JP5334436B2 - 配線基板と配線基板の半田付方法 - Google Patents

Description

本発明は、配線基板と配線基板を電気接続する配線基板の半田付方法に関する。

基板上に電子部品を実装するフリップチップ実装においては、配線端子上にバンプを形成する。配線端子上にバンプを形成する技術として、近年、従来のソルダーペースト法やスーパーソルダー法等の技術と呼ばれる技術に代えて、配線端子上に、導電性粒子（例えば、半田粉）を自己集合させて、バンプを形成する方法、あるいは、配線基板と半導体チップの電極間に導電性粒子を自己集合させて、電極間に接続体を形成し、フリップチップを実装する方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。

図８（ａ）〜図８（ｄ）、及び図９（ａ）〜図９（ｄ）は、導電性粒子を自己集合させるバンプ形成の技術を説明するための図である。
先ず、図８（ａ）に示すように、複数のパッド電極３２を有する基板３１上に、半田粉１１６と気泡発生剤（図示せず）を含有した樹脂１１４を供給する。次に、図８（ｂ）に示すように、樹脂１１４の表面に平板１４０を配設する。

この状態で樹脂１１４を加熱すると、図８（ｃ）に示すように樹脂１１４の中に含有する気泡発生剤から気泡３０が発生する。そして図８（ｄ）に示すように、樹脂１１４は発生した気泡３０が成長することで気泡外に押し出される。

押し出された樹脂１１４は、図９（ａ）に示すように、基板３１のパット電極３２との界面、および平板１４０との界面に柱状に自己集合する。なお、基板３１の縁部に存在する樹脂１１４の一部は基板３１の外縁から外部に押し出されることになる（図示省略）。

次に、樹脂１１４を更に加熱すると図９（ｂ）に示すように、樹脂１１４中に含有する半田粉１１６が溶融し、パッド電極３２上に自己集合した樹脂１１４中に含有する半田粉１１６同士が溶融結合する。

パッド電極３２は、溶融結合した半田粉１１６に対して濡れ性が高いので、図９（ｃ）に示すように、パッド電極３２上に溶融半田粉よりなるバンプ１９を形成する。
最後に、図９（ｄ）に示すように、樹脂１１４と平板１４０を除去することにより、パッド電極３２上にバンプ１９形成された基板３１が得られる。

なお、以上の工程においては、供給する樹脂１１４の量は誇張して示したものであり、実際には、パッド電極３２上に自己集合するのに好適な量、及び誤差を考慮した樹脂１１４が供給される。

この方法の特徴は、基板３１と平板１４０の隙間に供給された樹脂１１４を加熱することによって、気泡発生剤から気泡３０を発生させ、気泡３０が成長することで樹脂１１４を気泡外に押し出すことにより、半田粉１１６を含んだまま樹脂１１４を基板３１のパッド電極３２と平板１４０との間に自己集合させる点にある。
特許第３９６４９１１号公報 特許第３９５５３０２号公報

以上のような樹脂を自己集合させることにより電極に、半田粉を自己集合させる技術は、バンプ形成のみならず、他の用途に用いることが考えられる。
そのような用途として、本発明者は、基板同士の接続に当該技術を利用することを見いだした。

とりわけ、携帯電話やデジタルカメラなどの電子機器の内部配線には、薄くて折り曲げ可能なフレキシブルプリント基板（以下、ＦＰＣと記す）が多く使用されている。近年、携帯機器の小型化や可動部の増加に伴い、ＦＰＣの使用比率が高まっている。メインボードに使用される硬質基板にＦＰＣを接続する場合、コネクタ接続が一般的であり、ＦＰＣを繰り返して脱着できることが大きなメリットである。脱着の必要がない場合でも容易に基板間接続ができる利点がある。

しかしながら、コネクタが占める三次元的なスペースが機器の小型化・薄型化に対して障害となる。また、現行のコネクタの最小ピッチは０．３ｍｍのものが主流であり、それよりも狭ピッチの電極端子接続が困難である。

一方、硬質基板とＦＰＣを完全に一体化したリジットフレックス基板も存在する。リジッドフレックス基板は、ＦＰＣが硬質基板の内層に挟まれるため外周に接続部を必要とない利点があるが、製造工程が長く、特に層数の異なる硬質基板の組み合わせでは、工程が複雑となる。

こうした中、最近では、別々の硬質基板の間をＦＰＣで接続すると、リジットフレックス基板と同等の構造の配線基板を製造することができる。リジットフレックス基板と比較して工程を簡略化することができ、また配線基板の外形や構造が制約されることが少ない。

