JP2005223054A

JP2005223054A - フレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法

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Publication number: JP2005223054A
Application number: JP2004027995A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Yamada; 剛志山田; Shoji Mimura; 彰治味村; Takashi Saito; 隆斉藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】超音波接合方法によってＦＰＣの端子部と他の配線基板の端子部とを金属接合する場合に、少なくともＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層を除去する必要がなく製造コストを大幅に低減できるようにすること、また、超音波を前記端子部の樹脂絶縁層上から直接印加しても、端子部の接合強度が十分であると共に電気的特性にも優れたものとすること、さらにＦＰＣの接続相手となる配線基板は、リジット配線基板や単層、多層等の種々の配線基板に適用できるようにすることにある。
【解決手段】ＦＰＣの端子部と他の配線基板の端子部とを重合わせた後、超音波によって前記端子部を金属接合させる超音波接合方法において、少なくともＦＰＣの端子部に純度９９．９％以上の金めっき層を形成し、ついで、少なくとも前記ＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層上から超音波を印加するＦＰＣの端子部の超音波接合方法とすることによって、解決される。
【選択図】図１

Description

本発明はフレキシブル配線基板の端子部と、他の配線基板の端子部との超音波接合方法に関するものである。

最近の電子機器ではその小型化や軽量化に伴い、部品の実装性に優れたリジッド配線基板（ＲＰＣ）と、屈曲性に優れたフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）の長所を併せ持つリジット・フレックス複合配線基板（ＲＦＣ）が多用されるようになってきた。しかしながら、このＲＦＣは製作工程が複雑であるためコストダウンが難しいと共に、ＲＰＣのリジット部の層数をそろえる必要があるなど、設計上の問題もあった。また従来ＲＰＣとＦＰＣの接続は、コネクタ接続や半田接合が行われている。しかしながら、前記コネクタ接続においてはコネクタスペースが確保し難くなったり、小型化のための狭ピッチ化が困難となってきた。また半田付け方法においては、接合部の耐熱性の問題やブリッジによる短絡の発生が問題となってきた。

このような問題点を解決する技術が特許文献１に記載されている。すなわち、金属配線を有し、前記金属配線の少なくとも一部表面に金属被膜が露出されたフレキシブル基板素片と、表面に金属被膜が形成された金属突起を有するフレキシブル基板素片とを貼り合わせ、多層構造のフレキシブル配線板を製造するフレキシブル配線板の製造方法であって、前記金属配線上の金属被膜と前記金属突起表面の金属被膜のうち、いずれか一方又は両方の金属被膜の表面を、ビッカース硬度８０ｋｇｆ／ｍｍ^２以下の軟質金属被膜（ニッケル被膜、金被膜、白金被膜、銀被膜、パラジウム被膜等）で構成させておき、前記接続部の金属被膜と前記金属突起表面の金属被膜とを接触させた状態で超音波を印加し、前記金属配線と前記金属突起とを接続させる方法である。しかしこのような超音波接続方法においては、端子部の樹脂絶縁層を除去する必要がある等作業工程が複雑であり、コストアップ要因となる。

また超音波接合を行なう場合に、接続する端子部の絶縁層を除去せずに行なう方法も特許文献２に開示されているが、単に絶縁層上から超音波接合を行なう場合には、大きな荷重を掛けかつ超音波の振福を大きくしないと接合しないので、ホーンが当っているＦＰＣの絶縁層および銅箔が損傷を受け易くなり、超音波接合部が破壊される問題があった。そこで本発明者等はフレキシブル配線基板の端子部の絶縁層を除去しなくても、端子部の接合強度が十分得られる超音波接合方法について検討した。
特開２００１−１４４２０６号公報特開２００１−７５１１号公報

