JPWO2008050448A1 - 電気接続構造、それに用いる第1の接続部材 - Google Patents

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Abstract

接続部の低背化と着脱自在化を実現できる電気接続構造(C)が提供する。この電気接続構造(C)は、可撓性を有する絶縁フィルム(1)と、その絶縁フィルム(1)の少なくとも片面(1a)に形成された少なくとも1個の導電性のパッド部(2)と、パッド部(2)の縁部から引出された導体回路パターン(3)と、パッド部(2)の面内で絶縁フィルム(1)の厚み方向に形成された貫通孔(4)と、貫通孔(4)と連通してパッド部(2)の面内に形成された小孔(5)とを備えたフレキシブル基板を第1の接続部材(A)とし、その第1の接続部材(A)の貫通孔(4)に、内部または表面(6a)に形成された導体回路パターン(8)と電気的に接続する導電性突起(7)が少なくとも片面(6a)に形成された第2の接続部材(B)の導電性突起(7)がパッド部(2)の小孔(5)に挿入され、パッド部(2)と導電性突起(7)が機械的に接触した構造になっている。

Description

本発明は電気接続構造に関し、更に詳しくは、一対の接続部材を接続して形成される接続部の低背化と省スペース化を実現することができ、また一対の接続部材を反復して着脱することができる電気接続構造に関する。
最近、各種の電気・電子機器の小型化、薄型化、軽量化、多機能化が急速に進んでいる。とくに、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどの分野では、多機能化への要求と並んで小型化、薄型化への要求は非常に強くなっている。
これらの電気・電子機器は、回路基板をはじめとして、各種の電気・電子部品を多数組込んで製造されるのであるが、その場合、これら電気・電子部品は互いに電気的に接続されなければならない。
その場合の接続方法としては次のような各種の方法が実施されている。
例えば回路基板に半導体素子を表面実装する場合、回路基板と半導体素子のそれぞれのパッド部の間に異方性導電膜を配置したのちに全体を熱圧着して両者を電気的に接続するACF接続がある。また、半導体素子のパッド部にはんだバンプを形成し、そのバンプを回路基板のパッド部に載置した状態でリフロー処理を施す方法や、その変形であるフリップチップ方式などもある。更には、実装部品と回路基板のパッド部の間をワイヤボンディングする方法もある。
これらの接続方法は、いずれも、接続作業に特殊な装置が必要であり、しかも一旦接続すると接続部材を取り外すことができない。したがって、仮に設計変更などにより回路の部分的な取り替えが必要になったり、または接続部材が故障してその取り替えが必要となった場合であっても、当該接続部材や回路の取り替えは極めて困難である。そのため、他の部品が故障していなくても、結局、モジュール全体を廃棄せざるを得ない。すなわち、この接続方法では、各部品のリペア処理は極めて難しい。
また、ACF接続の場合、パッド部間のピッチ間隔を40μm程度までせばめることができ、また接続部の高さも100μm以下にすることができて、比較的接続部の低背化と省スペース化に資するが、他方では接続信頼性が低く、大きな電流は流せず、またノイズレベルも高いという難点があり、民生用液晶モジュールのように小さな電流しか流せず、かつ使用環境が良好である場合には実用に耐え得るものの、例えば工業用などをはじめとする一般的な用途に適用することはできない。
リフロー処理による接続の場合は、バンプ間のピッチを150μm以下に狭ピッチ化すると溶けたはんだによるバンプ間の短絡の発生も起こり始めるので、多ピン化は制限される。また、ワイヤボンディングによる接続の場合、接続部の機械的強度はそれほど高くないので外力に弱く、また、ワイヤは湾曲した状態で実装部品の外側にボンディングされるので、例えばフリップチップ方式やリフロー処理に比べると接続部の省スペース化という点で劣っている。
これらの接続方法の場合、いずれも接続部材間では永久接続となり、反復接続ができない。また修理や回路の変更を無理に行なおうとすれば、回路の一部または全部を破壊、破棄しなければならなくなる。
これに反し、オスコネクタとメスコネクタを機械的に噛み合せて部品間の電気的接続を実現するコネクタ構造があり、これは反復して接続部材間の着脱が可能である。例えば、回路基板に搭載された1列配置のメスコネクタに、フレキシブル基板の端部に形成された同じく1列配置のオスコネクタを直接挿入した構造のFFCコネクタ構造や、回路基板に実装され、通常は2列配置のメスコネクタに、フレキシブル基板の端部に形成された同じく2列配置のオスコネクタを嵌合した構造のペアコネクタ構造や、その変形であって、各コネクタの接続端子をマトリックス状に配列したピングリッドアレイコネクタ構造などが実施されている。
このコネクタ構造を採用すると、各部品は着脱自在な関係で接続されているので、ある部品に故障が発生した場合でも、それを取り外し、新たな部品に代替できるという利点、すなわちリペア処理が可能であるという利点が得られる。
しかしながら、このコネクタ構造を構成するオスコネクタやメスコネクタ、とりわけメスコネクタは、通常、金属板材を金型成形して製造されているので、高い精度を保って微細なオスコネクタやメスコネクタを製造することには限界がある。そのため、コネクタ構造における接続部の低背化はかなり困難である。
例えばFFCコネクタ構造の場合、接続部の高さは、通常、1mm以上になっている。また接続端子も最小のピッチ間隔は0.3mm程度であり、片側の1列配置であり、しかもピン数が40以上になると回路設計上の制限が多くなり、かつ実際の挿抜作業が困難になる。
ペアコネクタ構造の場合、接続部の高さは1.3mm以上、最小のピッチ間隔は0.5mm程度であり、接続端子の2列配置は可能であるが、やはりピン数が60以上になると回路設計上の制限が多くなり、かつ挿抜作業は困難になる。また、コネクタ自身の製造コストも高くなる。
また、ピングリッドアレイコネクタ構造の場合、ピン数は多くすることができ、接続部の省スペース化という点で好適であるが、しかし他方では、ピッチ間隔を2mm未満にすることは難しく、接続部の高さを4mm未満にすることは難しいという問題がある。更に、このピングリッドコネクタ構造の場合、価格が高く、一般用途へ適用するときの大きな障害になっている。
本発明の目的は、一対の接続部材が着脱自在に接続されていて、形成された接続部の高さが0.5mm以下である電気接続構造を提供することである。
上記した目的を達成するために、本発明においては、
電気接続構造であって、前記電気接続構造は、
可撓性を有する絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの少なくとも片面に形成された少なくとも1個の導電性のパッド部と、前記パッド部の縁部から引出されている導体回路パターンと、前記パッド部の面内で前記絶縁フィルムの厚み方向に形成された貫通孔と、前記貫通孔と連通して前記パッド部の面内に形成された小孔とを備えたフレキシブル基板を第1の接続部材とし、
前記第1の接続部材の前記貫通孔に、
内部または表面に形成された導体回路パターンと電気的に接続する導電性突起が少なくとも片面に形成されている第2の接続部材の前記導電性突起が前記パッド部の前記小孔を介して挿入されて、
前記パッド部と前記導電性突起が機械的に接触した構造になっている、
が提供される。
そして、好適には、
前記第1の接続部材における前記パッド部はマトリックス状に配列して形成され、かつ前記第2の接続部材における前記導電性突起も、前記パッド部の配列に対応するマトリックス状に配列して形成されている電気接続構造、
前記第1の接続部材が、前記フレキシブル基板の片面または両面に導電性突起が形成されているフレキシブル基板である電気接続構造、
前記第1の接続部材の表面のうち、前記パッド部が形成されている表面と反対側の表面、または前記第2の接続部材の表面のうち、前記導電性突起が形成されている表面と反対側の表面に、バンプ電極が形成されている電気接続構造、また、
前記第1の接続部材および前記第2の接続部材がいずれも前記第1の接続部材の構造を有するフレキシブル基板であって、前記パッド部が形成されている表面と反対側の表面に前記導電性突起が形成され、かつ前記パッド部と前記導電性突起はいずれも前記フレキシブル基板の周縁部に配置され、前記フレキシブル基板の中央部には半導体素子の実装領域が形成されている電気接続構造が提供される。
本発明の電気接続構造の組立てに用いる第1の接続部材の1例Aを示す部分切欠斜視図である。 図1のII−II線に沿う断面図である。 本発明の電気接続構造の組立てに用いる第2の接続部材の1例Bを示す部分切欠斜視図である。 第2の接続部材Bの別の例を示す断面図である。 第2の接続部材Bの更に別の例を示す断面図である。 第2の接続部材Bの他の例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造の1例を示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 パッド部の1例を示す平面図である。 パッド部の他の例を示す平面図である。 パッド部の別の例を示す平面図である。 パッド部の1例を示す平面図である。 パッド部の他の例を示す平面図である。 パッド部の別の例を示す平面図である。 パッド部の更に別の例を示す平面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(1)を示す断面図である。 接続構造の接触抵抗と挿抜回数の関係を示すグラフである。 接続構造の保持力と挿抜回数の関係を示すグラフである。 温度120℃の環境下で接続構造を保持したときの接続構造の接触抵抗の経時変化を示すグラフである。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(2)を示す断面図である。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(3)を示す断面図である。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(4)を示す断面図である。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(5)を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれているフィルムケーブル構造の1例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれている構造体の1例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれている構造体の別の例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれている構造体のまた別の例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれているフレキシブル多層回路基板構造体の1例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれているスタックドパッケージ構造体の1例を示す断面図である。 図38のスタックドパッケージ構造の組立てに用いるフィルム回路基板の1例を示す断面図である。 第2の接続部材の1例を示す斜視図である。 第2の接続部材の他の例を示す斜視図である。 本発明の電気接続構造を用いた構造体を示す断面図である。
最初に、本発明の電気接続構造の基本形態について説明する。
本発明の電気接続構造は、図1と図1のII−II線に沿う断面図である図2で1例として示したフレキシブル基板を第1の接続部材Aとし、その第1の接続部材Aの貫通孔4に、図3で1例として示した第2の接続部材Bの導電性突起7を挿入して組立てられ、例えば図7で示した断面構造になっている。
第1の接続部材Aはいわゆるフレキシブル基板であって、可撓性を有する薄い絶縁フィルム1と、その片面1aの所定箇所に形成された少なくとも1個(図1では3個)のパッド部2と、このパッド部2の縁部から引出されて所定のパターンで絶縁フィルム1の表面1aに配線された信号線の導電回路パターン3と、それぞれのパッド部2の面内位置において絶縁フィルム1の厚み方向に形成された貫通孔4と、それぞれのパッド部2の面内に形成され、貫通孔4と連通していて、貫通孔4よりは小さい小孔5とで構成されている。なお、図1と図2で示したパッド部2の場合、貫通孔4の上端部にその一部が張り出した状態になっている。
この第1の接続部材Aの基材である絶縁フィルム1としては、例えばポリイミド、ポリエステル、液晶ポリマ、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの樹脂から成るフィルム、薄いガラスエポキシ複合板やBTレジン基板などを用いることができる。
これら絶縁フィルムの厚みは、目的とする電気接続構造を低背化させることからすれば、機械的強度を損なわない範囲でできるだけ薄い方がよい。これら絶縁フィルムの市販品の最小の厚みは12.5μmであるが、上記した樹脂を適宜キャスティングや押出成形して10μm以下の厚みにして用いてもよい。
また、パッド部2を構成する材料としては、導電性と同時に弾力性を備えた材料であることが好ましい。この電気接続構造Aの場合、後述するように、このパッド部2の直下に形成される貫通孔4に第2の接続部材Bの導電性突起7を挿入し、当該導電性突起7にパッド部2が圧接することによって2つの接続部材間の導通構造が形成されるので、このパッド部2は導電性を有することを必須の属性とするとともに弾力性が要求されるからである。このような材料としては、具体的には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、リン青銅、インコネル(商標)などの金属や、樹脂に導電性の粉末が分散している導電性樹脂組成物などを好適例とする。
パッド部の厚みは格別限定されるものではないが、良好な弾力性を発揮させるためには、あまり厚くない方がよく、上限は100μm程度に制限すべきである。パッド部として銅のめっき層、スパッタリングで形成したニッケル薄膜、更にはこれらを組合せた導体層を用いた場合、厚みが0.05μm程度であっても、良好な導電性と弾力性を示すので好適である。
図1で示した第1の接続部材Aを製造するに際しては、例えば片面銅張フィルムを用意し、その銅箔側の表面にフォトリソグラフィーとエッチング技術を適用して、パッド部2と導体回路パターン3の部分を残して他の銅箔部分をエッチング除去し、ついで、例えばレーザ光を照射してパッド部2の直下に貫通孔4を形成し、最後にパッド部2側の表面のうち小孔を形成すべき箇所以外をマスキングしたのち銅のエッチング処理を行なって貫通孔4と連通する小孔5を形成すればよい。化学エッチングやプラズマエッチングのプロセス技術を組合せれば、量産時の製造コストをはるかに低減することができる。
一方、第2の接続部材Bは、後述する電気・電子部品やプリント配線板などであって、その片面6aに形成された少なくとも1個(図3では3個)の導電性突起7と、この導電性突起7から引出されて所定のパターンで表面6aに配線された信号線の導体回路パターン8を備えている。
なお、この導電性突起7の配列パターンは、図1で示した第1の接続部材Aにおける貫通孔4の配列パターンと同じになっている。そして、これら導電性突起7の断面の大きさは、第1の接続部材Aの貫通孔4よりは小さく、小孔5よりは大きくなっている。また、この導体回路パターン8は第2の接続部材Bの表面6aに配線されずに、当該第2の接続部材Bの内部に埋設した状態で配線されてもよい。
ここで、この第2の接続部材Bは第1の接続部材Aの相手材であって、例えば通常のリジッドなプリント配線板、各種の半導体モジュールや半導体素子、更には各種のセンサデバイスや表示デバイスなどである。また、第1の接続部材Aのようなフレキシブル基板であってもよい。
そして、これらのプリント配線板や電気・電子部品の所定表面に上記した導電性突起を形成することによって、この第2の接続部材Bが製造される。
