィルム上に塗布した後、加圧により所定厚みとしてもよい。また、半田粒子の分散性を高くするために、溶媒を含んだ状態で高シェアをかけることが好ましい。例えば、公知のバッチ式遊星攪拌装置を用いることができる。また、異方性導電接着剤の残溶剤量は、好ましくは２％以下、より好ましくは１％以下である。

本実施の形態に係る異方性導電接着剤によれば、気泡を発生させる発泡成分の含有量が所定範囲であることにより、接着面積に対する気泡の面積割合を所定範囲である接着層を形成することができ、熱衝撃による表面実装部品と配線基板との線膨張差のストレスを緩和し、接続抵抗値の上昇を抑えることができる。

＜４．実施例＞
本実施例では、半田粒子を含有する異方性導電フィルムを用いてコネクタを基板に実装した。そして、実装体の初期及び熱衝撃試験後の抵抗値評価を行った。なお、本実施例は、これらに限定されるものではない。

［異方性導電フィルムの作製］
固形エポキシ樹脂（ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、三菱ケミカル（株）、ＪＥＲ４００７Ｐ）を８０質量部、液状エポキシ樹脂（ジシクロペンタジエン骨格エポキシ樹脂、ＡＤＥＫＡ（株）、ＥＰ４０８８Ｌ）を２０質量部、エポキシ樹脂硬化剤（イミダゾール系硬化剤、四国化成工業（株）、キュアゾール２Ｐ４ＭＨＺ－ＰＷ）を５質量部、フラックス化合物（グルタル酸（１，３－プロパンジカルボン酸）、東京化成（株））を３質量部、及び平均粒子径３０μｍの半田粒子（ＭＣＰ－１３７、５Ｎ Ｐｌｕｓ ｉｎｃ、Ｓｎ－５８Ｂｉ合金、固相線温度１３８℃）を５０質量部配合し、厚み３５μｍの異方性導電フィルムを作製した。上記配合のバインダー成分に対し、気泡発生成分として、揮発性の高いトルエンを所定量（ｗｔ％）配合し、気泡の量を調整した。

［コネクタの実装］
下記コネクタ部品、及び基板を準備し、基板上に異方性導電フィルムを載せ、プラグコネクタを基板側配線に合わせて搭載し、下記リフロー条件のリフロー工程を通してプラグコネクタを実装した。
コネクタ部品：片側１０ピン（両側２０ピン）、０．３５ｍｍピッチプラグコネクタ、ヒロセ電機(株)、ＢＭ２３ＦＲ０．６－２０ＤＰ－０．３５Ｖ（８９５）
基板：上記プラグコネクタに対応するリジッド基板（デクセリアルズ評価用ガラスエポキシ基板、Ｎｉ－Ａｕメッキ)
リフロー条件：１５０℃～２６０℃－１００ｓｅｃ、ピークトップ２６０℃を設定

［異方性導電フィルムの硬化後の気泡面積割合］
実装後の気泡量の評価方法として、図３に示すようにＺ方向で切断し、断面を観察し、硬化後のバインダー中の気泡を面積として測定し、その割合を算出した。

［実装体の抵抗値評価］
リフロー後の実装体における初期及び熱衝撃試験後のコネクタ端子と基板端子間の導通抵抗値を測定した。熱衝撃試験の条件は、－５５℃、３０分⇔１２５℃、３０分を１００サイクルとした。実装後のプラグコネクタ端子（上側の端子）と基板側の端子間の導通抵抗を測定し、熱衝撃試験前後における抵抗値上昇の最大値により評価した。Ａ～Ｃの評価基準は下記の通りとした。
Ａ：抵抗値上昇の最大値が３０ｍΩ以下
Ｂ：抵抗値上昇の最大値が３０ｍΩ超５０ｍΩ以下
Ｃ：抵抗値上昇の最大値が５０ｍΩ超

［異方性導電フィルムのハンドリング性の評価］
ＪＩＳＺ０２３７「粘着テープ・粘着シート試験方法」に準じ、タック試験機（ＴＡＣＩＩ、（株）レスカ）を用い、２２℃の雰囲気下において、プローブ直径５ｍｍ（ステンレス製鏡面、円柱状）、押し付け荷重１９６ｋｇｆ、押し付け速度３０ｍｍ／ｍｉｎ、剥離速度５ｍｍ／ｍｉｎの測定条件で、プローブを異方性導電フィルムに押し付けて測定した。測定チャートのピーク強度をタック力（ｋＰａ）とした。タック力が１０ｋＰａ未満のものの判定を「ＯＫ」とし、タック力が１０ｋＰａ以下のものの判定を「ＮＧ」とした。

表１に、実施例及び比較例の実装体の評価結果を示す。

比較例１、２のように、硬化後のバインダー中の気泡面積の割合が８％以下である場合、すなわち、硬化前のバインダー中の揮発成分量の割合が０．２ｗｔ％以下である場合、
熱衝撃による線膨張差のストレス緩和性能が小さく、熱衝撃試験後の抵抗値の上昇が大きかった。

