JP4719246B2

JP4719246B2 - 圧着ユニット構造

Info

Publication number: JP4719246B2
Application number: JP2008120504A
Authority: JP
Inventors: 尚士秋口; 光芳永野; 規充向江; 茂也坂口
Original assignee: Panasonic Corp; Nippon Tungsten Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Nippon Tungsten Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: JP2008199060A

Description

本発明は、ガラス基板電極端子とフレキシブル基板電極端子の接合や、ガラエポ基板電極端子とフレキシブル基板電極端子の接合に用いる圧着ユニット構造に関する。

係る電極端子の接合に用いられる圧着ユニットを構成する圧着ツール材としては、下記の特許文献に記載されているように、ステンレススチールのような金属材料、超硬合金、アルミナ系セラミック材料が知られている。
特開平７−２３５５６３号公報特開平１１−１４５１６５号公報特開２００２−２６１１２１号公報

近年、その接合する電極端子の形成ピッチが小さくなる傾向にあり、より低コストで、高精度、高信頼性の接合が求められるようになった。そのためには、被圧着材を両面から挟み込む圧着ユニットの圧着面の平行平面度を正確に維持する必要がある。

ところが、上記従来の圧着ツール材は、熱膨張係数や、熱伝導係数の関係から、２つのツールの圧着面の平行平面度を正確に保持するのが難しく、また、接合時のツール内の温度のばらつきが大きく、接着材の硬化性にばらつきが発生したり、フレキシブル基板の伸び等の変形が不均一となる傾向がある。そのため、電極端子同士の接合不良が発生する可能性が高く、また、低コスト、高精度、高信頼性を十分に満足できないことがあった。

本発明が解決しようとする課題は、圧着面の平行平面度を正確に保持するのができ、接合不良の発生がなく、低コストで、高精度、高信頼性を十分に満足でき、とくに、ガラス基板と接着材とＦＰＣ基板である被圧着材に好適に適用できる圧着ユニット構造を提供することにある。

本発明の圧着ユニット構造は、被圧着材を挟んで上下に配置した２つの圧着ツールと、その２つの圧着ツールの圧着面を平行に保持する上下の保持部とを備え、上の保持部のみに、カートリッジ型の加熱ヒータを保持部の中心に対して左右に均等に偶数個配置し、前記カートリッジ型の加熱ヒータの有効長さは、前記保持部へ差し込まれる前記カートリッジ型ヒータの奥行き長さの±２０％の範囲であり、前記圧着ツールが、Ｓｉ_３Ｎ_４を５０体積％以上含有するＳｉ_３Ｎ_４基セラミック材からなり、このＳｉ_３Ｎ_４基セラミック材は、α−Ｓｉ_３Ｎ_４相とβ−Ｓｉ_３Ｎ_４相の２相の結晶をもち、２相に占めるα−Ｓｉ_３Ｎ_４相の割合が体積％で１２以上３９．８以下であり、前記α−Ｓｉ_３Ｎ_４が、Ｓｉ_３Ｎ_４の一部がＹ，Ｍｇ，ＯあるいはＡｌによって置換されたものであり、β−Ｓｉ３Ｎ４相は、Ｓｉ_３Ｎ_４の一部がＯあるいはＡｌによって置換されたものであり、且つ、前記Ｓｉ _３Ｎ _４基セラミック材は、圧着面は平行度５μｍ以下、平面度２μｍ以下に加工して使用することによって圧着面の平行平面度を正確に維持することができる。

前記被圧着材を挟んで上下に配置した２つの圧着ツール材としては、Ｓｉ_３Ｎ_４を５０体積％以上含有し、α−Ｓｉ_３Ｎ_４相とβ−Ｓｉ_３Ｎ_４相の２相の結晶をもち、２相に占めるα−Ｓｉ_３Ｎ_４相の割合が体積％で５以上５０以下であるＳｉ_３Ｎ_４基セラミック材を用いることによって、圧着ユニット構造と相俟って被圧着材を両面から挟み込む圧着面の平行平面度をさらに正確に維持することができる。

