JP4934166B2 - 電極の接着剤接続構造、電子機器およびその組立方法 - Google Patents
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Description
接着剤としては、後述するように,いわゆる異方導電性接着剤(ACF)が用いられる。
上記有機膜を形成する水溶性プリフラックス処理は、OSP処理(Organic Solderability Preservation)とも呼ばれている。
上記基材としては、プリント配線板の基材フィルム,電子部品の電極の下地部材などがある。被接続導体には、他のプリント配線板の電極,電子部品の電極,コネクタの電極などがある。
接着剤接続用電極には、従来、酸化防止用の金めっきが施されていた。それに対し、OSP処理によって有機膜を形成する工程は、金めっき層を形成する工程と比較して、製造工程が簡素化される。また、高価な金を使用しないので、材料コストも低減される。よって、本発明により、接着剤を用いた接続を行うための電極構造を安価に製造することが可能となる。
また、一般的に、接着剤接続用電極が設けられる基材には、半田接続用電極も設けられている。その場合、通常は、半田接続用電極と接着剤接続用電極の双方の上に有機膜を形成してから、半田リフロー工程を行い、その後、接着剤による接続を行うことになる。先に、接着剤接続を行うと、その後、半田リフローの際に、接着剤の締め付けが緩んで、接続不良をおこす確率が高くなるからである。反面、半田リフローの際に、有機膜が熱分解を生じるおそれもある。
本発明においては、接着剤接続用電極が半田リフロー温度よりも高い熱分解温度を有しているので、半田リフロー後にも,確実に有機膜が残存する。よって、この接着剤接続用電極を種々の基材上に設けると、半田接続と接着剤接続とを円滑に行うことができる。
また、有機膜が、接着剤接続用電極を構成する金属に配位結合可能な配位原子を有する有機化合物を含んでいることにより、接着剤接続用電極を構成する金属と錯体を形成し、熱分解温度を高めることができる。特に、1分子中に複数の配位原子を有する有機化合物は、架橋錯体を形成して熱分解温度を高くすることができるため好ましい。
具体的には、有機膜として、2−フェニル−4−メチル−5−ベンジルイミダゾール,2,4−ジフェニルイミダゾール,2,4−ジフェニル−5−メチルイミダゾール等の2−フェニルイミダゾール類や、5−メチルベンゾイミダゾール,2−アルキルベンゾイミダゾール,2−アリールベンゾイミダゾール,2−フェニルベンゾイミダゾール等のベンゾイミダゾール類から選ばれる少なくとも1つの有機化合物を含んでいるものを用いることが好ましい。
配線部材には、フレキシブルプリント配線板,リジッドプリント配線板などの配線板や、同軸ケーブル配線、フラットケーブル配線などのケーブル配線など、電極を有する多種の配線が含まれる。
特に、フレキシブルプリント配線板は、携帯電話,デジタルカメラ,ビデオカメラ等のカメラ、ポータブルオーディオプレーヤ、ポータブルDVDプレーヤ、ポータブルノートパソコンなど、多くの電子機器に内蔵されており、本発明を適用することで、格別の効果が得られる。
本発明の接着剤接続構造では、上述の効果により、有機膜によって接着剤接続用電極の酸化を防止しつつ、製造コストの安価な接続構造を実現することができる。
その場合、導電性粒子のアスペクト比が5以上であることにより、導電性粒子同士の接触確率が高くなる。その結果、導電性粒子の配合量を増やすことなく、接着剤接続構造を円滑に形成することができる。
その場合、導電性粒子の長径方向を、フィルム形状を有する接着剤の厚み方向に配向させることがより好ましい。これにより、接着剤の面方向においては、隣り合う電極間や導体間の絶縁を維持して短絡を防止することができる。一方、接着剤の厚み方向においては、多数の電極−導体間を一度に、かつ各々を独立して導電接続して、低抵抗を得ることが可能となる。
これにより、半田接続構造の形成時における半田リフローによっては、接着剤接続構造の有機膜が熱分解されることなく残存しうる。よって、接着剤接続構造と半田接続構造とを有し、安価な電子機器を提供することができる。
