JP6392487B2 - 溶接用電子部品、実装基板及び温度センサ - Google Patents

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Description

本開示は、溶接で実装可能な所定の機能を有する、例えば抵抗器、コンデンサ、インダクタ等の溶接用電子部品、及び溶接用電子部品を実装した実装基板に関する。
また溶接用電子部品の機能の温度特性を利用することにより対象物温度、周囲温度、熱放射等に応答して温度検出を行う温度センサに関し、特に、機能部として極薄の絶縁性基板上に設けられた感熱部を有する溶接用電子部品にリード(引出線又は配線パターン)を溶接した温度センサに関する。
極薄の絶縁性基板上に、薄膜又は厚膜として形成された機能部を有する電子部品が知られており、例えば機能部として抵抗膜を有する抵抗器が知られている。このような抵抗器は、例えば抵抗値の温度特性を利用することで、サーミスタや白金測温抵抗体等の温度センサとして応用されている。サーミスタは一般的には負特性であるが、最近では、正特性サーミスタも知られるようになっている。
ところで一般的な抵抗器は、感熱特性を有する板状又はフレーク状の抵抗としての機能部と、機能部の抵抗値を測定するための一対の電極部と、それらの電極部にそれぞれ接続された一対のリードとを備えて構成される。このような一般的な抵抗器と比べて、上述した極薄の絶縁基板上に形成される抵抗器は、厚さ及び熱容量が格段に小さく、小型薄型化及び高速熱応答の温度測定に適している。
一般的に、極薄の絶縁基板上に形成される抵抗器等の電子部品では、薄膜技術又は厚膜技術により絶縁基板上に機能膜である抵抗膜及び電極膜が成膜され、フォトリソグラフィー技術等の微細加工技術を用いて各々所定の膜厚及びパターンに形成される。典型的には、セラミックス基板等の絶縁基板上の中心部に抵抗膜が所定の膜厚及びパターンに形成され、この抵抗膜を挟んで対向するように絶縁基板の周辺部に一対の電極膜が所定の膜厚及びパターンに形成される。
このような抵抗器では、絶縁基板上で抵抗膜の周辺に形成された電極膜に対して、検出用のリード(引出線又は配線パターン)が接合される温度センサが知られている。この種のリードと電極膜との接合には、従来より、ハンダ付けが多用されてきた。しかしながら、ハンダの融点が低いために抵抗器の使用温度が150℃以下に制限されるだけでなく、ハンダ接合部の厚みが数10μmとなることにより薄型化や熱応答性の向上を困難にしている。また、ハンダ付けの代わりに導電性ペースト等の接合材を用いる場合でも、それだけでは引張強度が不足するため、ガラス封止等の技術で補強を行う必要があり、やはり小型薄型化や熱応答性の向上が難しいのが現状である(例えば特許文献1を参照)。
今日の抵抗器に要求される性能および信頼性は、その利用・用途先の仕様に対応して厳しさを増している。特に、性能面の改善すべき点として熱応答性の更なる向上が求められており、これは極薄の絶縁性基板に極薄の接合層を設けることで熱容量の低減化、つまり小型薄型化の要請にほかならない。また、用途先の使用環境の制約、たとえば抵抗器を組み込む各種機器又は部材の寸法或いは動作上の制約から、抵抗器の更なる小型薄型化と引張強度(取付強度)の向上を求められるケースが増えている。こうした事情から、最近は、耐熱性の向上を目的として抵抗器におけるリード接合に対して、レーザ溶接技術の適用が積極的に検討されている(例えば特許文献2及び3を参照)。但しこれらの技術は、接合電極部に数10μm〜100μmのメッキ層或いはバンプ層が必要であり、強度不足のためガラス封止等の技術で補強を行う必要があり、やはり小型薄型化や熱応答性の向上が難しいのが現状である。
基板内蔵実装の場合は、特許文献4のように、ビアホール形成にレーザ技術を利用したものは知られているが、ビアホールを介在した電子部品への配線は複雑な工程を要するメッキ技術が用いられている。このようなレーザ技術で形成されたビアホールにメッキ配線を形成する技術としては、特許文献4のような抵抗器の他、特許文献5のコンデンサや特許文献6のインダクタへの応用例が知られている。
特開2000−074752号公報 特開2008−241566号公報 特開2010−197163号公報 特許第5663804号公報 特開2015−53350号公報 国際公開2016/035818号
しかしながら、絶縁基板上に形成される主に感温性能を持つ溶接用電子部品において電極膜とリードとの接合に溶接技術を用いたとしても、上述の従来技術によっては、従前からの課題(熱応答性・小型薄型化、引張強度及び耐熱性)を十分に解決できないのが実情である。
一方、基板内実装においては、上述のようにビアホール形成にはレーザ技術が用いているが、ビアホールを介在した電子部品への配線工程については依然として複雑な工程が必要である。また、基板内実装においては、ビアホールを介在した電子部品への配線が複雑な工程を要するメッキで形成されており、このようなメッキ配線は実装厚みが大きくなってしまい、高密度実装ができない問題もある。
従来の感温性能を持つ電子部品主に抵抗器は、リードが終端する場所からの熱的な影響を避ける理由から、熱伝導率の低いジュメット、SUS、42アロイ、コバール等の鉄系金属からなる電線または導体板をリードに用いて温度センサにしている(例えば特許文献2及び3を参照)。ところが、鉄系の金属は融点が高く、例えばジュメット、SUS及びコバールの融点は1420℃〜1450℃である。このような高融点金属のリードにレーザ溶接用のレーザ光を照射すると、リード及びその周囲がリード融点以上の高温に熱せられて、局部的には2000℃を超えることもあり、それによって絶縁基板(例えばアルミナ基板)が溶けてダメージを受けやすい。絶縁基板のダメージが大きいときは、当該温度センサそのものが不良品になる。或いは、絶縁基板のダメージが少なくて不良品とならない場合であっても、そのダメージ部分が破壊点となって引張強度が大きく低下する可能性がある。
このことから、上記従来の抵抗器では、リードと溶接接合する電極膜表層部(金バンプ、Niめっき層等)の厚みを30μm〜100μm程度に大きくして、溶接の溶け込み部を絶縁基板から上方に離して絶縁基板への熱的な影響を緩和するようにしているが、それでも、接合部の厚みが増すばかりで、絶縁基板のダメージを確実に防止することができない。このため、温度センサとして実用的な強度を確保するためにリード接合にレーザ溶接を適用しながらも、リード接合部を覆う厚膜のガラス補強材が用いられている。また、これらの接合部の構造の厚みがあるために熱応答性が悪くなる問題点もある。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、薄型化しながらも絶縁性基板に熱的なダメージを与えないことで引張強度及び耐熱性の向上を効率的に実現することができ、基板内実装した際に組立工程が簡素化され、信頼性が高く高密度実装が可能な溶接用電子部品、溶接用電子部品を実装した実装基板、及び更に優れた熱応答性を有する温度センサを提供する。