この導電性突起の形成に際しては、例えば第2の接続部材Bの表面に表出しているランド部や端子部に、通常のめっき処理や電鋳を選択的に行なうことによりその箇所に導電材料を堆積して所定形状の突起を形成すればよい。逆に、第2の接続部材Bの表面に厚く堆積した導電材料の層に部分的なエッチング処理を行なって形成することもできる。
また、ワイヤボンディング技術を活用して形成したスタッドバンプも実用に供することができる。更には、導電ペーストを第2の接続部材の表面にスクリーン印刷することによっても、必要箇所に導電性突起を形成することができる。
そしてこれらの導電性突起は、第2の接続部材Bの表面6aに配線されている導体回路パターン8の上だけではなく、ビアホールの上などに形成することもできる。例えば第2の接続部材Bが薄い絶縁フィルムを基材とするフレキシブル基板である場合、図4で示したように、反対側の表面6bに形成した導体回路パターン8から絶縁フィルム1を導通して表面6aに突出する導電性突起7を形成することができる。この構造にすると、製造した第2の接続部材Bにおける導電性突起7の機械的強度が高くなるので好適である。
また、図5で示したように、絶縁フィルム1を基材とするフレキシブル基板の導体回路パターン8の所定箇所に導電性突起7を突設し、更にカバーレイ6cをかけた構造の場合も、導電性突起7の機械的強度の向上を実現することができる。
更に、図6で示したように、多層リジッドプリント配線板における内層回路から最上層の表面6aに導電性突起7を突設した第2の接続部材の場合も同様の効果が得られる。
本発明の電気接続構造を組立てるに際しては、第2の接続部材Bの導電性突起7のそれぞれを第1の接続部材Aのパッド部2のそれぞれに圧接すればよい。
その結果、図7で示したように、導電性突起7はパッド部2の小孔5を貫通して貫通孔4の中に挿入される。そしてこの過程で貫通孔4の上端部に位置するパッド部の張り出し部分は拡径して撓み、同時に絶縁フィルムもパッド部2に同期して撓み、それらの弾性によってパッド部2の張り出し部分が導電性突起7の腹部と圧接する。その結果、導電性突起7とパッド部2の間、すなわち、第1の接続部材Aと第2の接続部材Bの間では電気的な導通構造Cが形成される。そして、一方の接続部材の導体回路パターンを伝播してきた信号は、この電気接続構造Cを介して他方の接続部材に伝搬する。
このように、電気接続構造Cでは、図2で示したように、第1の接続部材Aに形成されている小孔5とパッド部2と貫通孔4で構成される箇所がメス端子部Aとして機能し、また第2の接続部材Bに形成されている導電性突起7がオス端子部Bとして機能する。
そして、この接続構造Cは、第1の接続部材Aのメス端子部Aにおけるパッド部2と第2の接続部材Bの導電性突起7の機械的接触で形成されているので、第1の接続部材Aを第2の接続部材Bから引き剥せば、この接続構造Cを解除することができる。そのとき、パッド部2は材料の弾性によって撓んだ状態からもとの位置に復元し、再度、メス端子部Aとしての使用が可能な状態に戻る。
本発明の電気接続構造において、その接続状態の信頼性、確実性を高めるために、第1の接続部材Aの前記したメス端子部Aと第2の接続部材Bの前記したオス端子部Bをそれぞれ次のような態様で形成しておくことが好ましい。
まず、図8で示した第1の接続部材Aのメス端子部Aは、絶縁フィルム1の片面1aにパッド部2が形成され、そしてパッド部2に形成される小孔5と貫通孔4の平面視形状が同一になっている。
図9で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルム1の片面1aに形成されたパッド部2の小孔5が貫通孔4よりも小さくなっていて、パッド部2が貫通孔4の上端部に一部張り出している構造のメス端子部Aを有するものである。
図10で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルム1の他方の表面1bにもパッド部2が形成されていて、かつ小孔5と貫通孔4は同じ大きさになっている構造のメス端子部Aを有するものである。
図11で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルムの他方の表面1bにもパッド部2が形成され、かつ、上下面のパッド部2,2のそれぞれは貫通孔4の上下端部に一部張り出している構造のメス端子部Aを有するものである。
そして図12で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルム1の上面1aと下面1bにもパッド部2,2が形成され、貫通孔4の壁面4aにも例えば無電解めっきを施して2つのパッド部2,2間で導通をとっている構造のメス端子部Aを有するものである。そして小孔5と貫通孔4は同じ大きさになっている。
これらの第1の接続部材において、例えば接続部材A,Aのように、絶縁フィルム1の両面にパッド部2,2を形成したものは、メス端子部Aとしての弾力性が高くなるので好適である。また、接続時の導電性の問題でいえば、接続部材Aのように貫通孔の壁面に耐食性の貴金属めっき処理を施したものが好適である。
なお、パッド部2に形成する小孔5の平面視形状は、後述するオス端子部Bである導電性突起7を挿入することができる形状であればよく、格別限定されるものではないが、例えば、図13で示したように、貫通孔4より小径の円形孔、図14で示したように、十文字形状をしたスリット孔、図15で示したように、円形孔と十文字スリット孔を組合せた孔、図16で示したように円形孔と三方スリット孔を組合わせた孔、図17で示したように、複数のスリット孔を中心を1つにして集合させた孔、図18で示したように、星型の孔、図19で示したように、平面視形状がムカデ形状をした孔などをあげることができる。
これら小孔のうち、例えば図14や図15で示したスリット孔は、ここに第2の接続部材Bの導電性突起7を挿入したときに、スリット孔周辺の4個の舌片部が撓んで導電性突起に確実に圧接して接続構造の導通性の信頼を高めることができると同時に、挿抜を反復しても良好な接続構造を維持することができるという点で好適である。更に、スリット孔の数を増加したり、図19で示したように、導電性突起との接触部の長さを長くすることにより、接続の信頼性を高めることができる。
一方、第2の接続部材Bにおけるオス端子部Bを構成する導電性突起7の形状は、第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入されたときに、パッド部2と確実に接触して導通がとれる形状であればよく、格別限定されるものではない。
例えば、図20で示したように、表面6aに対する立ち上がり角度(θ)が90°である柱状体、図21で示したように立ち上がり角度(θ)が鈍角になっている突起、図22で示したように台座の上にそれよりも小径の柱状体を重ね合せたような突起、図23で示したように頂部が基部よりも大きくなっている柱状突起、図24で示したように、中央部がくびれている柱状突起などを例示することができる。
これらのうち、接続部材B,B,Bのように、頂部の断面形状が基部の断面形状よりも大きくなっている導電性突起は、これを第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入したときに、メス端子部Aのパッド部2に対してアンカー効果を発揮して抜脱しにくくなるので好適である。そして、接続部材Bのような突起を形成する場合には、立ち上がり角度(θ)を65〜160°の範囲に設定することが好ましい。
表面6aを基点としたこれら導電性突起7の全体の高さは、70μm以上に設定することが好ましい。この高さが70μmより低い場合は、第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入されたとき、パッド部2との機械的接触を起こさなかったり、パッド部2との圧接状態が不充分になったりして、接続構造Cとしての接続信頼性が低下するからである。しかし、あまり高くすると、接続構造Cの低背化という目的を満たすことができなくなるので、最大でも700μm程度に規制すべきである。
なお、これら導電性突起7の断面形状も格別限定されるものではないが、例えば、菱形、四角形、三角形、多角形、円形などの形状をあげることができる。
このような導電性突起7の材料としては、メス端子部Aへの挿入時にパッド部2との間で摺動することになるので、耐摩耗性を確保するために、少なくともその表面が比較的硬質な金属または合金で構成されていることが好ましい。具体的には、銅、ニッケル、金、パラジウム、ロジウム、銀などをあげることができ、また例えば樹脂から成る軟質な芯体の表面に例えばニッケル、金、白金、ロジウム、パラジウム、銀、錫、はんだなどのめっき処理を施して表面だけを選択的に硬質化してもよい。逆に、カーボンや鉄などを含む導電性の塗料を塗布することも、信頼性を高める点で有効である。
なお、それぞれの接続部材におけるメス端子部Aとオス端子部B(導電性突起7)の面内配列に関しては、格別限定されるものではないが、例えば第1の接続部材Aのメス端子部Aをマトリックス状に2次元配列し、また第2の接続部材Bのオス端子部Bを上記したメス端子部Aの配列に対応するマトリックス状に2次元配列すると、小さい平面スペース内に多数の接続点を有する接続構造Cを形成することができるので、接続部の省スペース化という点で好適である。
例えば、メス端子部Aの径をいずれも60μm、ピッチを200μmとし、100行100列の2次元配列にすれば、20mm角の平面スペース内に、10000点の接続点を有する接続構造Cの形成が可能になる。
上記した第1の接続部材Aと第2の接続部材Bをそれぞれ後述するように変形して本発明の電気接続構造を組立てることにより、多彩な機能を発揮する電気・電子装置を製作することができる。以下に、それを詳細に説明する。
(1)コネクタ構造
図7で示した本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(1)の1例を図25に示す。
図25のコネクタ構造(1)においては、第2の接続部材Bの片面6aに形成された所定パターンで配列する導電性突起(オス端子部B)7を、第1の接続部材Aに形成され、貫通孔とパッド部と小孔から成るメス端子部Aに挿入して電気接続構造Cが形成されている。
例えば、導電性突起(オス端子部B)7は、直径0.15mm、高さ0.15mmで、ピッチ間隔を0.5mmにして、6行10列のマトリックス状に配列されている。一方、第1の接続部材Aには、直径0.1mmの貫通孔、直径0.25mmのパッド部、このパッド部の中心に直径0.125mmの小孔が形成されてメス端子部Aが導電性突起の場合と同じマトリックスの配列で形成されている。オス端子部Bとメス端子部Aで形成された60ピンの接続構造Cの形状は、縦6.0mm、横4.0mm、高さ0.3mmであり、占有面積は24mm2であり、全体の体積は7.2mm3であった。
なお、実際の接続作業においては、このコネクタ構造(1)は狭ピッチ多ピンであるにもかかわらず、容易にメス接続部Aとオス接続部Bの位置合わせができ、オス接続部Bのメス接続部Aへの挿入操作を円滑に行なうことができた。そして脱着作業も何の障害もなく円滑に行なえた。また、反復して挿抜することも容易であった。
一方、オスコネクタとメスコネクタを機械的に噛み合せた従来の60ピンコネクタ構造の場合、接続部の最小サイズは、縦3.5mm、横21mm、高さ1mm程度であり、占有面積は735mm2であり、全体の体積は73.5mm3である。
以上のことから明らかなように、本発明の電気接続構造Cを組込んだコネクタ構造(1)の場合、挿抜作業を円滑に行なうことができ、加えて従来の最小サイズのコネクタ構造に比べて大幅な低背化を実現しており、かつ省スペース化も実現している。
また、このコネクタ構造(1)における接続構造Cの信頼性評価試験を行なった。
(a)接続部の接触抵抗に及ぼす挿抜回数の影響
コネクタ構造(1)の挿抜操作を反復し、その都度、13個の接続点につき接続部の接触抵抗を測定した。その結果を13点の平均値として図26に示した。
図26から明らかなように、接触抵抗は0.05Ω以下と非常に小さく、200回の挿抜操作を反復しても、接触抵抗はほとんど増大しておらず、良好な導電性が確保されている。
(b)接続部の保持力に及ぼす挿抜回数の影響
コネクタ構造(1)の挿抜操作を反復し、その都度、接続部を解除するに要する力(接続部の保持力)を測定した。その結果を図27に示した。
図27から明らかなように、最初の数10回の挿抜操作の反復では、接続部の保持力は若干低下するが、やがて安定化し、その後の挿抜操作を反復してもほとんど変化しておらず、信頼性の高い接続構造になっているといえる。
なお、接続部の保持力の初期段階における低下現象は、メス端子部とオス端子部がなじむための安定化プロセスであると考えられる。
(c)接続部の耐熱試験
コネクタ構造(1)を、温度120℃の環境化に保持したのち取り出して接続部の接触抵抗を測定した。その結果を、保持時間との関係として図28に示した
図28から明らかなように、温度120℃の環境に100時間保持しても、接続部の接触抵抗はほとんど変化しておらず、このコネクタ構造(1)は熱的に安定であることが判明した。
以上の試験結果から明らかなように、本発明の接続構造Cは、接触抵抗が小さく、挿抜操作を反復しても接触抵抗の増加がなく、また熱的にも安定であり、高い信頼性を備えている。
図29は別のコネクタ構造(2)を示す。
このコネクタ構造(2)の場合は、表面6aに形成された導電性突起7に加えて、表面6aと反対側の表面6bにも導電性突起7が形成されている第2の接続部材Bを用い、これら両面の導電性突起7のそれぞれを2枚の第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して、本発明の電気接続構造Cが形成されている。
このコネクタ構造(2)では、第2の接続部材Bがオス型のインターポーザとして機能している。
図30は更に別のコネクタ構造(3)を示す。
このコネクタ構造(3)では、1枚の第1の接続部材Aのメス端子部Aに2枚の第2の接続部材Bの導電性突起7を第1の接続部材Aの上面と下面からそれぞれ挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。
図31は別のコネクタ構造(4)を示す。
このコネクタ構造(4)は、図30のコネクタ構造(3)の変形例であるが、ここでは、第1の接続部材Aがメス型のインターポーザとして機能している。
図32に他のコネクタ構造(5)を示す。
このコネクタ構造(5)は、第1の接続部材Aを変形した2枚のフレキシブル基板を用いて組立てられる。すなわち、第1の接続部材Aにおいてパッド部が位置する表面1aに導電性突起7が形成され、それぞれの導電性突起7を他方の第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。
この場合、それぞれの導電性突起7とメス端子部Aを縦横交互に千鳥状に配列しておくと、組立てられた接続構造Cにおける接続の信頼性を高めることができて好適である。
以上のコネクタ構造において、第1の接続部材Aのメス端子部を構成する貫通孔(とパッド部)をマトリックス状に配列し、また相手材である第2の接続部材Bの導電性突起も、上記したマトリックスに対応して配列しておくと、形成した接続構造Cが占有する平面スペースを大幅に小さくすることができ、省スペースの点で好適である。
なお、上記したコネクタ構造を解除する場合は、例えばフレキシブル基板である第1の接続部材Aを手動で引き剥がせばよい。
(2)フィルムケーブル構造
本発明の電気接続構造Cが組込まれているフィルムケーブル構造の1例を図33に示す。
このフィルムケーブル構造の場合、所定の配列でメス端子部Aが形成され、同時に表面1aに同じ配列で導電性突起7が形成されている複数(図33では3枚)の第1の接続部材A(長尺なフレキシブル基板)の各メス端子部Aに別の第1の接続部材Aの導電性突起(オス端子部B)を挿入して本発明の電気接続構造Cを形成して、各フレキシブル基板を長手方向に連結してケーブルにしている。
