JP4449460B2 - 電子装置の製造方法及び熱圧着装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＣチップを搭載した非接触式個体識別装置の如き電子装置の製造方法及びかかる電子装置を熱圧着により製造する熱圧着装置に関する。

近年、大量の商品の物流及び物品管理や製造物履歴管理等を目的に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグを用いる非接触式個体識別システムの構築が進められている。物流管理において、コンテナやパレットのみならず、商品の一つ一つにＲＦＩＤタグを取り付けるためには、タグの低コスト化と大量生産性が課題であり、そのために安価なＩＣチップと送受信アンテナや、生産性と低コスト性に優れた実装技術が要求されている。

安価なＲＦＩＤタグを実現する案として、株式会社日立製作所の宇佐美により、ＩＣチップの２個の外部電極をチップの表面及び裏面に設けた両面電極ＩＣチップの各々の面の電極にダイポールアンテナを接続するガラスダイオード・パッケージ構造のインレットが提案され、特許文献１に開示されている。さらに、宇佐美らから、両面電極ＩＣチップを励振スリット型ダイポールアンテナに実装する際に、アンテナによってＩＣチップの表裏面電極を挟む、サンドイッチ・アンテナ構造インレットが開発され、非特許文献１に発表されている。

励振スリットを有するダイポールアンテナ構造において良好な通信特性を得るためには、スリットを跨いでＩＣチップの信号端子と接地端子をアンテナに接続する必要があるため、それら２端子を同一面内に形成する場合には、ＩＣチップを小型化するのにしたがって、スリットと端子接続部の位置合せに高い精度が要求されるが、サンドイッチ・アンテナ構造ではスリットの一方の側にチップをラフな位置精度で配置し、同様にラフな位置精度でスリットの反対側との接続をすればよく、高い生産性とそれにともなう低コスト化を実現するのに好適な構造である。サンドイッチ・アンテナ構造の一例を図８に、２端子が同一面内にある場合の構造の一例を図９に示す。

図８に示すサンドイッチ・アンテナ構造インレットにおいて、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。ＩＣチップ本体１１１の表裏面に電極１１２及び１１３が形成されたＩＣチップ１１０は、接続部Ｅにおいて電極１１２によってベース基材１２２及びアンテナ回路１２１で構成されるアンテナ基板１２０に異方導電性接着剤１４０に含有される導電粒子１４２を介して接続され、同様に、接続部Ｆにおいてベース基材１３２及び金属箔１３１で構成される短絡板１３０と電極１１３によって接続され、接続部Ｃにおいて短絡板１３０とアンテナ基板１２０が接続されている。ＩＣチップ１１０の上面電極１３の接続部Ｆとアンテナ基板上１２０の接続部Ｃは、アンテナ回路１２１に形成されたスリットＤを跨いで接続されている。アンテナ基板１２０と短絡板１３０の空隙は、異方導電性接着剤のマトリクス樹脂１４１によって封止されている。

図９に示す２端子が同一面内にあるインレットにおいて、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ´断面図である。同一面内に２端子１１２が設けられたＩＣチップ１１１は、ベース基材１２２及びアンテナ回路１２１で構成されるアンテナ基板１２０のアンテナ回路１２１に形成されたスリットＤを跨ぐように、電極１１２によってアンテナ基板１２０に接続され、封止材１４１によって封止されている。
特開２００２−２６９５２０号公報 ISSCC Digest of Technical Papers, pp.398-399, 2003

サンドイッチ・アンテナ構造を形成する場合に、生産性をより高め低コスト化を図るためには、図８においてＩＣチップ１１０とアンテナ基板１２０、ＩＣチップ１１０と短絡板１３０、さらに短絡板１３０とアンテナ基板１２０を同時に接続することが望ましい。一般に接続材料として導電性もしくは異方導電性あるいは非導電性接着剤や、金−錫合金を用いるため、接続ツールとして熱圧着装置を使用するが、ＩＣチップ１１０の接続部Ｅ、Ｆと、短絡板１３０とアンテナ基板１２０の接続部Ｃには、ＩＣチップ１１０の厚み分の段差が生じるため、同時に熱圧着するためには、図１０に示すように、圧着ヘッド１５０にＩＣチップ１１０の厚みに相当する段差もしくは突起１５１を形成しておく必要がある。