この方法により、半田リフロー処理を経ても有機膜が熱分解されずに残るので、接着剤接続構造を確実に形成することができる。また、接着剤接続構造の形成は、半田接続構造の形成後に行われるので、半田リフロー処理を経ると生じうる接着剤接続構造の導通性悪化を回避することができる。よって、金めっきの使用量をできるだけ減らして、安価に電子機器を組み立てることができる。
一方、上記ハンダリフロー処理によって前記有機膜が硬質化させられるが、前記有機膜の厚みが0.1μm以下となる領域の面積が、有機膜全体の面積の30%以上に設定されているとともに、前記異方導電性接着剤が、複数の金属粒子が鎖状に繋がった形状、又は針形状を有する金属粉末からなるとともに、アスペクト比が5以上の導電性粒子を含むため、前記導電性粒子を、前記硬質化させられた有機膜を突き破って前記電極に接触させることができる。
なお、半田リフロー処理の前に、有機膜の上に保護膜を形成し、半田リフロー後に保護膜を除去することが好ましい。この方法により、半田リフロー処理の後に、有機膜を確実に残すこともできる。
図1は、本発明の実施の形態に係る電子機器である携帯端末100の構造を概略的に示す斜視図である。
携帯端末100は、各種情報を表示するための表示部103と、入力部104と、ヒンジ部105とを備えている。表示部103には、液晶表示パネルを用いた表示装置106やスピーカ等が設けられている。入力部104には、入力キーやマイクが設けられている。ヒンジ部105は、入力部104と表示部103とを回動自在に連結している。
表示部103には、表示部筐体131と、表示部基板135とが主要部材として設けられている。表示部基板135は、表示装置106に表示用信号を送るための回路等を備えている。表示部筐体131は、互いに連結された第1筐体131aと第2筐体131bとを有している。そして、第1筐体131aと第2筐体131bとの間に、貫通穴133が設けられている。
また、入力キー基板145には、電子部品を半田により接合した半田接合部Dが設けられている。図示されていないが、同様に、表示部基板135にも、電子部品を半田により接合した半田接合部Dが設けられている。
図3は、本実施の形態の接着剤接続構造Cを形成する前の配線体Aの端部を示す斜視図である。配線体Aは、FPC10(基材)と、その端部に設けられた電極構造Bとを有している。
FPC10は、回路層(破線参照)が形成されたベースフィルム11と、ベースフィルム11を被覆するカバーレイ13とを備える構造が一般的である。回路層の端部は、被接続導体との電気的接続を行うための接着剤接続用電極12となっている。
それに対し、本実施の形態の電極構造Bにおいては、接着剤接続用電極12には、金めっき層や他の貴金属めっき層(銀めっき層,白金めっき層,パラジウムめっき層等)は設けられていない。接着剤接続用電極12は、貴金属めっき層に代わる酸化防止膜としての有機膜15により、被覆されている。
OSP処理を施す方法としては、例えば、スプレー法、シャワー法、浸漬法等が用いられ、その後、水洗、乾燥させればよい。その際の水溶性プリフラックスの温度は、25〜40℃が好ましく、水溶性プリフラックスと接着剤接続用電極12との接触時間は、30〜60秒が好ましい。
従来は、異方導電性接着剤(ACF)や絶縁性接着剤(NCF)を用いた接続が行われる接着剤接続用電極上には、酸化防止膜として金めっき層などの貴金属めっき層が形成されている。
それに対し、本実施の形態では、接着剤接続用電極12が貴金属めっき層に代わるOSP膜である有機膜15によって覆われている。有機膜15の形成には、スプレー法、シャワー法、浸漬法等が用いられ、その後、水洗、乾燥させるのみにて形成される。そのため、金めっき層などの貴金属めっき層を形成する場合と比較して、酸化防止膜を形成する工程が簡素化される。また、金などの貴金属を用いる場合と比較して、材料コストも低減される。また、金めっき層を形成した場合と比較して、接着剤接続用電極12と被接続電極との間の接続強度(シェア強度)を向上させることができる。
ここで、本実施の形態では、接着剤接続用電極12上に形成された有機膜15が半田リフロー温度よりも高い熱分解温度を有している。そのため、接着剤接続用電極12が形成された基板が半田リフロー炉に通された場合でも、有機膜15が熱分解することなく、確実に残存する。