そこで、かかる狭ピッチの電極端子を有する配線基板同士の接続に上記の技術を用いることは有効と考えられる。
一方、本発明者は、上記方法を応用して配線基板と配線基板を接続する方法を検討している際に以下のような現象をも見出した。以下、その現象を説明する。

図１０に、接続検討する際に用いた配線基板を示す。一方の配線基板３１ａには、帯状の配線パターン３３ａが複数、併設されることにより図中の矢印で示す領域に接続端子３４ａを形成する。配線パターン３３ａの幅は０．０５ｍｍで隣り合う配線パターンとのスペース３５ａは０．０５ｍｍであり、ピッチ０．１ｍｍの配線ルールである。図１０に示した配線基板３１ａの接続端子３４ａの中央部に、半田粉と気泡発生剤（図示せず）を含有した樹脂１１４を適量塗布する。

次に図１１（ａ）において、一方の配線基板３１ａに他方の配線基板３１ｂを重ね合わせた状態を示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａの断面図である。配線基板３１ｂには配線基板３１ａと同寸法で配線パターン３３ｂが配置され、お互いの接続端子３４ａと接続端子３４ｂが対向し、互いに重なり合っている。

この状態で、その塗布した樹脂１１４を加熱すると、接続端子３４ａと接続端子３４ｂとが重なる領域に、半田粉が自己集合した後、溶融固化することで配線基板３１ａと配線基板３１ｂが接続されることが期待される。

しかしながら、実際に加熱を行った場合、図１２に示すように、接続端子３４ａと接続端子３４ｂとが重なる領域以外まで樹脂１１４および半田粉が大きく移動した。特に、スペース３５ａ，３５ｂへの樹脂１１４および半田粉の移動が顕著であった。

図１３は、移動、集合した半田粉が溶融固化した状態を示している。
Ｘ線透視装置により、配線基板３１ａと配線基板３１ｂの重なり部を透視観察すると、接続領域外に半田が集合した部位１６ａや、接続端子に半田が不足した部位１６ｂや、未接続部位１６ｃが観察され、全ての半田粉が接続端子３４ａと接続端子３４ｂとが重なる領域に集合することはなかった。

このように、微細な帯状の接続端子を併設してなる配線基板同士を、半田粉等の導電性粒子を電極上に自己集合させることにより接続するためには、上述の不具合を解消する
ことが必要であることが分かった。

本発明は、配線基板同士を良好に接続できる配線基板の接続方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の半田付配線基板は、第１の配線パターンを有する第１の基板の端部と、第２の配線パターンを有する第２の基板の端部とを、重ね合わせた重ね合わせ区間で、向かい合った前記第１，第２の配線パターンの間を半田付した半田付配線基板であって、前記第１，第２の基板の少なくとも一方の基板の前記端部を他方の基板から離れる方向に曲げ、かつ、前記重ね合わせの区間の前記第１，第２の基板の端部寄りの対向区間で挟まれた中央の対向区間において、前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンを相対的に離して、前記半田によって満たされていない空間が前記第１，第２の配線パターンの間に部分的に形成され、前記一方の基板の前記端部と前記空間の間に形成された前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンの対向区間における前記空間側の開口部は、前記対向区間の前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンの最短間隔よりも大きな間隔であることを特徴とする。

本発明の請求項２記載の配線基板の半田付方法は、第１の配線パターンを有する第１の基板の端部と、第２の配線パターンを有する第２の基板の端部とを、重ね合わせた重ね合わせ区間で、向かい合った前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンの間を半田付するに際し、前記第１，第２の基板の少なくとも一方の基板の前記端部を他方の基板から離れる方向に曲げ、前記第１の基板の端部に前記第２の基板の端部を、導電性粒子と沸点を有する添加剤とを含有する樹脂を介在させて重ね合わせ、かつ、前記重ね合わせの区間の前記第１，第２の基板の端部で挟まれた中央において、前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンを相対的に離して、前記樹脂によって満たされていない空間を前記第１，第２の配線パターンの間に部分的に形成し、第１，第２の基板の端部に向かって前記樹脂を押し出して、前記一方の基板の前記端部と前記空間の間に形成された前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンの対向区間における前記空間側の開口部と、前記一方の基板の前記端部に、第１の配線パターンと第２の配線パターンとの最短の間隔の第１対向区間よりも前記樹脂の界面による表面張力が大きな第２対向区間を形成し、前記第１，第２対向区間を保持した状態で加熱を実行して前記添加剤より発生した気泡により前記導電性粒子を第１，第２の配線パターン間に集合させた後に溶融固化させて半田付けすることを特徴とする。