よって本発明が解決しようとする課題は、超音波接合方法によってフレキシブル配線基板の端子部と他の配線基板の端子部とを金属接合する場合に、少なくともフレキシブル配線基板の端子部の樹脂絶縁層を除去する必要がなく製造コストを大幅に低減できるようにすること、また、超音波を前記端子部の樹脂絶縁層上から直接印加しても、端子部の接合強度が十分であると共に電気的特性にも優れたものとすること、さらにフレキシブル配線基板の接続相手となる配線基板は、リジット配線基板や単層、多層等の種々の配線基板に適用できるようにすることにある。

前記解決しようとする課題は、請求項１に記載されるように、フレキシブル配線基板の端子部と他の配線基板の端子部とを重合わせた後、超音波によって前記端子部を金属接合させる超音波接合方法において、少なくともフレキシブル配線基板の端子部に純度９９．９％以上の金めっき層を形成し、ついで、少なくとも前記フレキシブル配線基板の端子部の樹脂絶縁層上から超音波を印加するフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法とすることによって、解決される。

また請求項２に記載されるように、前記金めっき層の厚さが、０．１〜１．０μｍであるフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法とすることによって、解決される。

さらに請求項３に記載されるように、前記金めっき層は、前記端子部上に直接或いは他の金属めっき層を介して設けられるフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法とすることによって、解決される。

さらには請求項４に記載されるように、前記超音波接合方法において、少なくともフレキシブル配線基板の端子部の樹脂絶縁層上に配置するホーンとその反対側に位置するアンビルとからなり、かつ前記ホーン並びにアンビルの表面には０．０１〜１．０ｍｍの微細な凹凸が形成されているフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法とすることによって、解決される。

フレキシブル配線基板（以下ＦＰＣ）の端子部と他の配線基板の端子部とを重合わせた後、超音波によって前記端子部を金属接合させる超音波接合方法において、少なくともＦＰＣの端子部に純度９９．９％以上の金めっき層を形成し、ついで、少なくとも前記ＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層上から超音波を印加するＦＰＣの端子部の超音波接合方法とすることによって、得られた配線基板の端子部の接合強度（プル強度並びに９０°ピール強度として）が十分実用的なものとなり、またＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層を除去する必要がないので、複雑な製造工程が省略でき製造コストを大幅に低減できる。さらにＦＰＣの接続相手となる配線基板は、リジット配線基板や単層、多層等の種々の配線基板に適用できるようになり、有用な超音波接合方法である。

さらに前記金めっき層の厚さが、０．１〜１．０μｍであるＦＰＣの端子部の超音波接合方法とすることによって、さらには前記金めっき層を前記端子部上に直接或いは他の金属めっき層を介して設けることによって、得られた配線基板の端子部の接合強度（プル強度並びに９０°ピール強度として）が十分実用的なものとなり、また超音波接合方法とし実際的なものとなり有用である。

また前記超音波接合方法において、少なくともフレキシブル配線基板の端子部の樹脂絶縁層上に配置するホーンとその反対側に位置するアンビルとからなり、かつ前記ホーン並びにアンビルの表面には０．０１〜１．０ｍｍの微細な凹凸が形成されているフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法とすることにより、より好ましい超音波接合方法とすることができる。すなわち、得られた配線基板の端子部の接合強度（プル強度並びに９０°ピール強度として）をより確実なものとすることができる。

以下に本発明を詳細に説明する。請求項１に記載される発明は、ＦＰＣの端子部と他の配線基板の端子部とを重合わせた後、超音波によって前記端子部を金属接合させる超音波接合方法において、少なくともＦＰＣの端子部に純度９９．９％以上の金めっき層を形成し、ついで、少なくとも前記ＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層上から超音波を印加するＦＰＣの端子部の超音波接合方法であり、このような超音波接合方法とすることによって、前記端子部の樹脂からなる絶縁層を除去する必要がなくなり、端子部の接合強度も強固なものとすることができる。よって複雑な工程を必要とする樹脂絶縁層の除去工程がないので、製造コストを大幅に低減できることになり好ましい。