図4は、FPC10(フレキシブルプリント配線板)と、母基板20との間に形成される接着剤接続構造Cの例1を示す断面図である。この接着剤接続構造Cは、絶縁性接着剤(NCF)を用いて形成されるものである。
母基板20の接着剤接続用電極22は、リジッド基板21上に銅箔等の金属箔を積層し、金属箔を、常法により、露光、エッチングすることにより形成されている。
そして、NCFである接着剤30の締め付け力によって、両電極12,22が互いに強く接触しあって導通している。
各電極12,22が有機膜15,25で覆われている場合、少なくとも一方の電極の表面に突起部があれば、突起部が有機膜15,25を突き破るので、両電極12,22が確実に接触しうる。なお、両電極12,22間にバンプが配置されていてもよい。
たとえば、FPC10および母基板20の少なくとも一方が、半田リフロー工程を経た後に、接着剤接続構造Cを形成する場合には、半田リフロー炉を通さない場合と比較して、各電極12,22間の電気的に接続する接続抵抗が大きくなるおそれがある。これは、半田リフロー炉において加熱されることによって、有機膜15,25が硬質化する等、変質することで、接着剤接続用電極12の突起部が、有機膜15,25を突き破りにくくなっていることによると考えられる。
そこで、有機膜15,25の平均厚みTmを0.05μm以上0.5μm以下とすることにより、各電極12,22の酸化を抑制しつつ、接着剤接続用電極12の突起部が有機膜15,25を突き破りやすくなる。よって、有機膜15,25が半田リフロー炉を通った後に、接着剤接続構造Cを形成しても、各電極12,22間の電気的な接続抵抗を確実に小さく抑えることができる。
図5は、接着剤接続構造Cの例2を示す断面図である。この接着剤接続構造Cにおいては、異方導電性接着剤(ACF)である接着剤30を用いている。すなわち、本例の接着剤30は、熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂組成物31中に、導電性粒子36を含ませたものである。
そして、各電極12,22は、導電性粒子36を介して互いに導通している。導電性粒子36は、微細な金属粒子が多数直鎖状に繋がった形状、または針形状を有する金属粉末からなる。
なお、本例においても、例1のように電極12,22同士が直接接触している箇所が存在していてもよい。
この例では、当初から、樹脂組成物31中に微細な金属粒子が多数直鎖状に繋がった形状、または針形状を有する導電性粒子36を含ませている。
ただし、樹脂組成物31中に、微細な金属粒子からなる導電性粒子がランダムに分散したものを用いてもよいが、本実施の形態のごとく、微細な金属粒子が多数直鎖状に繋がった形状、または針形状を有する導電性粒子36を用いることが好ましい。
たとえば、FPC10および母基板20の少なくとも一方が、半田リフロー工程を経た後に、接着剤接続構造Cを形成する場合には、半田リフロー炉を通さない場合と比較して、各電極12,22間の電気的に接続する接続抵抗が大きくなるおそれがある。これは、半田リフロー炉において加熱されることによって、有機膜15,25が硬質化する等、変質することで、導電性粒子36が、有機膜15,25を突き破りにくくなっていることによると考えられる。
そこで、有機膜15,25の平均厚みTmを0.05μm以上0.5μm以下とすることにより、各電極12,22の酸化を抑制しつつ、導電性粒子36が有機膜15,25を突き破りやすくなる。よって、有機膜15,25が半田リフロー炉を通った後に、接着剤接続構造Cを形成しても、より確実に各電極12,22間の電気的な接続抵抗を小さく抑えることができる。
具体的には、異方導電性接着剤として、例えば、上述のエポキシ樹脂等の絶縁性の熱硬化性樹脂を主成分とし、当該樹脂中に、微細な金属粒子(例えば、球状の金属微粒子や金属でメッキされた球状の樹脂粒子からなる金属微粒子)が多数直鎖状に繋がった形状、または針形状を有する、所謂アスペクト比が大きい形状を有する金属粉末により形成された導電性粒子36が分散されたものを使用することができる。なお、ここで言うアスペクト比とは、図6に示す、導電性粒子36の短径(導電性粒子36の断面の長さ)Rと長径(導電性粒子36の長さ)Lの比のことをいう。
