JP4727556B2

JP4727556B2 - 実装基板およびその製造方法

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Publication number: JP4727556B2
Application number: JP2006319795A
Authority: JP
Inventors: 修造平田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: JP2008135515A

Description

本発明は、回路上にチップ部品を実装した実装部品に関し、詳しくは、導電性ペーストにより形成された導電性ペースト回路と、金属めっきされたチップ部品とを、導電性接着剤を介して接続した実装基板およびその製造方法に関する。

従来、メンブレン回路基板への実装に関しては、銀フィラーとエポキシ樹脂からなる導電性接着剤が用いられている。

銀の導電性接着剤を用いる場合は、銀のスズ食われの問題から、安価なスズめっきチップを実装することができず、高価な金メッキチップを実装する必要があった。
また、メンブレン回路基板においては、メンブレン基材としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の耐熱性のないプラスチック基材を用いるため、１５０℃以上に加熱することができないため、はんだ材料を適用することができなかった。

Ｓｎ_４２Ｂｉ_５８を金属成分に含むはんだと、ＳｎＩｎを金属成分に含むはんだ（以下、「低融点はんだ」という場合がある。）は、１５０℃以下の温度で融解させることが可能なので、原理上はメンブレン回路基板に用いることができる。しかし、これらの低融点はんだを用いる場合、はんだと実装チップとの接続や密着は良好だが、はんだと導電性ペースト回路との接続や密着が悪く、実用上は使用することができなかった。これは、導電性ペーストに含まれる有機成分が導電性ペースト回路の表面に存在し、はんだの濡れ性を悪くしてしまうからである。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低融点はんだを含む導電材を介して導電性ペースト回路とチップ部品とを接続した実装基板において、はんだと導電性ペースト回路との接続や密着を改善することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、基板上に導電性ペーストにより形成された導電性ペースト回路と、はんだを導電性粒子として含む導電性接着剤からなる導電材を介して前記導電性ペースト回路に接続されるチップ部品とを備える実装基板であって、前記導電材中の導電性粒子は、少なくとも一部が融着されており、前記導電材は、前記チップ部品側から前記導電性ペースト回路側に向かって縮小したテーパー状に形成され、前記導電材の外周域が固着樹脂により固着され、前記固着樹脂は、前記導電性ペースト回路と前記導電材とが接合した部分の周囲の隙間に配されるように設けられていることを特徴とする実装基板を提供する。

本発明の実装基板において、前記基板はプラスチック基板であることが好ましい。
前記導電性接着剤は、少なくともスズとビスマスを含む金属からなる導電性粒子と、有機酸成分と、エポキシ系樹脂成分とを含有するものであることが好ましい。
また、本発明は、上記の実装基板の製造方法であって、基板の導電性ペースト回路の上に導電性接着剤を配し、その上にチップ部品を載せ、前記導電性接着剤中のはんだを少なくとも一部融解させ、前記チップ部品と前記導電性ペースト回路とを接続し、前記導電性接着剤中の前記はんだからなる金属成分を主成分として、前記チップ部品側から前記導電性ペースト回路側に向かって縮小したテーパー状の導電材を形成するとともに、前記導電性接着剤中の樹脂を前記導電材から分離させ、前記導電材の外周域に配された状態で固化させて、前記固着樹脂を形成することを特徴とする実装基板の製造方法を提供する。

本発明の実装基板によれば、導電材と導電性ペースト回路と接続や密着した部位が補強されるので、チップ部品の接続強度を向上することができる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の実装基板の一例を示す断面図である。この実装基板５は、基板１上に導電性ペーストにより形成された導電性ペースト回路２と、導電性接着剤からなる導電材３を介して導電性ペースト回路２に接続されるチップ部品４とを備える。

