WO2021111966A1

WO2021111966A1 - 金属片付き配線基板

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Publication number: WO2021111966A1
Application number: PCT/JP2020/043952
Authority: WO
Inventors: 孝治本戸; 年賢難波
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: JPWO2021111966A1

Abstract

本発明の金属片付き配線基板は、開口部が形成されたカバーレイおよび貫通孔が形成された配線層を有する配線基板と、金属片とを備える。平面視において、前記貫通孔は前記開口部と重なっている。前記金属片は、前記開口部を通して前記配線層に対向する部分に、前記配線層に接合された溶接部と、非溶接部とを有する。前記溶接部は、前記貫通孔の周縁部に沿って前記非溶接部を囲むように環状に形成されている。

Description

金属片付き配線基板

　本発明は、金属片付き配線基板に関する。
　本願は、２０１９年１２月５日に日本に出願された特願２０１９－２２０３１８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　特許文献１には、フレキシブル回路基板と、バスバーとが溶接により接合された構造が開示されている。

日本国特開２０１８－１９２５１５号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の構造では、溶接箇所において冷却時に凝固割れが生じる可能性があった。

　本発明の一態様は、溶接部において割れが生じにくい金属片付き配線基板を提供することを目的とする。

　本発明の一態様は、開口部が形成されたカバーレイおよび貫通孔が形成された配線層を有する配線基板と、金属片と、を備え、平面視において、前記貫通孔は前記開口部と重なっており、前記金属片は、前記開口部を通して前記配線層に対向する部分に、前記配線層に接合された溶接部と、非溶接部とを有し、前記溶接部は、前記貫通孔の周縁部に沿って前記非溶接部を囲むように環状に形成されている、金属片付き配線基板を提供する。

　この構成によれば、溶接時における金属片の溶融箇所は環状に形成されており、中央部は溶融しないため、円形領域の全体を溶融させる場合に比べ、凝固時に応力集中が起こりにくい。よって、凝固時の応力集中を原因とする溶接部の割れ（クラック）発生を抑えることができる。

　本発明の一態様によれば、溶接部において割れが生じにくい金属片付き配線基板を提供することができる。

実施形態の金属片付き配線基板の斜視図である。図１に示す金属片付き配線基板を示す拡大斜視図であって、金属片付き配線基板の一部の断面を示す図である。図１に示す金属片付き配線基板の断面図である。図１に示す金属片付き配線基板の平面図である。図４に示すＩ－Ｉ断面図である。金属片付き配線基板の一例の溶接部の写真である。図６に示す溶接部の断面の写真である。実施形態の金属片付き配線基板の製造方法の説明図である。実施形態の金属片付き配線基板の製造方法の説明図である。実施形態の金属片付き配線基板の製造方法の説明図である。実施形態の金属片付き配線基板の製造方法の説明図である。実施形態の金属片付き配線基板の製造方法の説明図である。実施形態の金属片付き配線基板の製造方法の説明図である。第１変形例の溶接部を有する金属片付き配線基板の一部の平面図である。第２変形例の溶接部を有する金属片付き配線基板の一部の平面図である。第３変形例の溶接部を有する金属片付き配線基板の一部の平面図である。第４変形例の溶接部を有する金属片付き配線基板の一部の平面図である。比較形態の金属片付き配線基板の溶接部の断面の写真である。

　以下、本実施形態の金属片付き配線基板について図面に基づいて説明する。
［金属片付き配線基板］
　図１は、実施形態の金属片付き配線基板３の斜視図である。図２は、金属片付き配線基板３を示す拡大斜視図であって、金属片付き配線基板３の一部の断面を示す図である。図３は、金属片付き配線基板３の断面図である。図４は、金属片付き配線基板３の平面図である。図５は、図４のＩ－Ｉ断面図である。

　図１および図４に示すように、金属片付き配線基板３は、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）１と、金属片２と、を備えている。

　図３に示すように、フレキシブルプリント基板１は、第１カバーレイ１０と、第２カバーレイ２０と、配線層３０（金属層）と、を有している。フレキシブルプリント基板１は、可撓性を有する。フレキシブルプリント基板１は、大きく撓ませた場合にも配線層３０が機能するように構成されている。フレキシブルプリント基板１は、「配線基板」の一例である。

　なお、配線基板は、フレキシブルプリント基板に限らず、リジッド基板であってもよい。リジッド基板は、ガラスエポキシ基材、ガラス基材等のリジッドな基材と、配線層とを備えた配線基板である。

