JP3544672B2 - たわみ回路用銅合金箔 - Google Patents

Description

本発明は、たわみ回路（flexible circuit）に使用する銅合金に関する。より具体的には、銅合金の強度を高めて、回路が破断するまでに耐える曲げの繰返し回数を増大させる。
たわみ回路は、可動部品を有する電気装置に使用される。例えば、たわみ回路は、コンピュータ・プリンタにおいて印刷ヘッドとコントロール・パネルを電気的に相互接続する。たわみ回路は、エアバッグを作動させる回路などの自動車の可動部品を電気的に相互接続するのにも使用される。
たわみ回路は、厚さ0.025ミリメートル（0.001インチ）のポリイミドなどの薄いポリマー基板を有する。基板には銅箔が積層され、その後エッチングされて回路となる。回路は通常、平行に縦方向に走るストリップ群の形態をとる。これらの銅箔ストリップは、基板の横方向の縁を越えて延在し、電気構成要素にハンダ付けされる。
電気構成要素が作動中に移動するにつれて積層された銅ストリップは曲げられる。繰り返し曲げられることによって銅ストリップは疲労し、ついには破断する。
回路の曲げは３つのカテゴリに分類される。
段階１−静的な曲げ。取付時に回路が１回または２回曲げられる。
段階２−反動的な曲げ。装置寿命中に回路が、５回から1000回の間で曲げられる。
段階３−動的な曲げ。装置寿命中に回路が、1000回から100万回以上曲げられる。
段階１のたわみ回路は、ツジ（Tsuji）等の米国特許第4908275号に開示されているようなテープ自動ボンディング（TAB）回路である。TAB回路（tape automated bonding circuit）では、銅の回路配線は、一般にポリイミドであるポリマー基板上に形成される。回路配線の内部リードは、基板の中央部分に形成された窓の中に片持ち式に延在する。これらの内部リードの端部は集積回路装置に接合される。反対側の外部リード部分は、ポリマー基板を越えて延在し、プリント回路基板またはその他の回路にハンダ付けされる。
内部リードおよび外部リードはそれぞれ１回程度曲げられる。内部リードは、集積回路装置に接合する際に曲げられ、外部リードは、外部回路にはんだ付けする際に曲げられる。
段階１のTAB適用例に関しては、銅は高い延性と高い電気伝導率とを要求される。上記ツジ等の特許に開示された銅合金は、0.005重量％〜1.5重量％の合金添加材を含む。
延性の大きい銅合金は、段階１およびおそらく段階２の適用例では有効だが、非常に多くの曲げ回数が要求される段階３のある適用例では機能しない。よって、段階３の適用例に適した銅合金を含むたわみ回路が求められている。
よって、本発明の目的は、段階３の適用例での性能を向上させたたわみ回路を提供するにある。本発明の特徴は、ある種類の銅ベースの合金を可撓性ポリマー基板に積層して、段階３の動作を十分に実施できることである。これらの合金に共通する特徴は、これらの合金が一般に、銅合金C110よりも低い延性と高い強度を有することである。
本発明の一利点は、本発明の合金を利用して製造されたたわみ回路は、数千回から数百万回曲げても破損しないことである。このたわみ回路を利用すると電気装置の動作寿命が長くなる。
本発明に従って、たわみ回路を提供する。この回路は、２つの横方向の側面によって相互接続された平行に走る２つの縦方向の側面を持つポリマー基板を有する。複数の導電性銅合金ストリップがポリマー基板に積層される。これらの銅合金ストリップは一般に、ポリマー基板の縦方向の側面に概ね平行に走り、基板の両方の横方向の側面を越えて延在する。銅合金C110と比べてこの銅合金の組成は、横方向の側面間の距離が繰り返し変化するときに破断を減らすのに有効である。
前述の目的、特徴および利点は、以下の明細および図面からより明白となろう。
第１図は、たわみ回路の斜視図である。
第２図は、２種類の銅合金の繰返し破損特性を示すグラフである。
第３図は、シミュレーションにかけた段階１の適用例の各種銅合金が破損するまでの回数を示すグラフである。
第４図は、段階２の動作のシミュレーションにかけた各種銅合金が破損するまでの回数を示すグラフである。
第５図は、段階３の動作のシミュレーションにかけた各種銅合金が破損するまでの回数を示すグラフである。
第６図は、各種銅合金が破損するまでの繰返し回数に対する厚さの影響を示すグラフである。