基板１としては、例えばプラスチック基板が挙げられる。とりわけ、メンブレン回路基板に用いられるＰＥＴ等のメンブレン基材が好ましい。この基板１上には、導電性ペーストにより形成された回路（導電性ペースト回路）２が設けられている。
チップ部品４は、めっき部７が設けられることが好ましい。これにより、導電材３との接続や密着が良好になる。めっき部７は、スズ（Ｓｎ）や金（Ａｕ）等の導電体金属をめっきにより形成することができる。安価であることから、スズめっきが好ましい。

ここで、導電性ペーストとしては、金属粒子、導電性酸化物、導電性高分子などの導電成分を含有し、樹脂等の有機成分を配合してペースト状にされた組成物である。金属粒子としては、銀粒子、銅粒子、金（Ａｕ）メッキされた粒子、少なくともスズとビスマスを含む金属（例えばＳｎ_４２Ｂｉ_５８）からなる粒子、もしくは、スズとインジウムを含む金属からなる粒子等が挙げられる。導電性酸化物としては、インジウム（Ｉｎ）とスズ（Ｓｎ）の酸化物（ＩＴＯ）、インジウム（Ｉｎ）と亜鉛（Ｚｎ）の酸化物（ＩＺＯ）、イリジウム（Ｉｒ）の酸化物、亜鉛の酸化物（ＺｎＯ）などが挙げられる。導電性高分子としては、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールなどが挙げられる。なかでも、導電成分として銀を含有する銀ペーストを用いて導電性ペースト回路２を構成することが、銀は導電性に優れるなどの点から、好ましい。
導電性ペースト回路２中の有機成分は、重量で０．３〜５０％の範囲内が好ましい。有機成分が過少であると、導電性ペーストにおいて導電成分をペースト状に分散させることが難しく、有機成分が過多であると、回路の導電性が低下するので、好ましくない。

実装基板５において導電性ペースト回路２とチップ部品４とを接続する導電材３は、少なくともスズとビスマスを含む金属からなる導電性粒子を含有する導電性接着剤から構成されている。スズとビスマスを含む金属としては、Ｓｎ_４２Ｂｉ_５８などのスズ−ビスマス系はんだなどが挙げられる。

また、本発明では、導電性粒子として、上記の低融点はんだを用いるとき、該はんだによる接合を促進するため、フラックスを使用することが好ましい。フラックスとしては、特に限定されないが、例えばロジン系フラックス等が挙げられる。

また、導電性接着剤は、少なくともスズとビスマスを含む金属からなる導電性粒子のほかに、有機酸成分と、エポキシ系樹脂成分とを含有するものであることが好ましい。

有機酸成分としては、酢酸、プロピオン酸、酪酸等の脂肪族一価カルボン酸；安息香酸等の芳香族一価カルボン酸；マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸等の脂肪族二価カルボン酸；フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸等の芳香族二価カルボン酸；グリコール酸、乳酸、グリセリン酸、リンゴ酸、酒石酸、クエン酸等の脂肪族オキシ酸；サリチル酸、マンデル酸等の芳香族オキシ酸等、脂肪族あるいは芳香族のカルボン酸が挙げられる。有機酸成分は、１種類でも、２種類以上を併用してもよい。

エポキシ系樹脂成分としては、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、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ヒダントイン型エポキシ樹脂、イソシアヌレート型エポキシ樹脂、およびこれらのハロゲン化物（臭素化エポキシ樹脂など）や水素添加物などが挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、１種類でも、２種類以上を併用してよい。

また、エポキシ系樹脂成分の硬化のため、硬化剤を併用することが望ましい。エポキシ樹脂の硬化に用い得るものであれば、特に制限なく使用することが可能であるが、例えば、脂肪族アミン系硬化剤、脂環式アミン系硬化剤、芳香族アミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤、ジシアンジアミド、三フッ化ホウ素アミン錯塩、イミダゾール化合物等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。硬化剤の配合量はエポキシ樹脂に応じて定めることができる。
さらに、本発明の効果を損なわない範囲で、その他の添加剤を併用しても良い。