Ｓｉ_３Ｎ_４は、熱膨張係数が従来の金属材料、超硬合金、アルミナ系セラミック材料のような加熱圧着ツール材と比較して数分の一と小さいため、室温から高温まで優れた平面精度が維持でき、高精度、低コスト、高信頼性の接合が可能な加熱圧着ツール材として使用できる。そして、加熱圧着ツール材として、所望の強靭性、熱膨張係数を確保するためには、Ｓｉ_３Ｎ_４を５０体積％以上含有するＳｉ_３Ｎ_４基セラミック材とすることが必須である。

また、このＳｉ_３Ｎ_４基セラミック材は、α−Ｓｉ_３Ｎ_４相とβ−Ｓｉ_３Ｎ_４相の２相の結晶をもち、２相に占めるα−Ｓｉ_３Ｎ_４相の割合が体積％で５以上５０以下である必要がある。

α−Ｓｉ_３Ｎ_４相は、Ｓｉ_３Ｎ_４の一部がＹ，Ｍｇ，Ｏ，Ａｌによって置換されたものであり、β−Ｓｉ_３Ｎ_４相は、Ｓｉ_３Ｎ_４の一部がＯ，Ａｌで置換されたものである。このα−Ｓｉ_３Ｎ_４相とβ−Ｓｉ_３Ｎ_４相の２相の結晶をもつセラミック材は、α−Ｓｉ_３Ｎ_４相とβ−Ｓｉ_３Ｎ_４相のいずれかの単独相からなるセラミックス材より、結晶組織が微細で、曲げ強度が高く、気孔率が０．５％以下と少ないため、優れた平面度、面粗度をもつ加熱圧着面が得られる。

本発明の圧着ツール材を使用した圧着ユニット構造を使用しての接合は、高精度の接合が可能で、接合不良の発生がなく、かつ、低コスト、高信頼性を十分に満足できるものである。

以下、本発明の実施の形態を実施例によって説明する。

図２は、本発明の圧着ユニット構造１０の例を示す。同図において、１、２は上下それぞれのユニット基材を、また、３、４は上下それぞれのツール押さえを示す。上下の圧着ツール７、８は、それぞれ、ユニット基材１、２に、ツール押さえ３、４で挟まれ、ネジ５，６によってネジ止めされている。９は、上の圧着ツール７が保持されているユニット基材１の上部のみに配置されているヒーターを示す。上の圧着ツール７は本発明による圧着ツール材を用いるが、下の圧着ツール８としては、本発明による圧着ツール材の使用が好ましい。また、ヒータ９としては、カートリッジ型ヒーターが好ましいが、特にこれに限定されない。ヒーターの有効長さは、差し込まれるユニット基材１の長さの±２０％の範囲内であるのが好ましい。２０％よりも長いと、ヒーターが断線する可能性があり、２０％以下であると、加熱のための熱容量が不足する。圧着の際に、上下のユニット基材１，２を駆動する手段としては、シリンダーによる駆動や、モーターによる駆動、あるいは、その両方を会わせた駆動が採用可能である。

図２は、図１に示す圧着ユニット構造１０におけるヒーター９の配置を側面から見た図を示すもので、上の圧着ツール７が保持されているユニット基材１の上部のみに配置されているヒーター９は、図２に示す上のユニット基材１の中心に対して、左右に均等に、偶数個配置されている。

