JP5577161B2 - 接続構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、家電用や民生機器用、産業・自動車用に用いられるリードを他の部品に接続する接続構造に関する。

民生用製品から産業用製品まで、今日では数多くの製品に電子機器が使用されている。それらの電子機器の内部には、金属配線を有した絶縁板上に電子部品を搭載したプリント配線板が含まれているが、その電子部品は基板上配線と電気的導通を得ることで各々の部品の役割を果たしている。

主要な電子部品のひとつにコイルがあり、高周波回路やスイッチング電源には必須の部品となっている。コイルは主に円筒の金属線を巻線状にして作られており、このコイルと基板上の配線の接続は基板に形成した貫通口にコイルの両端を通し、基板上配線とコイル端部をはんだ付けすることが多い。図１０はコイルと基板上配線の接続の一例を示しており、１１が基板上パッド、１２が基板、１３がはんだ、２１がコイルである。このはんだ付け方法は、まず基板上パッド１１を形成した基板１２の貫通口にコイル２１の端部を挿入・固定する。次に、コイル２１が貫通口から脱離しないように保持し、コイル２１の反対側からフローはんだ装置にてはんだを吹き付ける。そののちに、はんだづけ装置から取り出し冷却することではんだ付けを完了させる。基板サイズが小さい場合や、部品点数が少ない場合などでは手作業にてはんだ付けを行うこともある。上記のようにはんだ付けは、貫通口から離脱しないようにコイルを保持した状態ではんだを溶融させて接続するため、コイルを保持しつつはんだ付けを行わなければならず、また基板に貫通口を形成する必要があることが課題である。この接続方法では環境負荷が大きいとされる熱プロセスによるはんだ付けを行うこともあり、はんだ付け代替の技術の開発は急務である。

はんだを用いない接続方式としては、導電性樹脂による接続やかしめなどによる接触接続、超音波接続などが考えられる。導電性樹脂による接続ははんだ付け温度より低温で接続することができる。またかしめ接触接続は機械的に接触させる接続であるので室温で実現可能な方法である。しかし、導電性樹脂接続では熱負荷が必要であることや接続抵抗が高いことが課題であり、接触接続では接触抵抗が高いこととかしめ用部材が必要なことがデメリットとなる。一方、超音波接続は被接続部材を超音波と加圧によるエネルギーで室温で金属接続する方式であり、低抵抗な室温接続を実現できる方式である。

超音波を用いた配線と基板上パッドの接続方法として、特許文献１には導電パターンの上にあらかじめ複数のバンプを形成し、そのバンプにはさまれるように配線を設置したのち、上方から加圧しながら超音波を印加することによって配線と導電パターンを接続する方法が提案されている。またプリント基板上電極と金属端子の接続方法としては特許文献２に、プリント基板端部に形成したプリント基板上電極を、フレキシブル基板上に形成した金属端子で上下から挟み込み、挟み込んだ箇所に超音波を印加することによりプリント基板上電極と金属基板を金属接続する方法が提案されている。これらの方式はいずれも超音波接続の特徴である室温における金属接続を提案した例である。

特開平11-288961号公報 特許第3853566号公報

上記の通り、円筒金属線を基板電極上へはんだを用いずに接続することは、非常にメリットが大きい技術である。しかし上記特許文献１に記載されている方法では、バンプを形成しなくてはならないため製造工数が増えることやコストが上昇すること、銅やアルミニウムの円筒金属線を接続する場合はバンプ強度を向上させる必要があることが懸念される。また、特許文献２では接続部が基板外周に限られることから設計自由度が低下すること、フレキシブル基板を用いるため材料コストの上昇が懸念されることが課題として挙げられる。