この構成によると、第１の配線パターンと第２の配線パターンの間の隙間に形成された開口部から成長した気泡をスムーズに外部に放出することができ、前記開口部に形成された樹脂の界面によって大きな表面張力が得られるため、樹脂および導電性粒子が接続領域外に流出することを規制して良好な半田付状態を実現できる。

本発明者が見いだした課題である配線基板における導電性粒子としての半田粉の形成異常が形成される理由を検討する。
図１１において樹脂１１４を加熱すると、樹脂１１４中の気泡発生剤から気泡３０が発生する。発生した気泡３０が樹脂１１４内の半田粉１１６を押し退けながら移動する。気泡３０が更に成長して移動速度を高めながら配線パターン３３ａ，３３ｂに沿って接続端子３４ａ，３４ｂの領域外に排出される。気泡３０の移動が緩慢であれば本来は気泡３０により押し退けられて配線パターン３３ａ，３３ｂの間に集合すべき半田粉１１６が樹脂１１４とともに接続領域外に流出して溶融固化するものと考えられる。配線パターン３３ａ，３３ｂの間で集合すべき半田粉１１６が押し出されたことによって、配線パターン３３ａ，３３ｂの接続端子間に半田が不足した部位や、未接続の部位が生じたものと考えられる。

気泡３０は半田粉１１６を配線パターン３３ａ，３３ｂの接続端子間に集める役割をもっているが、配線基板同士の接続の場合には、その気泡は樹脂と半田粉を接続領域外に押し出してしまうのが問題であって、本発明では気泡３０だけを配線パターン３３ａ，３３ｂの接続端子から逃がして樹脂１１４と半田粉１１６を留めることができるように開口部における樹脂の表面張力が大きくなるように構成して上記の問題点を解決している。

以下、本発明の各実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図３は本発明の実施の形態１を示す。

図１（ｄ）と図７（ａ）は半田付けが完了した第１の基板１と第２の基板２を示す。
３ａは第１の基板１に形成されている第１の配線パターン、３ｂは第２の基板２に形成されている第２の配線パターンである。６ｂは溶融固化して第１，第２の配線パターン３ａ，３ｂの間を接続している半田である。

この実施の形態では、第２の基板２の端部２ｅと第１の基板１の間、第１の基板１の端部１ｅと第２の基板２の間に、第１の基板１と第２の基板２の重ね合わせ区間４の中央部における第１の配線パターン３ａと第２の配線パターン３ｂとの最短の間隔（２０μｍ程度）の第１の対向区間８ａよりも大きな間隔（１００μｍ程度）の開口部９ａ，９ｂを有する第２の対向区間８ｂが形成されるように、それぞれ第１，第２の基板１，２の端部１ｅ，２ｅが成形されている。

半田付けに際しては、図１（ａ）に示すように第１の基板１の端部１ｅを第２の基板２から離れる方向に湾曲させた形状に成形して保持し、第２の基板２の端部２ｅを第１の基板１から離れる方向に湾曲させた形状に成形して保持する。そして、図７（ｂ）に示すように第１の基板１の重ね合わせ区間４に、導電性粒子（半田粉など）６と沸点を有する添加剤（図示せず）とを含有させた樹脂５を塗布する。

次に図１（ｂ）に示すように第１，第２の基板１，２を互いに接近させるとともに、第２の基板２の端部を第１の基板１に重ね合わせて、重ね合わせた第１，第２の基板１，２の隙間が更に小さくなるように押さえる。これによって、第１，第２の基板１，２の重ね合わせ区間４に供給された前記樹脂５を、第１，第２の基板１，２の前記端部１ｅ，２ｅに向かって押し出し、前記開口部９ａ，９ｂにまで樹脂５を広げる。

このように第１，第２の対向区間８ａ，８ｂを保持した状態で加熱すると、前記発泡剤から発生して成長した気泡７が、大きく開いている前記開口部９ａ，９ｂから外部に放出される。この気泡７の成長によって第１，第２の配線パターン３ａ，３ｂの間に導電性粒子６が集合し、第１の対向区間８ａでは従来と同じように溶融固化した半田６ｂによって第１，第２の配線パターン３ａ，３ｂの間が電気接続される。