このケーブルにおける各接続部は低背であり、全体として極めて薄く可撓性である。また、いずれかの接続部材が断線した場合、ただちに手動で接続構造Cを解除し、そこにあらたな接続部材を接続することができる。
(3)その他の組立て構造体
表面に所定の回路パターンが配線されている回路基板に、本発明の電気接続構造Cを有する電子部品が表面実装された構造体の1例を図34に示す。
図34の構造体の場合、第2の接続部材Bとして、導電性突起7が形成されている表面6aと反対側の表面6bに例えばはんだバンプ電極8が形成されているものが用いられる。
そして、この第2の接続部材Bの導電性突起7を第1の接続部材Aであるフレキシブル基板のメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。そして、第2の接続部材Bのはんだバンプ電極8が、回路基板9のランド部9aに例えばリフロー処理によって接合されて、電気接続構造Cを含む部品が表面実装されている。
この構造体の場合、低背化した接続構造Cを実現することができ、しかも例えばメス端子部Aと導電性突起7の配列をマトリックス状に2次元化すれば、接続部の大幅な省スペース化を実現することができる。したがって、回路基板9への表面実装作業に余裕が生まれ、また従来に比べて多くの部品実装が可能となる。そして、第1の接続部材Aは着脱自在であるため、その第1の接続部材Aとして、それぞれが各種の機能を発揮するフィルム回路基板を用いることにより、この構造体に必要に応じて各種の機能を発揮させることができる。
図35は、図34で示した第2の接続部材Bに代えてフレキシブル基板である第1の接続部材Aを用いて組立てた構造体の1例を示す。
この構造体では、パッド部とは反対側の表面1bに例えばはんだバンプ電極8が形成された第1の接続部材Aが用いられている。そして片面に導電性突起7が形成されているフレキシブル基板を第2の接続部材Bとし、その導電性突起7を第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成され、その全体ははんだバンプ電極8を介して回路基板9のランド部9aに表面実装されている。
図36は、本発明の電気接続構造Cを介してICチップが表面実装された構造体の1例を示す。
この構造体では、第2の接続部材BとしてICチップ10が用いられる。そして第1の接続部材Aとしては、図35の場合と同様に、パッド部とは反対側の表面1bに例えばはんだバンプ電極8が形成されている第1の接続部材Aであるフレキシブル基板が用いられる。
ICチップ10の片面の例えばランド部には、既に説明した第2の接続部材Bにおける導電性突起7が形成されていて、この導電性突起7を第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。そして全体は、はんだバンプ電極8を介して回路基板9のランド部9aに表面実装されている。
この構造体の場合、ICチップ10は着脱自在の状態にあるため、例えばICチップ10が故障した場合にはそれを取り外し、導電性突起が取りつけられた新たなICチップで代替することができる。
図37は、本発明の電気接続構造Cが組込まれている多層回路基板構造体(図では3層回路基板)の1例を示す。
この構造体は、3枚の第1の接続部材(フレキシブル基板)Aを用いて組立てられている。それぞれの接続部材Aには所定の回路パターン1cが配線されていて、それ自体がフレキシブルな回路基板になっている。そして、図示した2枚の接続部材A(上層の2枚)の場合は、それぞれの回路パターン1cと電気的に接続して導電性突起7が形成されている。しかし、図示の構造体では、最下層の接続部材Aに導電性突起は形成されていない。
そしてこの構造体は、各接続部材Aの導電性突起7を下層に位置する接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cを形成することにより、各接続部材Aを順次積層して組立てられている。
この構造体は、薄い各第1の接続部材Aを単位基板とし、それを機械的に積層して製作した多層回路基板である。図では3層構造を示したが、同様の構造の第1の接続部材Aを用いてそれらを順次積層することにより、更なる層数の多層回路基板に組立てることができる。
また、各単位基板(第1の接続部材)は着脱自在な状態になっているので、ある単位基板に支障が生じた場合でも、簡単にそれを新しい単位基板と代替することができる。
図38は、本発明の電気接続構造Cが組込まれたスタックドパッケージ構造体の1例を示す。
この構造体は、次のようなフレキシブル基板を用いて組立てられる。すなわち、図39で示したように、絶縁フィルム1として、その周縁部1dにパッド部を含めたメス端子部Aおよび/または導電性突起7が形成され、絶縁フィルム1の中央部1eには半導体素子の実装領域が形成されているフレキシブル基板が用いられる。そして、図39の仮想線で示したように、この中央部1eに所定の半導体素子12が表面実装されている。
図38で示した構造体は、半導体素子11が表面実装された図39のフレキシブル基板(第1の接続部材)Aの導電性突起7を下層に位置するフレキシブル基板Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cを順次形成し、各フレキシブル基板Aを積層して組立てられる。
この構造体は、各基板それ自体が薄く、また各接続部が低背化しているので、全体としても非常に薄くなっており、また接続部のメス端子部Aとオス端子部(導電性突起)7の配列をマトリックス状に2次元化することにより省スペース化も実現することができる。
そして、各層の半導体素子11が故障した場合であっても、それが実装されているフレキシブル基板Aのみを取り外し、新規な基板に取り替えることができる。
図40は、本発明の電気接続構造Cにおける第2の接続部材Bの1例を示す。
この接続部材Bは、基材としてフレキシブル基板が用いられ、その片面6aに導電性突起7がマトリックス状に配列されている。そして、片面6aの4隅には、柱状ガイド12a,12aと穴付柱状ガイド12b,12bが配設されている。
この接続部材の相手材である第1の接続部材(図示しない)には、既に説明したメス端子部が形成されていると同時に、上記した柱状ガイドと穴付き柱状ガイドに対応する表面位置には、これらガイドを受け入れるメス型のガイドが形成されている。
そして、接続構造の組立てに際しては、接続部材Bの上記した柱状ガイド12a,12aと穴付き柱状ガイド12b,12bを相手材である第1の接続部材のメス型ガイドに嵌合したのち、全体を押圧して導電性突起7を第1の接続部材のメス端子部に挿入して目的とする接続構造にする。
このように、この接続部材Bにおける柱状ガイドや穴付き柱状ガイドを設けることにより、導電性突起とメス端子部の位置合わせを円滑に進めることができる。とくに、接続構造の組立てを自動化で行なう場合には、接続部材Bにこのような柱状ガイドや穴付き柱状ガイドを設けておくことが好適である。
図41は、第2の接続部材の他の例を示す。
この接続部材は、図40で示した接続部材における柱状ガイドや穴付き柱状ガイドに代えて、マトリックス状に配列されている導電性突起7を取り囲んで配設されたガイドウォール13を備えている。そして、相手材である第1の接続部材には、このガイドウォール13を受け入れる凹溝が形成されている。
このガイドウォール13も、接続構造の組立て時に、各接続部材の位置合わせを円滑に進める手段として機能する。
図42は、片面に先細のテーパ形状をした導電性突起7が形成されているフィルム回路基板を第2の接続部材Bとし、この導電性突起7を、壁面にも例えば銅めっきが施されているスルーホール14aとパッド部2を有する回路基板14(例えばリジッドプリント配線板やセラミック基板)の当該スルーホール14aに挿入した構造体の1例を示す。
この構造体では、導電性突起7がパッド部2と接触した状態でスルーホール14aの中に配置されることにより、本発明の電気接続構造Cが形成されている。そして、フィルム回路基板は着脱自在である。
このようなフィルム回路基板を第2の接続部材Bとして用い、また相手材としてスルーホールが形成されている各種の回路基板を選択することにより、本発明では、多様な電気接続構造を組立てることができる。
本発明の電気接続構造は、弾力性に富むメス端子部に相手材の表面に形成されたオス端子部である導電性突起を機械的に挿入して形成される。メス端子部が形成されている第1の接続部材は薄く可撓性を有する絶縁フィルムであり、またメス端子部の一部を構成するパッド部は弾力性に富む材料で形成されているので、導電性突起が挿入されて形成された接続部を従来にまして低背化することが可能であり、またメス端子部とオス端子部をマトリックス状にそれぞれ2次元配置することにより、多ピン構造の接続部の平面スペースを大幅に小さくして省スペースに資することができる。そして、この第1の接続部材は着脱自在である。
したがって、この電気接続構造を利用することにより、フィルムケーブル構造、極薄のコネクタ構造、各部品の取り替えが可能な多層回路基板構造、スタックドパッケージ構造など各種の構造体を組立てることができる。
【書類名】 明細書
【発明の名称】 電気接続構造
【技術分野】
【0001】
本発明は電気接続構造に関し、更に詳しくは、一対の接続部材を接続して形成される接続部の低背化と省スペース化を実現することができ、また一対の接続部材を反復して着脱することができる電気接続構造に関する。
【背景技術】
【0002】
最近、各種の電気・電子機器の小型化、薄型化、軽量化、多機能化が急速に進んでいる。とくに、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどの分野では、多機能化への要求と並んで小型化、薄型化への要求は非常に強くなっている。
これらの電気・電子機器は、回路基板をはじめとして、各種の電気・電子部品を多数組込んで製造されるのであるが、その場合、これらの組込まれる電気・電子部品は互いに電気的に接続されなければならない。
【0003】
その場合の接続方法としては次のような各種の方法が実施されている。
例えば回路基板に半導体素子を表面実装する場合、回路基板と半導体素子のそれぞれのパッド部の間に異方性導電膜を配置したのちに全体を熱圧着して両者を電気的に接続するACF接続方法がある。また、半導体素子のパッド部にはんだバンプを形成し、そのバンプを回路基板のパッド部に載置した状態でリフロー処理を施す方法や、その変形であるフリップチップ方式などもある。更には、実装部品と回路基板のパッド部の間をワイヤボンディングする方法もある。
【0004】
これらの接続方法は、いずれも、接続作業に特殊な装置が必要であり、しかも一旦接続すると接続部材を取り外すことができない。したがって、仮に設計変更などにより回路の部分的な取り替えが必要になったり、または接続部材が故障してその取り替えが必要となった場合であっても、当該接続部材や回路の取り替えは極めて困難である。そのため、他の部品が故障していなくても、結局、モジュール全体を廃棄せざるを得ない。すなわち、これらの接続方法では、各部品のリペア処理は極めて難しい。
【0005】
また、ACF接続方法の場合、パッド部間のピッチ間隔を40μm程度にまでせばめることができ、また接続部の高さも100μm以下にすることができて、比較的接続部の低背化と省スペース化に資するが、他方では接続信頼性が低く、大きな電流は流せず、またノイズレベルも高いという難点があり、民生用液晶モジュールのように小さな電流しか流せず、かつ使用環境が良好である場合には実用に耐え得るものの、例えば工業用の用途などをはじめとする一般的な用途に適用することはできない。
【0006】
リフロー処理による接続方法の場合は、バンプ間のピッチを150μm以下に狭ピッチ化すると、溶けたはんだによるバンプ間の短絡の発生も起こり始めるので、多ピン化は制限される。また、ワイヤボンディングによる接続方法の場合、接続部の機械的強度はそれほど高くないので外力に弱く、また、ワイヤは湾曲した状態で実装部品の外側にボンディングされるので、例えばフリップチップ方式やリフロー処理に比べると接続部の省スペース化という点で劣っている。
【0007】
これらの接続方法の場合、いずれも接続部材間では永久接続となり、反復接続ができない。また修理や回路の変更を無理に行なおうとすれば、回路の一部または全部を破壊、破棄しなければならなくなる。
一方、オスコネクタとメスコネクタを機械的に噛み合せて部品間の電気的接続を実現するコネクタ構造がある。このコネクタ構造の場合は、反復して接続部材間の着脱が可能である。例えば、回路基板に搭載された1列配置のメスコネクタに、フレキシブル基板の端部に形成された同じく1列配置のオスコネクタを直接挿入した構造のFFCコネクタ構造がある。また、回路基板に実装され、通常は2列配置のメスコネクタに、フレキシブル基板の端部に形成された同じく2列配置のオスコネクタを嵌合した構造のペアコネクタ構造や、その変形であって、各コネクタの接続端子をマトリックス状に配列したピングリッドアレイコネクタ構造などが実施されている。
【0008】
このコネクタ構造を採用すると、各部品は着脱自在な関係で接続されているので、ある部品に故障が発生した場合でも、それを取り外し、新たな部品に代替できるという利点、すなわちリペア処理が可能であるという利点が得られる。
しかしながら、このコネクタ構造を構成するオスコネクタやメスコネクタ、とりわけメスコネクタは、通常、金属板材を金型成形して製造されているので、高い精度を保って微細なオスコネクタやメスコネクタを製造することには限界がある。そのため、コネクタ構造における接続部の低背化はかなり困難である。
例えばFFCコネクタ構造の場合、接続部の高さは、通常、1mm以上になっている。また接続端子も最小のピッチ間隔は0.3mm程度であり、片側の1列配置であり、しかもピン数が40以上になると回路設計上の制限が多くなり、かつ実際の挿抜作業が困難になる。
【0009】
ペアコネクタ構造の場合、接続部の高さは1.3mm以上、最小のピッチ間隔は0.5mm程度であり、接続端子の2列配置は可能であるが、やはりピン数が60以上になると回路設計上の制限が多くなり、かつ挿抜作業は困難になる。また、コネクタ自身の製造コストも高くなる。
また、ピングリッドアレイコネクタ構造の場合、ピン数は多くすることができ、接続部の省スペース化という点で好適であるが、しかし他方では、ピッチ間隔を2mm未満にすることは難しく、接続部の高さを4mm未満にすることは難しいという問題がある。更に、このピングリッドコネクタ構造の場合、価格が高く、一般用途へ適用するときの大きな障害になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の目的は、一対の接続部材が着脱自在に接続されていて、形成された接続部の高さが0.5mm以下である電気接続構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、
可撓性を有する絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの少なくとも片面に形成された少なくとも1個の導電性のパッド部と、前記パッド部の縁部から引出されている導体回路パターンと、前記パッド部の面内で前記絶縁フィルムの厚み方向に形成された貫通孔と、前記貫通孔と連通して前記パッド部の面内に形成された小孔とを備えたフレキシブル基板を第1の接続部材とし、
前記第1の接続部材の前記貫通孔に、
内部または表面に形成された導体回路パターンと電気的に接続する導電性突起が少なくとも片面に形成されている第2の接続部材の前記導電性突起が前記パッド部の前記小孔を介して挿入されて、
前記パッド部とそれが形成されている箇所の前記絶縁フィルムが前記導電性特機の挿入方向に撓み、前記パッド部と前記絶縁フィルムの弾性により、前記パッド部が前記導電性突起に圧接した構造になっていることを特徴とする電気接続構造が提供される。
【0011】
そして、好適には、
前記第1の接続部材における前記パッド部はマトリックス状に配列して形成され、かつ前記第2の接続部材における前記導電性突起も、前記パッド部の配列に対応するマトリックス状に配列して形成されている電気接続構造、
