电路基板及安装方法与流程

1.本发明涉及一种片状的电路基板及向该电路基板进行安装的方法。


背景技术：

2.在电子设备中，在将半导体等电子部件安装到电路基板时，进行焊接接合。焊接接合是在将焊料配置在接合对象之间后，加热焊料使其熔融来进行。在加热时，一般使用回流炉(加热炉)。
3.近年来，伴随着电子设备的小型、轻量化，使用柔性(flexible)基板作为安装微小电子部件的基板。为了降低柔性基板的成本，也有使用聚酯、聚乙烯等非耐热性树脂(低熔点树脂)来代替以往的聚酰亚胺树脂的情况。
4.在利用回流炉进行焊接接合时，由非耐热性树脂构成的基板可能产生热变形。
5.作为向设于非耐热性片材上的电路基板安装电子部件的方法，提出了使用电磁感应加热的技术(例如，专利文献1)。
6.图18是关于电磁感应加热的基本原理的概念图。电磁感应加热装置由感应线圈、电源及控制装置构成。
7.当交流电流在感应线圈中流动时，产生强度变化的磁力线。放置在附近的导电物质(具体而言为接合对象，通常由金属形成)受到该变化的磁力线的影响，在金属中有涡电流流动。由于通常金属具有电阻，因而当电流在金属中流动时，产生焦耳热，使得金属自己发热。这种现象称为感应加热。
8.电磁感应所致的发热量q使用下式表示：q＝(v2/r)
×
t，其中，v是施加电压，r是阻抗，t是时间。
9.在电磁感应加热中，由于仅金属发热，因而周边的树脂部分受到的热损伤少。此外，几乎不会对电子部件产生热影响，电子部件不易受到热损伤。
10.在电磁感应加热中，由于仅金属发热，因而能够以较少的能量以较短的时间进行接合。一次接合所需的时间为数秒至十数秒。
11.在电磁感应加热中，如果在同样的磁场内，则能够得到预定的焦耳热，因而接合精度高。此外，如果在同样的磁场内，则能够一次进行多个接合。
12.在电磁感应加热中，容易由控制装置对电源输出量和输出时间进行控制。其结果是，还容易控制加热温度和加热时间。能够设定期望的温度曲线(profile)。
13.电路基板侧的金属端子发热，热传递至焊料，将焊料熔融。
14.在电磁感应加热中，还容易进行使磁力集中之类的磁力控制(例如，专利文献2)。由此，即使在接合对象附近存在作为非接合对象的金属，也能够不加热非接合对象金属，而是选择性地加热接合对象金属。
15.综上所述，通过使用电磁感应加热进行焊接接合，能够应对电子设备、电子部件的小型化。
16.专利文献1：日本专利第6481085号公报
17.专利文献2：日本特开2018-148136号公报


技术实现要素：

18.如上所述，电子设备、电子部件有小型化的倾向。使用电磁感应加热进行焊接接合可能能够应对小型化倾向
19.然而，当进一步小型化时，作为发热对象的金属端子的面积也变得狭小。特别是，在预定面积配置有众多电子部件的情况下，或者在电子部件具有众多端子的情况下，金属端子面积变得更狭小。其结果是，阻抗r变大，无法确保充分的发热量(上述公式的分母变大)。
20.根据上述公式，通过使施加电压v增加，或者使施加时间t增加，能够确保发热量q。
21.另一方面，若以试作模型进行实际验证，当金属端子面积为约1mm
×
1mm以下时，则散见接合不良等缺陷。尽管在电磁感应加热中能够高精度地调整施加电压、施加时间，但是，即使调整施加电压、施加时间，在消除缺陷方面仍然有限。
22.此外，本发明人成功试行了金属端子面积为约250μm
×
250μm的电子部件的安装。在将来，金属端子面积为约50μm
×
50μm的电子部件的安装也有可能见到。
23.本发明是为了解决上述问题而做出的，目的在于提供一种即使在金属端子面积狭小的情况下也能够应对的接合技术。
24.为了解决上述问题，本发明提供一种电路基板，用于通过电磁感应加热焊接接合电子部件，包括：非耐热性片材；设在所述非耐热性片材的一面侧的电路；设在所述电路的电路侧端子；以及导电性垫，设在所述非耐热性片材的另一面侧的与所述电路侧端子相对应的位置。