図7(a)〜(c)は、接着剤接続構造Cおよび半田接続構造Dを有する電子部品の組立方法の手順を示す断面図である。
まず、図7(a)に示す工程で、接着剤接続領域Rcと、半田接続領域Rdとを有する母基板20(共通の基材)を準備する。母基板20において、接着剤接続領域Rcには接着剤接続用の接着剤接続用電極22が設けられており、半田接続領域Rdには半田接続用の半田接続用電極26が設けられている。
次に、各接着剤接続用電極22,26を覆う有機膜25を形成する。有機膜25の材質、厚みについては、すでに説明した通りである。特に、有機膜25の熱分解温度は、半田リフロー温度よりも高い点が重要である。
これにより、半田接続領域Rdにおいて、半田接続構造Dが形成される。
なお、図7(a)に示す工程の際、有機膜25を覆う保護膜(粘着材など)を形成した場合には、接着剤30で接着する前に、保護膜を除去する。
これにより、接着剤接続領域Rcにおいて、接着剤接続構造Cが形成される。
ただし、FPC10を共通の基材として、FPC10に接着剤接続構造Cと、半田接続構造Dとを形成してもよい。その場合には、図7に示す母基板20をFPC10と置き換え、接着剤接続用電極12上に有機膜15を形成することになる。処理の手順は、上述の通りである。
なお、FPCには,片面回路型構造だけでなく両面回路型構造もある。両面回路型構造の場合には、半田リフロー炉に2回入れることになる。
通常、半田接続と接着剤接続とを同じ基板上で行う場合、半田接続用電極26と接着剤接続用電極22の双方の上に有機膜25を形成してから、半田接続を行い、その後、接着剤による接続を行うことになる。先に、接着剤接続を行うと、その後、半田リフロー処理の際に、接着剤の締め付けが緩んで、接続不良をおこす確率が高くなるからである。反面、半田リフロー処理の際に、有機膜が熱分解を生じるおそれもある。
本実施の形態の電子回路の組立方法では、図7(a)に示す工程で、接着剤接続用電極22上に形成された有機膜25が半田リフロー温度よりも高い熱分解温度を有している。そのため、図7(b)に示す工程でも、有機膜25が熱分解することなく、確実に残存することになる。
なお、有機膜25の上に保護膜を形成すれば、より確実に、有機膜25を残存させることができる。よって、半田接続構造Dと接着剤接続構造Cとを、より確実に形成することができる。
なお、半田接続用電極26上を覆っていた有機膜25は、熱分解温度が半田リフロー温度よりも高くても、鉛フリー半田に含まれるフラックスなどと反応して、半田層50に溶け込む。したがって、半田接続構造Dの形成に支障が生じることはない。
本実施の形態では、母基板20のどの電極にも金めっきを施す必要がない。上述のように、有機膜25はフラックスと反応して半田層50に溶け込むので、半田接続用電極26の上にも、金めっきに代えてOSP処理による有機膜25を選択することができる。よって、上述の製造コストの低減効果を顕著に発揮することができる。
そこで、有機膜25の平均厚みTmを0.05μm以上0.5μm以下とすることにより、各電極12,22の酸化を抑制しつつ、導電性粒子36が有機膜25を突き破りやすくすることができる。よって、有機膜15,25が半田リフロー炉を通った後に、接着剤接続構造Cを形成しても、より確実に各電極12,22間の電気的な接続抵抗を小さく抑えることができる。
(1)本実施形態の接着剤接続構造Cにおいては、母基板20の接着剤接続用電極22およびFPC10の接着剤接続用電極12のそれぞれの表面にOSP処理を施して、酸化防止膜である有機膜15,25をそれぞれ形成する構成としている。この構成によれば、各電極12,22が金めっき層で被覆される場合と比較して、酸化防止膜を形成する工程が簡素化される。また、金などの貴金属を用いる場合と比較して、材料コストも低減される。その結果、各電極12,22を互いに接続する際の製造コストを安価にすることが可能となる。
・上記実施形態においては、母基板20として硬質プリント基板(PWB)を使用しているが、他の構成であっても良い。たとえば、母基板20としてフレキシブルプリント配線板(FPC)を使用してもよい。