前記第1の接続部材が、前記フレキシブル基板の片面または両面に導電性突起が形成されているフレキシブル基板である電気接続構造、
前記第1の接続部材の表面のうち、前記パッド部が形成されている表面と反対側の表面、または前記第2の接続部材の表面のうち、前記導電性突起が形成されている表面と反対側の表面に、バンプ電極が形成されている電気接続構造、また、
前記第1の接続部材および前記第2の接続部材がいずれも前記第1の接続部材の構造を有するフレキシブル基板であって、前記パッド部が形成されている表面と反対側の表面に前記導電性突起が形成され、かつ前記パッド部と前記導電性突起はいずれも前記フレキシブル基板の周縁部に配置され、前記フレキシブル基板の中央部には半導体素子の実装領域が形成されている電気接続構造が提供される。
【発明の効果】
【0012】
本発明の電気接続構造は、弾力性に富むメス端子部に、相手材の表面に形成されたオス端子部である導電性突起を機械的に挿入して形成される。メス端子部が形成されている第1の接続部材は薄く可撓性を有する絶縁フィルムを基材とし、またメス端子部の一部を構成するパッド部は弾力性に富む材料で形成されているので、導電性突起が挿入されて形成された接続部を従来にまして低背化することが可能であり、またメス端子部とオス端子部をマトリックス状にそれぞれ2次元配置することにより、多ピン構造の接続部の平面スペースを大幅に小さくして省スペースに資することができる。そして、この第1の接続部材は着脱自在である。
したがって、この電気接続構造を利用することにより、フィルムケーブル構造体、極薄のコネクタ構造体、各部品の取り替えが可能な多層回路基板構造、スタックドパッケージ構造体など各種の構造体を組立てることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
最初に、本発明の電気接続構造の基本形態について説明する。
本発明の電気接続構造は、図1と図1のII−II線に沿う断面図である図2で1例として示したフレキシブル基板を第1の接続部材Aとし、その第1の接続部材Aの貫通孔4に、図3で1例として示した第2の接続部材Bの導電性突起7を挿入して組立てられ、例えば図7で示した断面構造になっている。
【0014】
第1の接続部材Aはいわゆるフレキシブル基板であって、可撓性を有する薄い絶縁フィルム1と、その片面1aの所定箇所に形成された少なくとも1個(図1では3個)のパッド部2と、このパッド部2の縁部から引出されて所定のパターンで絶縁フィルム1の表面1aに配線された信号線の導電回路パターン3と、それぞれのパッド部2の面内位置において絶縁フィルム1の厚み方向に形成された貫通孔4と、それぞれのパッド部2の面内に形成され、貫通孔4と連通していて、貫通孔4よりは小さい小孔5とで構成されている。なお、図1と図2で示したパッド部2の場合、貫通孔4の上端部にその一部が張り出した状態になっている。
【0015】
この第1の接続部材Aの基材である絶縁フィルム1としては、例えばポリイミド、ポリエステル、液晶ポリマ、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの樹脂から成るフィルム、薄いガラスエポキシ複合板やBTレジン基板などを用いることができる。
これら絶縁フィルムの厚みは、目的とする電気接続構造を低背化させることからすれば、機械的強度を損なわない範囲でできるだけ薄い方がよい。これら絶縁フィルムの市販品の最小の厚みは12.5μmであるが、上記した樹脂を適宜キャスティングや押出成形して10μm以下の厚みにして用いてもよい。
【0016】
また、パッド部2を構成する材料としては、導電性と同時に弾力性を備えた材料であることが好ましい。この電気接続構造Aの場合、後述するように、このパッド部2の直下に形成される貫通孔4に第2の接続部材Bの導電性突起7を挿入したときに、導電性突起7の挿入方向に撓んだパッド部2がその復元力によって当該導電性突起7に圧接することによって2つの接続部材間の導通構造が形成されるので、このパッド部2は導電性を有することを必須の属性にするとともに弾力性が要求されるからである。このような材料としては、具体的には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、リン青銅、インコネル(商標)などの金属や、樹脂に導電性の粉末が分散している導電性樹脂組成物などを好適例とする。
【0017】
パッド部の厚みは格別限定されるものではないが、良好な弾力性を発揮させるためには、あまり厚くない方がよく、上限は100μm程度に制限すべきである。パッド部として銅のめっき層、スパッタリングで形成したニッケル薄膜、更にはこれらを組合せた導体層を用いた場合、厚みが0.05μm程度であっても、良好な導電性と弾力性を示すので好適である。
【0018】
図1で示した第1の接続部材Aを製造するに際しては、例えば片面銅張フィルムを用意し、その銅箔側の表面にフォトリソグラフィーとエッチング技術を適用して、パッド部2と導体回路パターン3の部分を残して他の銅箔部分をエッチング除去し、ついで、パット部2と反対側の表面から例えばレーザ光を照射してパッド部2の直下に貫通孔4を形成し、最後にパッド部2側の表面のうち小孔を形成すべき箇所以外をマスキングしたのち銅のエッチング処理を行なって貫通孔4と連通する小孔5を形成すればよい。化学エッチングやプラズマエッチングのプロセス技術を組合せれば、量産時の製造コストをはるかに低減することができる。
【0019】
一方、第2の接続部材Bは、後述する電気・電子部品やプリント配線板などであって、その片面6aに形成された少なくとも1個(図3では3個)の導電性突起7と、この導電性突起7から引出されて所定のパターンで表面6aに配線された信号線の導体回路パターン8を備えている。
なお、この導電性突起7の配列パターンは、図1で示した第1の接続部材Aにおける貫通孔4の配列パターンと同じになっている。そして、これら導電性突起7の断面の大きさは、第1の接続部材Aの貫通孔4よりは小さく、小孔5よりは大きくなっている。また、この導体回路パターン8は第2の接続部材Bの表面6aに配線されずに、当該第2の接続部材Bの内部に埋設した状態で配線されていてもよい。
【0020】
ここで、この第2の接続部材Bは第1の接続部材Aの相手材であって、例えば通常のリジッドなプリント配線板、各種の半導体モジュールや半導体素子、更には各種のセンサデバイスや表示デバイスなどである。また、第1の接続部材Aのようなフレキシブル基板であってもよい。
そして、これらのプリント配線板や電気・電子部品の所定表面に上記した導電性突起を形成することによって、この第2の接続部材Bが製造される。
【0021】
この導電性突起の形成に際しては、例えば第2の接続部材Bの表面に表出しているランド部や端子部に、通常のめっき処理や電鋳を選択的に行なうことによりその箇所に導電材料を堆積して所定形状の突起を形成すればよい。逆に、第2の接続部材Bの表面に厚く堆積した導電材料の層に部分的なエッチング処理を行なって形成することもできる。
また、ワイヤボンディング技術を活用して形成したスタッドバンプも実用に供することができる。更には、導電ペーストを第2の接続部材の表面にスクリーン印刷することによっても、必要箇所に導電性突起を形成することができる。
【0022】
そしてこれらの導電性突起は、第2の接続部材Bの表面6aに配線されている導体回路パターン8の上だけではなく、ビアホールの上などに形成することもできる。例えば第2の接続部材Bが薄い絶縁フィルムを基材とするフレキシブル基板である場合、図4で示したように、反対側の表面6bに形成した導体回路パターン8から絶縁フィルム1を貫通して表面6aに突出する導電性突起7を形成することができる。この構造にすると、製造した第2の接続部材Bにおける導電性突起7の機械的強度が高くなるので好適である。
また、図5で示したように、絶縁フィルム1を基材とするフレキシブル基板の導体回路パターン8の所定箇所に導電性突起7を突設し、更にカバーレイ6cをかけた構造の場合も、導電性突起7の機械的強度の向上を実現することができる。
更に、図6で示したように、多層リジッドプリント配線板におけるある内層回路から最上層の表面6aに導電性突起7を突設した第2の接続部材の場合も同様の効果が得られる。
【0023】
本発明の電気接続構造を組立てるに際しては、第2の接続部材Bの導電性突起7のそれぞれを第1の接続部材Aのパッド部2のそれぞれの直下に位置する貫通孔4に挿入すればよい。
その結果、図7で示したように、導電性突起7はパッド部2の小孔5を貫通して貫通孔4の中に挿入される。そしてこの過程で貫通孔4の上端部に位置するパッド部の張り出し部分は拡径して撓み、同時に絶縁フィルムもパッド部2に同期して撓み、それらの弾性によってパッド部2の張り出し部分が導電性突起7の腹部と圧接する。その結果、導電性突起7とパッド部2の間、すなわち、第1の接続部材Aと第2の接続部材Bの間では電気的な接続構造Cが形成される。そして、一方の接続部材の導体回路パターンを伝播してきた信号は、この電気接続構造Cを介して他方の接続部材に伝搬する。
【0024】
このように、電気接続構造Cでは、図2で示したように、第1の接続部材Aに形成されている小孔5とパッド部2と貫通孔4で構成される箇所がメス端子部Aとして機能し、また第2の接続部材Bに形成されている導電性突起7がオス端子部Bとして機能する。
そして、この接続構造Cは、第1の接続部材Aのメス端子部Aにおけるパッド部2と第2の接続部材Bの導電性突起7が機械的に接触した構造になっているので、第1の接続部材Aを第2の接続部材Bから引き剥せば、この接続構造Cを解除することができる。そのとき、パッド部2は材料の弾性によって撓んだ状態からもとの位置に復元し、再度、メス端子部Aとしての使用が可能な状態に戻る。
【0025】
本発明の電気接続構造において、その接続状態の信頼性、確実性を高めるために、第1の接続部材Aの前記したメス端子部Aと第2の接続部材Bの前記したオス端子部Bをそれぞれ次のような態様で形成しておくことが好ましい。
まず、図8で示した第1の接続部材Aのメス端子部Aの場合は、絶縁フィルム1の片面1aにパッド部2が形成され、そしてパッド部2に形成される小孔5と貫通孔4の平面視形状が同一になっている。
【0026】
図9で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルム1の片面1aに形成されたパッド部2の小孔5が貫通孔4よりも小さくなっていて、パッド部2が貫通孔4の上端部に一部張り出している構造のメス端子部Aを有するものである。
図10で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルム1の他方の表面1bにもパッド部2が形成されていて、かつ小孔5と貫通孔4は同じ大きさになっている構造のメス端子部Aを有するものである。
図11で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルムの他方の表面1bにもパッド部2が形成され、かつ、上下面のパッド部2,2のそれぞれは貫通孔4の上下端部に一部張り出している構造のメス端子部Aを有するものである。
【0027】
そして図12で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルム1の上面1aと下面1bにもパッド部2,2が形成され、貫通孔4の壁面4aにも例えば貴金属の無電解めっきを施して2つのパッド部2,2間で導通をとっている構造のメス端子部Aを有するものである。そして小孔5と貫通孔4は同じ大きさになっている。
これらの第1の接続部材において、例えば接続部材A,Aのように、絶縁フィルム1の両面にパッド部2,2を形成したものは、メス端子部Aとしての弾力性が高くなるので好適である。また、接続時の導電性の問題でいえば、接続部材Aのように貫通孔の壁面に耐食性の貴金属めっき処理を施したものが好適である。
【0028】
なお、パッド部2に形成する小孔5の平面視形状は、後述するオス端子部Bである導電性突起7を挿入することができる形状であればよく、格別限定されるものではないが、例えば、図13で示したように、貫通孔4より小径の円形孔、図14で示したように、十文字形状をしたスリット孔、図15で示したように、円形孔と十文字スリット孔を組合せた孔、図16で示したように円形孔と三方スリット孔を組合わせた孔、図17で示したように、複数のスリット孔を中心を1つにして集合させた孔、図18で示したように、星型の孔、図19で示したように、平面視形状がムカデ形状をした孔などをあげることができる。
【0029】
これら小孔のうち、例えば図14や図15で示したスリット孔は、ここに第2の接続部材Bの導電性突起7を挿入したときに、スリット孔周辺の4個の舌片部が撓んでパット部が導電性突起に確実に圧接して接続構造の導通性の信頼を高めることができると同時に、挿抜を反復しても良好な接続構造を維持することができるという点で好適である。更に、スリット孔の数を増加したり、図19で示したように、導電性突起との接触部の長さを長くすることにより、接続の信頼性を高めることができる。
一方、第2の接続部材Bにおけるオス端子部Bを構成する導電性突起7の形状は、第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入されたときに、パッド部2と確実に接触して導通がとれる形状であればよく、格別限定されるものではない。
【0030】
例えば、図20で示したように、表面6aに対する立ち上がり角度(θ)が90°である柱状体、図21で示したように立ち上がり角度(θ)が鈍角になっている突起、図22で示したように台座の上にそれよりも小径の柱状体を重ね合せたような突起、図23で示したように頂部が基部よりも大きくなっている柱状突起、図24で示したように、中央部がくびれている柱状突起などを例示することができる。
これらのうち、接続部材B,B,Bのように、頂部の断面形状が基部の断面形状よりも大きくなっている導電性突起は、これを第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入したときに、メス端子部Aのパッド部2に対してアンカー効果を発揮して抜脱しにくくなるので好適である。そして、接続部材Bのような突起を形成する場合には、立ち上がり角度(θ)を65〜160°の範囲に設定することが好ましい。
【0031】
表面6aを基点としたこれら導電性突起7の全体の高さは、70μm以上に設定することが好ましい。この高さが70μmより低い場合は、第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入されたとき、パッド部2との機械的接触を起こさなかったり、パッド部2との圧接状態が不充分になったりして、接続構造Cとしての接続信頼性が低下するからである。しかし、あまり高くすると、接続構造Cの低背化という目的を満たすことができなくなるので、最大でも700μm程度に規制すべきである。
なお、これら導電性突起7の断面形状も格別限定されるものではないが、例えば、菱形、四角形、三角形、多角形、円形などの形状をあげることができる。
【0032】
このような導電性突起7の材料としては、メス端子部Aへの挿入時にパッド部2との間で摺動することになるので、耐摩耗性を確保するために、少なくともその表面が比較的硬質な金属または合金で構成されていることが好ましい。具体的には、銅、ニッケル、金、パラジウム、ロジウム、銀などをあげることができ、また例えば樹脂から成る軟質な芯体の表面に例えばニッケル、金、白金、ロジウム、パラジウム、銀、錫、はんだなどのめっき処理を施して表面だけを選択的に硬質化してもよい。逆に、カーボンや鉄などを含む導電性の塗料を塗布することも、信頼性を高める点で有効である。
【0033】
なお、それぞれの接続部材におけるメス端子部Aとオス端子部B(導電性突起7)の面内配列に関しては、格別限定されるものではないが、例えば第1の接続部材Aのメス端子部Aをマトリックス状に2次元配列し、また第2の接続部材Bのオス端子部Bを上記したメス端子部Aの配列に対応するマトリックス状に2次元配列すると、小さい平面スペース内に多数の接続点を有する接続構造Cを形成することができるので、接続部の省スペース化という点で好適である。