25.由此，上述导电性垫的间接加热(准直接加热)补充电路端子的发热不足，将焊料熔融。此时，对非耐热性片材的热影响有限。
26.在上述发明中，较佳能够排列多个所述电子部件。
27.例如，能够适用于片状显示器。由于在预定面积配置众多电子部件，各端子的面积狭小。根据本发明，即使金属端子面积狭小，也能够进行焊接接合。
28.在上述发明中，较佳以与一个电子部件相对应的多个电路侧端子为一个单位，所述导电性垫针对每个所述一个单位而设置。
29.由此，即使金属端子面积狭小，也能够进行焊接接合。
30.在上述发明中，较佳以与一个电子部件相对应的三个以上电路侧端子为一个单位。
31.由于电子部件有多个端子，各端子的面积狭小。根据本发明，即使金属端子面积狭小，也能够进行焊接接合。
32.在上述发明中，较佳所述电路侧端子的尺寸为1mm
×
1mm以下。
33.当端子尺寸为1mm
×
1mm以下时，散见发热量不足等缺陷。根据本发明，即使金属端子面积狭小，也能够进行焊接接合。
34.在上述发明中，较佳所述导电性垫的尺寸包含所述一个单位。
35.由此，上述导电性垫的间接加热确实补充电路端子的发热不足，将焊料熔融。
36.在上述发明中，较佳所述导电性垫为圆形或多边形。较佳为五边以上。
37.由此，上述导电性垫有效率地进行间接加热。由于避免无用的发热，能够抑制对片材的热影响。
38.为了解决上述问题，本发明提供一种安装方法，用于将电子部件焊接接合到上述电路基板。所述安装方法包括：使电子部件的端子隔着焊料与所述电路侧端子相对；在所述非耐热性片材的另一面侧通过所述电磁感应加热使所述导电性垫发热；以及经由所述非耐热性片材和所述电路侧端子，所述导电性垫产生的热传递至焊料，从而使焊料熔融。
39.由此，上述导电性垫的间接加热补充电路端子的发热不足，将焊料熔融。
40.为了解决上述问题，本发明提供一种片状显示器，上述电子部件是内置有控制部的全彩色led，所述片状显示器通过排列所述led而形成。
41.在片状显示器中，由于在预定面积配置众多电子部件，并且led具有众多端子，因而各端子的面积狭小。根据本发明，即使金属端子面积狭小，也能够进行焊接接合。
42.根据本发明的焊接接合技术，能够将具有狭小的金属端子面积的电子部件安装到片状电路基板。
附图说明
43.图1是根据本实施方式的led安装结构的剖面图。
44.图2是根据本实施方式的电路基板主要部分的俯视图。
45.图3是根据本实施方式的电路基板全体的俯视图。
46.图4是本实施方式的应用例。
47.图5是本实施方式的应用例。
48.图6是以往的电磁感应加热。
49.图7是本发明的原理说明(软化不均)的剖面图。
50.图8是本发明的原理说明(软化不均)的俯视图。
51.图9是本发明的原理说明(温度曲线)。
52.图10是本发明的原理说明(温度曲线)。
53.图11是根据变形例1的led安装结构的剖面图。
54.图12是根据变形例1的电路基板主要部分的俯视图。
55.图13是根据变形例2的bga安装结构的剖面图。
56.图14是根据变形例2的电路基板主要部分的俯视图。
57.图15是根据变形例3的fpc接合概要的立体图。
58.图16是根据变形例3的fpc接合概要的立体图。
59.图17是根据变形例3的fpc接合概要的剖面图。
60.图18是电磁感应的基本原理。
具体实施方式
61.《安装结构》
62.图1是根据本实施方式的led安装结构的概要剖面图。led安装结构通过将电子部件(例如led)20焊接接合到电路基板10而形成。
63.led 20是例如内置有控制部的全彩色led，具有六个端子21。伴随着led 20的小型