請求項1に記載の溶接用電子部品は、
絶縁性基板と、
前記絶縁性基板上に形成された機能部と、
前記機能部上に形成された保護部と、
前記機能部に電気的に接続された少なくとも一対の接合電極部と、
前記絶縁性基板上に、前記機能部と前記接合電極部との間に介在するように形成された電極膜と、
を備え、
前記接合電極部は、少なくとも
前記絶縁性基板上に形成され、高融点金属を主成分とする活性層と、
前記活性層上に形成された高融点金属を主成分とするバリア層と、
前記バリア層上に形成された低融点金属を主成分とする接合層と、
から構成されるとともに、前記接合電極部には、低融点金属を主成分とするリードが接合されることを特徴とする。
請求項2に記載の溶接用電子部品は、前記機能部は、抵抗、コンデンサ及びインダクタの少なくとも1つの機能を有することを特徴とする。
請求項3に記載の溶接用電子部品は、前記電極膜は、膜状に形成された前記機能部の膜上、膜下又は膜中に形成されることを特徴とする。
請求項4に記載の溶接用電子部品は、前記接合電極部の厚さは1μm以下であることを特徴とする。
請求項5に記載の溶接用電子部品は、前記絶縁性基板の曲げ強度が690MPa以上で且つ厚さは100μm以下であることを特徴とする。
請求項6に記載の溶接用電子部品は、前記高融点金属の融点は1300℃以上であり、前記低融点金属の融点は1300℃より低いことを特徴とする。
請求項7に記載の溶接用電子部品は、前記高融点金属層の融点は1400℃以上であることを特徴とする。
請求項8に記載の溶接用電子部品は、前記活性層は、チタン、クロム、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、マンガン、コバルト、ニッケル、タンタルの中の少なくとも一つを主成分として含むことを特徴とする。
請求項9に記載の溶接用電子部品は、前記バリア層は、白金、バナジウム、ハフニウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、タンタルの中の少なくとも一つを主成分として含むことを特徴とする。
請求項10に記載の溶接用電子部品は、前記低融点金属は、金、銀、銅の少なくとも一つを主成分として含むことを特徴とする。
請求項11に記載の実装基板は、前記溶接用電子部品が溶接により実装されていることを特徴とする。
請求項12に記載の実装基板は、部品内蔵の多層基板であることを特徴とする。
請求項13に記載の実装基板は、フレキシブル基板であることを特徴とする。
請求項14に記載の温度センサは、請求項1〜10のいずれか一項に記載の溶接用電子部品と、前記一対の接合電極部に接合されたリードと、を備え、前記機能部は温度に基づいて機能値が変化する感熱膜として構成されており、前記リードは低融点金属を主成分とすることを特徴とする。
請求項15に記載の温度センサは、前記リードの融接部と前記接合層の溶融部が溶融接合されていることを特徴とする。
請求項16に記載の温度センサは、前記リードと前記接合層とが拡散接合されていることを特徴とする。
請求項17に記載の温度センサは、前記リードが薄板状または箔状であることを特徴とする。
請求項18に記載の温度センサは、前記リードは、銅を主成分として含むことを特徴とする。
請求項19に記載の温度センサは、前記リードは、リン青銅、ベリリウム銅、黄銅、白銅、洋白、コンスタンタン、銅銀合金、銅鉄合金、銅金合金のいずれかを含むことを特徴とする。
請求項20に記載の温度センサは、前記リードは、前記接合層の溶接部を介して前記接合層に接合されており、前記リードの被接合部が外部に対して露出することを特徴とする。
請求項21に記載の温度センサは、前記リードは、絶縁被覆リード線であることを特徴とする。
本発明に係る溶接用電子部品及び温度センサは、上記のような構成を有することにより、接合電極部を薄型化できることで熱応答性が向上し、絶縁性基板に熱的なダメージを与えないことで引張強度の向上を効率的に実現し信頼性が向上し、更にガラスの補強材を使用しないことで温度センサの厚みが薄くなり応答性を向上することができる。更に、接合部を溶接にすることで高い耐熱性を有することもできる。基板内実装した場合は、レーザ溶接で電気的接続が可能となり組立工程が簡素化され、信頼性が高く高密度実装が実現できる。
本発明の少なくとも一実施形態に係る溶接用電子部品の積層構造を示す断面図である。 図1の溶接用電子部品に対してリードが接続された温度センサの一例を示す斜視図である。 図1の溶接用電子部品に対してリードが接続された温度センサの一例を示す斜視図である。 図1の溶接用電子部品に対してリードが接続された温度センサの一例を示す斜視図である。 図2のリードに沿った断面図である。 図5の先端部の拡大図である。 レーザ光の照射範囲を模式的に示す平面図である。 リードを拡散接合した温度センサの断面を示す模式図である。 図8にて拡散接合箇所を拡大して示す断面図である。 温度センサの製造過程における積層回路基板への溶接用電子部品の内装プロセスを工程毎に示す断面図である。 比較例に係る内装プロセスを工程毎に示す断面図である。 図1の溶接用電子部品がフレキシブル配線板に実装されてなる温度センサの断面図である。 従来例1の構成を示す縦断面図である。 従来例2の構成を示す縦断面図である。 温度センサを構成する測温抵抗体の一構成例を示す縦断面図である。 図15における機能部及び電極膜のレイアウトを示す平面図である。 抵抗器、コンデンサ及びインダクタを含む溶接用電子部品の実装例を示す斜視図である。 図17のA−A線断面図である。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。以下の説明では本発明に係る溶接用電子部品の一例として、機能部14として所定の抵抗値を有する抵抗膜を備える抵抗器である溶接用電子部品10について述べるが、本発明の内容は共通する技術的思想の範囲において、コンデンサやインダクタ等を含む他の電子部品にも広く適用可能である。
図1は本発明の少なくとも一実施形態に係る溶接用電子部品10の積層構造を示す断面図である。