この他の課題として接続時の位置ずれが挙げられる。超音波ツール側の金属（例えば円筒金属線、金属A）、アンビル側の金属（例えば基板上パッド、金属B）を超音波にて接続する場合を例に挙げる。超音波接続ツール先端には、超音波加振時に超音波ツールと金属Aの間のすべりを防止する突起が設けられている。その突起が金属Aにくい込むことにより、金属Aが超音波ツールの動きに追従するように保持している。しかし、円筒金属線を接続する際には曲面を超音波ツール先端の突起で加圧することになるので接触位置にばらつきが生じ、位置ずれや金属線の移動が起こる。位置ずれなどが発生すると接続信頼性への影響が懸念される。

本発明では、上記課題を解決するために、金属体を基板上の導体層に超音波接続するにあたって、超音波接続開始時に金属体が超音波ツールに接触する面積を、金属体が導体層に接触する面積よりも大きくした。

本発明によれば、超音波ツールが大きな面積で金属体に接触するため、加圧時の金属柱の位置ずれや回転を抑制することができるとともに、金属体と導体層の接触面積が小さいため、初期加圧時に接触部にパワーが集中しやすく、より少ないエネルギで接続することができる。

本発明の一実施例にかかるリードと電極の接続概略図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例にかかるコイルへの超音波接続実施例の模式図である。 （ａ）は、本発明の一実施例にかかる超音波接続実施前のリード先端の拡大図であり、（ｂ）はその接続後の図である。 （ａ）は、本発明の一実施例にかかる超音波接続前のリード長さ方向の断面図であり、（ｂ）はその超音波接続中の図であり、（ｃ）はその超音波接続後の図である。 （ａ）は、本発明の一実施例にかかる超音波接続前のリード径方向の断面図であり、（ｂ）はその超音波接続中の図であり、（ｃ）はその超音波接続後の図である。 （ａ）は、従来技術にかかる断面が円形のリードの接続を説明する断面図であり、（ｂ）は、従来技術にかかる断面が方形のリードの接続を説明する断面図である。 本発明の一実施例にかかる接続部の接続後の断面図である。 本発明の一実施例にかかるせん断試験後の基板上パッドの破面の模式図である。 本発明の他の実施例にかかる超音波接続前のリード径方向の断面図である。 従来のリードと電極の接続概略図である。

以下、本発明実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施例にかかる、コイル２１と基板１２の接続形態である。コイル２１はリードが巻回されたものであり、基板へ電気的及び機械的に接続するための二本ののリード１を有している。基板１２上には、導体層による電極パッド１１が複数形成されており、リード１は、約９０度折り曲げられ、その側面を電極パッド１１に超音波接続により接続されている。

図１及び図２を用いて、本実施例にかかるコイルと基板との接続方法を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、コイル２１を、そのリード１の側面が電極パッド１１の方向を向くようにして、基板上に載置する。そして、超音波ツール２０を用意する。

次に、図２（ｂ）に示すように、超音波ツール２０をリード１上から電極パッド１１側に力を加えながら押し当てる。そして、この状態で、超音波ツール２０に超音波を印加することにより、リード１と電極パッド１１の金属とが擦りあわされて接触面の表面酸化膜などが除去され、金属新生面が接触することにより金属接続され、コイル２１と基板１２とが接続される。

図３は本実施例の接続前後状態の斜視による模式図であり、図４はリード１の軸方向に沿った断面図であり、図５ははリード１の径方向に沿った断面図である。図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）は、接続前の状態を表す図である。１はリード、３はリード上加工箇所、１１は電極パッド、２０は超音波ツールである。図面に示すように、電極パッド１１上にリード１を配置する。この時、電極パッド１１とリード１の円筒部側面が接触している。この接触部と反対側のリード側面部に加工を施し、リード上加工箇所３を形成する。リード上加工箇所３は超音波ツール２０の加振面がリード１に接触する領域よりも大きい面積になるように加工してある。R-土壌加工箇所３の加工面形状は平面であることが望ましいが、平面に限定されず、略平面上に多少の凹凸がついていたり、他の箇所（特に電極パッド１１に接触する接触面）よりも曲率の小さい曲面でもよい。このリード上加工箇所３の形成方法として、断面が円形のリード１からプレス加工や切削、ブラスト処理などを行ったり、リード上加工箇所を有するように断面が一部が欠けた円形になるようにリード１を鋳造することが挙げられるが、上記リード上加工箇所３が形成される方法であればどのような方法でもかまわない。