成長した気泡７が図１（ｃ）に示すように第１，第２の基板１，２の端部１ｅ，２ｅから放出される際には、従来よりも大きな隙間の開口部９ａ，９ｂが形成されているためスムーズに外部に気泡７が放出される。さらに、開口部９ａ，９ｂには樹脂５による第１の対向区間８ａでの表面張力よりも大きな表面張力の界面が形成されているため、第２の対向区間８ｂにおける樹脂５および導電性粒子６が、外部に放出される気泡７に伴って外部に流出されないように、開口部９ａ，９ｂに形成された樹脂５の界面による従来よりも大きな表面張力によって規制されて、第２の対向区間８ｂに留まって、この留まった導電性粒子６が溶融固化して第２の対向区間８ｂにおける第１，第２の配線パターン３ａ，３ｂの間が電気接続される。

図２は、図１に示した工程において樹脂５を加熱した場合の接続結果の一例を示している。ここでは図１０（ａ）の場合と同じように、第１の基板１と第２の基板２との重ね合わせ区間４とその前後の区間をＸ線撮影したものであって、第１，第２の配線パターン３ａ，３ｂの間に溶融固化した十分な半田６ｂを確認でき、半田量が極端に少ない個所や、半田を確認できない個所の発生が従来に比べて少なく、良好な電気接続を実現できることが分かる。

さらに、重ね合わせ区間４の外に飛散した半田も見られず、飛散した半田Ｅによって隣接した配線パターンの間の短絡も確認できなかった。
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、図１（ａ）と図１（ｂ）の具体的な作業例を示している。

図３（ａ）では、コーナ部１０が曲面に形成されたピックアップツール１１ａ，１１ｂによって第１，第２の基板１，２をホールドする。
図３（ｂ）では、端部に弾性材１２を介在させてピックアップツール１１ａ，１１ｂの間隔を狭めて、第１，第２の基板１，２の端部をピックアップツール１１ａ，１１ｂのコーナ部１０に沿わせて湾曲形状に成形する。

ピックアップツール１１ａ，１１ｂの間隔を広くして弾性材１２を取り除いた後に、図３（ｃ）では、第１の基板１に前記樹脂５を供給する。
図３（ｃ）では、ピックアップツール１１ａ，１１ｂの間隔を狭めることによって樹脂５を重ね合わせ区間４に広げる。このようにして第１，第２の基板１，２の端部に湾曲形状の成形を施すことができる。

（実施の形態２）
図４（ａ），図４（ｂ）は本発明の実施の形態２を示す。
実施の形態１では第１，第２の基板１，２の端部が共に対向する基板とは反対側に曲がっていたが、この実施の形態２では、第１の基板１の端部は真っ直ぐで第２の基板２から離れる方向に曲がっていない。

図４（ａ）では、第１，第２の基板１，２の内の第２の基板２の端部だけを対向する第１の基板１から離れる方向に曲げる成形を施した後に、第１，第２の基板１，２の間に供給した前記樹脂５を重ね合わせ区間４に押し広げ、その後に昇温プロファイルを実行して発生して成長した気泡７を、第２の基板２の端部２ｅと第１の基板１の間に形成された開口部９ａを介して外部に放出し、開口部９ａにおける樹脂５の界面による従来よりも大きな表面張力によって第２の対向区間８ｂに従来よりも多くの導電性粒子６が留まって、この留まった導電性粒子６が第１，第２の配線パターン３ａ，３ｂ間に集合し、これを溶融固化させて第１，第２の配線パターン３ａ，３ｂの間が図４（ｂ）に示すように半田６ｂで半田付して電気接続される。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３を示す。
実施の形態２では、第２の基板２の端部と対向する基板との間にだけ開口部９ａを形成したが、この実施の形態３では、第２の基板２の端部２ｅを成形する際に、第２の基板２の前記重ね合わせ区間４となる部分に、端部２ｅと同じ方向に曲がった、ここでは湾曲部１３を形成し、第１，第２の基板１，２の間に供給した前記樹脂５を重ね合わせ区間４に押し広げることによって、第２の基板２の湾曲部１３の前後に第１の対向区間８ａを作る。

その後に昇温プロファイルを実行して発生して成長した気泡７を、開口部９ａ，９ｃを介して外部に放出し、前記添加剤より発生した気泡により導電性粒子６を第１，第２の配線パターン３ａ，３ｂ間に集合させた後に溶融固化させて半田６ｂで半田付けして電気接続される。

これによって重ね合わせ区間が長くなった場合においても、第１，第２の対向区間８ａ，８ｂからの気泡７をスムーズに外部に放出できると共に、第２の対向区間８ｂに導電性粒子６を確実に留めることができる。

なお、この実施の形態３は第２の基板２だけに湾曲部１３を形成したが、実施の形態１に摘要する場合には第１の基板１にも同様に湾曲部１３を形成し同様に実施することができる。