第７図は、剥離強度に対する合金の選択の影響を示す図である。
第１図に、複数の銅合金ストリップ12を有するたわみ回路10を示す。銅合金ストリップ12は、ポリイミドやポリエステルなどの可撓性の適当な誘電体材料から形成されたポリマー基板14に積層される。
ポリマー基板14は、横方向の側面18によって相互接続された平行して走る対向する２つの縦方向の側面16を有する。
銅ストリップ12は、アクリル接着剤またはエポキシ接着剤を使用して熱および圧力をかけるか、または銅合金箔の上にポリマーを注型するなどによってポリマー基板14に積層される。銅ストリップ12は、両方の横方向の側面18を越えて延在する延長部分20を有する。延長部分20は、プリンタ・ヘッドやプリント回路基板などの電気構成部品にハンダ付けされる。一方の側または両側の電気構成部品は頻繁に移動し、２つの横方向の側面18間の距離「Ｄ」は繰り返し変化する。例えば、延長部分20がプリンタ・ヘッドにハンダ付けさている場合、ヘッドが用紙に沿って移動するにつれてこの距離は変化する。
第２図は、本発明に利用する合金（参照線22）が破損するまでの繰返し回数と比較のための合金（参照線24）のそれとの関係をさまざまなひずみ範囲について示したグラフである。参照線22は、適度な延性および強い強度を有する銅合金、すなわち、室温で、約124×10³MPa（18×10⁶psi）〜約172×10³MPa（25×10⁶psi）の範囲の平均弾性係数、および551.6MPa（80ksi）を超える引張強度（UTS）を有する銅合金がその他の銅合金に比べて優れた性能を有していることを示している。
参照線24で示すとおり、より高い延性およびより低い強度を有する銅含有率のより低い銅合金は、段階１の適用例では優れ、段階２の適用例では同程度、段階３の適用例では劣った性能を示す。
本発明の合金は一般に、1.5重量％を超える合金添加材を含み、好ましくは、２重量％を超える合金添加材を含む。過大な脆性を与えることなく強度を増大させるものであればどんな合金添加材を用いてもよい。好ましい添加材には、鉄、ニッケル、コバルトなどの遷移金属が含まれる。
遷移金属の量は、約0.5重量％〜約６重量％でなければならず、約２重量％〜約５重量％が好ましい。好ましい合金には以下のものが含まれる。
銅合金C7025。その組成は、重量比で、ニッケル２％〜4.8％、ケイ素0.2％〜1.4％、マグネシウム0.05％〜0.45％および残量が銅である。
銅合金C71500。組成は、ニッケル29重量％〜33重量％および残量が銅である。重量比で、強度の増大に効果のある量から１％までのクロム、0.05％〜0.40％のジルコニウム、0.1％〜約1.0％の遷移金属、0.05％〜0.7％のチタン、および残量の銅を含み、遷移金属とチタンの原子比M:Tiが、約1.2:1〜約7.0:1である銅合金。この合金は、キャロン（Caron）等の米国特許第5306465号に記載されている。
たわみ箔として使用する銅合金の厚さは、約0.0076mm（0.0003インチ）〜約0.10mm（0.004インチ）である。好ましい箔の厚さは、約0.016mm（0.00065インチ）〜約0.038mm（0.0015インチ）である。箔は、所望の組成の鋳造インゴットから、鍛造され、寸法に合わせて延伸され、所望の焼きもどしが得られるように熱処理されなければならない。
ポリマー基板への付着性を改善するため箔は、ポラン（Polan）等の米国特許第4468293号に開示されている電解付着させた銅の樹枝状結晶などの付着強化コンパウンドか、またはチェン（Chen）等の米国特許第5230932号に開示されているクロムと亜鉛の電解共付着層（electrolytically co−deposited layer）で処理される。その他の付着強化プロセスには、1995年７月26日に発光されたイギリス特許出願GB2285813−Ａ号に開示されている銅−ニッケル合金の電解付着小塊、およびコール（Caule）の米国特許第3677828号およびパルタサラティ（parthasarathi）等の米国特許第4647315号に開示されているリン酸クロム・コーティングなどがある。
第１図に戻る。銅ストリップ18のポリマー基板14への積層は、アクリルなどのポリマー接着剤を使用して、加熱（180℃〜200℃）、加圧（1.4MPa〜2.1MPa（200psi〜300psi））処理することによって実施される。