図１に基づいて、ＦＰＣの端子部と他の配線基板の端子部どうしの超音波接合方法について説明する。１はＦＰＣの端子部であり、銅配線１１とポリイミド樹脂（ＰＩ）１２から構成されている。また２はリジッド配線基板（ＲＰＣ）の端子部を示すもので、銅配線２１とポリイミド樹脂（ＰＩ）２２の場合を示している。そして、前記端子部１と２の接合する部分の少なくともＦＰＣの端子部１には、金めっき層３が施される。この例では、ＦＰＣ端子部１の銅配線１１並びにＲＰＣの端子部２に純度が９９．９％以上の金めっきが施された場合を示している。このように端子部１および２の両方に金めっき層３、３′を施した方が、超音波接合がより良好に行なわれ好ましい。そしてＦＰＣの端子部１側のＰＩ１２直上には、超音波を伝達するホーン４が荷重（圧力）を掛けて配置されている。この荷重は、ＦＰＣを固定して振動を伝達させるためで、０．１〜１０ｋｇｆ／ｍｍ^２（０．９８０〜９８．０６６ＭＰａ）程度の荷重が加えられる。またその反対側の位置には、すなわちＲＰＣの端子部２のＰＩ２２に当接してアンビル５が配置される。なお、前記ホーンはＦＰＣ側の絶縁層上に配置する場合のみではなく、その他の配線基板側にも配置する方法によっても同様の効果が得られる。その場合もアンビルは、通常その他の配線基板側に位置される。

そして前記ホーン４およびアンビル５は、請求項４に記載されるように、ＰＩ１２並びにＰＩ２２と当接する部分に、例えばローレット加工により微細な凹凸を形成することにより、超音波エネルギーをより効率的に伝達することが可能となる。この理由は、凸部の下で圧力が高くなりＦＰＣを固定して振動が伝達され易くなるためと考えられる。通常凹凸は０．０１〜１．０ｍｍ程度のピッチで形成したものが好ましい。このようなホーン４並びにアンビル５を使用することにより、端子部の接合強度はより強固に確実なものとなる。ついでＦＰＣの端子部１のＰＩ１２上から必要なエネルギーの超音波を印加して、前記端子部１、２どうしが金属接合される。なお超音波接合の条件としては、振幅１０〜３０μｍ、周波数４０ＫＨｚ程度であれば十分である。

また、前記金めっき層３の純度は９９．９％以上であることが必要である。これは以下の実験によって求められたもので、表１に示すように金めっきの純度が大きく影響することがわかる。すなわち表１から明らかなとおり、純度９９．９％以上の金めっき層を設けた場合に、ＰＩの樹脂層上から超音波を印加しても十分に効果があることがわかる。すなわち、ＦＰＣの銅端子部１に３種類の金めっき層３をそれぞれ厚さ約０．７μｍで直接形成し、同様に金めっき層が形成された他のＦＰＣの銅端子部２と重合わせた後、ＰＩ１２絶縁層上から超音波を印加した。超音波の条件は、ホーン４の荷重が０．８ｋｇｆ／ｍｍ^２（７．８４５３ＭＰａ）、振幅１０μｍ、周波数４０ＫＨｚ、時間１．０ｓｅｃである。このようにして接合した端子部について、プル（ｐｕｌｌ）強度と９０°ピール（ｐｅｅｌ）強度を測定したものである。表１に記載したように９９．９％以上の金めっきを施した場合に、プル強度が５６．８Ｎ、９０°ピール強度が１０Ｎ／ｃｍ以上と向上した。これは、９９．９％以上の金めっきでは、めっき層の硬度が低くなるため超音波の印加時に接合界面の塑性変形が発生し、結果として接合面積が大きくなったためと考えられる。これに対して、９９％以上で９９．９％未満の金−コバルトめっきでは、プル強度が１４．２Ｎ、９０°ピール強度が０．４Ｎ／ｃｍ、９８％以上で９９％未満の金−コバルトめっきでは、プル強度が４．１Ｎ、９０°ピール強度が０．２Ｎ／ｃｍと、接合の強度が小さかった。