化，以及端子数变多，导致端子21的接合面积狭小化。本实施方式使用的led的尺寸为例如2mm
×
2mm左右，端子尺寸为例如500μm
×
500μm左右。
64.图2是根据本实施方式的电路基板10的主要部分的俯视图，图3是根据本实施方式的电路基板10全体的俯视图。
65.在电路基板10中，电路通过在片材11的一个表面布线而形成。片材11虽然可以是聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺等耐热性树脂，但是，如果是abs树脂、丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚酯、聚丁二酯、聚氨酯等非耐热性树脂，则会显著发挥本技术特有的效果(具体后述)。还可以使用纸、布等来代替非耐热性树脂。在本实施方式中，使用通常使用的pet(聚对苯二甲酸乙二酯)。
66.此外，虽然难以对耐热性树脂和非耐热性树脂进行严密定义，但是pet的玻璃转化点为80℃左右，熔点为260℃左右，与之相对地，聚酰胺-酰亚胺的熔点为300℃左右，由此，在本技术中，将当超过300℃时发生热变形等影响的情况称为非耐热性。
67.虽然片材11的厚度没有特别限制，但是，若考虑作为柔性基板使用的情况，则以50至300μm左右为佳。
68.电路由配线和端子12构成。端子12是配线的末端，以与电子部件侧端子21相对应的方式配置。在图中所示的例子中，配置有六个电路侧端子12。
69.配线和端子12由导电性材料形成。一般而言，是包括金、银、铜、铝、镍、铬等的金属类材料。配线和端子12通过通常已知的方法(印刷、蚀刻、金属蒸镀、镀覆、银盐等)来形成。
70.此外，在完全不希望端子12自身发热(具体通过图6等的说明后述)的情况下，也可以是导电性聚合物、导电性碳等。此外，与端子12的尺寸相比，配线足够细，对电磁感应加热没有影响，因此，以下将适当省略说明。
71.虽然端子12的尺寸没有特别限制，但若面积为约1mm
×
1mm以下，则以往方法会散见缺陷，因此，较佳将面积为约1mm
×
1mm以下作为本技术的对象。此外，在图2与图3的例子中，端子12的尺寸为面积约400μm
×
600μm。
72.电路侧端子12与电子部件侧端子21经由焊料30而接合。由此，将led 20安装于电路基板10。
73.作为特征性的结构，本实施方式具有导电性垫40。导电性垫40在片材11的另一面侧，设置在对应于电路侧端子12的位置。在图2及图3中，片材11是半透明的，若从电路侧端子12侧看，能够透过片材11而看见导电性垫40。
74.在本实施方式中，以六个电子部件侧端子21为一个单位，以对应于电子部件侧端子21的六个电路侧端子12为一个单位。导电性垫40对应于一个单位(六个电路侧端子12)。
75.导电性垫40具有包含一个单位(六个电路侧端子12)的尺寸。导电性垫40为圆形，也可以将圆形改变为多边形。此外，在图2及图3的例子中，导电性垫40的尺寸为直径3mm左右。但是，如果过大，则有可能对片材11造成损伤。
76.导电性垫40由包括金、银、铜、铝、镍、铬等的金属类材料形成。此外，导电性垫40通过与配线、电路侧端子12同样的方法形成。
77.《安装方法》
78.针对将led 20安装于电路基板10的方法进行说明。电路侧端子12与电子部件侧端子21的接合方法没有限制，但特别以焊接接合为佳。焊接接合方法没有限制，但特别以电磁
感应加热法为佳。以下，针对通过电磁感应加热的焊接接合进行说明。
79.电磁感应加热装置由感应线圈导线、电源与控制部构成(参照图18)。
80.当交流电流在线圈导线中流动时，产生强度变化的磁力线。放置在附近的导电物质(在本技术中为金属端子)受到该变化的磁力线的影响，在金属中有涡电流流动。由于通常金属具有电阻，因而当电流在金属中流动时，产生焦耳热，使得金属自己发热。这种现象称为感应加热。