ポリマー基板から銅ストリップが分離する積層剥離はたわみ回路の破損の原因となる。本発明の発明者らは、本発明の合金が、銅含有率のより低い従来技術の銅合金の約２倍の剥離強度（積層剥離に必要な力）を有することを見い出した。
強度の高い材料を使用することの他の利点は、この材料が、積層硬化サイクルの前後で、折れ、へこみ、輸送時の損傷により大きな抵抗性を示すことである。
本発明の利点は、以下の例からより明白となろう。
例１
Cu−W7。これは、銅合金C110（公称組成が、重量比で銅が99.90％、酸素が最大で0.05％の電解タフピッチ銅）である。
Cu−E2−電解により形成された銅箔。これは銅99.9％（最低値、重量比）の公称組成を有する電解形成された銅箔。
銅合金C197。（公称組成は、重量比で、鉄0.6％、りん0.2％、マグネシウム0.05％、および残りの割合の銅）
銅合金C7025。
段階１の静的な曲げ性能を評価するため、未積層の箔を、フォーミング・ガス（窒素96％、水素４％）中で180℃３時間、加熱処理した。処理後の箔を、標準的な工業試験装置を使用して試験した。段階１の曲げ性能は、アメリカ材料試験協会（ASTM）の方法D2176−69に従って評価した。この方法に従って、箔を、広げた位置から左右に135゜±２゜折り曲げた。折りたたみは、指定の半径を有する２つの折りたたみ表面マンドレルの周囲に実施する。
サンプルを、半径0.38ミリメートルのマンドレルの周囲で織り返し曲げ、破断するまでの繰返し回数を記録した。第３図に示すように、本発明に基づいた高強度合金は、本質的に純粋な銅（CU−W7およびCU−E2）および少量の合金元素を含む銅合金（C197）と同程度の性能を示した。
段階２の半動的な曲げ性能は、ASTMの方法D2176−69に従って評価した。未積層の箔サンプルを、前記のとおり処理し、半径2mmのマンドレルの周囲で繰り返し折り曲げた。第４図に示すとおり、本発明に利用される高強度合金は、少量の合金元素を含む銅合金と同程度の性能を示し、比較的純粋な銅よりも性能はかなり改善された。
段階３の動的曲げ性能は、アメリカプリント回路工業会（IPC）の方法IPC−TM−650,§2.4.2.1に従った疲労延性試験を用いて評価した。この方法に従って、箔を、指定半径のマンドレルの周りの一連の支持ローラーの間に張った。未積層の箔サンプルは前記のとおりに処理した。第５図に示すとおり、本発明に利用される高強度合金は、少量の合金元素を含む銅合金の２倍を超える性能を示し、純銅の３倍から６倍、性能が改善された。
例２
1/2オンス（0.017mm（0.00067インチ））の銅合金箔の性能をASTMの方法D2176−69に従って評価した。未積層の1/2オンス銅箔ストリップについて例１と同様に実施した。第６図に示すとおり、段階１の性能では、本発明の銅合金は、破壊されるまでの繰返し回数が純銅と比べて約15倍向上した。段階２の動作では、その向上は約100倍であった。
第６図を、第３図および第４図と比較すると、段階１および段階２において、１オンス銅箔（0.034mm）に比べて、1/2オンス銅合金箔のほうが優れた結果が得られることが分かる。
例３
銅ストリップを、より厚い1.0mm（0.040インチ）厚さの銅基板にアクリル接着剤で積層した。次いで基板から箔を90゜の角度で剥離し、要した力をN/m（幅１インチあたりポンド（PIW））で測定して第７図に示すように剥離強度を評価した。本発明のたわみ回路に利用される銅合金は、少量の合金元素を含む銅合金および純銅のどちらよりも優れた剥離強度を示す。
例４
一連の銅合金に、積層化の際、または使用の際に銅ストリップが受けるようなさまざまな熱プロファイルを与えた。第１表に示すように、熱を与えた前後で比較したとき、本発明の銅合金では、機械的性質の変化が最小であるか、または全くないことから耐熱性が向上したことが分かる。

強度および軟化に対する抵抗性を高めた銅ストリップを利用した本発明の銅たわみ回路によって、回路配線自体を電気接続のジャック（jack）として使用することができるようになる。これによって、組立が単純化され、電気構成部品の費用が低減される。さらに、C7025のような好ましい合金をはんだ付け可能である。