しかしながら、段差や突起１５１を設けた圧着ヘッド１５０で熱圧着する場合、ＩＣチップ１１０の厚みごとに圧着ヘッド１５０を準備する必要がある。また、ＩＣチップ１１０の厚みや接続材料の厚みにばらつきが生じた場合には、２つの接続部Ｅ、Ｆ及びＣで圧力ばらつきが生じることになり、接続部の信頼性を低下させる原因となる。生産性を上げるために複数のインレットを一括して熱圧着する場合には、その個数を増やすにしたがい熱圧着ヘッド１５０の面積を大きくしなければならず、インレット毎の圧力ばらつきを抑制するためには、熱圧着装置のステージとヘッドの平行度を厳しく管理する必要がある。さらに、図８に示したように異方導電性接着剤１４０を用いて、電気的接続と同時にアンテナ基板１２０と短絡板１３０間の封止を行う場合、図１１に示すように、２つの接続部Ｅ、Ｆ及びＣの間の圧力を十分に印加できない部分にはマトリクス樹脂１４１中にボイド１５２が発生しやすい。このようなボイド１５２は接着強度を低下させるばかりでなく、吸湿した際の水分が溜まりやすい等の点から、信頼性を低下させる原因となる。

したがって、本発明は、前述の課題を解決するために提案されるものであって、信頼性に優れたＲＦＩＤタグ用インレットの如き電子装置を低コストで製造できるような製造方法及びかかる電子装置を熱圧着により製造する熱圧着装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決すべく、本発明の特徴とするところは、柔軟性を有する熱伝導媒体を用いることにより、ＩＣチップの厚みに拘わらず、高さの異なる２つの接続部を装置を変更することなく均一な圧力で同時に熱圧着することである。

すなわち、本発明は、表裏両面に電極が形成されたＩＣチップの片面の電極を、アンテナ基板上の励振スリットの片側に接続し、ＩＣチップのもう一方の面の電極と、励振スリットに対して反対側のアンテナ基板部を、短絡板を介して接続する構造であり、熱圧着によって当該の接続部を形成するＲＦＩＤタグ用インレットの製造方法において、接続高さが異なるＩＣチップの表裏端子の接続部と、短絡板とアンテナ基板の接続部を同時に、かつ均一な圧力で熱圧着を行うために、被着体の表面を柔軟性を有する熱伝導媒体（熱圧着ヘッド又は熱圧着手段）を用いて熱圧着することにある。

具体的な方法として、熱圧着ヘッドの表面に少なくとも厚みがＩＣチップの厚みより大きい軟質ゴムや、軟質の発泡性ゴムを備えている熱圧着装置を用いることで、２つの接続部にかかる圧力の均一化することができる。

さらに好適な方法として、少なくとも圧着温度で流動性を持つ物質を内部に充填した袋状容器を、表面に備えた熱圧着ヘッドを用いることができる。ここで、流動性をもつ物質は、気体もしくは液体のような流体でも良く、また、シリコーン系樹脂や寒天のようなゲル状物質でもよい。袋状容器には耐熱性に優れたフッ素系樹脂や、シリコーン系樹脂にフッ素樹脂コートを施した有機樹脂系ゴムや、段差への追従性を損なわない程度の厚みの金属板でも良い。

また、柔軟性を有する熱圧着ヘッドと被圧着体の間に、厚さが０．０５ｍｍから３ｍｍ程度のラバーシートを挿入することで被圧着体形状への追従性がさらに向上し、圧力が均一化されるとともに、接着剤等の接続材料が熱圧着ヘッドに付着するのを防止することができる。なお、ゴムシートの硬度（Ｈｓ ＪＩＳ Ａ）は４０度から９０度程度が好適であり、ゴムの材質としては、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンゴム、プロピレンゴム、ブチルゴム、ポリウレタンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム等が好ましい。