図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、リード上加工箇所３に超音波ツール２０を押し当て、超音波を印加することによりリード１と電極パッド１１を接続させる。超音波ツール２０の加振面に形成された突起により、超音波印加時にリード１の拘束力を高め、超音波パワーを接続面に集中させる。

図４（ｂ）は接続中のリード１をリード先端方向から見た接続部断面模式図であるが、図（ｂ）に示すように、超音波ツール２０が接触している箇所のリード上加工箇所３は、超音波ツール２０の先端突起形状にならって変形しており、超音波印加時の超音波ツール２０とリード１間のすべりを抑制している。また加圧によりリード１は厚さ方向につぶされていく。一方、接続面３０では初期接触箇所が擦りあわされることにより、リード１と基板上パッド１１の接触面の表面酸化膜などが除去され、金属新生面が接触することにより金属接続されていく。この接続面３０は、超音波印加と加圧に伴いリード１が変形するにつれて、初期接続面からリード１の側面に向かって広がっていく。

図３（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ｃ）は接続後のリード１および電極１０の外観図を示している。この図に示すようにリード上加工箇所３中の超音波ツール２０が加圧したリード上加圧箇所２には超音波ツール２０の先端部形状の痕跡が残っており、加圧されなかったリード上加工箇所３の大半は初期の加工面のままである。以上のプロセスでリード１と電極１０は超音波接続にて接続が行われる。

本実施例の作用効果を説明する。図６は、従来の超音波接続を説明する図である。従来は、断面が円形のリード１ａまたは方形のリード１ｂを用いていた。図６(ａ)は断面が円形のリード1ａの場合に接続を表す図である。リードにリード上加工箇所３を形成していない場合、超音波ツール２０の加圧面とリード１が初期に接触する面が曲面となるため、初期的な超音波ツール２０とリード１の接触面積が小さくなる。そのため加圧を行うと、図の矢印のように応力がかかり、電極１１に対するリード１の位置ずれや回転が発生する可能性が高い。この位置ずれや回転が発生すると、リード１と電極１０の接続面積がばらつくため接続信頼性を低下させることや、リードの他端が固定されている場合は他端の接続部に応力が発生し信頼性を低下させることなどが懸念される。

また、図６（ｂ）に示すように断面が方形のリード１ｂを用いれば、リードの位置ずれや回転は生じにくいが、超音波印加開始時にリード１ｂと電極パッド１１との接触面積が大きく、接続箇所に印加するパワーが分散してしまい、接続に大きなパワーを要する。

これに対し、本実施例では、リード上加工箇所３を形成することにより、超音波ツール２０がリード１に接触する際の初期接触面積のばらつきを抑え、かつ円形リードの側面の曲面を加圧する場合に比べ超音波ツール２０とリード１の初期接触面積を増大させることができる。また初期状態から均一に荷重をかけることができるので、リード１の位置ずれや回転を抑制できる。

さらに、超音波加振初期状態の超音波ツール２０の先端部とリード１の面積がリード１と電極１０の初期接触面積に比べて大きくすることができるので、接続初期からより小さな入力エネルギーで接続面にパワーを集中させることができる。また、リード上加工箇所３を形成せずに曲面を加圧・加振する場合は、超音波ツール２０とリード１が接触する面を加圧によって曲面から超音波ツール２０先端部に沿った形状に変形させるためにエネルギーが要されるが、リード上加工箇所３を形成することによって変形に要するエネルギーを低減することができる。また、リード１と電極パッド１１との初期の接触面積が小さいため、接続のための超音波や加圧が小面積の接触部に集中して接続が行いやすくなる。よって、接続時の荷重の低減や加振時間の短縮、振幅の低減などによる短時間低エネルギー接続が実現できる。