81.在电路侧端子12设置焊料30，隔着焊料30将电子部件侧端子21配置于与之相对的位置。将电磁感应加热装置配置于导电性垫40侧(与安装电子部件相反侧)来工作。在不影响电子部件的情况下，也可以将电磁感应加热装置配置于电子部件安装侧。
82.在本实施方式中，端子12面积狭小，无法确保充分的发热量。相对于此，导电性垫40与端子12相比具有充分的面积，能够确保发热。
83.导电性垫40产生的热，虽然一部分在片材11表面上扩散，但是大部分从片材11传递到电路侧端子12，进一步传递至焊料30。
84.由此，焊料熔融，将电路侧端子12与电子部件侧端子21接合。
85.焊料30的种类没有限制，可以使用通常使用的焊料。例如，从高温焊料(例如snagcu类焊料，熔点220℃左右)到低温焊料(例如snbi焊料，熔点140℃左右)都可以使用。在本实施方式，因为将片材11的热变形抑制在不影响的范围内(后面详述)，因而可以积极地使用高温焊料。
86.《对制品的应用例》
87.在图3的电路基板10中，纵横排列有多个单位(六个电路侧端子12)。对应于各单位，安装内置有控制部的全彩色led 20。如果在一定范围内能够形成一样的磁场，则可以一次进行多个焊接接合。
88.在电路基板10排列多个内置有控制部的全彩色led 20，由此可以形成片状显示器。
89.图4是片状显示器的概念图。由于片材11具有可挠性，显示器也能够柔软变形。
90.内置有控制部的全彩色led在一个电子部件内具有rgb三个元件和控制部。控制部基于来自外部的指令信号选择性地使rgb发光。
91.外部的主控制部控制发送到各内置有控制部的全彩色led的信号，由此，多个led用作彩色显示器。例如，排列640
×
480个led，由此用作显示器。可以不是单个片材，例如，可以排列10
×
10个片材，每个片材排列64
×
48个led。
92.由于在预定面积排列多个电子部件，并且电子部件具有多个端子，因而各端子的面积狭小。因此，适用本技术的技术。
93.图5是示出片状显示器的应用例的概念图。由于片状显示器具有可挠性，因而例如能够卷绕在地下街道的立柱等，用作数字看板。
94.由于片状显示器具有透光性，如果贴在例如繁华街道的橱窗，则可以提高引起购买欲的效果。例如，led不发光时，与一般的橱窗同样，能够看见店内的商品。当对行人促销商品时，或者当不让行人看见店内的状况时，使led发光。led具有充分的亮度，即使在白天也能够发挥片状显示器的功能。
95.《本发明的发明经过》
96.图6是以往方法的简单说明图。在对以往方法进行简单说明的同时，说明从以往方法到本发明的经过。
97.在以往方法中，不需要导电性垫40。此外，电路侧端子12和电子部件侧端子21的尺寸与1mm
×
1mm左右相比充分大。此外，电子部件侧端子21的端子数多为阳极和阴极二个。这也确保了有充分的面积。
98.将电磁感应加热装置配置在与电子部件安装侧相反侧，使电磁感应加热装置工作。由此，电路侧端子12确实发热。电路侧端子12所产生的热大部分传递至焊料30，焊料30熔融。
99.此时，虽然电路侧端子12所产生的热的一部分在片材11表面上扩散，但是，与传递至焊料30的热量相比，为可以忽略的程度。也就是说，几乎可以忽略热对片材11的影响，片材11没有热变形。当然，片材11本身不发热。
100.与之相对地，当端子12的尺寸为面积1mm
×
1mm左右以下时，散见因发热量不足而造成的缺陷。在本发明中，间接利用在导电性垫40的发热，补充发热量不足。
101.然而，在热传递时，由于多数热量经由片材11，因而无法预估热对片材11的影响。也就是说，片材11可能热变形是最大的顾虑。因此，本发明人反复试错，基于试错结果确定片材11的热变形几乎不会发生。