柔軟性を有する熱伝導媒体は、熱圧着ヘッドに固定してある必要はなく、一般的な熱圧着ヘッド材料である金属製ブロックと被圧着体の間に、流動性を持つ物質を内部に充填した袋状容器を挿入することによっても同様な効果を得ることができる。

ＩＣチップとアンテナ基板及び短絡板、短絡板とアンテナ基板の各接続材料は、導電性接着剤、異方導電性接着剤や非導電性接着剤等の熱硬化性接着剤を用いることができる。この中で異方導電性接着剤は、電気的接続は導電粒子を介して行い、機械的な固定をマトリクス樹脂が行うが、余剰な樹脂によってアンテナ基板と短絡板の間の封止効果を同時に得られる点で高い信頼性が期待でき、好適な材料である。

また、ＩＣチップの端子上に金属製のバンプを形成し、アンテナ材料もしくはアンテナ回路上に形成されたアンテナ材料とは異なるメタライズ層と金属接合することも可能である。金属接合の例としては、ＩＣチップ電極上には金バンプ、銅のアンテナ回路上には錫めっきを施しておき、熱圧着することで金−錫接合を得ることができる。

本発明ではこれらの接続材料を１種類に規定する必要はなく、各々の接続部で上記の接続材料を組合せて使用することも可能である。

本発明によると、信頼性に優れたＲＦＩＤタグ用インレットを低コストで生産することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

図１（ａ）は本発明の第１の実施例であり、本願の製造方法を適用したＲＦＩＤタグ用インレットを短絡板面から見た概略図である。また、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´部の断面概略図である。図１（ａ）及び（ｂ）を用いて、ＲＦＩＤタグの構造を簡単に説明する。ＩＣチップ１０には、ＩＣチップ本体１１の表裏面に電極１２及び１３が形成されている。ＩＣチップ１０は電極１２によって、ベース基材２２及びアンテナ回路２１で構成されるアンテナ基板２０に接続部Ｅにおいて、異方導電性接着剤４０に含有される導電粒子４２を介して接続されている。同様に、ベース基材３２及び金属箔３１で構成される短絡板３０とＩＣチップ１０の電極１３が接続部Ｆにおいて、また、短絡板３０とアンテナ基板２０が接続部Ｃにおいて、異方導電性接着剤４０によって接続されている。すなわち、ＩＣチップの上面電極１３の接続部Ｆとアンテナ基板上の接続部Ｃは、アンテナ基板２１に形成されたスリットＤを跨いで接続された構造である。また、アンテナ基板２０と短絡板３０の空隙は、異方導電性接着剤４０のマトリクス樹脂４１によって封止されている。