（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４を示す。
上記の各実施の形態では、一方の基板の端部が他方の基板から離れる方向に曲がっている部分の他方の基板はフラットであって、開口部９ａ，９ｂ，９ｃの大きさは前記一方の基板の曲がり量だけで決まっていたが、一方の基板の端部に対応する他方の基板の形状を、一方の基板から離れる方向または近づく方向に成形して、開口部９ａ，９ｂ，９ｃの大きさをコントロールすることができる。

具体的には、図６では、第２の基板２の端部２ｅに対応する第１の基板１の形状を、第２の基板２から離れる方向に成形して、開口部９ａの大きさをコントロールしている。

本発明は狭ピッチ化した各種電子機器の製造の歩留まり向上に寄与することができる。

本発明の実施の形態１の半田付工程を示す断面図 同実施の形態の半田付配線基板のＸ線検査結果の説明図 同実施の形態の第１，第２の基板の端部の具体的な成形工程図 本発明の実施の形態２の半田付工程を示す断面図 本発明の実施の形態３の半田付工程を示す断面図 本発明の実施の形態４の半田付配線基板の断面図 半田付配線基板の半田付前後の斜視図 樹脂の自己集合を利用したバンプ形成方法によって配線の上にバンプを形成する工程の前半部分を示す断面図 樹脂の自己集合を利用したバンプ形成方法によって配線の上にバンプを形成する工程の後半部分を示す断面図 従来方法である樹脂の自己集合によって配線基板同士を接続する際に一方の配線基板に樹脂を塗布した状態の平面図 配線基板の接続個所同士を重ねた状態の平面図とそのＡ−Ａ断面図 従来方法によって接続領域から樹脂と半田粉が押し出された状態を示す図 従来方法によって半田粉が集合した後に溶融固化した状態の説明図

符号の説明

１ 第１の基板
１ｅ 第１の基板の端部
２ 第２の基板
２ｅ 第２の基板の端部
３ａ 第１の配線パターン
３ｂ 第２の配線パターン
４ 重ね合わせ区間
５ 樹脂
６ 導電性粒子（半田粉など）
６ｂ 半田
７ 気泡
８ａ 第１の対向区間
８ｂ 第２の対向区間
９ａ，９ｂ，９ｃ 開口部
１０ ピックアップツールのコーナ部
１１ａ，１１ｂ ピックアップツール
１２ 弾性材
１３ 湾曲部

Claims (2)

1. 第１の配線パターンを有する第１の基板の端部と、第２の配線パターンを有する第２の基板の端部とを、重ね合わせた重ね合わせ区間で、向かい合った前記第１，第２の配線パターンの間を半田付した半田付配線基板であって、
   前記第１，第２の基板の少なくとも一方の基板の前記端部を他方の基板から離れる方向に曲げ、かつ、前記重ね合わせの区間の前記第１，第２の基板の端部寄りの対向区間で挟まれた中央の対向区間において、前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンを相対的に離して、前記半田によって満たされていない空間が前記第１，第２の配線パターンの間に部分的に形成され、
   前記一方の基板の前記端部と前記空間の間に形成された前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンの対向区間における前記空間側の開口部は、前記対向区間の前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンの最短間隔よりも大きな間隔である
   半田付配線基板。
2. 第１の配線パターンを有する第１の基板の端部と、第２の配線パターンを有する第２の基板の端部とを、重ね合わせた重ね合わせ区間で、向かい合った前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンの間を半田付するに際し、
   前記第１，第２の基板の少なくとも一方の基板の前記端部を他方の基板から離れる方向に曲げ、
   前記第１の基板の端部に前記第２の基板の端部を、導電性粒子と沸点を有する添加剤とを含有する樹脂を介在させて重ね合わせ、かつ、
   前記重ね合わせの区間の前記第１，第２の基板の端部で挟まれた中央において、前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンを相対的に離して、前記樹脂によって満たされていない空間を前記第１，第２の配線パターンの間に部分的に形成し、
   第１，第２の基板の端部に向かって前記樹脂を押し出して、前記一方の基板の前記端部と前記空間の間に形成された前記第１の配線パターンと前記第２の配線パターンの対向区間における前記空間側の開口部と、前記一方の基板の前記端部に、第１の配線パターンと第２の配線パターンとの最短の間隔の第１対向区間よりも前記樹脂の界面による表面張力が大きな第２対向区間を形成し、
   前記第１，第２対向区間を保持した状態で加熱を実行して前記添加剤より発生した気泡により前記導電性粒子を第１，第２の配線パターン間に集合させた後に溶融固化させて半田付けする
   配線基板の半田付方法。

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