溶接用電子部品10は、極薄の絶縁性基板12と、絶縁性基板12上に形成された抵抗部である機能部14と、機能部14上に形成された保護部15と、絶縁性基板12上で機能部14に電気的に接続された一対の電極膜13と、一対の電極膜13の各々に対して電気的に接続された一対の接合電極部16と、を備える。
絶縁性基板12は、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、サファイアなどの電気的絶縁性に優れたセラミックスで構成される。もっとも、絶縁性基板12は結晶を含むセラミックスに限定されず、その表層部が上層側に形成される積層構造(少なくとも機能部14、電極膜13及び接合電極部16)に対して必要十分な絶縁性を有すればよく、例えば表層に絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)を形成した半導体基板(たとえばシリコン基板)等であってもよい。本実施形態では、これらを含めて絶縁性基板としている。
絶縁性基板12の形状及びサイズは、特に限定されないが、通常は板状の形体を有し、例えば、幅が0.2〜0.8mm、長さが0.4〜1.6mm程度であり、厚さが好ましくは100μm以下の曲げ強度が690MPa以上である極薄の絶縁性基板である。絶縁性基板12の体積は、溶接用電子部品10の体積の多くを占め、溶接用電子部品10の熱容量ひいては熱応答性(溶接用電子部品10を温度センサ200(図15及び図16を参照)として利用する場合)にも関係する。絶縁性基板12の板厚が小さいほど、溶接用電子部品10の熱容量が小さくなって、その熱応答性が良くなる。
機能部14は、温度に応じてその特定の特性(一般に抵抗値)、すなわち、機能値が変化する膜状の感熱素子であり、典型的には、スパッタリング、真空蒸着、CVD、イオンプレーティング、メッキ、等の薄膜技術を用いて成膜される。或いは、機能部14は、絶縁性基板12上に感熱素子材料のペーストを印刷等の厚膜技術を用いてこれを焼結したものでもよい。機能部14の材質としては、感熱特性を示す任意の材料が使用可能である。たとえば、NTCサーミスタの場合は、マンガン (Mn) 、ニッケル (Ni) 、コバルト (Co) などを成分とする金属酸化物が用いられる。また、例えば図15及び図16に示すように、測温抵抗体等の温度センサ200の場合は、金属(例えば白金)が機能部14の材料に用いられる。この場合、機能部14と電極膜13とが同一層で形成される場合もある。
また、機能部14の膜形状や膜構造も任意に選定可能であり、単層または複層のいずれであってもよい。機能部14の膜厚も、特に制限はなく、要求される感熱特性に応じた任意の厚さに設定することができる。一般的に、機能部14は、酸化シリコン或いは窒化ケイ素等の保護部15によって被覆保護される。また保護部15は必要に応じて前記被覆保護膜の上に厚膜ガラス及び耐熱樹脂等を設ける構造であってもよい。
機能部14は絶縁性基板12の表層に直接接触して形成されてもよいが、機能部14と絶縁性基板12との間に、一層または複数の薄膜が介在する構成も可能である。例えば、機能部14の成膜後これに熱処理を施す場合には、機能部14を構成する成分が熱処理時に絶縁性基板12側へ拡散するのを防止し、機能部14の特性を安定に保つために、機能部14の下地膜として、例えばシリコン酸化膜、窒化ケイ素等の熱伝導性の低い絶縁被覆が絶縁性基板12上に形成されていてもよい。機能部14は、保護部15の内側で電気的に接続するための一対の電極膜13に接触している。なお、機能値は、抵抗、コンデンサ及びインダクタ等の特性の値を意味している。
接合電極部16は、通常は、絶縁性基板12上で機能部14を挟んで対向するように一対設けられる。一対の接合電極部16の各々は、絶縁性基板12上に形成された電極膜13を介して機能部14に対して電気的に接続されている。機能部14は抵抗膜として形成されており、図1の例では、電極膜13は抵抗膜の膜下に形成されている場合が示されているが、抵抗膜の膜上又は膜中に形成されてもよい。つまり、上記のように機能部14が保護部15で被覆される場合は、一つの形態として、電極膜13が保護部15の内部にも延びて機能部14に直接接続される構成が採られる。別の形態として、保護部15の中でのみ延在して機能部14に接続している電極膜13と、保護部15の外で露出している接合電極部16とが相互に繋がっている構成等が採られる。当然ながら機能部14も多層構造である場合も含まれる。
電極膜13、機能部14及び接合電極部16はこのような接続関係を有しており、互いに直接又は間接的に接続されている。この実施形態における電極膜13は、接合電極部16の形状及び延在範囲もまた、任意に設定又は選定可能である。図示の例では、接合電極部16が絶縁性基板12の主面上に機能部14と並んで左右に一対設けられている。しかし、図示省略するが、接合電極部16が絶縁性基板12の側面又は裏面にまで延びていてもよい。
接合電極部16は、多層膜であり、機能的に3つの層を有している。すなわち、接合電極部16は、図1に示されるように、絶縁性基板12上に形成され、高融点金属を主成分とし、接着性のある活性層20と、活性層20上にそれと一体の層又は独立の層として形成された高融点金属を主成分とするバリア層22と、バリア層22上に形成された低融点金属を主成分とする接合層24と、を含んでいる。ここでいう高融点とは、低融点金属の融点よりも高いことを意味する。
活性層20は、絶縁性基板12の表面に被着して形成され、セラミック等の材料の絶縁性基板12と接合電極部16との間の接着強度を高め、後述のリード18が接合電極部16に接合された際に優れた引張強度を実現できる機能を有している。加えて、活性層20は、その融点が高いという条件を満たし、具体的には1300℃以上、好ましくは1400℃以上の融点を有している。この様な材料は接合電極部16に対してリード18を接合する溶接工程時に溶融しない特徴をあわせ持つことができる。活性層20の上記機能及び上記条件を満たす材料は、チタン、クロム、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、マンガン、コバルト、ニッケル、タンタルのいずれか、あるいはそれらの合金または酸化物である。例えばチタンは、その融点が1688℃であるから、その純金属を使える。他方、例えばマンガンはその融点が1246℃であるから、特殊な形態では酸化物である酸化マンガン(融点1945℃)の形態で使うことができる。