上下の圧着ツール７、８は、以下の要領で調製した。

主成分として、α−Ｓｉ_３Ｎ_４相とβ−Ｓｉ_３Ｎ_４相を所定の割合で含む平均粒子径が０．５ミクロンのＳｉ_３Ｎ_４粉末と、焼結助剤として平均粒子径１．０ミクロン以下のＹ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＴｉＮなどの粉末を添加し、メタノール溶媒中で純度が９９．５％以上のＺｒＯ_２製ボールを入れたゴムライニングポット中で２０時間分散混合を行った。得られたスラリーを取り出した後、アルコール系のバインダーを添加して、クローズドスプレードライヤーによって窒素雰囲気中で造粒混合を行った。得られた造粒粉を金型プレスによって４×５×４５ｍｍの曲げ試験片、Φ２０×３ｔｍｍの熱伝導率測定用試料を作製し、脱脂の後、窒素ガス中、２０２３Ｋ〜２１２３Ｋの温度域で普通焼結を行った。また、焼結試料の一部を、１９２３Ｋ〜２０２３Ｋの温度域で窒素ガスを用いたＨＩＰ処理を行った。

図３は、得られた本発明に係る試料の各温度における熱膨張係数の変化を、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣとＳＫＤ−６０と対比して示す。同図に示されているように、本発明に係るＳｉ_３Ｎ_４基セラミック材は、熱膨張率の温度変化がＳＫＤ−６０の１／５以下、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣセラミックスの１／３以下であって、しかも温度変化に対する影響を受けにくいことを示している。これは室温での高い精度が高温でも維持されることを意味する。

表１は、試料Ｎｏ．１〜１３に示す各組成のものを本発明に係る圧着ユニット構造の圧着ツールとしての特性を評価したものである。同表において、試料Ｎｏ．１〜５は本発明の実施例を、また、Ｎｏ．６〜１３は比較例としてＳＵＳ３０４、ＳＫＤ６１の金属製、ＷＣ−Ｃｏ超硬合金、Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ、ＺｒＯ_２のセラミックスなどの材料と比較したものである。

本発明に係る圧着ツール材は、上記の調製法に準じて作成し、図１と図２に示す圧着ユニット構造の圧着ツールに合わせた形状に研削加工した。圧着ツール材の圧着面は平面度２μｍ以下に加工し、実機による評価を行ったものである。それぞれの評価結果を表１に示す。

平面度と熱膨張率
圧着ツールの使用温度は、通常４２３〜６７３Ｋであるため、室温で加工する圧着使用面は使用温度で熱膨張による変形がある。その変形は転写される圧着面の平面度の劣化を意味するため、室温から高温にかけて平面度の変化は可能な限り少ないことが必要となる。本発明の圧着ツールの２７３〜１２７３Ｋの間の平均熱膨張率は、３．２〜３．５×１０^−６／Ｋで、比較例の場合と対比して極めて小さいものであった。

圧着ツールは圧力を伝達して被処理物を接着するものであるため、圧力に対する抵抗性が高くなければならない。すなわち、どのような形状の圧力面であっても破損することが許されない用途である。そこで、ＪＩＳ曲げ試験片の測定面（底面）中央部に２Ｒのノッチ（溝）を加工して曲げ強度の低下を測定した。その結果、強度が高い材料が有利ではあるが、セラミックスの中ではＮｏ.１からＮｏ.５までのＳｉ_３Ｎ_４系材料やＺｒＯ_２系材料の低下は小さい。本発明のＳｉ_３Ｎ_４系材料の中でも、α−Ｓｉ_３Ｎ_４相が多い材料やβ−Ｓｉ_３Ｎ_４相の単独相からなるＳｉ_３Ｎ_４セラミックスよりも気孔が少なく曲げ強度が高いα−β相複合型のＳｉ_３Ｎ_４セラミック材料のほうが、より強度低下が少ないことが認められ、より好ましい特性であることがわかった。

表１の試料Ｎｏ．６は、分散強化を目的にＳｉＣを５５重量％（換算で５５体積％）添加したものであるが、緻密性が十分ではなく、低強度で面粗度が荒れるなど、使用に耐えない状態であった。このことから、Ｓｉ_３Ｎ_４成分としては５０体積％以上であることが好ましいといえる。