リード１の材質はどのような材料でもよいが、銅、アルミニウム、鉄、ニッケルの少なくともひとつを主成分とする金属であることが望ましい。また、リード１表面は錫、金、ニッケル、銅などを主成分とする金属（はんだを含む）で表面コートされていてもかまわない。電極１１の材質はどのような材料でもよいが、銅、アルミニウム、鉄、ニッケルの少なくともひとつを主成分とする金属であることが望ましい。また、電極１１表面は錫、金、ニッケル、銅などを主成分とする金属（はんだを含む）で表面コートされていてもかまわない。また、本実施例ではリード加工前のリード断面形状が円形の例を記しているが、リードの断面形状は楕円形や三角形、四角形、八角形などの多角形でもよい。

さらに超音波を印加するときの超音波ツールを振動させる方向はリードの長手方向であることが望ましいが、短手方向やななめ方向、円周方向でもかまわない。

本実施例では、図４および図５に示すように側面から見た場合の超音波ツール２０が加圧するエリアをリード上加工箇所３の一部として描写しているが、この超音波ツール２０が加圧するエリアは図４および図５におけるリード上加工箇所３以外のリードを加圧しなければリード上加工箇所３の全長以下であればよく、リード１先端を加圧する形態でも同様な効果が得られる。

本実施例では超音波ツール２０の図５における横方向の長さをリード１の直径と同程度として描写しているが、この超音波ツール２０の図５における横方向の長さはリード１の直径よりも長くても短くても良く、図５に示す限りではない。

接続終了時には図３（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ｃ）に示すように、加圧部に超音波ツール２０の先端形状を形成されたリード１と基板上パッド１１が接続された形状となる。以上のプロセスでリード１と基板上パッド１１は超音波接続にて接続が行われる。接続後においては、径方向の断面である図５（ｃ）では、リード１が上側と下側とから同様に押しつぶされているため、リード１と電極パッド１１との接続面積よりもリード１上側の略平坦部の面積が大きい。

図７は本実施例を用いて接続した後のリード先端方向から見た際の接続部断面形状の拡大図である。１はリード、１１は基板上パッド、１２は基板、３１は接続面近傍外周部である。図５および図６に示すように、接続初期ではリード１と基板上パッド１１の接触面積は非常に小さく、また接触箇所は基板上パッド１１の中央付近である。超音波と荷重を印加することにより、リード１と基板上パッド１１の接触面が擦りあわされることにより各々の金属新生面が露出し、金属結合することにより接続が進行していく。この接続の進行に伴い、接続面にあった酸化膜などの表面皮膜は接続部の外側に押し出されていき、接続面近傍外周部３１付近に堆積しやすくなる。接続過程が進行し接続面積が増加するにつれ、接続面近傍外周部３１も初期接続面に比べて外側に移動し、接続が完了すると図７に示す接続面近傍外周部３１の箇所となり、この付近に酸化膜などの表面皮膜は堆積する傾向が強い。

図８は本発明の本実施例のせん断試験後の基板上パッドの破面の模式図である。１１は基板上パッド、１２は基板、３０は接続面、３１は接続面近傍外周部、３２はせん断試験痕である。図８ではせん断試験痕３２は上下方向に形成された例を示したが、せん断試験痕３２は超音波印加方向と同一方向に形成される傾向が強いため、せん断試験痕３２の方向はいずれの方向であってもかまわない。図７で示したように、接続後には接続面近傍外周部３１に酸化膜などの表面皮膜が堆積しやすいため、図７の試験片のシェア試験を実施した場合は図８のような破断面になると推定される。