以下、図２の工程図を用いて、本発明の第１の実施例を説明する。

まず、厚み５０μｍのポリエチレンテレフタレートによるベース基材２２と、厚み３０μｍのアルミニウム箔によるアンテナ回路２１からなるアンテナ基板２０を準備した。アンテナ基板２０のサイズは縦１５０ｍｍ、横６０ｍｍであり、この中に２．５ｍｍ、長さ５３ｍｍのアンテナ回路２１が５０個形成されている。（図２（ａ））
次に、アンテナ基板２０のアンテナ回路２１上のＩＣチップ実装部に、図１における異方導電性接着剤４０となる幅２ｍｍの異方導電性接着フィルム４５（ＡＣ−７１０６Ｕ−２５（日立化成工業(株)製））を８０℃でラミネートし、セパレータフィルムを剥がした。（図２（ｂ））
次に、縦横の長さが各０．４８ｍｍで厚みが０．１５ｍｍのＩＣチップ１０をチップマウンタを用いて異方導電性フィルム４５上に仮固定した。（図２（ｃ））
次に、厚み５０μｍのポリエチレンテレフタレートによるベース基材３２と、厚み３０μｍのアルミニウムによる金属箔３１からなる、幅２ｍｍのテープ状の短絡板３０の金属箔面３１に、幅２ｍｍの異方導電性接着フィルム４５（ＡＣ−７１０６Ｕ−２５（日立化成工業(株)製））を８０℃でラミネートし、セパレータフィルムを剥がした。（図２（ｄ））
次に、異方導電性接着フィルム４５をＩＣチップ１０側に向けた短絡板３０とアンテナ基板２０を位置合せし、仮固定した。次に、前記の構成を熱圧着装置のステージ上に載せ、その上にゴムシートを載せ、その上から熱圧着ヘッドを降下し、圧力５ＭＰａ、温度１８０℃、加熱時間１５秒の条件で５０個のインレットを一括で熱圧着した。（図２（ｅ））
図３に使用した熱圧着ヘッドの模式図を示す。流動性をもつゲル状のシリコーン樹脂２を内部に充填し、表面にはフッ素樹脂加工を施したシリコーン樹脂からなる袋状容器３をＳＵＳ製の熱板１に装着してある。また、袋状容器３の脱落を防止するとともに圧着有効領域を規定するために熱板の周囲にサポート４を設けてある。また、ゴムシートは厚さ１ｍｍで硬度（Ｈｓ ＪＩＳ Ａ）が７５度のニトリルゴムシートを用いた。図４に熱圧着時の断面の一部を模式的に示す。図４中のＧがインレット１個分の領域である。図中において、袋状容器３及び短絡板３０間に、ゴムシート５が挟まれている。

次に、連続したアンテナ基板２０及び短絡板３０をプレス切断機を用いて切断し、１個毎に分割し、インレットを得た。（図２（ｆ））
以上の方法によって作製した５０個のインレットは、すべて正常な通信特性が得られた。また、その中の３個を抜き取り、断面観察を行った結果、すべてのインレットで接着剤中にボイドは見られなかった。

アンテナ基板２０とＩＣチップ１０、ＩＣチップ１０と短絡板３０及び短絡板３０とアンテナ基板２０の各接続部Ｅ、Ｆ及びＣで電気的接続が得られることを確認するために、以下の実験を実施した。

まず、実施例１のＩＣチップ１０と同じ大きさである、縦横の長さが各０．４８ｍｍで厚みが０．１５ｍｍのベアシリコンチップを準備し、その全面に約５μｍの厚みで無電解ニッケル−金めっきを施した。

次に、実施例１のアンテナ回路２０と同じ外形の大きさである、幅２．５ｍｍ、長さ５３ｍｍのアルミニウムによる回路２５を図５に示すようにスリットをＨ部で断線した形状に加工し、実施例１と同じ配列で縦１５０ｍｍ、横６０ｍｍのシートの中に５０個形成した。

次に、実施例１の図２（ｂ）から（ｆ）に示した工程で、回路２５上に全面めっきを施したベアシリコンチップと短絡板３０とを異方導電性接着フィルム（ＡＣ−７１０６Ｕ−２５（日立化成工業(株)製））を介して搭載した後、１個毎に分割した。

以上の方法によって作製した５０個の試験片は、図６に示す構成となり、図６（ａ）のＩ−Ｉ´間の電気抵抗を測定することにより、回路２５の一方２３とシリコンチップ１５、シリコンチップ１５と短絡板３０及び短絡板３０と回路２５の他方２４の各接続部Ｅ、Ｆ及びＣで電気的接続が得られることを確認できる。図中において、シリコンチップ本体１６の全面にめっき１７が施されている。測定の結果、５０個すべての試験片で１Ω以下の抵抗値が得られた。また、その中の３個を抜き取り、断面観察を行った結果、すべての試験片で異方導電性接着剤４０のマトリクス樹脂４１中にボイドは見られなかった。

ＩＣチップ本体１５の厚みを０．０５ｍｍに変更した以外は実施例２と同じ方法で試験を実施した。その結果、５０個すべての試験片で１Ω以下の抵抗値が得られた。また、その中の３個を抜き取り、断面観察を行った結果、すべての試験片で異方導電性接着剤４０のマトリクス樹脂４１中にボイドは見られなかった。