特に従来は、後述する図13及び図14に示されるように、十分な引張強度を確保するためにリード18との接合箇所に数10μmの厚さを有する銀ペースト38Aや金バンプ38Bを配置し、更にガラス保護層40を設ける必要があった。一方、本発明の溶接用電子部品10では、接合電極部16に活性層20を設けることで、バンプ、銀ペースト及びガラス保護層のいずれも設けることなく、薄い構成で十分な引張強度を実現できるようになっている。
活性層20の厚さは、特に制限はないが、接着機能を保持できる範囲で可及的に小さな膜厚にすることが可能であり、例えば金属のチタンの場合は0.01μmまで薄くすることができる。チタンのような活性金属は、活性が極めて高いために極薄の薄膜でも接着性のある機能膜として機能することができる。
高融点金属を主成分とするバリア層22は、接合電極部16へのリード18の接合工程の際に融点に到達しないように工程を管理することで、工程中に溶融することなくバリア層として機能する。この機能を果たすうえで、高融点金属のバリア層22は、その融点が少なくとも1300℃以上、好ましくは1400℃以上である条件を満たしている。この条件に適う好適な材料は、白金、バナジウム、ハフニウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、タンタルのいずれか、またはそれらの合金である。因みに、白金の融点は1768℃、モリブデンの融点は2622℃である。
高融点金属のバリア層22は、一般的には、活性層20の上に重なる独立した層として形成されてよい。例えば、チタンからなる活性層20の上に、白金からなる高融点金属のバリア層22が形成されるとよい。もっとも、高融点金属のバリア層22は、活性層20と同一材質又は一体の層として形成されてもよい。
例えばモリブデンからなる活性層20の上に、同じくモリブデンからなる高融点金属のバリア層22が一体又は別々に成膜される構成も可能である。この場合、活性層20と高融点金属のバリア層22とは、同一のプロセスで形成される。
高融点金属のバリア層22の厚さも、特に制限はないが、この実施形態では、0.1〜0.4μmとしている。これは、膜厚が0.1μmよりも薄くなってしまうと、合金化によって融点が下がり、溶接工程時に溶融してしまう可能性があるためである。例えば白金を材質とする場合は高価な材料であるため、極力薄くすることが望ましく、最適な厚みは例えば0.15μmとすることができる。
接合層24は、高融点金属のバリア層22の上に重なる独立の層として成膜されている。接合層24は、接合電極部16に対するリード18の溶接工程において、溶融することによりリード18との接合構造を形成する(このとき、高融点金属はバリア層22の合金化部分以外は全く溶融しない)。溶接工程では、リード18を介して外部から熱又はエネルギー(例えばレーザ溶接、スポット溶接、パルスヒート等のエネルギー)が供給されると、接合層24が速やかに溶融する。このように接合層24は、リード18と融接、ロウ接及び圧接により溶融接合又は拡散接合により溶接する機能を有している。この機能を奏するうえで、低融点金属の接合層24は、その融点が1300℃より低いことを条件としている。この条件を満たす好適な低融点金属の材料は、金(融点1064℃)、銀(融点961℃)及び銅(融点1085℃)の少なくとも一つを主成分として含む純金属又は合金である。
接合層24の厚さも、特に制限はないが、この実施形態では、可能な限り膜厚を薄くすることが可能であり、例えば金を材質とする場合は0.1〜0.4μmまで薄くすることができる。
以上の3つの層のそれぞれの膜厚が活性層20が0.01μm、バリア層0.15μm及び接合層0.2μmとすると接合電極部の総厚みは0.36μmと極めて薄くすることができる。このように容易に1μm以下の膜厚で構成できる。
続いて上記構成を有する溶接用電子部品10の接合電極部16(接合層24)に対して、リード18が溶接により接合された形態について説明する。図2乃至図4は図1の溶接用電子部品10に対してリード18が接続された温度センサ200を示す斜視図である。
接合電極部16の接合層24には、接合加工を受けることによりリード18が接合される。ここで接合電極部16に対してリード18が受ける接合加工には、融接、圧接及びロウ接を含む各種溶接が広く採用可能である。このような溶接には、例えば接触接合である抵抗溶接、超音波溶接、摩擦溶接等や、非接触接合であるレーザ溶接、電子ビーム溶接等が広く含まれる。
リード18は、接合電極部16に対して、接合層24の溶接部24a(図6参照)を介して溶融接合又は拡散接合により溶接される。リード18は、リード18の溶接工程において、高融点金属のバリア層22を全く又は殆ど溶かさずに、外から供給される熱又はエネルギー(例えばレーザ光のエネルギー)を吸収して接合層24を加熱して、接合層24と共に溶融し、或いは接合層24のみを溶融又は拡散して溶接する機能を有している。この条件を満たすうえで好適な材料は、低融点金属の金、銀及び銅を主成分として有する金属又は合金であり、特に適した合金はリン青銅、ベリリウム銅、黄銅、白銅、洋白、コンスタンタン、銅銀合金、銅鉄合金、銅金合金である。因みに、リン青銅は、融点が1000℃であり、コンスタンタンは、融点が1225℃〜1300℃である。
リード18の形態は、引出線又は配線パターンを含み、丸線或いは板状又は箔状を好適に使用できる。リード18の太さ又は板厚は、特に制限されないが、必要な引張強度が保てれば、丸線であれば極力細い線、板状であれば極力薄い板又は箔が適している。また、丸線の場合、先端部に圧力を印加して扁平に潰した部分を溶接に使用してもよい。図2乃至図4の例では、一対の接合電極部16には一対のリード18がそれぞれ接続されることにより、温度センサ200が形成されている。一対のリード18は、温度センサ200のうち溶接用電子部品10の長手方向(機能部14及び接合電極部16の配列方向)と直交する方向(図2、図3)又は平行な方向(図4)に延びて、対応する一対の接合電極部16にそれぞれ接合加工を受けている。
図2では、リード18の先端部(被接合部)18aが丸線の状態で接合加工を受けている。図3では、リード18の先端部(被接合部)18aが薄板状に圧潰成形された状態で接合加工を受けている。図4では、リード18が薄板状又は箔状のものである。この場合は、一対のリード18が温度センサ200のうち溶接用電子部品10の長手方向で互いに突き合せるようにして対応する接合電極部16にそれぞれ接合される。また、リード18の先端部(被接合部)18aがガラス保護層等に覆われることなく、外部に対して露出している状態となる。