（方向定義）
　本実施形態では、フレキシブルプリント基板１の厚さ方向を、単に厚さ方向という。また、厚さ方向に沿って、金属片２からフレキシブルプリント基板１に向かう方向を上方といい、その反対方向を下方という。上下方向から見ることを平面視という。

（フレキシブルプリント基板）
　第１カバーレイ１０は、第１絶縁体１１と、第１絶縁体１１に塗布された第１接着層１２と、を有している。第２カバーレイ２０は、第２絶縁体２１と、第２絶縁体２１に塗布された第２接着層２２と、を有している。
　フレキシブルプリント基板１は、下から上に向かって、第２カバーレイ２０、配線層３０、第１カバーレイ１０の順に積層された積層構造を有している。第１絶縁体１１は、フレキシブルプリント基板１の最上層に位置し、第２絶縁体２１は、フレキシブルプリント基板１の最下層に位置している。

　第１絶縁体１１および第２絶縁体２１は、薄膜状に形成されている。絶縁体１１、２１としては、可撓性および絶縁性のある材質を使用することができる。絶縁体１１、２１の材質としては、例えば、ポリイミド、液晶ポリマー等が挙げられる。本実施形態では、絶縁体１１、２１として、厚さ２５μｍのポリイミドフィルムが用いられている。

　第１接着層１２は、配線層３０と第１絶縁体１１とを接着している。第２接着層２２は、配線層３０と第２絶縁体２１とを接着している。接着層１２、２２の材質としては、絶縁性および接着性を有する樹脂を用いることができる。絶縁性および接着性を有する樹脂としては、エポキシ系、アクリル系、ポリイミド系等が挙げられる。本実施形態では、接着層１２、２２として、厚さ２５μｍのエポキシ系接着剤が用いられている。

　第１カバーレイ１０には、第１開口部１０ａが形成されている。第２カバーレイ２０には、第２開口部２０ａ（開口部）が形成されている。開口部１０ａ、２０ａは、カバーレイ１０、２０にレーザー加工、金型加工、ＮＣ加工（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）などを施すことで形成することができる。第１開口部１０ａおよび第２開口部２０ａは、厚さ方向から見て、互いに重なる位置に配置されている。第１開口部１０ａおよび第２開口部２０ａは、正方形状に形成されている。第１開口部１０ａおよび第２開口部２０ａは、同じ形状とされている。なお、開口部１０ａ、２０ａの形状、大きさ、配置などは適宜変更してもよい。

　配線層３０（配線パターン）は、第１カバーレイ１０および第２カバーレイ２０に挟まれている。配線層３０としては、導電性を有する金属の薄膜を用いることができる。配線層３０の材質としては、例えば銅、ステンレス、アルミニウム等が挙げられる。配線層３０の材質の融点は、金属片２の材質の融点より高いことが好ましい。本実施形態では、配線層３０として、厚さ３５μｍの電解銅箔が用いられている。配線層３０は、例えば、サブトラクティブ法、セミアディティブ法などにより形成することができる。

　配線層３０のうち、開口部１０ａ、２０ａを通して第１カバーレイ１０および第２カバーレイ２０から露出した部分を露出部３１という。露出部３１の一部は、下方に向けて（すなわち、金属片２に向けて）凹状に形成されている。露出部３１のうち、金属片２に向けて凹状に変形された部分を凹状変形部３１ａという。

　凹状変形部３１ａは、縮径部３１ｂと、底部３１ｃとを有する。縮径部３１ｂは、下方に向けて縮径する。厚さ方向に直交する縮径部３１ｂの断面の形状は、例えば円形状である。底部３１ｃは、縮径部３１ｂの下端に形成されている。底部３１ｃは、例えば、円板状に形成されている。底部３１ｃは、金属片２の第１主面２ａに当接している。凹状変形部３１ａの形状は、例えば、下方に向けて縮径する円錐台形状である。

　底部３１ｃの中央には、貫通孔３２が形成されている。本実施形態では、貫通孔３２の形状は、円形状である（図２および図４参照）。平面視において、貫通孔３２は、第２開口部２０ａと重なる位置にある。貫通孔３２の内径は、第２開口部２０ａの内径より小さい。平面視において、貫通孔３２は、第２開口部２０ａに包含される。
　底部３１ｃは、後述する溶接部３３（接合部）によって金属片２に接合されている。底部３１ｃは、溶接部３３によって金属片２と電気的に接続されている。

