JP6649467B2 - 電子回路基板および超音波接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動エネルギーにより導体同士を接合する技術に関する。

合成樹脂を含む基板の上面に接合されている導体に対して、合成樹脂により被覆されている導体を超音波振動エネルギーにより接合する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。当該方法によれば、ホーンとアンビルとの間に接合対象物が挟まれた状態でホーンの超音波振動エネルギーによってまず一方の導体を被覆する合成樹脂が溶かされて両導体間から除去され、これに続いて当該両導体が相互に接合される。

特開２００５−２２３０５４号公報

しかし、超音波振動エネルギーによって基板を構成する合成樹脂または接着剤が局所的に温度上昇して軟化した場合、当該基板の上に配置されている導体の軟化合成樹脂の上での振動に一部の超音波振動エネルギーが吸収されてしまう。このため、超音波振動エネルギーが両導体の当接箇所における接合エネルギーに寄与する効率が低下し、ひいては両導体の接合強度が不十分になる可能性がある。

そこで、本発明は、合成樹脂を含む基板の上面に接合されている一方の導体に対する他方の導体の接合の質向上を図りうる、当該基板および当該一方の導体を備えている電子回路基板および超音波接合方法を提供することを目的とする。

本発明の電子回路基板は、合成樹脂を含む基板と、前記基板の上面に接合されている導体と、を備えている電子回路基板であって、前記基板よりも高融点の材料からなる補強部材が、前記基板に埋設されているまたは前記基板の上面に接合されている平板状の第１補強部材と、前記導体の下面に接合され、下方に延在してから横方向に屈曲して延在した後で上方に屈曲して前記第１補強部材の下面に接合する第２補強部材と、を備えていることを特徴とする。

本発明の超音波接合方法は、本発明の電子回路基板の上面に接合されている一の導体に対して、他の導体を超音波接合する方法であって、圧電素子により振動されるホーンと、前記ホーンに対向配置されているアンビルと、によって、前記一の導体の上面の露出箇所および前記他の導体が上下に重なるように、前記電子回路基板および前記他の導体を挟む工程と、前記ホーンを横方向に超音波振動させながら下方向に変位させることで、前記電子回路基板の上に配置されている前記一の導体および前記他の導体を接合する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の電子回路基板によれば、補強部材が、その上面に接合されている一の導体の下面に接合され、かつ、基板に埋設または基板の下面もしくは上面に接合されている。このため、ホーンの超音波振動エネルギーによって基板が局所的に温度上昇して軟化しても、基板の上面に接合されている一の導体の振動が補強部材により抑制され、この超音波振動エネルギーが当該一の導体および他の導体の当接箇所の接合に効率的に寄与する。これにより、電子回路基板の上面に接合されている一の導体および他の導体の接合の品質向上が図られる。

本発明の一実施形態としての電子回路基板の構成説明図。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 本発明の一実施形態としての超音波接合方法に関する説明図。 本発明の一実施形態としての電子回路基板と他の導体との接合説明図。 実施例の電子回路基板の接合出力の評価結果に関する説明図。 比較例の電子回路基板の接合出力の評価結果に関する説明図。 電子回路基板および導体の引張強度の評価結果に関する説明図。

（構成）
図１および図２に示されている本発明の一実施形態としての電子回路基板は、ＰＣＢ１（プリント回路基板またはプリント配線基板）であり、基板１０と、一または複数の上面配線１１と、一または複数のビア１１１と、一または複数の内部配線１１２と、一または複数の下面配線１１４と、を備えている。

基板１０は、合成樹脂を含んでおり、例えば当該合成樹脂としてエポキシ樹脂を含んでいるエポキシガラス基板である。上面配線１１および下面配線１１４のそれぞれは、基板１０の上面および下面のそれぞれに接合されている略平板状の金属により構成されている。上面配線１１および下面配線１１４のそれぞれは基板１０に直接的に接合されていてもよく、接着剤を介して間接的に接合または接着されていてもよい。内部配線１１２は、上面配線１１に少なくとも部分的に重なって基板１０に埋設されている略平板状または帯状の金属により構成されている。ビア１１１は、上面配線１１および内部配線１１２を接続する上下に延在する略円柱状の金属により構成されている。上面配線１１、ビア１１１、内部配線１１２および下面配線１１４のそれぞれを構成する金属は、例えばＣｕ、Ａｌまたはこれらの合金である。