これら実施形態において、リード18の溶接にレーザ光を用いる場合は、リード18と接合電極部16との接合状態に2種類の形態が得られる。第1の溶接の形態は、図2に示すように、リード18の先端部18aが溶融して面方向で縮まって高さ方向に延びる(隆起する)変形を起こして、接合層24も溶融して融接により溶融接合される場合である。ここで図5は図2のリード18に沿った断面図であり、図6は図5の先端部18aの拡大図である。先端部18aには上方からレーザが照射されることにより、図5に示されるように、先端部18aの近傍におけるリード18の絶縁被膜は除去され、露出した先端部18aが溶融して接合電極部16に接合されている。図5及び図6に示されるように、先端部18aが接合電極部16に接合される際には、接合電極部16のうちレーザ照射が行われる領域における接合層24が部分的に溶融し、同様にレーザ照射によって溶融した先端部18aと融接される。このとき接合層24には、レーザ照射によるエネルギーが照射領域よりわずかに周辺まで伝達するため、レーザ照射範囲より若干広い領域に亘って溶融している。そして溶融した接合層24は溶融した先端部18aと一体的になり、上方に盛り上がる先端形状(図5及び図6の網掛部を参照)が形成される。このような盛り上がり形状は数10μmオーダーに及ぶため一般的に薄型化の妨げとなるが、接合電極部16は上述のように従来の電極膜に比べて薄く形成されているため、このような盛り上がり形状による薄型化の妨げを緩和することができる。
尚、図6では、接合層24の溶接部24aがバリア層22に達している例を示しているが、接合層24の厚さ方向の途中で止まっていても問題ない。溶接部24aがバリア層22に達しても問題がないのは、上記のように、高融点金属のバリア層22が融点に到達しないので溶融することなくバリア層として機能するからである。
尚、図2のように丸線であるリード18に対して上方からレーザ光を照射する場合、図7に示されるように、レーザ光のビームスポットLBがリード18の先端部(被接合部)に照射され、リード18と接合層24とが溶融接合している。
第2の溶接の形態では、図8及び図9に示すように、絶縁被膜28から露出したリード18の先端部(被接合部)18aが拡散接合によって接合電極部16に接合されている。この形態では、リード18が殆ど変形せずに、熱、及び圧力等のエネルギーによる拡散現象により、リード18が接合層24に拡散接合している。図9には、このような形態において、接合電極部16上に設置されたリード18に対してレーザ光が範囲LBに照射される様子が示されている。このようなレーザ光によって供給されるエネルギーにより、リード18と下層側にある接合層24とが拡散接合している。
第2の形態では、図8及び図9に示されるように表層側にあるリード18が殆ど変形することなく、内層側にある接合層24のみが変形する。そのため、図5及び図6のように表層側が溶接によって盛り上がり形状を有することにより、薄型化の妨げとなることがない。すなわち、薄型化に有利である。
この第2の形態では、リード18は溶融しないで、接合層24のみが溶融するロウ接によって接合がなされていてもよい。図8及び図9では、接合層24の溶接部24aが高融点金属のバリア層22に達している例を示しているが、バリア層22に達しないで途中で止まっていても接合強度上は問題ない。但し、後述する実施例では、接合層24が極めて薄いので、レーザ光のビームスポットの直下では完全に溶融してリード18と接合している。
また溶接用電子部品10は、図10に示されるように多層基板である積層回路基板に内装されることにより温度センサ200として構成されてもよい。図10は積層回路基板への溶接用電子部品10の内装プロセスを工程毎に示す断面図である。
内装プロセスでは、まず図10(a)に示されるように、絶縁性のプリプレグと呼ばれるシート102に接着剤(不図示)により溶接用電子部品10が固定される。次に図10(b)に示されるように、溶接用電子部品10が収容可能な貫通孔が予め形成された絶縁性のシート104を、シート102に重ねる。そして、シート104上に、所定の配線パターンを有するリード18を配置し、その上方に更にシート106を重ねる。
このようにして得られた積層体は、熱プレス法等によってプレスすることにより、積層構造を互いに密着させてもよい。
続いて図10(c)に示されるように、上方側(シート106側)から内装された溶接用電子部品10の接合電極部16に対応する領域に対してレーザ光を照射する。するとレーザ光のエネルギーによってシート106の照射領域が除去されるとともに、下層側にあるリード18と接合電極部16が溶接される(接合電極部16は接合層24のみが溶融し、活性層20及びバリア層22は溶融しない)。このようにして、上記構成を有する温度センサ200は、図10(a)〜(c)に大別される3工程からなるプロセスを経て完成する。
このように溶接を用いた溶接用電子部品10の積層回路基板への内装プロセスは、従来の内装プロセスに比べて簡易である。ここで上記特許文献4に開示された印刷処理を用いた内装プロセスを比較例として説明する。図11は比較例に係る内装プロセスを工程毎に示す断面図である。
この比較例では、絶縁性基板12上にて機能部14の両側に単層電極部40を有する電子部品42を、積層回路基板に内装するプロセスが示されている。まず図11(a)に示されるように、絶縁性のシート202に接着剤203により電子部品42を固定する。次に図11(b)に示されるように、電子部品42が収まる貫通孔が形成されたシート204をシート202に重ね、さらに透明なシート206を重ね、積層体を得る。図11(c)に示されるように、図11(b)で構成した積層体を熱プレスした後、その上下を逆転する。続いて電子部品42の単層電極部40に対応する位置にレーザ光を照射し、シート202の部分的な昇華を行う。
このようにして図11(d)に示されるように、ビアホール208が形成される。ビアホール208内には単層電極部40が露出している。そして図11(e)に示されるように、ビアホール208内に導電材料を充填してビア210を形成し、シート202の表面にビア210と接続する配線パターンを印刷形成する。このように比較例の内装プロセスは図11(a)〜(e)に大別される5工程を有し、上述した図10(a)〜(c)の3工程からなる本発明の内装プロセスに対して非常に複雑である。以上説明したように、溶接用電子部品10は積層回路基板に対して実装する際に組立工程を簡素化することが可能であり、信頼性が高く高密度実装が可能となる。