　図示は省略するが、フレキシブルプリント基板１には、電子部品が実装されていてもよい。電子部品は、コンデンサ、抵抗、サーミスタ、ＩＣ、ＬＥＤ等であってもよい。電子部品を実装する場合、第１カバーレイ１０または第２カバーレイ２０に、電子部品と配線層３０とを電気的に接続させるための開口が形成されていてもよい。

（金属片）
　金属片２は、アルミニウム、アルミニウム合金などの金属によって、板状形状、膜状形状、棒状形状などとして形成されている。なお、金属片２の材質、形状は、適宜変更してもよい。金属片２は、銅、銅合金などで構成されていてもよい。本実施形態では、金属片２として、厚さが１ｍｍのアルミニウム板（Ａ１０５０）が用いられている。
　金属片２の上面は、フレキシブルプリント基板１に対向する第１主面２ａである。金属片２は、第２絶縁体２１の第２開口部２０ａを下方から覆っている。

　図５に示すように、金属片２は、第２開口部２０ａ（図３参照）を通して配線層３０と対向する部分に、溶接部３３と、非溶接部３４（非接合部）と、共晶部３５とを有する。溶接部３３および非溶接部３４は、少なくとも第１主面２ａを含む領域に形成されている。

　溶接部３３は、後述する接合工程における溶接時の加熱により金属片２が溶融した後、凝固した部分である。すなわち、溶接部３３は、溶融履歴がある部分である。
　溶接部３３は、貫通孔３２の周縁部３２ａに沿って円環状に形成されている（図２および図４参照）。溶接部３３のうち一部（詳しくは、溶接部３３の外周縁を含む環状の外周部分３３ａ）は、配線層３０の底部３１ｃ（詳しくは、周縁部３２ａを含む環状の内周部分３１ｄ）の下に位置する。換言すれば、底部３１ｃのうち内周部分３１ｄは、溶接部３３の外周部分３３ａを上から覆っている。内周部分３１ｄは、外周部分３３ａに接合されている。これにより、配線層３０と金属片２との溶接面積は、大きくなり、溶接強度を高めることができる。

　溶接部３３のうち、外周部分３３ａ（底部３１ｃに重なる部分）を除く部分（内周部分３３ｂ）は、平面視において貫通孔３２の内側にある。溶接部３３の内径は、貫通孔３２の内径より小さい。溶接部３３は、第１主面２ａにおいて、非溶接部３４を囲む（図２および図４参照）。

　溶接部３３の一部は、第１主面２ａにおいて、上方に膨出している。この部分を膨出部３３ｃという。膨出部３３ｃは、非溶接部３４の表面に比べて上方に突出した環状部分である。膨出部３３ｃの外周面は、周縁部３２ａの内周面に接合されている。

　非溶接部３４は、配線層３０を金属片２に接合するための溶接時の加熱によって溶融しなかった部分である。すなわち、非溶接部３４は、溶融履歴がない部分である。溶接部３３に囲まれた非溶接部３４は、平面視において円形状とされている（図２および図４参照）。

　共晶部３５は、配線層３０の底部３１ｃと金属片２との界面に形成される。共晶部３５は、例えば、底部３１ｃと金属片２とが溶融して混ざり合い、共晶状態で凝固した部分である。共晶部３５は、底部３１ｃの貫通孔３２の内周面から内周部分３１ｄの下面にかけて形成されている。共晶部３５は、配線層３０の構成金属と、金属片２の構成金属とで構成される合金層（または金属間化合物層）ともいえる。
　溶接部３３、非溶接部３４、および共晶部３５の形状は、溶接部３３、非溶接部３４、および共晶部３５の各々の一部の切断面の観察、Ｘ線撮像などによって確認することができる。

　図６は、金属片付き配線基板３の一例の溶接部３３を上から見た写真である。図７は、溶接部３３の断面の写真である。
　図６および図７に示すように、溶接部３３は、非溶接部３４を囲むように環状に形成されている。

［金属片付き配線基板の製造方法］
　次に、金属片付き配線基板３の製造方法の一例について、図８～図１３を用いて説明する。

（準備工程）
　準備工程は、フレキシブルプリント基板１を用意する工程である。図８に示すように、準備工程では、第１カバーレイ１０および導体のシートＳを用意する。第１カバーレイ１０には、あらかじめ第１開口部１０ａが形成されている。第１カバーレイ１０の第１接着層１２は、半硬化状態となっている。シートＳは、銅、ステンレス、アルミニウムなどで構成された金属箔である。