ＰＣＢ１は、基板１０を構成する合成樹脂よりも高融点の材料（例えば金属）により構成されている補強部材１２をさらに備えている。補強部材１２は、一または複数の第１補強部材１２１および一または複数の第２補強部材１２２を備えている。第１補強部材１２１は、上面配線１１に少なくとも部分的に重なって基板１０に埋設されている略平板状または帯状の金属により構成されている。第２補強部材１２２は、ビア１１１と同様に、上面配線１１の下面に連結され、かつ、第１補強部材１２１に物理的、化学的または機械的に連結されている、上下に延在する略円柱状の金属により構成されている。第２補強部材１２２は、プリント基板における一般的なビアと同様の方法により形成される。本実施形態では、第２補強部材１２２は、上面配線１１、上下に離間している２つの第１補強部材１２１および下面電極１１４を連結するように配置されている。

上面配線１１とＰＣＢ１の内部配線１１２とがビア１１を介して導通しているが、補強部材１２の存在により当該導通が遮断されることがないように（影響を受けないように）補強部材１２が配置されている。本実施形態では、第２補強部材１２２が上面配線１１と下面配線１１４とを導通させるビアにより構成されているが、当該第２補強部材１２２を構成要素として有する補強部材１２の存在によって上面配線１１と下面配線１１４との導通も同様に遮断されていない。

（超音波接合方法）
ＰＣＢ１に対してＦＦＣ２（フレキシブルフラットケーブル）を、図３に示されている超音波装置を用いて超音波接合する方法について説明する。ＦＦＣ２は、複数の外部配線２１と、当該複数の導体２１を電気的に相互に独立させるように覆う合成樹脂からなる絶縁性被覆２０と、を備えている。

超音波接合装置４は、ホーン４１（またはチップ）と、ホーン４１に対向してその下方に配置されているアンビル４２と、ホーン４１を上下方向に駆動する昇降駆動装置４１１と、ホーン４１を超音波振動させる圧電素子４１２（超音波振動子）と、制御装置４０と、を備えている。ホーン４１の下端部は上底面を下方に向けた略円錐台状に形成されているが、接合対象である導体の配置態様に応じてその先端部が帯状または点状の先端部を有する複数の突起を有する形状など、適当に変更されうる。アンビル４２の上端部は略平面であるが、ホーン４１の形状に合わせて適当に凹凸が形成されていてもよい。

制御装置４０は、コンピュータ（ＣＰＵ（演算処理装置）、ＲＯＭまたはＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）およびＩ／Ｏ回路等により構成されている。）により構成されている。演算処理装置は、記憶装置から必要なプログラムおよびデータを読み出し、当該プログラムおよびデータにしたがって昇降駆動装置４１１および圧電素子４１２の動作制御などの演算処理を実行する。

ＰＣＢ１に対するＦＦＣ２の超音波接合のため、図３に示されているように、ホーン４１とアンビル４２との間にＰＣＢ１およびＦＦＣ２が上下に重ねられた状態で挟まれる。この際、ＰＣＢ１の上面配線１１のそれぞれとＦＦＣ２の外部配線２１のそれぞれとが、ＦＦＣ２を構成する絶縁性被覆２０を介して上下に重ねられた状態となる（図４参照）。この状態から、昇降駆動装置４１１によりホーン４１をアンビル４２に対して接近させるように変位させ、これによりＰＣＢ１およびＦＦＣ２に上下方向の荷重を印加し、かつ、圧電素子４１２に高周波の交流電圧が印可されることによりホーン４１を（横方向または図中左右方向に）超音波振動させる。

ホーン４１の超音波振動エネルギーにより、ホーン４１およびアンビル４２に挟まれている箇所のＰＣＢ１およびＦＦＣ２が局所的に温度上昇し、ＦＦＣ２の絶縁性被覆２０が局所的に溶融する。ホーン４１およびアンビル４２による上下方向の荷重により、絶縁性被覆２０由来の溶融合成樹脂がホーン４１とアンビル４２との間から徐々に除去される。この際、上面配線１１および外部配線２１に間に存在する絶縁性被覆２０も溶融し、上面配線１１および外部配線２１の間から徐々に除去される。

