(57)【要約】【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せずに、強固な金属接合強度が得られ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の端子部の樹脂絶縁層上から超音波接合を行うと同時に、レーザ光を照射する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
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の樹脂絶縁層上から超音波接合を行うと同時に、レーザ光を照射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。
【請求項２】
請求項１に記載のフレキシブル配線基板の端子部の超音波接合方法において、超音波接合前に前記端子部の銅配線を還元処理しておく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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフレキシブル配線基板の端子部と、他の配線基板等の端子部との超音波接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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（以下ＲＰＣ）と、屈曲性に優れたフレキシブル配線基板（以下ＦＰＣ）の長所を併せ持つリジッド・フレックス複合配線基板（以下Ｒ・ＦＰＣ）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、Ｒ・ＦＰＣのリジッド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。
【０００３】
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／ｍｍ２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う場合に、接続する端子部の絶縁層を除去せずに行う方法も特許文献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。さらにレーザ溶接技術としてＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザが、半導体や電子部品のトリミング、穴あけ、シーム溶接等に用いられているが、ＦＰＣの端子部と、他の配線基板等の端子部との超音波接合方法に適用することはいまだ知られていない。
【特許文献１】特開２００１−１４４２０６号公報
【特許文献２】特開２００１−７５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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せずに、強固な金属接合強度が得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、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の端子部の樹脂絶縁層上から超音波接合を行うと同時に、レーザ光を照射する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。
【０００６】
また請求項２に記載されるように、請求項１に記載のＦＰＣの端子部の超音波接合方法において、超音波接合前に前記端子部の銅配線を還元処理しておく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。
【発明の効果】
【０００７】
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の端子部の樹脂絶縁層上から超音波接合を行うと同時に、レーザを照射するＦＰＣの端子部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。また得られたＲ・ＦＰＣの端子部の金属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なる。さらにＦＰＣの接続相手となる配線基板は、ＲＰＣ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、実用的な超音波接合方法である。
【０００８】
また、ＦＰＣの端子部の超音波接合方法において、超音波接合前に前記端子部の銅配線を還元処理しておくことによって、前述の効果に併せて前記金属接合強度をより強固なものとすることができ好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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の端子部の樹脂絶縁層上から超音波接合を行うと同時に、レーザ光を照射するＦＰＣの端子部の超音波接合方法である。
【００１０】
図１に基づいて説明する。１はＦＰＣの端子部であり、銅配線１１とポリイミド樹脂（以下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とガラスエポキシ樹脂層２２の場合を示している。そして通常ＦＰＣの端子部１側のＰＩ１２の直上には、超音波を伝達するホーン３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／ｍｍ２（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のガラスエポキシ樹脂層２２に当接してアンビル４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。このようにして超音波が印加された状態の接合部５には、レーザ光照射ユニット６からレーザ光が同時に照射される。このレーザ光は、通常図に示すように斜め方向から機械的に接合部５の幅方向に走査させながら照射し、接合部５全体に熱が加わるようになっている。そしてレーザとしては、ＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザが使用される。
【００１１】
また超音波の印加は、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の端子部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、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。このように本発明は、ＦＰＣの端子部の樹脂絶縁層上から行うことが可能であり、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である。このように、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いので、従来方法のように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。