102.《本技术原理推测》
103.也就是说，在导电性垫40产生的热有效率地传递至焊料30。使片材11热变形的热为可以忽略的程度。基于上述试错的结果，对本技术原理进行推测。
104.(推测1)本来，与以往技术相比，端子12、21的尺寸小，焊料30的需要量也少。因此，焊料熔融所需要的热量也少。尽管热经由片材11，但供给到片材11的热的绝对量少。
105.而且，即使电路侧端子12的发热量不足以使焊料熔融，也还是有某种程度的量的发热。因此，从导电性垫40间接供给的热量足以补充使焊料熔融。从这一点来说，供给到片材11的热的绝对量少也是可以的。
106.供给到片材11的热的绝对量少的结果是片材11不会热变形。
107.(推测2)众所周知，热会选择在热传导率高的物质移动。特别是，推测在数秒(具体而言，高温区为1至2秒)的加热中未成为热平衡的状态，热传导率的差异的影响大。一般而言，金属的热传导率高于树脂的热传导率，树脂的热传导率高于空气的热传导率。
108.图7为片材11内的热路径的概念图。由于图7对应于图1，因而省略附图标记。假定导电性垫40均匀发热，则在片材的图中下表面侧均匀地在片材11传递。另一方面，在片材的图中上表面侧，热传导率高的端子12与热传导率低的空气共存。热会选择热传导率高的端子12而传递。也就是说，在片材11内的热传递产生不均。
109.图8为示出热传递不均的俯视图。由于图8对应于图2，因而省略附图标记。在电子部件侧端子21，为了防止短路，需要确保端子间的距离。对应于此，在电路侧端子12，也需要确保端子间距离。在图中所示的例子中，即使是最窄的端子间距离，也需要确保与端子12的宽度相当(至少一半以上)的间隔。
110.热传递集中于相当于端子12的位置，即使这个区域软化，向该区域以外的区域的热传递也少，因而难以软化。将软化区域表示为s(soft)，将非软化区域表示为h(hard)。
111.软化区域s被非软化区域h包围。假设片材有一部分软化，即使分子移动活跃，也被
周围约束。由此，在整体上片材的热变形得到抑制。
112.(推测3)图9和图10为导电性垫40的温度曲线。在图9中，还增加了关于焊料熔融的信息。在图10中，还增加了关于片材软化的信息。此外，由于比较对象不同，图9和图10为概念图。
113.在图9中，从导电性垫40供给使焊料达到熔点以上的热t1秒(例如1至3秒左右)。假定所供给的热量q1全部传递至焊料30，如果达到焊料熔融所需能量以上，则焊料30熔融。如在推测1中所述，焊料熔融所需热量少，因而短时间施加即可。
114.在图10中，从导电性垫40供给使树脂达到玻璃转化点以上的热t2秒(例如4至10秒左右)。假定所供给的热量q2全部传递至片材11，如果达到片材11热变形所需能量以上，则片材11热变形。但是，由于施加时间短，t2也短，热量q2也少。因此，不足以使片材11热变形。
115.此外，相对于焊料在非常短的时间(瞬间)熔融，树脂即使达到玻璃转化点以上，也不会立即软化而导致分子移动活跃，从软化开始到热变形有时间延迟。在上述温度曲线(峰值尖锐)，在进一步软化而导致组织流动之前，未达到玻璃转化点。
116.上述电磁感应加热的温度曲线可能对抑制片材11的热变形有贡献。
117.《效果》
118.通过来自导电性垫40的间接加热(准直接加热)，即使电路侧端子12狭小(例如面积为1mm
×
1mm左右以下)，也能够确保焊接接合。此时，虽然有片材11热变形的顾虑，但已确认并无该问题。也就是说，对于片材11的热影响可以忽略。
119.其结果是，可以在片材11使用非耐热性材料，可以在焊料30使用高温焊料等，本技术的安装方法所受的限制少。
120.此外，几乎没有对于电子部件的热影响，能够维持以往技术的效果。
121.《变形例》