【0034】
例えば、メス端子部Aの径をいずれも60μm、ピッチを200μmとし、100行100列の2次元配列にすれば、20mm角の平面スペース内に、10000点の接続点を有する接続構造Cの形成が可能になる。
上記した第1の接続部材Aと第2の接続部材Bをそれぞれ後述するように変形して本発明の電気接続構造を組立てることにより、多彩な機能を発揮する電気・電子装置を製作することができる。以下に、それを詳細に説明する。
【0035】
(1)コネクタ構造
図7で示した本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造の1例を図25に示す。
図25のコネクタ構造(1)においては、第2の接続部材Bの片面6aに形成された所定パターンで配列する導電性突起(オス端子部B)7を、第1の接続部材Aに形成され、貫通孔とパッド部と小孔から成るメス端子部Aに挿入して電気接続構造Cが形成されている。
【0036】
例えば、導電性突起(オス端子部B)7は、直径0.15mm、高さ0.15mmで、ピッチ間隔を0.5mmにして、6行10列のマトリックス状に配列されている。一方、第1の接続部材Aには、直径0.125mmの貫通孔、直径0.25mmのパッド部、このパッド部の中心に直径0.1mmの小孔が形成されてメス端子部Aが導電性突起の場合と同じマトリックスの配列で形成されている。その場合、オス端子部Bとメス端子部Aで形成された60ピンの接続構造Cの形状は、縦6.0mm、横4.0mm、高さ0.3mmであり、占有面積は24mm2であり、全体の体積は7.2mm3であった。
【0037】
なお、実際の接続作業においては、このコネクタ構造(1)は狭ピッチ多ピンであるにもかかわらず、容易にメス接続部Aとオス接続部Bの位置合わせができ、オス接続部Bのメス接続部Aへの挿入操作を円滑に行なうことができた。そして脱着作業も何の障害もなく円滑に行なえた。また、反復して挿抜することも容易であった。
一方、オスコネクタとメスコネクタを機械的に噛み合せた従来の60ピンコネクタ構造の場合、接続部の最小サイズは、縦3.5mm、横21mm、高さ1mm程度であり、占有面積は735mm2であり、全体の体積は73.5mm3である。
【0038】
以上のことから明らかなように、本発明の電気接続構造Cを組込んだコネクタ構造(1)の場合、挿抜作業を円滑に行なうことができ、加えて従来の最小サイズのコネクタ構造に比べて大幅な低背化を実現しており、かつ省スペース化も実現している。
また、このコネクタ構造(1)における接続構造Cの信頼性評価試験を行なった。
【0039】
(a)接続部の接触抵抗に及ぼす挿抜回数の影響
コネクタ構造(1)の挿抜操作を反復し、その都度、13個の接続点につき接続部の接触抵抗を測定した。その結果を13点の平均値として図26に示した。
図26から明らかなように、接触抵抗は0.05Ω以下と非常に小さく、200回の挿抜操作を反復しても、接触抵抗はほとんど増大しておらず、良好な導電性が確保されている。
【0040】
(b)接続部の保持力に及ぼす挿抜回数の影響
コネクタ構造(1)の挿抜操作を反復し、その都度、接続部を解除するために必要な力(接続部の保持力)を測定した。その結果を図27に示した。
図27から明らかなように、最初の数10回の挿抜操作の反復では、接続部の保持力は若干低下するが、やがて安定化し、その後の挿抜操作を反復してもほとんど変化しておらず、信頼性の高い接続構造になっているといえる。
なお、接続部の保持力の初期段階における低下現象は、メス端子部とオス端子部がなじむための安定化プロセスであると考えられる。
【0041】
(c)接続部の耐熱試験
コネクタ構造(1)を、温度120℃の環境下に保持したのち取り出して接続部の接触抵抗を測定した。その結果を、保持時間との関係図として図28に示した。
図28から明らかなように、温度120℃の環境に100時間保持しても、接続部の接触抵抗はほとんど変化しておらず、このコネクタ構造(1)は熱的に安定であることが判明した。
以上の試験結果から明らかなように、本発明の接続構造Cは、接触抵抗が小さく、挿抜操作を反復しても接触抵抗の増加がなく、また熱的にも安定であり、高い信頼性を備えている。
【0042】
図29は別のコネクタ構造(2)を示す。
このコネクタ構造(2)の場合は、表面6aに形成された導電性突起7に加えて、表面6aと反対側の表面6bにも導電性突起7が形成されている第2の接続部材Bを用い、これら両面の導電性突起7のそれぞれを2枚の第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して、本発明の電気接続構造Cが形成されている。
このコネクタ構造(2)では、第2の接続部材Bがオス型のインターポーザとして機能している。
【0043】
図30は更に別のコネクタ構造(3)を示す。
このコネクタ構造(3)では、1枚の第1の接続部材Aのメス端子部Aに2枚の第2の接続部材Bの導電性突起7を第1の接続部材Aの上面と下面からそれぞれ挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。
図31は別のコネクタ構造(4)を示す。
このコネクタ構造(4)は、図30のコネクタ構造(3)の変形例であるが、ここでは、第1の接続部材Aがメス型のインターポーザとして機能している。
図32に他のコネクタ構造(5)を示す。
【0044】
このコネクタ構造(5)は、第1の接続部材Aを変形したフレキシブル基板を2枚用いて組立てられる。すなわち、第1の接続部材Aにおいてパッド部が位置する表面1aに導電性突起7が形成され、それぞれの導電性突起7を他方の第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。
この場合、それぞれの導電性突起7とメス端子部Aを縦横交互に千鳥状に配列しておくと、組立てられた接続構造Cにおける接続の信頼性を高めることができて好適である。
【0045】
以上のコネクタ構造において、第1の接続部材Aのメス端子部を構成する貫通孔(とパッド部)をマトリックス状に配列し、また相手材である第2の接続部材Bの導電性突起も、上記したマトリックスに対応して配列しておくと、形成した接続構造Cが占有する平面スペースを大幅に小さくすることができ、省スペースの点で好適である。
なお、上記したコネクタ構造を解除する場合は、例えばフレキシブル基板である第1の接続部材Aを手動で引き剥がせばよい。
【0046】
(2)フィルムケーブル構造
本発明の電気接続構造Cが組込まれているフィルムケーブル構造の1例を図33に示す。
このフィルムケーブル構造の場合、所定の配列パターンでメス端子部Aが形成され、同時に表面1aに同じ配列パターンで導電性突起7が形成されている複数(図33では3枚)の第1の接続部材A(長尺なフレキシブル基板)の各メス端子部Aに別の第1の接続部材Aの導電性突起(オス端子部B)を挿入して本発明の電気接続構造Cを形成することにより、各フレキシブル基板を長手方向に連結してケーブルにしている。
このケーブルにおける各接続部は低背であり、ケーブル全体としては極めて薄く可撓性である。また、いずれかの接続部材が断線した場合、ただちに手動で接続構造Cを解除し、そこにあらたな接続部材Aを接続してケーブルを復元することができる。
【0047】
(3)その他の組立て構造体
表面に所定の回路パターンが配線されている回路基板に、本発明の電気接続構造Cを有する電子部品が表面実装された構造体の1例を図34に示す。
図34の構造体の場合、第2の接続部材Bとして、導電性突起7が形成されている表面6aと反対側の表面6bに例えばはんだバンプ電極8が形成されているものが用いられる。
そして、この第2の接続部材Bの導電性突起7を第1の接続部材Aであるフレキシブル基板のメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。そして、第2の接続部材Bのはんだバンプ電極8が、回路基板9のランド部9aに例えばリフロー処理によって接合されて、電気接続構造Cを含む部品が表面実装されている。
【0048】
この構造体の場合、低背化した接続構造Cを実現することができ、しかも例えばメス端子部Aと導電性突起7の配列をマトリックス状に2次元化すれば、接続部の大幅な省スペース化を実現することができる。したがって、回路基板9への表面実装作業に余裕が生まれ、また従来に比べて多くの部品実装が可能となる。そして、第1の接続部材Aは着脱自在であるため、その第1の接続部材Aとして、それぞれが各種の機能を発揮するフィルム回路基板を用いることにより、この構造体に必要に応じて各種の機能を発揮させることができる。
【0049】
図35は、図34で示した第2の接続部材Bに代えてフレキシブル基板である第1の接続部材Aを用いて組立てた構造体の1例を示す。
この構造体では、パッド部とは反対側の表面1bに例えばはんだバンプ電極8が形成された第1の接続部材Aが用いられている。そして片面に導電性突起7が形成されているフレキシブル基板を第2の接続部材Bとし、その導電性突起7を第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成され、その全体ははんだバンプ電極8を介して回路基板9のランド部9aに表面実装されている。
【0050】
図36は、本発明の電気接続構造Cを介してICチップが表面実装された構造体の1例を示す。
この構造体では、第2の接続部材BとしてICチップ10が用いられる。そして第1の接続部材Aとしては、図35の場合と同様に、パッド部とは反対側の表面1bに例えばはんだバンプ電極8が形成されている第1の接続部材Aであるフレキシブル基板が用いられる。
ICチップ10の片面の例えばランド部には、既に説明した第2の接続部材Bにおける導電性突起7が形成されていて、この導電性突起7を第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。そして全体は、はんだバンプ電極8を介して回路基板9のランド部9aに表面実装されている。
この構造体の場合、ICチップ10は着脱自在の状態にあるため、例えばICチップ10が故障した場合にはそれを取り外し、導電性突起が取りつけられた新たなICチップで代替することができる。
【0051】
図37は、本発明の電気接続構造Cが組込まれている多層回路基板構造体(図では3層回路基板)の1例を示す。
この構造体は、3枚の第1の接続部材(フレキシブル基板)Aを用いて組立てられている。それぞれの接続部材Aには所定の回路パターン1cが配線されていて、それ自体がフレキシブルな回路基板になっている。そして、図示した2枚の接続部材A(上層の2枚)の場合は、それぞれの回路パターン1cと電気的に接続して導電性突起7が形成されている。しかし、図示の構造体では、最下層の接続部材Aに導電性突起は形成されていない。
【0052】
そしてこの構造体は、各接続部材Aの導電性突起7を下層に位置する接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cを形成することにより、各接続部材Aを順次積層して組立てられている。
この構造体は、薄い各第1の接続部材Aを単位基板とし、それを機械的に積層して製作した多層回路基板である。図では3層構造を示したが、同様の構造の第1の接続部材Aを用いてそれらを順次積層することにより、更なる層数の多層回路基板に組立てることができる。
【0053】
また、各単位基板(第1の接続部材)は着脱自在な状態になっているので、ある単位基板に支障が生じた場合でも、簡単にそれを新しい単位基板と代替することができる。
図38は、本発明の電気接続構造Cが組込まれたスタックドパッケージ構造体の1例を示す。
この構造体は、次のようなフレキシブル基板を用いて組立てられる。すなわち、図39で示したように、絶縁フィルム1として、その周縁部1dにパッド部を含めたメス端子部Aおよび/または導電性突起7が形成され、絶縁フィルム1の中央部1eには半導体素子の実装領域が形成されているフレキシブル基板が用いられる。そして、図39の仮想線で示したように、この中央部1eに所定の半導体素子11が表面実装されている。
【0054】
図38で示した構造体は、半導体素子11が表面実装された図39のフレキシブル基板(第1の接続部材)Aの導電性突起7を下層に位置するフレキシブル基板Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cを順次形成し、各フレキシブル基板Aを積層して組立てられる。
この構造体は、各基板それ自体が薄く、また各接続部が低背化しているので、全体としても非常に薄くなっており、また接続部のメス端子部Aとオス端子部(導電性突起)7の配列をマトリックス状に2次元化することにより省スペース化も実現することができる。
そして、各層の半導体素子11が故障した場合であっても、それが実装されているフレキシブル基板Aのみを取り外し、新規な基板に取り替えることができる。
【0055】
図40は、本発明の電気接続構造Cにおける第2の接続部材Bの1例を示す。
この接続部材Bは、基材としてフレキシブル基板が用いられ、その片面6aに導電性突起7がマトリックス状に配列されている。そして、片面6aの4隅には、柱状ガイド12a,12aと穴付柱状ガイド12b,12bが配設されている。
この接続部材の相手材である第1の接続部材(図示しない)には、前記マトリックス状の導電性突起と対応する位置に既に説明したメス端子部が形成されていると同時に、上記した柱状ガイドと穴付き柱状ガイドに対応する表面位置には、これらガイドを受け入れるメス型のガイドが形成されている。
【0056】
そして、接続構造の組立てに際しては、接続部材Bの上記した柱状ガイド12a,12aと穴付き柱状ガイド12b,12bを相手材である第1の接続部材のメス型ガイドに嵌合したのち、全体を押圧して導電性突起7を第1の接続部材のメス端子部に挿入して目的とする接続構造にする。
このように、この接続部材Bにおける柱状ガイドや穴付き柱状ガイドを設けることにより、導電性突起とメス端子部の位置合わせを円滑に進めることができる。とくに、接続構造の組立てを自動化で行なう場合には、接続部材Bにこのような柱状ガイドや穴付き柱状ガイドを設けておくことが好適である。
【0057】
図41は、第2の接続部材の他の例を示す。
この接続部材は、図40で示した接続部材における柱状ガイドや穴付き柱状ガイドに代えて、マトリックス状に配列されている導電性突起7を取り囲んで配設されたガイドウォール13を備えている。そして、相手材である第1の接続部材には、このガイドウォール13を受け入れる凹溝が形成されている。
このガイドウォール13も、接続構造の組立て時に、各接続部材の位置合わせを円滑に進める手段として機能する。
【0058】
図42は、片面に先細のテーパ形状をした導電性突起7が形成されているフィルム回路基板を第2の接続部材Bとし、この導電性突起7を、壁面にも例えば銅めっきが施されているスルーホール14aとパッド部2を有する回路基板14(例えばリジッドプリント配線板やセラミック基板)の当該スルーホール14aに挿入した構造体の1例を示す。
この構造体では、導電性突起7がパッド部2と接触した状態でスルーホール14aの中に配置されることにより、本発明の電気接続構造Cが形成されている。そして、フィルム回路基板は着脱自在である。
このようなフィルム回路基板を第2の接続部材Bとして用い、また相手材としてスルーホールが形成されている各種の回路基板を選択することにより、本発明では、多様な電気接続構造を組立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】 本発明の電気接続構造の組立てに用いる第1の接続部材の1例Aを示す部分切欠斜視図である。
【図2】 図1のII−II線に沿う断面図である。
【図3】 本発明の電気接続構造の組立てに用いる第2の接続部材の1例Bを示す部分切欠斜視図である。
【図4】 第2の接続部材Bの別の例を示す断面図である。
【図5】 第2の接続部材Bの更に別の例を示す断面図である。
【図6】 第2の接続部材Bの他の例を示す断面図である。
【図7】 本発明の電気接続構造の1例を示す断面図である。