　次に、図９に示すように、第１カバーレイ１０とシートＳとを対向させて位置合わせする。第１カバーレイ１０とシートＳとを積層し、加熱プレスにより一体化させる。これにより、第１接着層１２が硬化するとともに、第１カバーレイ１０とシートＳとが固定される。加熱プレスの条件は、例えば温度１００～２００℃、圧力０．１～１０ＭＰａ、加圧時間１～１２０分の範囲が好ましい。必要に応じて、上記加熱プレス後に、第１カバーレイ１０およびシートＳをオーブンにて加熱してもよい。

　次に、図１０に示すように、第１カバーレイ１０と一体となったシートＳを加工して配線層３０を形成する。配線層３０は、サブトラクティブ法やレーザー加工によって得ることができる。本実施形態では、サブトラクティブ法を採用し、シートＳをエッチング処理することで配線層３０を形成する。このとき、配線層３０のうち第１開口部１０ａから露出した部分（露出部３１）には、貫通孔３２が形成される。本実施形態では、貫通孔３２の形状は、円形状である（図２参照）。

　次に、図１１に示すように、配線層３０の下方に第２カバーレイ２０を配置する。第２カバーレイ２０には、あらかじめ第２開口部２０ａが形成されている。第１カバーレイ１０および配線層３０と第２カバーレイ２０とを位置決めして積層し、加熱プレスにより一体化させる。これにより、第２接着層２２が硬化するとともに、各部材１０、２０、３０が固定される（図１２参照）。なお、加熱プレスの条件は、第１カバーレイ１０とシートＳとを一体化させる際と同様でもよい。

（接合工程）
　次に、図１２に示すように、一体となった第１カバーレイ１０、配線層３０、および第２カバーレイ２０の下方に、金属片２を配置する。
　次に、図１３に示すように、配線層３０の露出部３１の一部と、金属片２とを接合する（接合工程）。接合にあたっては、露出部３１の一部に凹状変形部３１ａを形成する。接合の方法としては、レーザー溶接、抵抗溶接などを用いることができる。

　以下、レーザー溶接を採用した場合を例として、接合工程について詳しく説明する。溶接用のレーザー装置４０からレーザー光Ｌを下方に向けて出射させ、配線層３０の露出部３１および金属片２に照射する（照射工程）。このとき、レーザー光Ｌの照射領域は、例えば、平面視において、貫通孔３２と同心の円環状の領域であってよい。この照射領域の内径は、貫通孔３２の内径より小さく、この照射領域の外径は、貫通孔３２の内径より大きい。前記照射領域におけるレーザー光Ｌの軌跡（軌跡パターン）は、特に限定されず、例えば、ワブリング状、渦巻き状、複数の同心円状などの軌跡であってよい。

　レーザー光Ｌを照射することで、金属片２のうち周縁部３２ａに沿う環状部分は、溶融した後、凝固する。これにより、溶接部３３（図５参照）が形成される。金属片２のうち、溶融しなかった部分は、非溶接部３４となる。溶接部３３によって、底部３１ｃの一部は、金属片２に接合される。底部３１ｃの一部と金属片２との界面には共晶部３５（図５参照）が形成される。

　なお、配線層３０を金属片２に接合する前または接合する後で、電子部品をフレキシブルプリント基板１に実装してもよい。

　本実施形態の金属片付き配線基板３では、配線層３０を金属片２に接合する溶接部３３が、貫通孔３２の周縁部３２ａに沿って非溶接部３４を囲むように環状に形成されている。溶接時における金属片２の溶融箇所は環状に形成されており、中央部は溶融しないため、円形領域の全体を溶融させる場合に比べ、凝固時に応力集中が起こりにくい。よって、凝固時の応力集中を原因とする溶接部３３の割れ（クラック）発生を抑えることができる。

　図１８は、比較形態の金属片付き配線基板の溶接部１３３の断面の写真である。図１８に示すように、溶接部１３３は、環状ではなく、金属片の円形領域の全体を溶融させて形成されている。溶接部１３３には、中央部に近い位置に割れ（クラック）Ｃが形成されている。この割れＣは、凝固時に溶融箇所の中央部に応力が集中することにより生じたと推測できる。