(実施例1)
(接着剤の作成)
導電性粒子として、長径Lの分布が1μmから10μm、短径Rの分布が0.1μmから0.4μmである直鎖状ニッケル微粒子を用いた。また、絶縁性の熱硬化性樹脂としては、2種類のビスフェノールA型の固形エポキシ樹脂〔(1)ジャパンエポキシレジン(株)製、商品名エピコート1256、および(2)エピコート1004〕、ナフタレン型エポキシ樹脂〔(3)大日本インキ化学工業(株)製、商品名エピクロン4032D〕を使用した。また、熱可塑性であるポリビニルブチラール樹脂〔(4)積水化学工業(株)製、商品名エスレックBM−1〕を使用し、マイクロカプセル型潜在性硬化剤としては、(5)マイクロカプセル型イミダゾール系硬化剤〔旭化成エポキシ(株)製、商品名ノバキュアHX3941〕を使用し、これら(1)〜(5)を重量比で(1)35/(2)20/(3)25/(4)10/(5)30の割合で配合した。
幅150μm、長さ4mm、高さ18μmの銅電極である接着剤接続用電極が150μm間隔で30個配列されたフレキシブルプリント配線板を用意した。OSP処理により、接着剤接続用電極に、2−フェニル−4−メチル−5−ベンジルイミダゾールを含む酸化防止膜を形成した。その熱分解温度は、310℃、平均膜厚は0.10μm、厚さ0.1μm以下となる領域の面積率は60%であった。
上記フレキシブルプリント配線板に、窒素をフローすることで酸素濃度を1%以下としたリフロー槽内において、ピーク温度を260℃とした半田リフロー処理を施した。その後、フレキシブルプリント配線板同士を、連続する30箇所の接続抵抗が測定可能なデイジーチェーンを形成するように対向させて配置するとともに、これらフレキシブルプリント配線板の間に作製した接着剤を挟み、190℃に加熱しながら、5MPaの圧力で15秒間加圧して接着させ、フレキシブルプリント配線板同士の接合体を得た。次いで、この接合体において、接着剤接続用電極、接着剤、および接着剤接続用電極を介して接続された連続する30箇所の抵抗値を四端子法により求め、求めた値を30で除することにより、接続された1箇所あたりの接続抵抗を求めた。そして、この評価を10回繰り返し、接続抵抗の平均値を求めた。そして、接続抵抗が50mΩ以下の場合を、導電性を確保したものとして判断した。
上記のように作成した接続体を、85℃,85%RH高温高湿槽中に500hr静置した後、上記と同様に、接続抵抗を測定した。そして、接続抵抗の上昇率が50%以下の場合を、接続信頼性が良好と判断した。
酸化防止膜の平均膜厚を0.20μm、厚さ0.1μm以下となる領域の面積率を40%としたこと以外は、実施例1と同様にして、フレキシブルプリント配線板同士の接合体を得た。その後、実施例1と同一条件で、接続抵抗評価及び接続信頼性評価を行った。
接着剤接続用電極に2−メチルイミダゾールを含む酸化防止膜を形成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配線板同士の接合体を得た。酸化防止膜の熱分解温度は、200℃、平均膜厚は0.10μm、厚さ0.1μm以下となる領域の面積率は60%であった。その後、上述の実施例1と同一条件で、接続抵抗評価及び接続信頼性評価を行った。
熱分解温度は、示差走査熱量測定(Differential Scanning Calorimetry, DSC)を用いて測定した。10℃/minの速度で昇温した際の発熱開始温度を熱分解温度とする。
(膜厚測定)
酸化防止膜が形成された接着剤接続用電極の断面を観察する。0.2μm間隔で膜厚を測定し、平均膜厚0.1μm以下の領域の面積率を算出する。
表1に示すように、実施例1、2のいずれの場合においても、初期接続抵抗が50mΩ以下であり、接続抵抗は十分小さく良好である。また、実施例1、2では、抵抗上昇率が50%以下であるので、接続信頼性も良好であることがわかる。
一方、比較例1では、初期接続抵抗がオープンとなり、測定不可能であった。よって、抵抗上昇率も測定不可能である。この原因は、半田リフロー処理の際に、比較例1の酸化防止膜が熱分解し、これにより接着剤接続用電極の表面が酸化したことによると考えられる。