本発明に利用する合金の強度の増強は、合金添加材によって実施するものとして開示したが、これらの強度の増強を、合金プロセスによって実施することもできる。銅合金の種類に応じて、圧延などによって常温で鍛造して、段階３の動作を満足する引張強度を実現してもよいし、または、析出硬化および軟化抵抗のために熱処理してもよい。
本発明を、銅の単層たわみ回路に関して説明してきたが、多層たわみ回路にも同じように適用できる。
本発明に従うと、前記の目的、手段および利点を完全に満足するたわみ回路が提供されることは明白である。本発明を、本発明の実施形態とともに説明してきたが、以上の説明を勘案すれば、多くの代替、修正および変形の実施形態が、当業者に明白となることは明らかである。したがって、このような代替、修正および変形の実施形態は全て添付の請求の範囲の趣旨および広範な範囲に含まれるものである。

Claims (10)

1. 段階３の曲げ性能を向上させた箔において、
   約0.0076mm（0.0003インチ）〜約0.102mm（0.004インチ）の厚さを有し且つ、124×10³MPa〜172×10³MPa（18×10⁶psi〜25×10⁶psi）の室温平均弾性係数と551.6MPa（80ksi）超の室温引張強度を有し、鉄、ニッケル、コバルトおよびこれらの混合物から成る群から選択された遷移金属を２重量％〜５重量％含む銅合金ストリップ（12）と、
   前記銅合金ストリップ（12）を覆う付着強化層とを
   有することを特徴とする箔。
2. 前記付着強化層が、銅樹枝状結晶、クロムと亜鉛の共付着、銅−ニッケル合金小塊およびリン酸クロムから成る群から選択された材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の箔。
3. 前記付着強化層が銅樹枝状結晶であることを特徴とする請求項２に記載の箔。
4. ２つの横方向の側面（18）によって相互接続された平行に走る２つの縦方向の側面（16）を有するポリマー基板（14）と、
   前記ポリマー基板（14）に積層され、前記縦方向の側面（16）と概ね平行に走り、前記２つの横方向の側面（18）の両方を越えて延在する延長部分（20）を有する複数の導電性銅合金ストリップ（12）を含み、
   前記銅合金ストリップ（12）は、124×10³MPaから172×10³MPaまでの室温平均弾性係数を有し、且つ銅合金C110のストリップに比べて、前記横方向の側面（18）間の距離を繰り返し変化させたときの破断が減少し、鉄、ニッケル、コバルトおよびこれらの混合物から成る群から選択された遷移金属を２重量％〜５重量％含むことを特徴とするたわみ回路（10）。
5. 段階３の動作用に設計した電気装置において、
   第１の構成部品と、
   第２の構成部品と、
   前記第１および第２の構成部品を相互接続したたわみ回路（10）とを含み、
   前記たわみ回路（10）が、２つの横方向の側面（18）によって相互接続された平行に走る２つの縦方向の側面（16）を有するポリマー基板（14）と、前記ポリマー基板（14）に積層され、前記縦方向の側面（16）と概ね平行に走り、前記２つの横方向の側面（18）の両方を越えて延在する延長部分（20）を有する複数の導電性銅合金ストリップ（12）とを含み、
   前記銅合金ストリップ（12）は、124×10³MPaから172×10³MPaまでの室温平均弾性係数を有し且つ、銅合金C110のストリップに比べて、前記装置に段階３の動作を加えたときの破断が減少し、鉄、ニッケル、コバルトおよびこれらの混合物から成る群から選択された遷移金属を２重量％〜５重量％含むことを特徴とする電気装置。
6. 前記銅合金ストリップ（12）が、551.6MPa（80ksi）超の室温引張強度を有することを特徴とする請求項４に記載のたわみ回路（10）。
7. 前記銅合金ストリップ（12）が、551.6MPa（80ksi）超の室温引張強度を有することを特徴とする請求項５に記載の電気装置（10）。
8. 付着強化層が、前記ポリマー基板（14）と前記銅合金ストリップ（12）の間に置かれることを特徴とする請求項４に記載のたわみ回路（10）。
9. 付着強化層が、前記ポリマー基板（14）と前記銅合金ストリップ（12）の間に置かれることを特徴とする請求項５に記載の電気装置（10）。
10. 前記付着強化層が銅の樹枝状結晶であることを特徴とする請求項９に記載の電気装置（10）。

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