尚、溶接用電子部品10の実装対象は、例えば図12に示されるようなフレキシブル配線板(FPC)30であってもよい。図12では、所定の配線パターンを有するリード18とポリイミドからなる絶縁層29とを有するフレキシブル配線板30が示されている。フレキシブル配線板30はリード18が溶接用電子部品10の接合層24に接触するように配置された状態で、上方からレーザ光が照射される。絶縁層29のうちレーザ光が照射された領域32aは昇華により部分的に除去され、下層側にてリード18と接合層24とが第2の接合形態にて接合されている。この場合、リード18の先端部(被接合部)18aが外部に対して露出する状態となる。
[実施例]
続いて上記構成を有する溶接用電子部品に対してリード18が接続されてなる温度センサ200を実験的に検証した結果について、具体的な実施例に基づいて説明する。表1は、本検証に用いた試験対象の仕様及び測定結果である。以下の表1に示すように、本検証では、試験対象として本発明1−6、比較例、及び従来例1−3に係る試験対象を用意した。
Figure 0006392487
これらの試験対象では、絶縁性基板12として幅500μm、長さ1000μm、厚さ100〜150μmのセラミックであるアルミナを用いた。また機能部14の材質は、NTCサーミスタ用の複合金属酸化物とした。電極膜13の材質は白金とした。接合電極部16は、活性層20を厚さ0.01μmのチタンとし、高融点金属のバリア層22を厚さ0.15μmの白金とし、接合層24を厚さ0.2μmの金とした。
リード18として、本発明1は厚さ100μmのりん青銅薄板、本発明2は厚さ80μmのりん青銅箔、本発明3は厚さ50μmのりん青銅箔、本発明4は厚さ80μmのコンスタンタン箔、本発明5は厚さ50μmのコンスタンタン箔が用いられている。また本発明6は図12に示される構造を有しており、リード18として厚さ18μmの銅の配線パターンと、絶縁層29として厚さ25μmのポリイミド(PI)からなるFPCが用いられている。また、リード18を除くすべての条件を上記本発明1−6と同じにし、リード18に厚さ100μmのステンレス(SUS304)からなる薄板状リードを用いたものを比較例とした。
従来例1は図13に示される構造を有し、特に、厚さ0.01μmのチタン層と厚さ0.15μmの白金層とからなる接合電極部16Aが用いられ、この接合電極部16Aとリード18との間に導電性接着材として厚さ20μmの銀ペースト38Aが介在し、リード18の材質としてコバール(80μm)が採用されている。また従来例2は図14に示される構造を有し、特に、厚さ0.15μmの白金層と厚さ40μmの金バンプ38Bからなる接合電極部16Bが用いられ、リード18の材質として、従来例1と同様に、コバール(80μm)が採用されている。これら従来例1及び2では、リード18として引張強度が得られにくいため、強化用として、接合部の上部全域に亘って補強用のガラス保護層40を備えている。また従来例3は特開2008−241566に開示された構造を有しており、リード18として径が100μmのジュメット線が用いられている。
まず、これら試験対象に対する引張強度の検証結果について説明する。尚、引張強度試験は、JIS C0051の「端子強度試験方法」の試験に準拠して行った。
その結果、表1に示されるように、本発明1−6では、実用上の許容基準値又は下限値とされる200gより大きな引張強度が得られた。本発明1−6のなかで引張強度を比較すると、リード18に用いられている材質の融点が高くなるにしたがって、引張強度が低下する傾向がみられるが、これらのうち最も融点が高い本発明4及び5においても、それぞれ240g及び300gの引張強度が確保できていることが確認できた。
これらの結果をまとめると、融点が1220℃〜1300℃のコンスタンタンの場合は200gの以上の強度が確保できるのに対し、融点が1420℃のSUS304の場合は、その強度が40gと極めて小さくなることがわかる。このことから低融点の金属は1300℃以下であることが必要である。
尚、融点が1300℃以下のコンスタンタンであっても板厚が50μmより薄くなると200gの強度を確保できないことがデータから予想される。この場合はフレキシブル基板を用いることで問題を解決できる。
また本発明6では、フレキシブル基板を用いている厚さ18μmの極薄の銅箔層であるが、厚さ25μmのポリイミド(PI)層を備えることによって、220gの引張強度が得られることが確認できた。
一方、従来例1及び2では、一応200gの引張強度は達成できているものの、これは、図13及び図14に示されるように、接合部の上部全域乃至基板の上部全域を覆う補強用のガラス保護層40によるものである。このようなガラス保護層40は、温度センサの総厚みが非常に大きくなってしまい(ガラス保護層40は絶縁性基板12の約2倍程度にもなる)、熱容量が増加し、熱応答性が低下する。事実、従来例1及び2においてガラス保護層40が存在しない場合には、200gの引張強度の達成は困難である(コバール、ステンレスでの比較例のものの引張強度は20g〜40gであり、ガラス保護層40による補強がないと実用化が困難である)。また従来例3においては、引張強度が100gであり、十分な結果が得られていない。
このように引張強度試験においては、本発明1−6では、従来例のような補強用のガラス保護層40を形成することなく、許容基準値(200g)を優に超える引張強度を達成できることが検証された。
このようにリード18が接合された温度センサ200では、リード18に要求される引張強度は、一般的に約200g以上とされている。リード18が銅銀合金線である場合、線径が50μmの引張強度は300gあるため、十分使用可能である。一方、コンスタンタンの箔の場合、板厚が50μmの引張強度は400g以上あり十分な強度がある。このように細い線や薄い箔をリード18に用いることにより、温度センサ200の熱応答性が極めて早くなる効果が得られる。
上記試験対象に対して熱応答性を検証した結果について説明する。以下の表2は、上述の従来例1及び2、並びに、本発明2及び6について温度センサ200の総厚み及び熱時定数(熱応答性)を測定した結果を示している。ここで、また熱時定数は、熱応答性の指標であり、試験対象に電力を負荷し、熱平衡状態からゼロ負荷状態に急変させた時に、試験対象の温度が63.2%変化するのに要した時間として定義される。
Figure 0006392487
従来例1では、温度センサ200の総厚みは0.45mmであり、熱時定数は0.7秒であった。従来例2では、温度センサ200の総厚みは0.45mmであり、熱時定数は0.7秒であった。一方、本発明2では、温度センサ200の総厚みは0.26mmであり、熱時定数は0.3秒であった。この結果は、本発明2では従来例1及び2のような補強用のガラス保護層40を備える必要がないため、総厚みが著しく小さくなっていることに大きく関係している。そのため、温度センサ200の熱容量を小さくすることができ、その結果、良好な熱応答性が得られている。