上述の導電性接着剤は、低融点はんだを含むため、１５０℃以下の温度で融解させることが可能である。これにより、導電材３中の導電性粒子は、少なくとも一部が融着され、粒子間は接触よりも密に接続され、接触抵抗が低下するため、好ましい。

本形態例の実装基板は、例えば次の方法によって製造することができる。
基板１の導電性ペースト回路２の上に、導電性接着剤を配し、その上にチップ部品４を載せる。乾燥炉等で加熱して導電性接着剤中のはんだを少なくとも一部融解させ、チップ部品４と導電性ペースト回路２とを接続する。

導電性接着剤中のはんだ（低融点金属成分）を融解させるとき、導電性ペースト回路２の表面に有機成分が存在するため、融解した金属成分は、導電性ペースト回路２に対する濡れ性が悪く（導電性ペースト回路２の表面に対するはんだの接触角が鈍角となる。）、融解金属成分同士で凝集しようとする。その結果、導電性接着剤中の金属成分を主成分として、チップ部品４側から導電性ペースト回路２側に向かって縮小したテーパー状の導電材３が形成され、この形状で導電材３中の金属成分が固化する。

このとき、導電性接着剤中のエポキシ樹脂のうちの少なくとも一部は、前記金属成分を主成分とする導電材３から分離して、導電材３の外周域に配された状態で固化する。この固化した樹脂は、導電性ペースト回路２との接合部８の周囲の隙間を埋めるように配され、導電材３と導電性ペースト回路２との間を固着する。このようにして導電材３の外周域に固着樹脂６が設けられることにより、接合部８における接合強度が向上する。また、導電材３においては、導電性接着剤中のバインダー樹脂の一部が固着樹脂６として分離した結果として、金属成分の含有率がもとの導電性接着剤における含有率よりも高くなり、抵抗が低下する。
本形態例の実装基板５は、メンブレン回路基板などに適用できる。チップ部品の接続信頼性に優れるので、種々の電気機器や電子機器などに好適に利用することができる。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。

実装評価に使用した回路の概要を図２に示す。図２に示す回路は導電性ペースト回路１１であり、回路１１はランド１４間の間隙１５を５箇所に有し、このランド１４上に配された導電材１２を介してランド１４間の間隙１５上にチップ部品１３が実装され、５個を直列つなぎとしたものである。

導電性ペースト回路１１としては、銀ペースト回路を使用した。導電材１２は、導電性接着剤（表１，表２を参照。）を使用して形成した。チップ部品１３としては、ゼロ抵抗チップを使用した。表１に示す例では、金（Ａｕ）めっきしたチップ部品を用い、表２に示す例では、スズ（Ｓｎ）めっきしたチップ部品を用いた。

表１および表２に示すように、実施例１および実施例２では、Ｓｎ_４２Ｂｉ_５６粒子とフラックスと接着樹脂（エポキシ樹脂）とを主として含有する導電性接着剤を用いた。この実施例で用いた導電性接着剤は、下記の成分を含有するものである。
有機酸成分：グルタル酸、
エポキシ樹脂：ビスフェノールＦ型エポキシ、
硬化剤：Ｎ，Ｎ，Ｎ′，Ｎ′−テトラキス（２−ヒドロキシプロピル）エチレンジアミン、
その他添加剤：フェニルイミダゾール、ジベンゾイルメタン、脂肪酸モノエタノールアミド。

比較例１および比較例５では、Ａｇ粒子と接着樹脂とを主として含有するＡｇ導電性接着剤を用いた。
比較例２および比較例６では、Ｃｕ粒子と接着樹脂とを主として含有するＣｕ導電性接着剤を用いた。
比較例３および比較例７では、Ｓｎ_４２Ｂｉ_５６粒子とフラックスとを主として含有するもの（接着樹脂を配合せず。）を導電性接着剤として使用した。
比較例４および比較例８では、Ｓｎ_９６．５Ａｇ_３．０Ｃｕ_０．５粒子とフラックスと接着樹脂とを主として含有する導電性接着剤を用いた。