122.本发明不限于上述实施方式，在本发明的技术思想的范围内，可以进行各种变形。以下，针对多个变形例进行说明。
123.(变形例1)图11是根据变形例1的led安装结构的概要剖面图。图12是根据变形例1的电路基板10的主要部分俯视图。
124.在上述实施方式中，对应于一个单位(六个电路侧端子12)而设置导电性垫40，在变形例1中，对应于四个单位(六个电路侧端子12)而设置导电性垫40。以虚线来表示对应于一个电子部件的一个单位。
125.伴随着电子部件20更加小型化，电路侧端子12的面积也变得更狭小。此外，对应于一个单位的导电性垫40的面积也变得狭小，因而担心无法充分确保发热量。例如，电子部件20的尺寸为1mm
×
1mm左右，端子的尺寸为250μm
×
250μm左右，如果适用上述实施方式的比率，则导电性垫40的直径为1.5mm左右。
126.在变形例1中，使导电性垫40对应于四个单位，由此确保导电性垫40的面积，确保发热量。由此，能够确保焊接接合。在图中所示的例子中，导电性垫40的尺寸为直径2.5至3mm左右。
127.(变形例2)图13是根据变形例2的bga安装结构的概要剖面图。图14是根据变形例2的电路基板10的主要部分的俯视图。
128.在上述实施方式，对应于一个单位(六个电路侧端子12)设置一个导电性垫40，在
变形例2中，对应于一个单位设置七个导电性垫40。以虚线表示对应于一个bga的一个单位。
129.球栅阵列(ball grid array，简称bga)20是电子部件的一种，是具有将焊料球排列成栅格状的电极形状的安装基板。在图中所示的例子中，bga 20具有32个端子21。对应于此，在电路基板10，在每个单位设置有32个端子12。
130.bga 20具有多个端子21的结果是，电路侧端子12的面积变得更狭小。另一方面，对应于一个单位而设置一个导电性垫40可能导致发热量过多。
131.在变形例2中，对应于一个单位设置七个导电性垫40，没有过多发热，能够确保适当的发热量。由此，不会损伤片材，能够确保焊接接合。
132.在变形例2中，例如，bga20的尺寸为5mm
×
5mm至10mm
×
10mm左右，端子的尺寸为500μm
×
500μm，导电性垫40的尺寸为直径2mm左右。
133.此外，同样地，也可以将本技术的安装方法用于芯片尺寸封装(chip size package，简称csp)。
134.(变形例3)图15是根据变形例3的fpc安装结构的示意图。
135.图16是根据变形例3的fpc 10、20的主要部分的立体图。图17是根据变形例3的fpc 10、20的主要部分的剖面图。
136.在上述实施方式中，针对将电子部件20安装到电路基板10进行了说明，如果将fpc 10解释为电路基板，将fpc 20解释为广义的电子部件，则同样能够使fpc 10、20彼此接合。
137.fpc(flexible printed circuit，柔性印刷电路)被接合到电子部件。此时，由于集中多个配线，端子间隔变窄，一个端子的宽度变窄。其结果是，对于以往技术的电磁感应加热，担心无法确保充分的发热量
138.在变形例3中，在fpc 10的背面端部设置导电性垫40间接加热，从而确保发热量。由此，能够确保焊接接合。
139.(变形例4)
140.虽然上述实施方式是焊接接合，但是，也可以用于焊接接合以外的接合。例如，本技术的安装方法可以用于热固性粘接剂硬化。
141.具体而言，对于塑料壳体与金属部件一体的成型品，在背面设置导电性垫40，同时在金属部件涂布热固性粘接剂，通过电磁感应加热使导电性垫40发热，使热固性粘接剂反应。
142.附图标记说明
143.10：电路基板
144.11：片材
145.12：电路侧端子
146.20：电子部件
147.21：电子部件侧端子
148.30：焊料
149.40：导电性垫