また本発明6では温度センサ200の総厚みは0.19mmであり、熱時定数は0.2秒であった。この結果は、本発明6ではリード18としてFPC基板を用いることで、強度を確保しながら更に総厚みを小さくすることができることを示している。そのため、温度センサ200の熱容量を小さく形成することができ、その結果、より良好な熱応答性が得られている。
尚、上述の溶接用電子部品10は、電極膜13及び機能部14を別体として構成した場合を例示したが、例えば図15及び図16に示される溶接用電子部品10のように、電極膜13及び機能部14が一体として構成されてもよい。このような構成を有する溶接用電子部品10は温度センサ200に適しており、電極膜13及び機能部14が白金等の金属材料からなる。
尚、上記実施形態では本発明に係る溶接用電子部品10として、機能部14として所定の抵抗値を有する抵抗部を備える溶接用電子部品10(10R)の基板実装を例示したが、同様の思想に基づく溶接用電子部品10として、コンデンサ10Cやインダクタ10Lのような受動素子も構成することもできる。この場合、図17及び図18に示されるように、抵抗部を備える溶接用電子部品10R、コンデンサ10C、インダクタ10Lは、それぞれ抵抗部、容量部及びインダクタンスとして機能する機能部14R、14C、14Lを有しており、それらを挟み込むように接合電極部16が設けられている。このような溶接用電子部品は、図17及び図18に示されるように、実装基板90上に所定レイアウトで溶接されて実装されることで、高い実装密度を有する回路基板を構築することができる。
続いて、上述した実施形態における溶接用電子部品10及び温度センサ200の特徴的な構成及び作用効果は次の通りである。
請求項1に記載の溶接用電子部品は、上記のような構成を有することにより、接合電極部を薄型化できる、絶縁性基板に熱的なダメージを与えないことで引張強度の向上を効率的に実現し信頼性が向上する。さらに基板内蔵した場合は、複雑な配線工程を簡素化でき溶接工程のみでプリント基板の配線と電気的接合が可能となる。
更に、接合電極部の接合部を溶接にすることで高い耐熱性を有することもできることを効果がある。プリント基板の配線では半田等を使用しないので耐熱温度を200℃以上に設定することも可能となる。
また、前記機能部と前記接合電極部との間に介在するように形成された電極膜(導電部)を更に備えることで、接合電極部を形成または加工する工程を接合電極部回りの工程(たとえば熱処理工程)から独立させることが可能であり、接合電極部における製作・加工の自由度及び特性・機能の安定性を向上させることができる。
請求項2に記載の溶接用電子部品は、機能部として抵抗、コンデンサ及びインダクタの少なくとも1つの機能を有することにより、これらの受動素子を実現できる。そして、これらの溶接用電子部品を組み合わせることにより、各種電気回路を基板上に高密度なレイアウトで構築することができる。
請求項3に記載の溶接用電子部品では、電極膜は、膜状に形成された機能部の膜上、膜下又は膜中に形成される。これにより、様々なレイアウトで上記構成を効率的に構築できる。
請求項4に記載の溶接用電子部品は接合電極部の総厚は1μm以下であることで接合部の厚みを薄くすることができる。このことで高密度実装が可能になる。
請求項5に記載の溶接用電子部品は絶縁性基板の基板曲げ強度を690MPa以上のものを使用することで厚さは100μm以下の薄い絶縁性基板を使用できる。このことで高密度実装が可能になる。690MPa以下の100μm以下の薄い絶縁性基板を使用すると製造工程及び使用中に絶縁性基板が割れる問題がある。
請求項6に記載の溶接用電子部品は前記高融点金属の融点は1300℃以上であり、前記低融点金属の融点は1300℃より低いことにより溶接工程時の絶縁性基板へのダメージを低減できる。
請求項7に記載の溶接用電子部品は前記高融点金属層の融点は1400℃以上であることにより、さらに溶接工程時の絶縁性基板へのダメージを低減できる。
請求項8に記載の溶接用電子部品は、前記活性金属層の材料として、チタン、クロム、ジルコニウム、タングステン、モニブデン、マンガン、コバルト、ニッケル、タンタルの中の少なくとも一つを成分として含む材料を使用することでセラミック基板との強固な接合を維持することができる。
請求項9に記載の溶接用電子部品は、前記バリア層の材料として高融点材料である、白金、バナジウム、ハフニウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、モリブデン、タンタルの中の少なくとも一つを成分として含む材料を使用することでバリア層が溶接工程時に溶融することを防止する。
請求項10に記載の溶接用電子部品は、前記低融点金属の接合層の材料として、金、銀、銅の少なくとも一つを主成分として含む材料にすることで容易に溶融接合及び拡散接合により溶接接が実現できる。
請求項11に記載の実装基板は、請求項1〜10のいずれか一項に記載の溶接用電子部品が実装基板に溶接されていることで、半田等の接合材料が不要になるとともに、耐熱温度向上が可能となる。
請求項12に記載の実装基板が部品内蔵の多層基板であることで溶接工程のみで電気的接続が可能となり、高い信頼性と高密度実装を実現できる。
請求項13に記載の実装基板がフレキシブル基板であることで、非常に薄い実装基板を実現することが可能となる。
請求項14に記載の温度センサは、上述の溶接用電子部品の一対の接合電極部にリードを接合して構成される。このような温度センサでは、機能部における抵抗値が温度に基づいて変化する特性を利用して、機能部が感熱膜として機能する。リードは低融点金属を主成分とすることで溶接部の薄型化によって熱応答性が向上し、絶縁性基板に熱的なダメージを与えないことで引張強度の向上を効率的に実現し信頼性が向上し、さらにガラスの補強材を使用しないことで温度センサの厚みが薄くなり応答性向上することができる特徴がある。
請求項15に記載の温度センサは前記溶接が溶融接合であることにより強固な接合強度を得ることができる。
請求項16に記載の温度センサは前記溶接が拡散接合であることにより接合部が隆起しないことで接合部を薄くできる効果がある。このことで応答性能が向上する。
請求項17に記載の温度センサはリードが薄板状または箔状であることで接合部の厚みを薄くすることができる。このことで応答性能が向上する。