図９は本発明第二の実施例であるコイルの接続に本発明を適用した場合の接続前の状態をリード１先端側からみた断面図である。１はリード、３はリード上加工箇所、４はリード初期接触箇所、１１は基板上パッド、１２は基板、２０は超音波ツール、３０は接続面である。接続前の状態では、図９のようにリード１にリード上加工箇所３が形成されているため、超音波ツール２０先端の突起がリード上加工箇所３に均等に接触する。そのため、超音波ツール２０とリード１が接触した際のリード１の回転や位置ずれを抑制することができる。またリード１と基板上パッド１１の初期接触面積が、超音波ツール２０が加圧するリード加工箇所３の面積に比べて小さいため、接続箇所に印加するパワーが集中しやすくなる。そのため少ないエネルギで初期接続が可能となり、接続時に発生する微細粉の抑制も可能となる。

第一の実施例と異なる点は、基板上パッド１１とリード１が接触するリード初期接触箇所４に凹凸４を形成していることである。凹凸は、リード１の長方向に沿って溝を形成することにより形成している。凹凸４の先端を結んだ線は、リード上加工箇所３と略並行になるように形成されており、超音波印加の初期において、凹凸４の先端の複数が電極パッド１１に接触している。凹凸を形成することで、リード１下面が円形ではなくなり、リード１が転がりにくくなり、超音波接続時のリードの位置ずれを抑制することができる。リード１下面を、上面と同様に平坦化することによっても転がりは防止できるが、本実施例では超音波接続開始時に凹凸の先端の間に隙間があることで接触面積が小さくなり、加重が凹凸先端に集中して接続がしやすくなっている。また、コイルが安定し、自立することができるので、接続前の部品支持工程を省略することができる。この凹凸形状は支点が2点以上形成できる形状であればどのような形状でも良いが、凹凸先端リード上加工箇所３の真下の領域にあり、リード１断面の重心が、複数の凹凸先端によって囲まれた領域の上にあることが望ましい。凹凸の形成は、製造時に形成しておいても良いし、プレスや金型に押し当て、レーザ加工やブラスト処理などの物理的処理による追加工でも良いし、エッチングなどの化学的処理による追加工でも良い。

接続開始後の断面図は、実施例１と同様であり、接続中は図５（ｂ）、接続後は図（ｃ）のようになる。リード上加工箇所３、リード１の材料、超音波接続の接続プロセスも同様であり、詳細な説明は割愛する。

１・・・リード、２・・・リード上加圧箇所、３・・・リード上初期加工箇所、４・・・リード初期接触箇所、１０・・・電極、１１・・・基板上パッド、１２・・・基板、１３・・・はんだ、２０・・・超音波ツール、２１・・・コイル、３０・・・接続面、３１・・・接続面近傍外周部、３２・・・せん断試験痕。

Claims (4)

1. リードを金属体上に配置する工程と、
   前記リードの金属体側と反対側の側面を超音波ツールにより超音波を印加しながら押圧して、前記リードと前記金属体とを超音波接続する工程と、
   を含む接続構造の製造方法において、
   前記超音波印加開始の際に前記超音波ツールとの接触面積が前記金属体との接触面積よりも大きくなるように、断面が略円形または略楕円形であるリードの側面を平坦化する加工または曲率を小さくする加工を行う工程と、
   前記加工を行った領域に前記超音波ツールを接触させて押圧しながら超音波印加を行うことで前記略円形または略楕円形であるリードの外周を平面化しつつ前記金属体に超音波接続する工程と、
   を含むことを特徴とする接続構造の製造方法。
2. 基板と、
   前記基板上に設けられた電極パッドと、
   前記電極パッドに超音波接続にて接続されたリードとを備えた接続構造において、
   前記リードは、略円筒形状であって、前記電極パッドと接続された面とは反対面に略平面部を有し、
   前記略平面部の面積は、前記リードの略円筒形状の一部が前記超音波接続により加圧され平面状となって電極パッドと接続されている領域の面積よりも大きいことを特徴とする接続構造。
3. 請求項２記載の接続構造において、
   前記リードがコイルを形成していることを特徴とする接続構造。
4. 請求項３記載の接続構造において、前記リードと前記電極パッドの表面の材質が銅、ニッケル、アルミニウム、錫の少なくともひとつを主成分としていることを特徴とする接続構造。

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