上面配線１１および外部配線２１の間から絶縁性被覆２０由来の溶融合成樹脂が除去されていく過程で、外部配線２１が塑性変形しつつ上面配線１１と当接する。ホーン４１の超音波振動エネルギーにより当該当接箇所の摩擦熱が発生し、上面配線１１および外部配線２１のそれぞれの金属表面に生成されている酸化被膜が除去され活性面（清浄面ともいう。) が露出し反応する。そして、上面配線１１および外部配線２１の接合反応（固相接合ともいう。）完了後、ホーン４１の上昇駆動または超音波振動も停止する。これにより、図４に示されている上面配線１１および外部配線２１の接合領域Ｘにおいて、ＰＣＢ１およびＦＦＣ２が接合される。

（効果）
本発明の電子回路基板の一実施形態としてのＰＣＢ１によれば、補強部材１２を構成する第２補強部材１２２が上面配線１１の下面に接合され、かつ、第２補強部材１２２が基板１０に埋設されている第１補強部材１２１に接合されている。このため、ホーン４１の超音波振動エネルギーによって基板１０が局所的に温度上昇して軟化しても、上面配線１１の振動が補強部材１２によって抑制され、この超音波振動エネルギーが上面配線１１および外部配線２１の当接箇所の接合に効率的に寄与する。これにより、ＰＣＢ１の上面に接合されている上面配線１１およびＦＦＣ２を構成する外部配線２１の接合の品質向上が図られる。

（実施例）
図１および図２に示されている実施形態にしたがって、実施例の電子回路基板（ＰＣＢ１）が作製された。具体的には、エポキシガラス樹脂からなる基板１０の上に銅からなる３［ｍｍ］×３［ｍｍ］×７０［μｍ］（厚さ）の略正方板状の上面配線１１が接合された。上面配線１１の下面の４つの隅角部のそれぞれにφ０．５［ｍｍ］の略円柱状の第２補強部材１２２が接合された。第２補強部材１２２は、前記のように上面配線１１、上下に離間している２つの第１補強部材１２１および下面電極１１４を連結するように配置されている。

（比較例）
補強部材１２、すなわちその構成要素である第１補強部材１２１および第２補強部材１２２がすべて省略されたほかは実施例と同様に比較例１の電子回路基板が作製された。補強部材１２の構成要素である第２補強部材１２２がすべて省略されたほかは実施例と同様に比較例２の電子回路基板が作製された。

（評価）
実施例ならびに比較例１および２のそれぞれの電子回路基板に対してＦＦＣ２が接合された。図５Ａおよび図５Ｂのそれぞれには、実施例および比較例２のそれぞれの電子回路基板を接合対象とした際のホーン４１の変位量（押し込み量）および超音波振動パワーの時間変化態様が示されている。ホーン４１に圧電素子より印加される電力（電圧及び電流の積を）を超音波振動のパワーとしている。

ホーン４１がＦＦＣ２に当接した後、変位量が緩やかに増加し、かつ、超音波振動パワーがほぼ一定に維持されている過程でＦＦＣ２の絶縁性被覆２０の温度が徐々に上昇する。絶縁性被覆２０の溶融およびホーン４１およびアンビル４２の間からの除去が進行すると、ホーン４１の変位量がそれまでよりも急に増加し、かつ、超音波振動エネルギーが上昇するようになる。その後、上面配線１１および外部配線２１が当接すると、導体同士の接合が始まり、超音波振動パワー（振幅）が上昇する。その後、上面配線１１および外部配線２１のそれぞれを構成する金属の局所的な接合に加えて、基板１０を構成する合成樹脂の局所的な軟化に応じて、制御装置４０によって当該振幅が一定となるように圧電素子４１２への印可交流電圧の振幅が制御される。そして接合が完了すると超音波エネルギーの供給が停止される。