また、比較例３、４のように、硬化後のバインダー中の気泡面積の割合が８２％以上である場合、すなわち、硬化前のバインダー中の揮発成分量の割合が２．０ｗｔ％以下である場合、異方性導電フィルムのハンドリング性が悪化し、熱衝撃試験後の抵抗値の上昇が大きかった。これは、大量の気泡によりバインダー自体の凝集力が低下したため、抵抗値の上昇を抑え込む性能が低下したためと推測する。

一方、実施例１～５のように、硬化後のバインダー中の気泡面積の割合が０．３～１．５％である場合、すなわち、硬化前のバインダー中の揮発成分量の割合が１７～７２ｗｔ％である場合、異方性導電フィルムのハンドリング性が良好であり、熱衝撃試験後の抵抗値の上昇を抑えることができた。これは、適量の気泡によりバインダーのストレス緩和性が高まり、熱衝撃による線膨張差のストレスを緩和しているものと推測する。

以上のように、異方性導電接着剤を実装するプロセスで気泡が発生するようにバインダー中に揮発成分を配合し、実装後の硬化バインダー中に気泡を配置することにより、ストレス緩和性能が高まり、信頼性試験後の抵抗値上昇を抑えることができた。

１ レセプタクル、２ プラグ、３ 配線基板、４ 接着層、１１Ａ，１１Ｂ レセプタクル端子、２１Ａ，２１Ｂ プラグ端子、２２Ａ，２２Ｂ 接続ピン、２３ 絶縁樹脂、３１Ａ，３１Ｂ 基板端子、４１ 半田、４２ 気泡、１０１ 表面実装部品、１０２ 基板、１０３ 異方性導電接着剤

Claims (17)

1. 第１の端子列を有する表面実装部品と、
   前記第１の端子列に対応する第２の端子列を有する配線基板と、
   前記表面実装部品と前記配線基板との間に気泡を有し、前記第１の端子列と前記第２の端子列とを半田粒子により接合する接着層とを備え、
   前記接着層の接着面積に対する前記気泡の面積割合が、１７～７２％である接続構造体。
2. 前記配線基板の線膨張係数が、前記表面実装部品の線膨張係数の１．５倍以上である請求項１記載の接続構造体。
3. 前記表面実装部品が、長手方向に端子を複数備える請求項１又は２記載の接続構造体。
4. 前記表面実装部品が、長手方向の長さに対する短手方向の長さの比が２以上であり、長手方向に複数のピンを有する樹脂成型されたコネクタである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接続構造体。
5. 半田粒子と、気泡を発生させる発泡成分とを含有する異方性導電接着剤を介して、配線基板上に表面実装部品を配置する配置工程と、
   前記半田粒子の融点以上に設定されたリフロー炉を用いて、前記表面実装部品と前記配線基板との間にする接着層を形成するとともに、前記表面実装部品の第１の端子列と前記配線基板の第２の端子列とを前記半田粒子により接合させる接合工程とを有し、
   前記接着層の接着面積に対する前記気泡の面積割合が、１７～７２％である接続構造体の製造方法。
6. 前記配線基板の線膨張係数が、前記表面実装部品の線膨張係数の１．５倍以上である請求項５記載の接続構造体の製造方法。
7. 前記表面実装部品が、長手方向に端子を複数備える請求項５又は６記載の接続構造体の製造方法。
8. 前記表面実装部品が、長手方向の長さに対する短手方向の長さの比が２以上であり、長手方向に複数のピンを有する樹脂成型されたコネクタである請求項５乃至７のいずれか１項に記載の接続構造体の製造方法。
9. 前記発泡成分が、トルエン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、アセトン、酢酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートメトキシプロピルアセテート（ＰＭＡ）、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）からなる群より選ばれる１種以上である請求項５乃至８のいずれか１項記載の接続構造体の製造方法。
10. 前記発泡成分が、揮発性の反応性モノマーである請求項５乃至８のいずれか１項記載の接続構造体の製造方法。
11. 前記異方性導電接着剤のバインダー成分に対する前記発泡成分の含有量が、０．３～１．５ｗｔ％である請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の接続構造体の製造方法。
12. 前記半田粒子が、Ｂｉを含む合金である請求項５乃至１１のいずれか１項に記載の接続構造体の製造方法。
13. 前記異方性導電接着剤が、フィルム状である請求項５乃至１２のいずれか１項に記載の接続体の製造方法。
14. 半田粒子と、気泡を発生させる発泡成分と、バインダーとを含有し、
    前記バインダー成分に対する前記発泡成分の含有量が、０．３～１．５ｗｔ％である接続フィルム。
15. 前記半田粒子が、Ｂｉを含む合金である請求項１４記載の接続フィルム。
16. 前記発泡成分が、トルエン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、アセトン、酢酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートメトキシプロピルアセテート（ＰＭＡ）、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）からなる群より選ばれる１種以上である請求項１４又は１５記載の接続フィルム。
17. 前記発泡成分が、揮発性の反応性モノマーである請求項１４又は１５記載の接続フィルム。
    
    

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