請求項18に記載の温度センサは、リードが銅を主成分として含むこととで、絶縁性基板に熱的なダメージを与えずに接合電極部との接合部を形成することができる。
請求項19に記載の温度センサは、リードの材質として、リン青銅、ベリリウム銅、黄銅、白銅、洋白、コンスタンタン、銅銀合金、銅鉄合金、銅金合金のいずれかである材料を使用することで、効率的に熱を拡散して絶縁性基板へのダメージを低減する効果を一層高めることができる。
請求項20に記載の温度センサは、リードが溶接部を介して接合層に接合され、リードの被接合部が外部に対して露出することにより、ガラス等の補強材の無い薄型の構成とすることができる。
請求項21に記載の温度センサは、リードが絶縁被覆リード線であることにより、一層の引張強度の向上を実現することができる。
上記実施形態では、融接、圧接又はロウ接の具体的な手法としてリード接合にレーザを用いた。しかし、レーザ以外の接合方法として、例えばパラレルギャップ方式の抵抗溶接法、高温発熱型のヒータチップまたはパルスヒート法も使用可能である。特に、ヒータチップを用いる方法は、図8の接合形態を得るのに適している。
10 溶接用電子部品(200 温度センサ)
12 絶縁性基板
13 電極膜
14 機能部
15 保護部
16 接合電極部
18 リード(引出線、配線パターン)
18a 先端部(被接合部)
20 活性層
22 バリア層
24 接合層
24a 溶接部
40 ガラス保護層

Claims (21)

  1. 絶縁性基板と、
    前記絶縁性基板上に形成された機能部と、
    前記機能部上に形成された保護部と、
    前記機能部に電気的に接続された少なくとも一対の接合電極部と、
    前記絶縁性基板上に、前記機能部と前記接合電極部との間に介在するように形成された電極膜と、
    を備え、
    前記接合電極部は、少なくとも
    前記絶縁性基板上に形成され、高融点金属を主成分とする活性層と、
    前記活性層上に形成された高融点金属を主成分とするバリア層と、
    前記バリア層上に形成された低融点金属を主成分とする接合層と、
    から構成されるとともに、前記接合電極部には、低融点金属を主成分とするリードが接合されることを特徴とする溶接用電子部品。
  2. 前記機能部は、抵抗、コンデンサ及びインダクタの少なくとも1つの機能を有することを特徴とする請求項1に記載の溶接用電子部品。
  3. 前記電極膜は、膜状に形成された前記機能部の膜上、膜下又は膜中に形成されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の溶接用電子部品。
  4. 前記接合電極部の厚さは1μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の溶接用電子部品。
  5. 前記絶縁性基板の曲げ強度が690MPa以上で且つ厚さは100μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の溶接用電子部品。
  6. 前記高融点金属の融点は1300℃以上であり、前記低融点金属の融点は1300℃より低いことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の溶接用電子部品。
  7. 前記高融点金属層の融点は1400℃以上であることを特徴とする請求項6に記載の溶接用電子部品。
  8. 前記活性層は、チタン、クロム、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、マンガン、コバルト、ニッケル、タンタルの中の少なくとも一つを主成分として含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の溶接用電子部品。
  9. 前記バリア層は、白金、バナジウム、ハフニウム、ロジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、タンタルの中の少なくとも一つを主成分として含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の溶接用電子部品。
  10. 前記低融点金属は、金、銀、銅の少なくとも一つを主成分として含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の溶接用電子部品。
  11. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の溶接用電子部品が溶接により実装されていることを特徴とする実装基板。
  12. 前記実装基板が部品内蔵の多層基板であることを特徴とする請求項11に記載の実装基板。
  13. 前記実装基板がフレキシブル基板であることを特徴とする請求項11又は請求項12に記載の実装基板。
  14. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の溶接用電子部品と、
    前記一対の接合電極部に接合されたリードと、
    を備え、
    前記機能部は温度に基づいて機能値が変化する感熱膜として構成されており、
    前記リードは低融点金属を主成分とすることを特徴とする温度センサ。
  15. 前記リードの融接部と前記接合層の溶融部が溶融接合されていることを特徴とする請求項14に記載の温度センサ。
  16. 前記リードと前記接合層とが拡散接合されていることを特徴とする請求項14に記載の温度センサ。
  17. 前記リードが薄板状または箔状であることを特徴とする請求項14〜16のいずれか一項に記載の温度センサ。
  18. 前記リードは、銅を主成分として含むことを特徴とする請求項14〜17のいずれか一項に記載の温度センサ。
  19. 前記リードは、リン青銅、ベリリウム銅、黄銅、白銅、洋白、コンスタンタン、銅銀合金、銅鉄合金、銅金合金のいずれかを含むことを特徴とする請求項14〜18のいずれか一項に記載の温度センサ。
  20. 前記リードは、前記接合層の溶接部を介して前記接合層に接合されており、
    前記リードの被接合部が外部に対して露出することを特徴とする請求項14〜19のいずれか一項に記載の温度センサ。
  21. 前記リードは、絶縁被覆リード線であることを特徴とする請求項14〜20のいずれか一項に記載の温度センサ。
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