表１および表２に示すそれぞれの回路構成において、以下の（１）から（６）の測定を行った。
（１）図２の回路１１の両端部１６，１６間の抵抗値を室温にて測定（抵抗値上昇・室温時）
（２）図２の回路１１の両端部１６，１６間の抵抗値を、温度８０℃にて１０００時間加熱した後、室温にて測定（抵抗値上昇・加熱試験後）
（３）図２の回路１１の両端部１６，１６間の抵抗値を、温度６５℃、相対湿度（ＲＨ）９５％にて１０００時間加熱した後、室温にて測定（抵抗値上昇・耐熱試験後）
（４）チップ部品１３を横から押した場合の取れやすさ（接続強度・室温時）
（５）温度８０℃にて１０００時間加熱した後、チップ部品１３を横から押した場合の取れやすさ（接続強度・加熱試験後）
（６）温度６５℃、相対湿度（ＲＨ）９５％にて１０００時間加熱した後、チップ部品１３を横から押した場合の取れやすさ（接続強度・耐熱試験後）

表１および表２において、「抵抗値上昇」欄中の「―」は電気的接続がとれていないことを表し、「×」は触れただけで簡単に取れてしまい、電気的接続がとれていないことを表す。
「接続強度」欄中の「○」は通常の密着性を示すことを表し、「◎」は従来の導電性接着剤よりもいい密着性を示すことを表し、「×」は触れただけで簡単に取れてしまう状態であることを表す。

表１において、金めっきチップを実装した場合の結果について説明する。
実施例１と比較例１を比較すると、抵抗値上昇と接続強度とも、ＳｎＢｉ導電性接着剤とＡｇ導電性接着剤とを比べて違いはなく、良好な特性を示している。
比較例２のように、Ｃｕ導電性接着剤を用いた場合、Ｃｕ導電性接着剤は安価であるが、抵抗値が上昇しやすいという問題がある。

実施例１と比較例３を比較すると、導電性粒子は同じＳｎＢｉ系であっても、接着樹脂があるかないかで、接続強度が大きく異なっている。通常のはんだは銀ペースト回路上では濡れ性が悪く、下地と金属結合等をつくらないので密着性が悪い（銀ペースト回路の表面は有機成分で覆われているので、はんだとの濡れ性が悪い。）。すなわち、実施例１では、導電性接着剤中のＳｎＢｉ系はんだが溶融したとき、該はんだが中央部に集まると同時に、エポキシ樹脂が接合部の外周域に押し出されて固着樹脂を形成することにより、極めて高い接続強度が得られたのに対して、ＳｎＢｉ系はんだとフラックスのみで接合した比較例３では、接続強度が著しく低かった。

実施例１と比較例４を比較すると、ＳｎＡｇＣｕでは融点が低く、１５０℃の乾燥炉では、下地の銀ペースト回路と実装チップとが金属的につながらない。このため、抵抗値がでない。ＳｎＢｉは融点が１３９℃なので、１５０℃ではフラックスの効果により、問題なく融着する。このことより、ＳｎＢｉ粒子などの低融点フィラーを用いることが重要である。

表２において、スズめっきチップを実装した場合の結果について説明する。
実施例２と比較例５を比較すると、ＳｎＢｉ導電性接着剤は良好な特性を示しているが、Ａｇ導電性接着剤は加熱試験や耐熱試験（湿熱試験）で抵抗値が上昇してしまう。これは、スズめっきチップのスズが、Ａｇに食われてしまうからだと考えられる。
比較例６のように、Ｃｕ導電性接着剤を用いた場合、Ｃｕ導電性接着剤は安価であるが、抵抗値が上昇しやすいという問題がある。