【図8】 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。
【図9】 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。
【図10】 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。
【図11】 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。
【図12】 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。
【図13】 パッド部の1例を示す平面図である。
【図14】 パッド部の他の例を示す平面図である。
【図15】 パッド部の別の例を示す平面図である。
【図16】 パッド部の1例を示す平面図である。
【図17】 パッド部の他の例を示す平面図である。
【図18】 パッド部の別の例を示す平面図である。
【図19】 パッド部の更に別の例を示す平面図である。
【図20】 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。
【図21】 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。
【図22】 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。
【図23】 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。
【図24】 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。
【図25】 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(1)を示す断面図である。
【図26】 接続構造の接触抵抗と挿抜回数の関係を示すグラフである。
【図27】 接続構造の保持力と挿抜回数の関係を示すグラフである。
【図28】 温度120℃の環境下で接続構造を保持したときに接続構造の接触抵抗の経時変化を示すグラフである。
【図29】 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(2)を示す断面図である。
【図30】 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(3)を示す断面図である。
【図31】 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(4)を示す断面図である。
【図32】 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(5)を示す断面図である。
【図33】 本発明の電気接続構造が組込まれているフィルムケーブル構造の1例を示す断面図である。
【図34】 本発明の電気接続構造が組込まれている構造体の1例を示す断面図である。
【図35】 本発明の電気接続構造が組込まれている構造体の別の例を示す断面図である。
【図36】 本発明の電気接続構造が組込まれている構造体の更に別の例を示す断面図である。
【図37】 本発明の電気接続構造が組込まれているフレキシブル多層回路基板構造体の1例を示す断面図である。
【図38】 本発明の電気接続構造が組込まれているスタックドパッケージ構造体の1例を示す断面図である。
【図39】 図38のスタックドパッケージ構造の組立てに用いるフィルム回路基板の1例を示す断面図である。
【図40】 第2の接続部材の1例を示す斜視図である。
【図41】 第2の接続部材の他の例を示す斜視図である。
【図42】 本発明の電気接続構造を用いた構造体を示す断面図である。
【符号の説明】
【0060】
A,A,A,A,A,A 第1の接続部材
メス端子部

B,B,B,B,B,B, 第2の接続部材
オス端子部
C 電気接続構造
1 絶縁フィルム
1a 絶縁フィルム1の片面
1b 絶縁フィルム1の他方の表面
1c 回路パターン
1d 絶縁フィルム1の周縁部
1e 絶縁フィルム1の中央部
2 パッド部
3 導電回路パターン
4 貫通孔
5 小孔
6a 第2の接続部材Bの表面
6b 第2の接続部材Bの反対側の表面
6c カバーレイ
7 導電性突起
8 導電回路パターン
9 回路基板
9a ランド部
10 ICチップ
11 半導体素子
12a 柱状ガイド
12b 穴付柱状ガイド
13 ガイドウォール
14 回路基板
14a スルーホール
本発明は電気接続構造に関し、更に詳しくは、一対の接続部材を接続して形成される接続部の低背化と省スペース化を実現することができ、また一対の接続部材を反復して着脱することができる電気接続構造に関する。
最近、各種の電気・電子機器の小型化、薄型化、軽量化、多機能化が急速に進んでいる。とくに、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどの分野では、多機能化への要求と並んで小型化、薄型化への要求は非常に強くなっている。
これらの電気・電子機器は、回路基板をはじめとして、各種の電気・電子部品を多数組込んで製造されるのであるが、その場合、これらの組込まれる電気・電子部品は互いに電気的に接続されなければならない。
その場合の接続方法としては次のような各種の方法が実施されている。
例えば回路基板に半導体素子を表面実装する場合、回路基板と半導体素子のそれぞれのパッド部の間に異方性導電膜を配置したのちに全体を熱圧着して両者を電気的に接続するACF接続方法がある。また、半導体素子のパッド部にはんだバンプを形成し、そのバンプを回路基板のパッド部に載置した状態でリフロー処理を施す方法や、その変形であるフリップチップ方式などもある。更には、実装部品と回路基板のパッド部の間をワイヤボンディングする方法もある。
これらの接続方法は、いずれも、接続作業に特殊な装置が必要であり、しかも一旦接続すると接続部材を取り外すことができない。したがって、仮に設計変更などにより回路の部分的な取り替えが必要になったり、または接続部材が故障してその取り替えが必要となった場合であっても、当該接続部材や回路の取り替えは極めて困難である。そのため、他の部品が故障していなくても、結局、モジュール全体を廃棄せざるを得ない。すなわち、これらの接続方法では、各部品のリペア処理は極めて難しい。
また、ACF接続方法の場合、パッド部間のピッチ間隔を40μm程度にまでせばめることができ、また接続部の高さも100μm以下にすることができて、比較的接続部の低背化と省スペース化に資するが、他方では接続信頼性が低く、大きな電流は流せず、またノイズレベルも高いという難点があり、民生用液晶モジュールのように小さな電流しか流せず、かつ使用環境が良好である場合には実用に耐え得るものの、例えば工業用の用途などをはじめとする一般的な用途に適用することはできない。
リフロー処理による接続方法の場合は、バンプ間のピッチを150μm以下に狭ピッチ化すると、溶けたはんだによるバンプ間の短絡の発生も起こり始めるので、多ピン化は制限される。また、ワイヤボンディングによる接続方法の場合、接続部の機械的強度はそれほど高くないので外力に弱く、また、ワイヤは湾曲した状態で実装部品の外側にボンディングされるので、例えばフリップチップ方式やリフロー処理に比べると接続部の省スペース化という点で劣っている。
これらの接続方法の場合、いずれも接続部材間では永久接続となり、反復接続ができない。また修理や回路の変更を無理に行なおうとすれば、回路の一部または全部を破壊、破棄しなければならなくなる。
一方、オスコネクタとメスコネクタを機械的に噛み合せて部品間の電気的接続を実現するコネクタ構造がある。このコネクタ構造の場合は、反復して接続部材間の着脱が可能である。例えば、回路基板に搭載された1列配置のメスコネクタに、フレキシブル基板の端部に形成された同じく1列配置のオスコネクタを直接挿入した構造のFFCコネクタ構造がある。また、回路基板に実装され、通常は2列配置のメスコネクタに、フレキシブル基板の端部に形成された同じく2列配置のオスコネクタを嵌合した構造のペアコネクタ構造や、その変形であって、各コネクタの接続端子をマトリックス状に配列したピングリッドアレイコネクタ構造などが実施されている。
このコネクタ構造を採用すると、各部品は着脱自在な関係で接続されているので、ある部品に故障が発生した場合でも、それを取り外し、新たな部品に代替できるという利点、すなわちリペア処理が可能であるという利点が得られる。
しかしながら、このコネクタ構造を構成するオスコネクタやメスコネクタ、とりわけメスコネクタは、通常、金属板材を金型成形して製造されているので、高い精度を保って微細なオスコネクタやメスコネクタを製造することには限界がある。そのため、コネクタ構造における接続部の低背化はかなり困難である。
例えばFFCコネクタ構造の場合、接続部の高さは、通常、1mm以上になっている。また接続端子も最小のピッチ間隔は0.3mm程度であり、片側の1列配置であり、しかもピン数が40以上になると回路設計上の制限が多くなり、かつ実際の挿抜作業が困難になる。
ペアコネクタ構造の場合、接続部の高さは1.3mm以上、最小のピッチ間隔は0.5mm程度であり、接続端子の2列配置は可能であるが、やはりピン数が60以上になると回路設計上の制限が多くなり、かつ挿抜作業は困難になる。また、コネクタ自身の製造コストも高くなる。
また、ピングリッドアレイコネクタ構造の場合、ピン数は多くすることができ、接続部の省スペース化という点で好適であるが、しかし他方では、ピッチ間隔を2mm未満にすることは難しく、接続部の高さを4mm未満にすることは難しいという問題がある。更に、このピングリッドコネクタ構造の場合、価格が高く、一般用途へ適用するときの大きな障害になっている。
本発明の目的は、一対の接続部材が着脱自在に接続されていて、形成された接続部の高さが0.5mm以下である電気接続構造とそれに用いる第1の接続部材を提供することである。
上記した目的を達成するために、本発明においては、
可撓性を有する絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの表面に形成された導電性のパッド部と、前記パッド部の縁部から引出されている導体回路パターンと、前記パッド部の面内で前記絶縁フィルムの厚み方向に形成された貫通孔と、前記貫通孔と同軸的に連通して前記パッド部の面内に形成された小孔とを備えたフレキシブル基板である第1の接続部材と、
部または表面に形成された導体回路パターンと電気的に接続する導電性突起が外部に表出して形成されている第2の接続部材とを組付けて構成される電気接続構造であって、
前記第2の接続部材の前記導電性突起が前記第1の接続部材の前記第1の接続部材の前記貫通孔に前記パッド部の形成面側から前記小孔を介して挿入され、
前記パッド部とそれが形成されている箇所の前記絶縁フィルムが前記導電性突起の挿入方向に撓み、前記パッド部と前記絶縁フィルムの弾性により、前記パッド部が前記導電性突起に圧接されていることを特徴とする電気接続構造が提供される。
そして、好適には、
前記第1の接続部材における前記パッド部はマトリックス状に配列して形成され、かつ前記第2の接続部材における前記導電性突起も、前記パッド部の配列に対応するマトリックス状に配列して形成されている電気接続構造、
前記第1の接続部材が、前記フレキシブル基板の片面または両面に導電性突起が形成されているフレキシブル基板である電気接続構造、
前記第1の接続部材の表面のうち、前記パッド部が形成されている表面と反対側の表面、または前記第2の接続部材の表面のうち、前記導電性突起が形成されている表面と反対側の表面に、バンプ電極が形成されている電気接続構造、また、
前記第1の接続部材および前記第2の接続部材がいずれも前記第1の接続部材の構造を有するフレキシブル基板であって、前記パッド部が形成されている表面と反対側の表面に前記導電性突起が形成され、かつ前記パッド部と前記導電性突起はいずれも前記フレキシブル基板の周縁部に配置され、前記フレキシブル基板の中央部には半導体素子の実装領域が形成されている電気接続構造が提供される。
また本願発明においては、上記したこれら電気接続構造に用いられる第1の接続部材が提供される。
本発明の電気接続構造は、弾力性に富むメス端子部に、相手材の表面に形成されたオス端子部である導電性突起を機械的に挿入して形成される。メス端子部が形成されている第1の接続部材は薄く可撓性を有する絶縁フィルムを基材とし、またメス端子部の一部を構成するパッド部は弾力性に富む材料で形成されているので、導電性突起が挿入されて形成された接続部を従来にまして低背化することが可能であり、またメス端子部とオス端子部をマトリックス状にそれぞれ2次元配置することにより、多ピン構造の接続部の平面スペースを大幅に小さくして省スペースに資することができる。そして、この第1の接続部材は着脱自在である。
したがって、この電気接続構造を利用することにより、フィルムケーブル構造体、極薄のコネクタ構造体、各部品の取り替えが可能な多層回路基板構造、スタックドパッケージ構造体など各種の構造体を組立てることができる。
最初に、本発明の電気接続構造の基本形態について説明する。
本発明の電気接続構造は、図1と図1のII−II線に沿う断面図である図2で1例として示したフレキシブル基板を第1の接続部材Aとし、その第1の接続部材Aの貫通孔4に、図3で1例として示した第2の接続部材Bの導電性突起7を挿入して組立てられ、例えば図7で示した断面構造になっている。
第1の接続部材Aはいわゆるフレキシブル基板であって、可撓性を有する薄い絶縁フィルム1と、その片面1aの所定箇所に形成された少なくとも1個(図1では3個)のパッド部2と、このパッド部2の縁部から引出されて所定のパターンで絶縁フィルム1の表面1aに配線された信号線の導電回路パターン3と、それぞれのパッド部2の面内位置において絶縁フィルム1の厚み方向に形成された貫通孔4と、それぞれのパッド部2の面内に形成され、貫通孔4と同軸的に連通していて、貫通孔4よりは小さい小孔5とで構成されている。なお、図1と図2で示したパッド部2の場合、貫通孔4の上端部にその一部が張り出した状態になっている。
この第1の接続部材Aの基材である絶縁フィルム1としては、例えばポリイミド、ポリエステル、液晶ポリマ、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などの樹脂から成るフィルム、薄いガラスエポキシ複合板やBTレジン基板などを用いることができる。
これら絶縁フィルムの厚みは、目的とする電気接続構造を低背化させることからすれば、機械的強度を損なわない範囲でできるだけ薄い方がよい。これら絶縁フィルムの市販品の最小の厚みは12.5μmであるが、上記した樹脂を適宜キャスティングや押出成形して10μm以下の厚みにして用いてもよい。
また、パッド部2を構成する材料としては、導電性と同時に弾力性を備えた材料であることが好ましい。この電気接続構造Aの場合、後述するように、このパッド部2の直下に形成される貫通孔4にパッド部2の形成面の方から第2の接続部材Bの導電性突起7を挿入したときに、導電性突起7の挿入方向に撓んだパッド部2がその復元力によって当該導電性突起7に圧接することによって2つの接続部材間の導通構造が形成されるので、このパッド部2は導電性を有することを必須の属性にするとともに弾力性が要求されるからである。このような材料としては、具体的には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、リン青銅、インコネル(商標)などの金属や、樹脂に導電性の粉末が分散している導電性樹脂組成物などを好適例とする。
パッド部の厚みは格別限定されるものではないが、良好な弾力性を発揮させるためには、あまり厚くない方がよく、上限は100μm程度に制限すべきである。パッド部として銅のめっき層、スパッタリングで形成したニッケル薄膜、更にはこれらを組合せた導体層を用いた場合、厚みが0.05μm程度であっても、良好な導電性と弾力性を示すので好適である。