図５Ａおよび図５Ｂから、実施例は比較例２よりも、ホーン４１の変位量が上面配線１１および外部配線２１が当接に応じて略一定に維持される前後において、超音波振動パワーの最高値が大きいことがわかる。さらに、実施例は比較例２よりも、超音波振動パワーが当該最高値付近で略一定に維持される期間が長いことがわかる。これは、上面配線１１および外部配線２１が当接することでホーン４１が外部配線２１との当接箇所から受ける摩擦力が、実施例が比較例２よりも大きくかつ長期間にわたり作用すること、ひいては上面配線１１の振動が補強部材１２によって抑制されていることを表わしている。

図６には、前記のように接合された上面配線１１および外部配線２１の接合強度の評価結果が示されている。接合強度は、初めに、ＰＣＢ１の上面に接合されている上面配線１１およびＦＦＣ２を構成する外部配線２１が超音波振動エネルギーにより固相接合された状態のままＦＦＣ２が引張り試験装置と垂直になるよう引張り試験装置の下部に構成されているＰＣＢ２固定部へ装着する。次に、引張り試験装置の駆動部に構成されているリード線固定部へＦＦＣ２に引張り応力が発生しないようＦＦＣ２を挟み込む。この状態から２０［ｍｍ／ｍｉｎ］の速度にて垂直方向へ引き上げる。このような方法にしたがって測定される上面配線１１に対する外部配線２２の引張強度が、当該接合強度として測定された。図６から、実施例は比較例１および２のいずれよりも当該接合強度が高いことがわかる。

（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、補強部材１２の構成要素である第１補強部材１２１が基板１０に埋設されていたが、他の実施形態として第１補強部材１２２が基板１０の上面または下面に接合されていてもよい。略平板状の第１補強部材１２１が基板１０の上面に接合されている場合、例えば、下方に延在してから横方向に屈曲して延在した後で上方に屈曲して延在する屈曲または湾曲形状の第２補強部材１２２の各端部が、上面配線１１および第１補強部材１２１のそれぞれの下面に接合されていてもよい。略平板状の第１補強部材１２１が基板１０の下面に接合されている場合、例えば、上下方向に延在する略柱状の第２補強部材１２２の各端部が、上面配線１１の下面および第１補強部材１２１の上面のそれぞれに接合されていてもよい。

前記実施形態では、第２補強部材１２２が上面配線１１および下面配線１１４のビアを兼ねていたが、他の実施形態として上面配線１１および下面配線１１４のビアと別個に第２補強部材１２２が設けられてもよい。補強部材１２が接合対象である上面配線１１に加えて他の配線（前記実施形態では下面配線１１４）に接合されていたが、ＰＣＢ１（電子回路基板）を構成する複数の配線のうち接合対象である上面配線１１にのみ接合されていてもよい。第１補強部材１２１が、内部配線の一部により構成されていてもよい。

１‥ＰＣＢ（電子回路基板）、２‥ＦＦＣ、１０‥基板、１１‥上面配線（一の導体）、１２‥補強部材、１２１‥第１補強部材、１２２‥第２補強部材、２０‥絶縁性被覆、２１‥外部配線（他の導体）、４‥超音波接合装置、４０‥制御装置、４１‥ホーン、４２‥アンビル、４１１‥昇降駆動装置、４１２‥圧電素子（超音波振動子）。

Claims (2)

1. 合成樹脂を含む基板と、前記基板の上面に接合されている導体と、を備えている電子回路基板であって、
   前記基板よりも高融点の材料からなる補強部材が、前記基板の上面に接合されている平板状の第１補強部材と、前記導体の下面に接合され、下方に延在してから横方向に屈曲して延在した後で上方に屈曲して前記第１補強部材の下面に接合する第２補強部材と、を備えていることを特徴とする電子回路基板。
2. 請求項１記載の電子回路基板の上面に接合されている一の導体に対して、他の導体を超音波接合する方法であって、圧電素子により振動されるホーンと、前記ホーンに対向配置されているアンビルと、によって、前記一の導体の上面の露出箇所および前記他の導体が上下に重なるように、前記電子回路基板および前記他の導体を挟む工程と、前記ホーンを横方向に超音波振動させながら下方向に変位させることで、前記電子回路基板の上に配置されている前記一の導体および前記他の導体を接合する工程と、を含むことを特徴とする超音波接合方法。