以上のような本発明に因れば、ＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層上から行なうことが可能な、ＦＰＣの端子部と他の配線基板の端子部との超音波接合方法とすることができる。このような超音波接合方法とすることによって、少なくともＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層を除去する必要がないので、従来の樹脂絶縁層を除去するという複雑な製造工程が省略でき、製造コストを大幅に低減することができる。基本的には、その他の配線基板の端子部の樹脂絶縁層も除去する必要もない。そして得られた超音波接合部の接合強度は、十分に実用的な強度（プル強度並びに９０°ピール強度）のものである。

なお前記他の配線基板としては、ガラスエポキシ樹脂基板、セラミック基板等のＲＰＣやＦＰＣ、さらに多層のプリント配線基板やＦＰＣ等に対応できる。例えば多層ＦＰＣと片面ＦＰＣの長所を兼ね備えたフレックスリジッド配線基板とすることができる。このように、ＦＰＣの端子部とその他の配線基板の端子部とを、端子部の樹脂絶縁層上から直接超音波接合することができるので実用的である。また得られた接合部は、実用的な接合強度が得られると共に、接続抵抗が小さい電気的特性的にも良好なものとなる。

また前記金めっき層は、請求項２に記載されるように、０．１〜１．０μｍであるＦＰＣの端子部と他の配線基板の端子部との超音波接合方法とすることによって、ＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層を除去することなく直接超音波接合ができるようになり、また得られた超音波接合部の接合強度を十分に実用的な強度とすることができる。そして、前記のような金めっき厚さとするのは、めっき厚さが０．１μｍ未満であると金めっき層にピンホールが生じて下地の銅が露出し易くなり、その部分の銅に酸化物が存在するために接合を阻害するものと考えられる。また１．０μｍについては、これ以上厚くしてもプル強度の変化は余りないので、コスト的に不利となるのでこの程度で十分である。

実験結果を示す図２の金めっき厚さとプル強度の関係を表したグラフに見られるように、純度９９．９％以上の金めっき層の厚さは０．１μｍ程度あれば、プル強度が２０Ｎ程度となり接合部の強度としては十分であることがわかる。そして、前記プル強度は金めっき層が厚くなると同時に急激に大きくなり、５０Ｎ程度となる。その後は、金めっき厚さが３μｍ程度となっても余り変化は見られない。すなわち１．０μｍ程度の厚さとすれば、ＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層を除去することなく、得られた超音波接合部の接合強度を十分に実用的なものとできる。なお前記実験は、ＦＰＣの銅端子部上に直接純度が９９．９％以上の金めっきを種々の厚さに施し、相手方となる同様のＦＰＣの銅端子部にも金めっき層を施して重合わせた後、超音波条件として、ホーン４の荷重が０．８ｋｇｆ／ｍｍ^２（７．８４５３ＭＰａ）、振幅１０μｍ、周波数４０ＫＨｚ、時間１．０ｓｅｃで超音波を印加して接合した接合部について、プル強度を測定したものである。

また前記金めっき層は請求項３に記載されるように、前記端子部上に直接或いは他のめっき層を介して設けられるＦＰＣの端子部と、他の配線基板の端子部との超音波接合方法としても、十分に効果が得られることが確認された。すなわち、ＦＰＣやＲＰＣの端子部に種々の金属めっき層が施されていても、本発明の超音波接合方法を適用することができ、接合強度も十分に実用的なものとなる。具体的なめっき層としては、ニッケルめっき、白金めっき、銀めっき、パラジウムめっき、コバルトめっき等の上に施しても良い。