図1で示した第1の接続部材Aを製造するに際しては、例えば片面銅張フィルムを用意し、その銅箔側の表面にフォトリソグラフィーとエッチング技術を適用して、パッド部2と導体回路パターン3の部分を残して他の銅箔部分をエッチング除去し、ついで、パット部2と反対側の表面から例えばレーザ光を照射してパッド部2の直下に貫通孔4を形成し、最後にパッド部2側の表面のうち小孔を形成すべき箇所以外をマスキングしたのち銅のエッチング処理を行なって貫通孔4と連通する小孔5を形成すればよい。化学エッチングやプラズマエッチングのプロセス技術を組合せれば、量産時の製造コストをはるかに低減することができる。
一方、第2の接続部材Bは、後述する電気・電子部品やプリント配線板などであって、その片面6aに形成された少なくとも1個(図3では3個)の導電性突起7と、この導電性突起7から引出されて所定のパターンで表面6aに配線された信号線の導体回路パターン8を備えている。
なお、この導電性突起7の配列パターンは、図1で示した第1の接続部材Aにおける貫通孔4の配列パターンと同じになっている。そして、これら導電性突起7の断面の大きさは、第1の接続部材Aの貫通孔4よりは小さく、小孔5よりは大きくなっている。また、この導体回路パターン8は第2の接続部材Bの表面6aに配線されずに、当該第2の接続部材Bの内部に埋設した状態で配線されていてもよい。
ここで、この第2の接続部材Bは第1の接続部材Aの相手材であって、例えば通常のリジッドなプリント配線板、各種の半導体モジュールや半導体素子、更には各種のセンサデバイスや表示デバイスなどである。また、第1の接続部材Aのようなフレキシブル基板であってもよい。
そして、これらのプリント配線板や電気・電子部品の所定表面に上記した導電性突起を形成することによって、この第2の接続部材Bが製造される。
この導電性突起の形成に際しては、例えば第2の接続部材Bの表面に表出しているランド部や端子部に、通常のめっき処理や電鋳を選択的に行なうことによりその箇所に導電材料を堆積して所定形状の突起を形成すればよい。逆に、第2の接続部材Bの表面に厚く堆積した導電材料の層に部分的なエッチング処理を行なって形成することもできる。
また、ワイヤボンディング技術を活用して形成したスタッドバンプも実用に供することができる。更には、導電ペーストを第2の接続部材の表面にスクリーン印刷することによっても、必要箇所に導電性突起を形成することができる。
そしてこれらの導電性突起は、第2の接続部材Bの表面6aに配線されている導体回路パターン8の上だけではなく、ビアホールの上などに形成することもできる。例えば第2の接続部材Bが薄い絶縁フィルムを基材とするフレキシブル基板である場合、図4で示したように、反対側の表面6bに形成した導体回路パターン8から絶縁フィルム1を貫通して表面6aに突出する導電性突起7を形成することができる。この構造にすると、製造した第2の接続部材Bにおける導電性突起7の機械的強度が高くなるので好適である。
また、図5で示したように、絶縁フィルム1を基材とするフレキシブル基板の導体回路パターン8の所定箇所に導電性突起7を突設し、更にカバーレイ6cをかけた構造の場合も、導電性突起7の機械的強度の向上を実現することができる。
更に、図6で示したように、多層リジッドプリント配線板におけるある内層回路から最上層の表面6aに導電性突起7を突設した第2の接続部材の場合も同様の効果が得られる。
本発明の電気接続構造を組立てるに際しては、第2の接続部材Bの導電性突起7のそれぞれを、パッド部2の形成面側から小孔5を介して第1の接続部材Aのパッド部2のそれぞれの直下に位置する貫通孔4に挿入すればよい。
その結果、図7で示したように、導電性突起7はパッド部2の小孔5を貫通して貫通孔4の中に挿入される。そしてこの過程で貫通孔4の上端部に位置するパッド部の張り出し部分は拡径して撓み、同時に絶縁フィルムもパッド部2に同期して撓み、それらの弾性によってパッド部2の張り出し部分が導電性突起7の腹部と圧接する。その結果、導電性突起7とパッド部2の間、すなわち、第1の接続部材Aと第2の接続部材Bの間では電気的な接続構造Cが形成される。そして、一方の接続部材の導体回路パターンを伝播してきた信号は、この電気接続構造Cを介して他方の接続部材に伝搬する。
このように、電気接続構造Cでは、図2で示したように、第1の接続部材Aに形成されている小孔5とパッド部2と貫通孔4で構成される箇所がメス端子部Aとして機能し、また第2の接続部材Bに形成されている導電性突起7がオス端子部Bとして機能する。
そして、この接続構造Cは、第1の接続部材Aのメス端子部Aにおけるパッド部2と第2の接続部材Bの導電性突起7が機械的に接触した構造になっているので、第1の接続部材Aを第2の接続部材Bから引き剥せば、この接続構造Cを解除することができる。そのとき、パッド部2は材料の弾性によって撓んだ状態からもとの位置に復元し、再度、メス端子部Aとしての使用が可能な状態に戻る。
本発明の電気接続構造において、その接続状態の信頼性、確実性を高めるために、第1の接続部材Aの前記したメス端子部Aと第2の接続部材Bの前記したオス端子部Bをそれぞれ次のような態様で形成しておくことが好ましい。
まず、図8で示した第1の接続部材Aのメス端子部Aの場合は、絶縁フィルム1の片面1aにパッド部2が形成され、そしてパッド部2に形成される小孔5と貫通孔4の平面視形状が同一になっている。
図9で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルム1の片面1aに形成されたパッド部2の小孔5が貫通孔4よりも小さくなっていて、パッド部2が貫通孔4の上端部に一部張り出している構造のメス端子部Aを有するものである。
図10で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルム1の他方の表面1bにもパッド部2が形成されていて、かつ小孔5と貫通孔4は同じ大きさになっている構造のメス端子部Aを有するものである。
図11で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルムの他方の表面1bにもパッド部2が形成され、かつ、上下面のパッド部2,2のそれぞれは貫通孔4の上下端部に一部張り出している構造のメス端子部Aを有するものである。
そして図12で示した第1の接続部材Aは、絶縁フィルム1の上面1aと下面1bにもパッド部2,2が形成され、貫通孔4の壁面4aにも例えば貴金属の無電解めっきを施して2つのパッド部2,2間で導通をとっている構造のメス端子部Aを有するものである。そして小孔5と貫通孔4は同じ大きさになっている。
これらの第1の接続部材において、例えば接続部材A,Aのように、絶縁フィルム1の両面にパッド部2,2を形成したものは、メス端子部Aとしての弾力性が高くなるので好適である。また、接続時の導電性の問題でいえば、接続部材Aのように貫通孔の壁面に耐食性の貴金属めっき処理を施したものが好適である。
なお、パッド部2に形成する小孔5の平面視形状は、後述するオス端子部Bである導電性突起7を挿入することができる形状であればよく、格別限定されるものではないが、例えば、図13で示したように、貫通孔4より小径の円形孔、図14で示したように、十文字形状をしたスリット孔、図15で示したように、円形孔と十文字スリット孔を組合せた孔、図16で示したように円形孔と三方スリット孔を組合わせた孔、図17で示したように、複数のスリット孔を中心を1つにして集合させた孔、図18で示したように、星型の孔、図19で示したように、平面視形状がムカデ形状をした孔などをあげることができる。
これら小孔のうち、例えば図14や図15で示したスリット孔は、ここに第2の接続部材Bの導電性突起7を挿入したときに、スリット孔周辺の4個の舌片部が撓んでパット部が導電性突起に確実に圧接して接続構造の導通性の信頼を高めることができると同時に、挿抜を反復しても良好な接続構造を維持することができるという点で好適である。更に、スリット孔の数を増加したり、図19で示したように、導電性突起との接触部の長さを長くすることにより、接続の信頼性を高めることができる。
一方、第2の接続部材Bにおけるオス端子部Bを構成する導電性突起7の形状は、第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入されたときに、パッド部2と確実に接触して導通がとれる形状であればよく、格別限定されるものではない。
例えば、図20で示したように、表面6aに対する立ち上がり角度(θ)が90°である柱状体、図21で示したように立ち上がり角度(θ)が鈍角になっている突起、図22で示したように台座の上にそれよりも小径の柱状体を重ね合せたような突起、図23で示したように頂部が基部よりも大きくなっている柱状突起、図24で示したように、中央部がくびれている柱状突起などを例示することができる。
これらのうち、接続部材B,B,Bのように、頂部の断面形状が基部の断面形状よりも大きくなっている導電性突起は、これを第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入したときに、メス端子部Aのパッド部2に対してアンカー効果を発揮して抜脱しにくくなるので好適である。そして、接続部材Bのような突起を形成する場合には、立ち上がり角度(θ)を65〜160°の範囲に設定することが好ましい。
表面6aを基点としたこれら導電性突起7の全体の高さは、70μm以上に設定することが好ましい。この高さが70μmより低い場合は、第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入されたとき、パッド部2との機械的接触を起こさなかったり、パッド部2との圧接状態が不充分になったりして、接続構造Cとしての接続信頼性が低下するからである。しかし、あまり高くすると、接続構造Cの低背化という目的を満たすことができなくなるので、最大でも700μm程度に規制すべきである。
なお、これら導電性突起7の断面形状も格別限定されるものではないが、例えば、菱形、四角形、三角形、多角形、円形などの形状をあげることができる。
このような導電性突起7の材料としては、メス端子部Aへの挿入時にパッド部2との間で摺動することになるので、耐摩耗性を確保するために、少なくともその表面が比較的硬質な金属または合金で構成されていることが好ましい。具体的には、銅、ニッケル、金、パラジウム、ロジウム、銀などをあげることができ、また例えば樹脂から成る軟質な芯体の表面に例えばニッケル、金、白金、ロジウム、パラジウム、銀、錫、はんだなどのめっき処理を施して表面だけを選択的に硬質化してもよい。逆に、カーボンや鉄などを含む導電性の塗料を塗布することも、信頼性を高める点で有効である。
なお、それぞれの接続部材におけるメス端子部Aとオス端子部B(導電性突起7)の面内配列に関しては、格別限定されるものではないが、例えば第1の接続部材Aのメス端子部Aをマトリックス状に2次元配列し、また第2の接続部材Bのオス端子部Bを上記したメス端子部Aの配列に対応するマトリックス状に2次元配列すると、小さい平面スペース内に多数の接続点を有する接続構造Cを形成することができるので、接続部の省スペース化という点で好適である。
例えば、メス端子部Aの径をいずれも60μm、ピッチを200μmとし、100行100列の2次元配列にすれば、20mm角の平面スペース内に、10000点の接続点を有する接続構造Cの形成が可能になる。
上記した第1の接続部材Aと第2の接続部材Bをそれぞれ後述するように変形して本発明の電気接続構造を組立てることにより、多彩な機能を発揮する電気・電子装置を製作することができる。以下に、それを詳細に説明する。
(1)コネクタ構造
図7で示した本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造の1例を図25に示す。
図25のコネクタ構造(1)においては、第2の接続部材Bの片面6aに形成された所定パターンで配列する導電性突起(オス端子部B)7を、第1の接続部材Aに形成され、貫通孔とパッド部と小孔から成るメス端子部Aに挿入して電気接続構造Cが形成されている。
例えば、導電性突起(オス端子部B)7は、直径0.15mm、高さ0.15mmで、ピッチ間隔を0.5mmにして、6行10列のマトリックス状に配列されている。一方、第1の接続部材Aには、直径0.125mmの貫通孔、直径0.25mmのパッド部、このパッド部の中心に直径0.1mmの小孔が形成されてメス端子部Aが導電性突起の場合と同じマトリックスの配列で形成されている。その場合、オス端子部Bとメス端子部Aで形成された60ピンの接続構造Cの形状は、縦6.0mm、横4.0mm、高さ0.3mmであり、占有面積は24mm2であり、全体の体積は7.2mm3であった。
なお、実際の接続作業においては、このコネクタ構造(1)は狭ピッチ多ピンであるにもかかわらず、容易にメス接続部Aとオス接続部Bの位置合わせができ、オス接続部Bのメス接続部Aへの挿入操作を円滑に行なうことができた。そして脱着作業も何の障害もなく円滑に行なえた。また、反復して挿抜することも容易であった。
一方、オスコネクタとメスコネクタを機械的に噛み合せた従来の60ピンコネクタ構造の場合、接続部の最小サイズは、縦3.5mm、横21mm、高さ1mm程度であり、占有面積は73.5mm2であり、全体の体積は73.5mm3である。
以上のことから明らかなように、本発明の電気接続構造Cを組込んだコネクタ構造(1)の場合、挿抜作業を円滑に行なうことができ、加えて従来の最小サイズのコネクタ構造に比べて大幅な低背化を実現しており、かつ省スペース化も実現している。
また、このコネクタ構造(1)における接続構造Cの信頼性評価試験を行なった。
(a)接続部の接触抵抗に及ぼす挿抜回数の影響
コネクタ構造(1)の挿抜操作を反復し、その都度、13個の接続点につき接続部の接触抵抗を測定した。その結果を13点の平均値として図26に示した。
図26から明らかなように、接触抵抗は0.05Ω以下と非常に小さく、200回の挿抜操作を反復しても、接触抵抗はほとんど増大しておらず、良好な導電性が確保されている。
(b)接続部の保持力に及ぼす挿抜回数の影響
コネクタ構造(1)の挿抜操作を反復し、その都度、接続部を解除するために必要な力(接続部の保持力)を測定した。その結果を図27に示した。
図27から明らかなように、最初の数10回の挿抜操作の反復では、接続部の保持力は若干低下するが、やがて安定化し、その後の挿抜操作を反復してもほとんど変化しておらず、信頼性の高い接続構造になっているといえる。
なお、接続部の保持力の初期段階における低下現象は、メス端子部とオス端子部がなじむための安定化プロセスであると考えられる。
(c)接続部の耐熱試験
コネクタ構造(1)を、温度120℃の環境下に保持したのち取り出して接続部の接触抵抗を測定した。その結果を、保持時間との関係図として図28に示した。
図28から明らかなように、温度120℃の環境に100時間保持しても、接続部の接触抵抗はほとんど変化しておらず、このコネクタ構造(1)は熱的に安定であることが判明した。
以上の試験結果から明らかなように、本発明の接続構造Cは、接触抵抗が小さく、挿抜操作を反復しても接触抵抗の増加がなく、また熱的にも安定であり、高い信頼性を備えている。
図29は別のコネクタ構造(2)を示す。
このコネクタ構造(2)の場合は、表面6aに形成された導電性突起7に加えて、表面6aと反対側の表面6bにも導電性突起7が形成されている第2の接続部材Bを用い、これら両面の導電性突起7のそれぞれを2枚の第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して、本発明の電気接続構造Cが形成されている。
このコネクタ構造(2)では、第2の接続部材Bがオス型のインターポーザとして機能している。
図30は更に別のコネクタ構造(3)を示す。
このコネクタ構造(3)では、1枚の第1の接続部材Aのメス端子部Aに2枚の第2の接続部材Bの導電性突起7を第1の接続部材Aの上面と下面からそれぞれ挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。
図31は別のコネクタ構造(4)を示す。
このコネクタ構造(4)は、図30のコネクタ構造(3)の変形例であるが、ここでは、第1の接続部材Aがメス型のインターポーザとして機能している。