〔比較例１〕
実施例１の図２（ａ）から（ｄ）に示した工程で、ＩＣチップ１０、アンテナ基板２０、短絡板３０を準備した。

次に、ＩＣチップ１０を仮固定したアンテナ基板２０と異方導電性接着フィルム４５をＩＣチップ側に向けた短絡板３０とを位置合せし、仮固定した。次に、前記の構成を熱圧着装置のステージ上に載せ、その上に実施例１で使用したゴムシートを載せ、その上から熱圧着ヘッドを降下し、圧力５ＭＰａ、温度１８０℃、加熱時間１５秒の条件で５０個分のインレットを一括で熱圧着した。

熱圧着装置は図７に示すように、ＩＣチップ１０の厚みと同じ０．１５ｍｍの高さの突起５１を５０個形成した窒化アルミニウム製の熱圧着ヘッド５０を装着したものを用いた。

次に、連続したアンテナ基板２０及び短絡板３０をプレス切断機を用いて切断し、１個毎に分割し、インレットを得た。

以上の方法によって作製した５０個のインレットは、すべて正常な通信特性が得られた。しかし、その中の３個を抜き取り、断面観察を行った結果、２個の試験片で接着剤中にボイドが観察された。

〔比較例２〕
アンテナ基板２０とＩＣチップ１０、ＩＣチップ１０と短絡板３０及び短絡板３０とアンテナ基板２０の各接続部Ｅ、Ｆ及びＣで電気的接続が得られることを確認するために、比較例１で用いた熱圧着装置を使用した以外は実施例２と同じ方法で試験を実施した。その結果、５０個中５個の試験片で１Ω以上の抵抗値となった。しかし、その中の３個を抜き取り、断面観察を行った結果、２個の試験片で接着剤中にボイドが観察された。

〔比較例３〕
厚みが０．０５ｍｍのＩＣチップ本体１１を用いた場合に、熱圧着ヘッドを交換することなく各接続部の接続が得られるかどうかを確認するために、比較例１で用いた熱圧着装置を使用した以外は実施例３と同じ方法で試験を実施した。その結果、５０個すべての試験片でオープン不良が発生した。その中の３個を抜き取り、断面観察を行った結果、すべての試験片で、ＩＣチップ本体１１とアンテナ基板２０及び短絡板３０との接続部Ｅ、Ｆ及びＣに密着不足による接続不良が観察された。

実施例１〜３及び比較例１〜３の結果を表１にまとめて示す。

本発明により次のような効果を得ることができる。両面電極付ＩＣチップを用いたサンドイッチ・アンテナ構造インレットの製造方法において、柔軟性を有する熱伝導媒体を介してインレットを熱圧着する方法によって、高さの異なる２つの接続部を均一な圧力で熱圧着することが可能である。したがって、ＩＣチップの厚みを変更する度に熱圧着ヘッドを作製もしくは交換する必要がなく、また、複数のインレットを一括して熱圧着するために面積の大きいヘッドを用いる場合にも搭載ステージとヘッドの平行度を厳しく管理する必要がないために、高い生産性を実現することができる。また、各接続部を均一な圧力で熱圧着することによって、安定した電気的接続が得られ、優れた接続信頼性を実現することができる。さらに、接続材料に異方導電性接着剤を用い、電気的接続とアンテナ基板と短絡板の間隙の封止を同時に行う場合には、接着剤内部のボイドを抑制することができ、優れた信頼性を得ることが可能である。

本発明の実施例１から得られるインレットの構造を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。 本発明を説明するための図である。 本発明の熱圧着ヘッドを説明するための図である。 本発明の熱圧着時の状態を説明するための図である。 本発明の実施例２で用いた基板を説明するための図である。 本発明の実施例２の試験片の構成を説明するための図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＪ−Ｊ´断面図である。 比較例１で用いた熱圧着ヘッド形状を示す図である。 従来のインレットの構造を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。 従来のインレット構造を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ´断面図である。 従来の熱圧着ヘッド形状を示す図である。 従来の熱圧着時の状態を説明するための図である。