実施例２と比較例７を比較すると、導電性粒子は同じＳｎＢｉ系であっても、接着樹脂があるかないかで、接続強度が大きく異なっている。通常のはんだは銀ペースト回路上では濡れ性が悪く、下地と金属結合等をつくらないので密着性が悪い（銀ペースト回路の表面は有機成分で覆われているので、はんだとの濡れ性が悪い。）。すなわち、実施例２では、導電性接着剤中のＳｎＢｉ系はんだが溶融したとき、該はんだが中央部に集まると同時に、エポキシ樹脂が接合部の外周域に押し出されて固着樹脂を形成することにより、極めて高い接続強度が得られたのに対して、ＳｎＢｉ系はんだとフラックスのみで接合した比較例７では、接続強度が著しく低かった。

実施例２と比較例８を比較すると、ＳｎＡｇＣｕでは融点が低く、１５０℃の乾燥炉では、下地の銀ペースト回路と実装チップとが金属的につながらない。このため、抵抗値がでない。ＳｎＢｉは融点が１３９℃なので、１５０℃ではフラックスの効果により、問題なく融着する。このことより、ＳｎＢｉ粒子などの低融点フィラーを用いることが重要である。

図３に、実施例２の実装基板における導電性ペースト回路と導電材との接合部（図１のＥで示した部分に対応する。）を拡大した電子顕微鏡写真を示す。この例では、基板１はＰＥＴフィルムであり、導電性ペースト回路２は銀ペーストからなり、導電材３はＳｎＢｉからなり、固着樹脂６はエポキシであり、めっき部７はＳｎめっきである。この写真から、固着樹脂６が接合部を固着している様子が分かる。

以上の結果から、ＳｎＢｉの導電性接着剤は、メンブレン回路基板において優れた実装特性を示すことが分かった。

本発明は、メンブレン回路基板などに適用して、種々の電気機器や電子機器などに利用することができる。

本発明の実装基板の一例を示す断面図である。（ａ）は実施例において実装評価に使用した回路を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図である。実施例２の実装基板における接合部（図１のＥで示した部分に対応する。）を拡大して示す電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１…基板、２…導電性ペースト回路、３…導電材、４…チップ部品、５…実装基板、６…固着樹脂（エポキシ系樹脂）、７…めっき部、８…導電性ペースト回路と導電材との接合部。

Claims

基板上に導電性ペーストにより形成された導電性ペースト回路と、はんだを導電性粒子として含む導電性接着剤からなる導電材を介して前記導電性ペースト回路に接続されるチップ部品とを備える実装基板であって、
前記導電材中の導電性粒子は、少なくとも一部が融着されており、前記導電材は、前記チップ部品側から前記導電性ペースト回路側に向かって縮小したテーパー状に形成され、前記導電材の外周域が固着樹脂により固着され、前記固着樹脂は、前記導電性ペースト回路と前記導電材とが接合した部分の周囲の隙間に配されるように設けられていることを特徴とする実装基板。
前記基板はプラスチック基板であることを特徴とする請求項１に記載の実装基板。
前記導電性接着剤は、少なくともスズとビスマスを含む金属からなる導電性粒子と、有機酸成分と、エポキシ系樹脂成分とを含有するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の実装基板。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の実装基板の製造方法であって、基板の導電性ペースト回路の上に導電性接着剤を配し、その上にチップ部品を載せ、前記導電性接着剤中のはんだを少なくとも一部融解させ、前記チップ部品と前記導電性ペースト回路とを接続し、前記導電性接着剤中の前記はんだからなる金属成分を主成分として、前記チップ部品側から前記導電性ペースト回路側に向かって縮小したテーパー状の導電材を形成するとともに、前記導電性接着剤中の樹脂を前記導電材から分離させ、前記導電材の外周域に配された状態で固化させて、前記固着樹脂を形成することを特徴とする実装基板の製造方法。