図32に他のコネクタ構造(5)を示す。
このコネクタ構造(5)は、第1の接続部材Aを変形したフレキシブル基板を2枚用いて組立てられる。すなわち、第1の接続部材Aにおいてパッド部が位置する表面1aに導電性突起7が形成され、それぞれの導電性突起7を他方の第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。
この場合、それぞれの導電性突起7とメス端子部Aを縦横交互に千鳥状に配列しておくと、組立てられた接続構造Cにおける接続の信頼性を高めることができて好適である。
以上のコネクタ構造において、第1の接続部材Aのメス端子部を構成する貫通孔(とパッド部)をマトリックス状に配列し、また相手材である第2の接続部材Bの導電性突起も、上記したマトリックスに対応して配列しておくと、形成した接続構造Cが占有する平面スペースを大幅に小さくすることができ、省スペースの点で好適である。
なお、上記したコネクタ構造を解除する場合は、例えばフレキシブル基板である第1の接続部材Aを手動で引き剥がせばよい。
(2)フィルムケーブル構造
本発明の電気接続構造Cが組込まれているフィルムケーブル構造の1例を図33に示す。
このフィルムケーブル構造の場合、所定の配列パターンでメス端子部Aが形成され、同時に表面1aに同じ配列パターンで導電性突起7が形成されている複数(図33では3枚)の第1の接続部材A(長尺なフレキシブル基板)の各メス端子部Aに別の第1の接続部材Aの導電性突起(オス端子部B)を挿入して本発明の電気接続構造Cを形成することにより、各フレキシブル基板を長手方向に連結してケーブルにしている。
このケーブルにおける各接続部は低背であり、ケーブル全体としては極めて薄く可撓性である。また、いずれかの接続部材が断線した場合、ただちに手動で接続構造Cを解除し、そこにあらたな接続部材Aを接続してケーブルを復元することができる。
(3)その他の組立て構造体
表面に所定の回路パターンが配線されている回路基板に、本発明の電気接続構造Cを有する電子部品が表面実装された構造体の1例を図34に示す。
図34の構造体の場合、第2の接続部材Bとして、導電性突起7が形成されている表面6aと反対側の表面6bに例えばはんだバンプ電極8が形成されているものが用いられる。
そして、この第2の接続部材Bの導電性突起7を第1の接続部材Aであるフレキシブル基板のメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。そして、第2の接続部材Bのはんだバンプ電極8が、回路基板9のランド部9aに例えばリフロー処理によって接合されて、電気接続構造Cを含む部品が表面実装されている。
この構造体の場合、低背化した接続構造Cを実現することができ、しかも例えばメス端子部Aと導電性突起7の配列をマトリックス状に2次元化すれば、接続部の大幅な省スペース化を実現することができる。したがって、回路基板9への表面実装作業に余裕が生まれ、また従来に比べて多くの部品実装が可能となる。そして、第1の接続部材Aは着脱自在であるため、その第1の接続部材Aとして、それぞれが各種の機能を発揮するフィルム回路基板を用いることにより、この構造体に必要に応じて各種の機能を発揮させることができる。
図35は、図34で示した第2の接続部材Bに代えてフレキシブル基板である第1の接続部材Aを用いて組立てた構造体の1例を示す。
この構造体では、パッド部とは反対側の表面1bに例えばはんだバンプ電極8が形成された第1の接続部材Aが用いられている。そして片面に導電性突起7が形成されているフレキシブル基板を第2の接続部材Bとし、その導電性突起7を第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成され、その全体ははんだバンプ電極8を介して回路基板9のランド部9aに表面実装されている。
図36は、本発明の電気接続構造Cを介してICチップが表面実装された構造体の1例を示す。
この構造体では、第2の接続部材BとしてICチップ10が用いられる。そして第1の接続部材Aとしては、図35の場合と同様に、パッド部とは反対側の表面1bに例えばはんだバンプ電極8が形成されている第1の接続部材Aであるフレキシブル基板が用いられる。
ICチップ10の片面の例えばランド部には、既に説明した第2の接続部材Bにおける導電性突起7が形成されていて、この導電性突起7を第1の接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cが形成されている。そして全体は、はんだバンプ電極8を介して回路基板9のランド部9aに表面実装されている。
この構造体の場合、ICチップ10は着脱自在の状態にあるため、例えばICチップ10が故障した場合にはそれを取り外し、導電性突起が取りつけられた新たなICチップで代替することができる。
図37は、本発明の電気接続構造Cが組込まれている多層回路基板構造体(図では3層回路基板)の1例を示す。
この構造体は、3枚の第1の接続部材(フレキシブル基板)Aを用いて組立てられている。それぞれの接続部材Aには所定の回路パターン1cが配線されていて、それ自体がフレキシブルな回路基板になっている。そして、図示した2枚の接続部材A(上層の2枚)の場合は、それぞれの回路パターン1cと電気的に接続して導電性突起7が形成されている。しかし、図示の構造体では、最下層の接続部材Aに導電性突起は形成されていない。
そしてこの構造体は、各接続部材Aの導電性突起7を下層に位置する接続部材Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cを形成することにより、各接続部材Aを順次積層して組立てられている。
この構造体は、薄い各第1の接続部材Aを単位基板とし、それを機械的に積層して製作した多層回路基板である。図では3層構造を示したが、同様の構造の第1の接続部材Aを用いてそれらを順次積層することにより、更なる層数の多層回路基板に組立てることができる。
また、各単位基板(第1の接続部材)は着脱自在な状態になっているので、ある単位基板に支障が生じた場合でも、簡単にそれを新しい単位基板と代替することができる。
図38は、本発明の電気接続構造Cが組込まれたスタックドパッケージ構造体の1例を示す。
この構造体は、次のようなフレキシブル基板を用いて組立てられる。すなわち、図39で示したように、絶縁フィルム1として、その周縁部1dにパッド部を含めたメス端子部Aおよび/または導電性突起7が形成され、絶縁フィルム1の中央部1eには半導体素子の実装領域が形成されているフレキシブル基板が用いられる。そして、図39の仮想線で示したように、この中央部1eに所定の半導体素子11が表面実装されている。
図38で示した構造体は、半導体素子11が表面実装された図39のフレキシブル基板(第1の接続部材)Aの導電性突起7を下層に位置するフレキシブル基板Aのメス端子部Aに挿入して本発明の電気接続構造Cを順次形成し、各フレキシブル基板Aを積層して組立てられる。
この構造体は、各基板それ自体が薄く、また各接続部が低背化しているので、全体としても非常に薄くなっており、また接続部のメス端子部Aとオス端子部(導電性突起)7の配列をマトリックス状に2次元化することにより省スペース化も実現することができる。
そして、各層の半導体素子11が故障した場合であっても、それが実装されているフレキシブル基板Aのみを取り外し、新規な基板に取り替えることができる。
図40は、本発明の電気接続構造Cにおける第2の接続部材Bの1例を示す。
この接続部材Bは、基材としてフレキシブル基板が用いられ、その片面6aに導電性突起7がマトリックス状に配列されている。そして、片面6aの4隅には、柱状ガイド12a,12aと穴付柱状ガイド12b,12bが配設されている。
この接続部材の相手材である第1の接続部材(図示しない)には、前記マトリックス状の導電性突起と対応する位置に既に説明したメス端子部が形成されていると同時に、上記した柱状ガイドと穴付き柱状ガイドに対応する表面位置には、これらガイドを受け入れるメス型のガイドが形成されている。
そして、接続構造の組立てに際しては、接続部材Bの上記した柱状ガイド12a,12aと穴付き柱状ガイド12b,12bを相手材である第1の接続部材のメス型ガイドに嵌合したのち、全体を押圧して導電性突起7を第1の接続部材のメス端子部に挿入して目的とする接続構造にする。
このように、この接続部材Bにおける柱状ガイドや穴付き柱状ガイドを設けることにより、導電性突起とメス端子部の位置合わせを円滑に進めることができる。とくに、接続構造の組立てを自動化で行なう場合には、接続部材Bにこのような柱状ガイドや穴付き柱状ガイドを設けておくことが好適である。
図41は、第2の接続部材の他の例を示す。
この接続部材は、図40で示した接続部材における柱状ガイドや穴付き柱状ガイドに代えて、マトリックス状に配列されている導電性突起7を取り囲んで配設されたガイドウォール13を備えている。そして、相手材である第1の接続部材には、このガイドウォール13を受け入れる凹溝が形成されている。
このガイドウォール13も、接続構造の組立て時に、各接続部材の位置合わせを円滑に進める手段として機能する
本発明の電気接続構造の組立てに用いる第1の接続部材の1例Aを示す部分切欠斜視図である。 図1のII−II線に沿う断面図である。 本発明の電気接続構造の組立てに用いる第2の接続部材の1例Bを示す部分切欠斜視図である。 第2の接続部材Bの別の例を示す断面図である。 第2の接続部材Bの更に別の例を示す断面図である。 第2の接続部材Bの他の例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造の1例を示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 第1の接続部材の1例Aを示す断面図である。 パッド部の1例を示す平面図である。 パッド部の他の例を示す平面図である。 パッド部の別の例を示す平面図である。 パッド部の1例を示す平面図である。 パッド部の他の例を示す平面図である。 パッド部の別の例を示す平面図である。 パッド部の更に別の例を示す平面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 第2の接続部材の1例Bを示す断面図である。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(1)を示す断面図である。 接続構造の接触抵抗と挿抜回数の関係を示すグラフである。 接続構造の保持力と挿抜回数の関係を示すグラフである。 温度120℃の環境下で接続構造を保持したときに接続構造の接触抵抗の経時変化を示すグラフである。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(2)を示す断面図である。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(3)を示す断面図である。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(4)を示す断面図である。 本発明の電気接続構造Cが組込まれているコネクタ構造(5)を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれているフィルムケーブル構造の1例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれている構造体の1例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれている構造体の別の例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれている構造体の更に別の例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれているフレキシブル多層回路基板構造体の1例を示す断面図である。 本発明の電気接続構造が組込まれているスタックドパッケージ構造体の1例を示す断面図である。 図38のスタックドパッケージ構造の組立てに用いるフィルム回路基板の1例を示す断面図である。 第2の接続部材の1例を示す斜視図である。 第2の接続部材の他の例を示す斜視図である。
符号の説明
A,A,A,A,A,A 第1の接続部材
メス端子部

B,B,B,B,B,B, 第2の接続部材
オス端子部
C 電気接続構造
1 絶縁フィルム
1a 絶縁フィルム1の片面
1b 絶縁フィルム1の他方の表面
1c 回路パターン
1d 絶縁フィルム1の周縁部
1e 絶縁フィルム1の中央部
2 パッド部
3 導電回路パターン
4 貫通孔
5 小孔
6a 第2の接続部材Bの表面
6b 第2の接続部材Bの反対側の表面
6c カバーレイ
7 導電性突起
8 導電回路パターン
9 回路基板
9a ランド部
10 ICチップ
11 半導体素子
12a 柱状ガイド
12b 穴付柱状ガイド
13 ガイドウォール

Claims (12)

  1. 電気接続構造であって、前記電気接続構造は、
    可撓性を有する絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの少なくとも片面に形成された少なくとも1個の導電性のパッド部と、前記パッド部の縁部から引出されている導体回路パターンと、前記パッド部の面内で前記絶縁フィルムの厚み方向に形成された貫通孔と、前記貫通孔と連通して前記パッド部の面内に形成された小孔とを備えたフレキシブル基板を第1の接続部材とし、
    前記第1の接続部材の前記貫通孔に、
    内部または表面に形成された導体回路パターンと電気的に接続する導電性突起が少なくとも片面に形成されている第2の接続部材の前記導電性突起が前記パッド部の前記小孔を介して挿入されて、
    前記パッド部と前記導電性突起が機械的に接触した構造になっている。
  2. 請求項1の電気接続構造において、
    前記パッド部が導電性と弾力性を備えた材料で形成されている。
  3. 請求項2の電気接続構造において、
    前記パッド部の前記材料が、銅、ニッケル、ステンレス鋼、リン青銅、インコネル、または導電性樹脂組成物である。
  4. 請求項1の電気接続構造において、
    前記小孔の大きさが、前記導電性突起の断面の大きさよりも小さい。
  5. 請求項4の電気接続構造において、
    前記小孔の平面視形状が円形、多角形またはスリット形状である。
  6. 請求項1の電気接続構造において、
    前記パッド部はマトリックス状に2次元配列して形成され、かつ前記導電性突起も、前記パッド部の配列に対応するマトリックス状に2次元配列して形成されている。
  7. 請求項1の電気接続構造において、
    前記導電性突起の立ち上がり角度が65〜160°である。
  8. 請求項7の電気接続構造において、
    前記導電性突起の断面形状は、上部の方が下部よりも大きくなっている。
  9. 請求項1の電気接続構造において、
    前記第2の接続部材が、前記第1の接続部材の構造を有する前記フレキシブル基板の片面または両面に導電性突起が形成されているフレキシブル基板である。
  10. 請求項1の電気接続構造において、
    前記第1の接続部材の片面または両面にも、導電性突起が形成されている。
  11. 請求項1の電気接続構造において、
    前記第1の接続部材の表面のうち、前記パッド部が形成されている表面と反対側の表面、または前記第2の接続部材の表面のうち、前記導電性突起が形成されている表面と反対側の表面に、バンプ電極が形成されている。
  12. 請求項1の電気接続構造において、
    前記第1の接続部材および前記第2の接続部材がいずれも前記第1の接続部材であるフレキシブル基板であって、前記パッド部が形成されている表面と反対側の表面に前記導電性突起が形成され、かつ前記パッド部と前記導電性突起はいずれも前記フレキシブル基板の周縁部に配置され、前記フレキシブル基板の中央部には半導体素子の実装領域が形成されている。
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