符号の説明

１：熱板
２：ゲル状樹脂
３：袋状容器
４：サポート
５：ゴムシート
６：搭載ステージ
１０：両面電極付ＩＣチップ
１１：ＩＣチップ本体
１２、１３：外部電極
１５：接続抵抗測定用シリコンチップ
１６：ベアシリコンチップ
１７：無電解ニッケル−金めっき層
２０：アンテナ基板
２１：アンテナ回路
２２：ベース基材
２３、２４：アルミニウム回路
２５：回路
３０：短絡板
３１：金属箔
３２：ベース基材
４０：異方導電性接着剤
４１：マトリクス樹脂
４２：導電粒子
４５：異方導電性フィルム
５０：圧着ヘッド
５１：突起
１１０：ＩＣチップ
１１１：従来のＩＣチップ
１１２：金バンプ
１１３：電極
１２０：アンテナ基板
１２１：アンテナ回路
１２２：ベース基板
１３０：短絡板
１３１：金属箔
１３２：ベース基材
１４０：異方導電性接着剤
１４１：封止材
１４２：導電粒子
１５０：熱圧着ヘッド
１５１：突起
１５２：ボイド
Ａ−Ａ´、Ｂ−Ｂ´、Ｊ−Ｊ´：切断面
Ｃ、Ｅ、Ｆ：接続部
Ｄ：励振スリット
Ｇ：インレット１個の範囲
Ｈ：断線部
Ｉ、Ｉ´：抵抗値測定点

Claims (5)

1. 外部電極が向かい合った一組の面に形成されたＩＣチップと、このＩＣチップの一方の面の外部電極と接続される送受信アンテナと、前記ＩＣチップの他方の面の外部電極と接続され、前記ＩＣチップと前記送受信アンテナとを電気的に接続する短絡板と、前記ＩＣチップと前記送受信アンテナ及び前記短絡板とを接続するための接続部材と、前記送受信アンテナと前記短絡板とを接続するための接続部材とを含む電子装置の製造方法において、
   前記ＩＣチップと前記送受信アンテナ及び前記短絡板との接続と、前記送受信アンテナと前記短絡板との接続が、少なくとも圧着温度で柔軟な熱圧着面を有する熱圧着装置によって同時に行われることを特徴とする電子装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の電子装置の製造方法において、
   前記ＩＣチップと前記送受信アンテナ及び前記短絡板との接続と、前記送受信アンテナと前記短絡板との接続が、少なくとも圧着温度で流動性をもつ物質を内部に充填した袋状容器を、熱圧着ヘッドの熱圧着面に備えている熱圧着装置によって同時に行われることを特徴とする電子装置の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の電子装置の製造方法において、
   熱圧着装置の熱圧着面と、被圧着体である前記電子装置の構成材料と、熱圧着ステージとの間の、少なくとも一つの側に、少なくとも圧着温度で柔軟性をもつシート状物質を挿入することを特徴とする電子装置の製造方法。
4. 請求項１に記載の電子装置の製造方法において、
   前記ＩＣチップと前記送受信アンテナ及び前記短絡板との接続と、前記送受信アンテナと前記短絡板との接続が、熱圧着装置の熱圧着ヘッドと、被圧着体である前記電子装置の構成材料と、熱圧着ステージの間との間の、少なくとも一つの側に、少なくとも圧着温度で流動性をもつ物質を内部に充填した袋状容器を挿入することによって同時に行われることを特徴とする電子装置の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子装置の製造方法において、
   前記ＩＣチップと前記送受信アンテナ及び前記短絡板との接続と、前記送受信アンテナと前記短絡板との接続が、導電性接着剤もしくは異方導電性接着剤もしくは非導電性接着剤あるいは金属接合の少なくとも一つ、もしくは二つ以上の組合せによって行われることを特徴とする電子装置の製造方法。

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