さらに、実施例1、2を比較すると、実施例1の方が初期接続抵抗も小さく、接続信頼性も高い。よって、平均膜厚が小さく、かつ、膜厚が0.1μm以下となる領域の面積率が高いほど、特に接続信頼性が高くなることがわかる。
11 ベースフィルム
12 接着剤接続用電極
13 カバーレイ
15 有機膜
20 母基板
21 リジッド基板
22 接着剤接続用電極
25 有機膜
26 半田接続用電極
30 接着剤
31 樹脂組成物
36 導電性粒子
40 電子部品
41 チップ
42 チップ側電極(被接続導体)
50 半田層
Claims (8)
- 半田接続用電極と接着剤接続用電極とを備える共通の基材において、半田接続用電極と被接続用導体とを半田リフロー処理によって接続した後、接着剤接続用電極と被接続導体とを、熱硬化性樹脂を主成分とする異方導電性接着剤を介して接続した電極の接着剤接続構造であって、
電極を構成する金属に配位結合して錯体を形成できる配位原子を有するとともに水溶性の有機化合物を含み、前記接着剤接続用電極の表面を覆うとともに上記半田リフロー処理において作用する温度よりも高い熱分解温度を有する酸化防止膜としての有機膜を備え、
前記有機膜は、平均厚みが0.05μm以上0.5μm以下の厚みで形成され、かつ、厚みが0.1μm以下となる領域の面積が、有機膜全体の面積の30%以上に設定されているとともに、
前記異方導電性接着剤は、複数の金属粒子が鎖状に繋がった形状、又は針形状を有する金属粉末からなるとともに、アスペクト比が5以上の導電性粒子を含み、
前記導電性粒子が、半田リフロー処理によって硬化した前記有機膜を突き破って前記電極に接触させられている、接着剤接続構造。 - 前記有機膜は、2−フェニル−4−メチル−5−ベンジルイミダゾール,2,4−ジフェニルイミダゾール,2,4−ジフェニル−5−メチルイミダゾール等の2−フェニルイミダゾール類や、5−メチルベンゾイミダゾール,2−アルキルベンゾイミダゾール,2−アリールベンゾイミダゾール,2−フェニルベンゾイミダゾール等のベンゾイミダゾール類から選ばれる少なくとも1つの有機化合物を含んで構成されている、請求項1に記載の電極の接着剤接続構造。
- 請求項1または2のいずれかに記載の接着剤接続構造において、
前記被接続導体は、酸化防止膜としての上記有機膜により被覆された接着剤接続用電極である、接着剤接続構造。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の接着剤接続構造において、
前記異方導電性接着剤として、フィルム形状を有するものを用いる、接着剤接続構造。 - 請求項4に記載の接着剤接続構造において、
前記異方導電性接着剤として、前記導電性粒子の長径方向を、前記フィルム形状を有する接着剤の厚み方向に配向させたものを用いている、接着剤接続構造。 - 請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の接着剤接続構造と、
半田を介して接合されることにより電気的に接続される半田接続構造と、が設けられた共通の基材を備えている電子機器。 - 請求項6に記載の電子機器を組み立てる方法であって、
前記基材上の接着剤接続用電極と半田接続用電極とを、水溶性プリフラックス処理によって形成されるとともに、半田のリフロー温度よりも高い分解温度を有する有機膜で被覆する工程(a)と、
非酸化性雰囲気中で半田リフロー処理することにより、前記半田接続用電極と被接続導体とを接合するとともに、前記接着剤接続用電極に形成された有機膜が硬質化させられる工程(b)と、
加熱・加圧処理により、前記異方導電性接着剤を介して前記接着剤接続用電極と被接続導体とを互いに接着させる工程(c)とを含み、
前記工程(c)において、前記異方導電性接着剤に配合された導電性粒子が、前記硬質化させられた有機膜を突き破って前記接着剤接続用電極に接触させられる、電子機器の組立方法。 - 請求項7に記載の電子機器の組立方法において、
前記工程(b)の前に、前記有機膜の上に保護膜を形成する工程(d)と、
前記工程(b)の後、かつ工程(c)の前に、前記保護膜を除去する工程(e)と、
をさらに含む電子機器の組立方法。
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