【００１２】
そして、レーザ光としてはＹＡＧレーザを用い、その照射条件を、照射エネルギー０．０５〜０．４５Ｊ／ｐｕｌｓｅ、パルス幅が０．１５〜１．５ｍｓ、繰返しが５０〜６００ｐｐｓ、スポット径が０．１〜１．０Φｍｍ、照射時間が０．１〜２．０ｓｅｃで、焦点からのずらし距離が１０〜３０ｍｍ程度とするのが、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。また得られたＲ・ＦＰＣの端子部の金属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なる。さらにＦＰＣの接続相手となる配線基板は、ＲＰＣ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、実用的な超音波接合方法とすることができる。すなわち、ＹＡＧレーザを用いることによって超音波エネルギーの他に熱エネルギーが加わり、ＦＰＣの端子部に接合のための熱が十分に伝達され、また樹脂被覆層にダメージを与えることなく目的の接合部を得ることができることになる。
【００１３】
このような条件は、以下の実験によって確認された。すなわち、端子ピッチがＬ／Ｓ＝０．１／０．２のＦＰＣの端子部１の銅配線１１に半田めっきを施し、端子ピッチがＬ／Ｓ＝０．２／０．１のＲＰＣの端子部２の銅配線２１を１ｍｍ程度重ね合せた後、この接合部５にレーザ光ユニット６からレーザ光を、斜め方向から機械的に接合部５の幅方向に走査させながら照射して、端子部の温度が上昇して半田が溶解するか否かを観測した。より詳細に説明すると、まずレーザ光の焦点を接合部５に合わせこれを０ｍｍとし、そこから距離を少しずつ接合部５から遠ざけて焦点をずらして行った場合に、焦点のずらし距離がどの程度までであれば半田を溶融できるか、また樹脂被覆層にどのようなダメージがあるかを観察したものである。そして半田の溶融状態を、端子部全体で溶融が見られる場合を○印、端子部の一部に溶融が見られる場合を△印、溶融が全く見られない場合を×印で記載した。また端子部の樹脂被覆層のダメージの状態は、全く変化が見られない場合を○印、一部に黒色化が見られる場合を△印、樹脂被覆層が溶融状態の場合を×印で示した。結果は表１に示すとおりである。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
表１から明らかなとおり、実験例２〜４に示すように、焦点からのずらし距離が１０〜３０ｍｍ程度が使用可能な距離であり、実験例３の２０ｍｍ程度が最も良い距離であることがわかった。この条件での端子部の温度は、半田めっきが溶融する２００〜２５０℃程度に温度が上昇していると考えられる。すなわち、実験例１のように接合部に焦点が合った状態（０ｍｍ）で直接レーザ光を照射すると、半田は完全に溶けるが樹脂被覆層も溶融してしまう。また実験例５のように４０ｍｍ程度となると、樹脂被覆層はダメージを受けないが熱が殆ど伝わらないことがわかった。実験例２の１０ｍｍ程度では、樹脂被覆層に若干のダメージ（樹脂被覆層に黒色化が見られる）はあるが、半田は完全に溶解しており熱伝達が行われていることを示している。実験例５は、半田が完全には溶解しないが熱伝達は行われており、樹脂被覆層のダメージもないものであった。
【００１６】
また、前記端子部１、２の銅配線上に酸化物や有機物が付着していると、金属結合が良好に行われないので、超音波接合を行う前に除去処理をしておくことが好ましい。すなわち、請求項２に記載されるように、超音波接合前に前記配線を還元処理しておくことが好ましい。すなわち、ＦＰＣの端子部並びにこれと超音波接合させる他の配線基板の端子部の銅配線に、還元性の強い液体、例えばヒドラジン、ホルムアルデヒド等を塗布したり、含浸等によって還元処理を行うものである。このことによって、前記銅配線表面の銅酸化物や極表層の有機物が除去され、超音波接合による金属結合が完全に行える。またこの還元処理は、超音波接合を行う直前に行うことが好ましい。
【００１７】
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、接続抵抗が小さくなるため電気的特性も良好なものとなる。
【実施例】
【００１８】
以下に実験例を示して、本発明の効果を説明する。実験は、図１に示されるようにして行った。すなわち、端子ピッチがＬ／Ｓ＝０．１／０．２のＦＰＣの端子部１と端子ピッチがＬ／Ｓ＝０．２／０．１のＲＰＣの端子部２を重ね合せた後、ＦＰＣの端子部１並びにＲＰＣの端子部２と接するそれぞれの表面に、０．２ｍｍピッチのローレット加工が施されたホーン３とアンビル４を用いて超音波を印加すると共に、レーザ光照射ユニット（ＹＡＧレーザ装置）６から斜めに端子部の幅方向にレーザ光を照射して超音波接合を行った。超音波条件は、周波数が４０ＫＨｚで荷重が９８．０６６ＭＰａ、振幅１０μmとし、印加時間（ｓｅｃ）を変化させたものである。またレーザ光の照射条件は、照射エネルギー０．１５Ｊ／ｐｕｌｓｅ、パルス幅０．５ｍｓ、繰返し２００ｐｐｓ、スポット径Φ０．３ｍｍ、照射時間０．７ｓｅｃで、焦点からのずらし距離は２０ｍｍである。なお、前記端子部は、予めヒドラジン溶液を塗布して銅酸化物や有機物を除去した。このようにして超音波接合を行ったＦＰＣの接合部の接合強度を、プル（ｐｕｌｌ）強度（Ｎ）並びに９０°ピール（ｐｅｅｌ）強度（Ｎ／ｃｍ）として測定した。結果を表２に示した。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
表２から明らかなとおり、実験例６〜９に示す超音波の印加時間が０．３〜２ｓｅｃの範囲で、焦点からのずらし距離を２０ｍｍとしたレーザ光を組み合わせてＦＰＣの端子部の超音波接合を行うことによって、得られた接合部のプル強度並びにピール強度は、実験例１０〜１３の超音波のみを印加した場合に比して、２倍以上強度が向上していることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
以上説明したレーザ光を同時に照射する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、また接合強度も十分に大きいので例えば、ＨＤＤのＭＲヘッドと他の配線基板との接合方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の超音波接合方法の概略断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  ＦＰＣの端子部
１１  銅配線
１２  ＰＩ絶縁層
２  ＲＰＣの端子部
２１  銅配線
２２  ガラスエポキシ樹脂層
３  ホーン
４  アンビル
５  接合部
６  レーザ光照射ユニット
【図１】
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