実験結果を表２に示す。すなわち、ＦＰＣの銅端子部上に厚さ４μｍニッケルめっきを施し、さらにその上に厚さ０．７μｍの純度が９９．９％以上の金めっき層を設けた。他の配線基板として、同様にニッケルめっき、金めっきを施したＦＰＣからなる端子部と重合わせた後、超音波条件として、ホーン４の荷重が０．８ｋｇｆ／ｍｍ^２（７．８４５３ＭＰａ）、振幅１０μｍ、周波数４０ＫＨｚ、時間１．０ｓｅｃで超音波を印加して接合した。その接合部について、プル強度（Ｎ）並びに９０°ピール強度（Ｎ／ｃｍ）を測定した。表２の結果から明らかなとおり、純度９９．９％以上の金めっき層を施した場合には、プル強度並びに９０°ピール強度は銅表面に直接めっきしたものと遜色のないものであった。これに対して、純度９９％以上で９９．９％未満や９８％以上で９９％未満の金−コバルトめっきの場合には、プル強度並びに９０°ピール強度が、銅表面上に直接めっきした場合と同様に前記強度が小さくなっている。以上のように本発明の超音波接合方法によれば、ＦＰＣの端子部の樹脂を除去する必要がなく製造コストを大幅に低減できることになる。また、得られた超音波接合部の接合強度は十分に実用的な強度のものが得られる。さらに、ＦＰＣの接続相手となる配線基板は、種々のＲＰＣや多層の配線基板に適用でき実用的である。

以上説明したとおり、本発明の超音波接合方法によればＦＰＣとＲＰＣ等の端子部の超音波接合を、前記端子部の樹脂絶縁層を除去することなく超音波接合することができるので、樹脂絶縁層の除去という複雑な工程を必要とせず大幅に製造コストを低減できることになり有用な方法である。また、接合状態も金属接合が十分行われているため接合強度も実用的に十分満足する強度となると共に、電気的特性も十分である。また本発明の超音波接合方法では端子部の直上に金めっきする場合だけでなく、他の金属めっきを介して行っても同様の効果が得られるので、十分実用的な方法である。さらに超音波接合機のホーンもＦＰＣ側の絶縁層上に配置する場合のみではなく、その他の配線基板側にも配置する方法によっても同様の効果が得られる。さらにホーンおよびアンビルは、ＦＰＣ並びにその他の配線基板の樹脂絶縁層に当接する部分に、微細な凹凸が形成されたものであるから超音波の伝達をより有効に行なうことができ、より十分な接合強度の接合部が得られ好ましいものである。

以上説明した超音波接合方法によれば、配線基板の端子部の樹脂絶縁層上から直接超音波接合を行なうことができるので、前記樹脂絶縁層を除去する必要がなく製造コストを大幅に低減でき、実際的なＦＰＣの端子部の超音波接合方法として有用である。

図１は、本発明の超音波接合方法の概略断面図である。図２は、金めっき層の厚さとプル強度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ＦＰＣの端子部
１１銅配線
１２ＰＩ絶縁層
２ＲＰＣの端子部
２１銅配線
２２ＰＩ絶縁層
３、３′ 金めっき層
４ホーン
５アンビル

Claims

フレキシブル配線基板の端子部と他の配線基板の端子部とを重合わせた後、超音波によって前記端子部を金属接合させる超音波接合方法において、少なくともフレキシブル配線基板の端子部に純度９９．９％以上の金めっき層を形成し、ついで、少なくとも前記フレキシブル配線基板の端子部の樹脂絶縁層上から超音波を印加することを特徴とするフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法。
前記金めっき層の厚さが、０．１〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１に記載するフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法。
前記金めっき層は、前記端子部上に直接或いは他の金属めっき層を介して設けられることを特徴とする請求項１または２に記載するフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法。
前記超音波接合方法において、少なくともフレキシブル配線基板の端子部の樹脂絶縁層上に配置するホーンとその反対側に位置するアンビルとからなり、かつ前記ホーン並びにアンビルの表面には０．０１〜１．０ｍｍの微細な凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載するフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法。