　図２に示すように、金属片付き配線基板３では、溶接部３３が環状に形成されているため、溶接部３３の形状に基づいて溶接の良否を判断しやすい。また、図５に示すように、金属片付き配線基板３では、溶接部３３は、貫通孔３２の内周面から底部３１ｃの下面に至る広い領域で配線層３０に接して形成されるため、配線層３０と金属片２との接続信頼性を高めることができる。

　金属片付き配線基板３では、溶融箇所の形状は環状であるため、円形領域の全体を溶融させる場合に比べ、入熱量を抑えることができる。よって、溶接加工の時間を短くできる。金属片付き配線基板３では、貫通孔３２の形状が円形状であるため、ドリルなどの回転工具を用いた穿孔により貫通孔３２を形成するのが容易である。よって、加工時間を短くできる。

　前述の金属片付き配線基板３の製造方法は、溶接時における金属片２の溶融箇所の形状は環状であるため、円形領域の全体を溶融させる場合に比べ、凝固時に応力集中が起こりにくい。よって、凝固時の応力集中を原因とする溶接部３３の割れ（クラック）発生を抑えることができる。

　なお、本発明の技術的範囲は、前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
　例えば、貫通孔および溶接部（接合部）の数および形状は、適宜変更してもよい。
　図１４は、第１変形例の溶接部３３Ａを有する金属片付き配線基板３Ａの一部の平面図である。図１４に示すように、金属片付き配線基板３Ａでは、貫通孔３２Ａは平面視において楕円形状である。溶接部３３Ａは貫通孔３２Ａの周縁部３２Ａａに沿う楕円環状に形成されている。溶接部３３Ａは、非溶接部３４を囲む。
　楕円環状の溶接部３３Ａは、配線層３０および金属片２において溶接部が形成されるスペース等に合わせて適宜採用することができる。

　図１５は、第２変形例の溶接部３３Ｂを有する金属片付き配線基板３Ｂの一部の平面図である。図１５に示すように、金属片付き配線基板３Ｂでは、貫通孔３２Ｂは、平面視において矩形状に形成されている。溶接部３３Ｂは、貫通孔３２Ｂの周縁部３２Ｂａに沿う矩形環状に形成されている。溶接部３３Ｂは、非溶接部３４を囲む。
　矩形環状の溶接部３３Ａは、配線層３０および金属片２において溶接部が形成されるスペース等に合わせて適宜採用することができる。

　図１６は、第３変形例の溶接部３３Ｃを有する金属片付き配線基板３Ｃの一部の平面図である。図１６に示すように、金属片付き配線基板３Ｃでは、図１および図２等に示す溶接部３３と同様に円環状に形成された複数の溶接部３３Ｃが形成されている。
　金属片付き配線基板３Ｃには、複数の溶接部３３Ｃが形成されるため、溶接強度を高めることができる。金属片付き配線基板３Ｃには、複数の溶接部３３Ｃが形成されるため、溶接部の電気的抵抗を低くできる。

　図１７は、第４変形例の溶接部３３Ｄを有する金属片付き配線基板３Ｄの一部の平面図である。図１７に示すように、金属片付き配線基板３Ｄでは、複数の溶接部３３Ｄが形成されている。複数の溶接部３３Ｄは、円環状の溶接部３３Ｄ１と、矩形環状の溶接部３３Ｄ２とを含む。
　金属片付き配線基板３Ｄは、複数の溶接部３３Ｄ１，３３Ｄ２が形成されるため、溶接強度を高めることができる。

　その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

　１…フレキシブルプリント基板（配線基板）、２…金属片、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ…金属片付き配線基板、２０…第２カバーレイ（カバーレイ）、２０ａ…第２開口部（開口部）、３０…配線層、３２…貫通孔、３２ａ…周縁部、３３，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ，３３Ｄ１，３３Ｄ２…溶接部（接合部）、３４…非溶接部（非接合部）

Claims

　開口部が形成されたカバーレイおよび貫通孔が形成された配線層を有する配線基板と、
　金属片と、
　を備え、
　平面視において、前記貫通孔は前記開口部と重なっており、
　前記金属片は、前記開口部を通して前記配線層に対向する部分に、前記配線層に接合された溶接部と、非溶接部とを有し、
　前記溶接部は、前記貫通孔の周縁部に沿って前記非溶接部を囲むように環状に形成されている、
　金属片付き配線基板。