圧力ツールは加熱圧着するときに大気雰囲気で４２３〜６７３Ｋの高温にさらされるため、酸化の問題がある。酸化はツール成分の酸化による酸化物生成、酸化による昇華など、変質によって表面に与えるダメージが大きいので、平面度や面粗度の劣化を引き起こす。表１に示されるように、比較のＡｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２以外は酸化され易く、本発明のＳｉ_３Ｎ_４セラミックスが最も良い結果を示した。

本発明のＳｉ_３Ｎ_４基セラミックス焼結体を作成し、図１と図２に示す圧着ユニット構造に合わせた形状に研削加工して圧着ツールを作成した。使用する圧着面は平行度５μｍ以下、平面度２μｍ以下に加工し、実機による評価を行った。

図１に示すヒーター９（カートリッジ型、直径８ｍｍ、有効長さ３５ｍｍ）を上のユニット基材１に４本配置したものを用い、圧着ツール７，８（長さ１００ｍｍ、幅４ｍｍ、高さ１５ｍｍ）として研削加工した表１の組成Ｎｏ．１のＳｉ_３Ｎ_４基セラミックスを上下のユニット基材１，２に、ツール押さえ３，４にてネジ止めし、所定の位置にＦＰＣが接着剤シートにより仮止めされたガラス基板の圧着位置を、前記圧着ツール７，８間に配置して、４５３Ｋ、３．９２ＭＰａ、２０秒の条件にて、加圧加熱して硬化した。

比較例として、上の圧着ツールに従来使用してきたＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣセラミックスを用いて評価した。実施例と比較例のサンプルをｎ＝１０個ずつ作製し、室温３５８Ｋ、湿度６５％の条件で２０００時間使用した場合、本発明の圧着ユニット構造による接合不良の発生率は０であったのに対し、比較例の場合は２０であった。また、４５３Ｋ、３．９２ＭＰａの条件で２０秒保持後室温まで冷却する加圧加熱急冷却のサイクルを５９０サイクル繰り返した場合、本発明の圧着ユニット構造による接合不良の発生率は０であったのに対し、比較例の場合は３０であった。

本発明の圧着ユニット構造の例を示す。図１に示す圧着ユニット構造におけるヒーターの配置を側面から見た図である。本発明に係る圧着ツール材の熱膨張率を示す図である。

符号の説明

１、２：ユニット基材
３、４：ツール押さえ
５、６：ネジ
７、８：圧着ツール
９：ヒーター
１０：圧着ユニット構造

Claims

被圧着材を挟んで上下に配置した２つの圧着ツールと、その２つの圧着ツールの圧着面を平行に保持する上下の保持部とを備え、
上の保持部のみに、カートリッジ型の加熱ヒータを保持部の中心に対して左右に均等に偶数個配置し、
前記カートリッジ型の加熱ヒータの有効長さは、前記保持部へ差し込まれる前記カートリッジ型ヒータの奥行き長さの±２０％の範囲であり、
前記圧着ツールが、Ｓｉ_３Ｎ_４を５０体積％以上含有するＳｉ_３Ｎ_４基セラミック材からなり、
このＳｉ_３Ｎ_４基セラミック材は、α−Ｓｉ_３Ｎ_４相とβ−Ｓｉ_３Ｎ_４相の２相の結晶をもち、２相に占めるα−Ｓｉ_３Ｎ_４相の割合が体積％で１２以上３９．８以下であり、
前記α−Ｓｉ_３Ｎ_４が、Ｓｉ_３Ｎ_４の一部がＹ，Ｍｇ，ＯあるいはＡｌによって置換されたものであり、
β−Ｓｉ_３Ｎ_４相は、Ｓｉ_３Ｎ_４の一部がＯあるいはＡｌによって置換されたものであり、
且つ、
前記Ｓｉ _３Ｎ _４基セラミック材は、圧着面は平行度５μｍ以下、平面度２μｍ以下に加工して使用する
圧着ユニット構造。