CN105917751B - 立体电路基板和其使用的阻焊剂组合物 - Google Patents

立体电路基板和其使用的阻焊剂组合物 Download PDF

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Abstract

本发明提供能够防止部件安装时焊料的流动、短路的可靠性高的立体电路基板和其使用的阻焊剂组合物。一种立体电路基板(10)，其具备在立体基板(1)上形成的电路(2)和部件安装部(3)。该立体电路基板(10)以部件安装部(3)开口的方式形成有阻焊层(4)，且在部件安装部(3)通过焊料安装有电子部件。阻焊层(4)优选为光致保护剂，此外，立体基板1优选为树脂成型品，且在树脂成型品上形成有电路(2)。

Description

立体电路基板和其使用的阻焊剂组合物
技术领域
本发明涉及立体电路基板和其使用的阻焊剂组合物，详细而言，涉及能够防止部件安装时焊料的流动、电路的短路的可靠性高的立体电路基板和其使用的阻焊剂组合物。
背景技术
伴随手机、复印机等这样的电子设备的小型化、多功能化，需要将电路基板紧凑地收纳在壳体的内表面、外表面。立体电路基板在壳体、电子部件上不是平面的，而是立体地形成导电布线，从空间效率、设计的改进、因部件与电路的合并而导致的部件数的减少等观点考虑是优选的。立体电路基板的制造方法有很多种，使用有将柔性电路基板弯曲安装而得到的基板等，但是耗费时间、成本，此外对高密度化也存在极限。因此，提出了在成型的立体基板上直接形成电路的方法。
例如，分别在专利文献1中提出了：对成型的电子部件进行物理掩蔽、导电性涂料的印刷、进行了镀覆的涂料的印刷等，并通过镀覆形成电路的方法；专利文献2中提出了：通过利用蒸镀法等在成型的部件上形成金属薄膜，并用激光光线照射、镀覆、蚀刻去除不必要的金属薄膜而形成电路的方法；专利文献3中提出了：在成型的部件上将金属箔利用热冲压法形成电路的方法。近年来，大多使用在成型用树脂中使非导电性金属络合物分散，并在使用该成型用树脂成型为立体基板后照射激光光线，产生金属核，然后实施镀覆从而在立体基板上形成电路的方法。(专利文献4)
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭63-234603号公报
专利文献2：日本特开2008-53465号公报
专利文献3：日本特开2001-15874号公报
专利文献4：日本特表2004-534408号公报
发明内容
发明要解决的问题
以往，立体电路基板几乎都是单纯地用作布线、天线的用途，与其它部件的连接为接触式的连接器，如果通过实施镀金等来防止布线金属的腐蚀，就不会产生特别的问题。然而，近年来，由于立体电路基板的高功能化，开始安装IC(Integrated Circuit)等集成电路、LED(发光二极管(Light Emitting Diode))、照相机、麦克风等部件。
这些部件是通过焊料安装在立体电路基板上的，但具有如下问题：焊接时，焊料沿着电路流动，安装电子部件的焊料的量变少，部件容易因振动、应力而脱落。此外，焊料横跨电路间时，会产生电路短路这样的致命缺陷。这些缺陷会明显降低产品的可靠性，因此现状是需要尽快找出对策。
因此，本发明的目的在于，提供能够防止部件安装时焊料的流动、电路的短路的可靠性高的立体电路基板和其使用的阻焊剂组合物。
用于解决问题的方案
本发明人等为了解决上述课题，进行了深入研究，结果发现：通过以立体基板电路的部件安装部开口的方式形成阻焊层，可以解决上述课题，从而完成了本发明。
即，本发明的立体电路基板的特征在于，其具备在立体基板上形成的电路和部件安装部，
该立体电路基板是以前述部件安装部开口的方式形成阻焊层而成的，且在前述部件安装部通过焊料安装有电子部件。
本发明的立体电路基板中，优选的是，前述阻焊层为光致保护剂。此外，本发明的立体电路基板中，优选的是，前述立体基板为树脂成型品，且在该树脂成型品上形成有电路。进而，本发明的立体电路基板中，优选的是，前述树脂成型品是在成型用树脂上分散非导电性金属络合物而成的，在前述树脂成型品成型后通过激光光线的照射而产生金属核，然后实施镀覆而形成前述电路。此外，本发明的立体电路基板中，优选的是，前述阻焊层是利用喷雾方式涂布而成的，前述阻焊层的曝光是通过照射聚光的光源来进行的。
此外，本发明的阻焊剂组合物的特征在于，其被用于如下的立体电路基板，前述立体电路基板具备电路和部件安装部，前述部件安装部开口，且在前述部件安装部通过焊料安装有电子部件。
发明的效果
根据本发明，可以提供能够防止部件安装时焊料的流动、电路的短路的可靠性高的立体电路基板。
附图说明
图1为本发明的一个优选实施方式的立体电路基板的示意性立体图。
图2为将图1的立体电路基板沿着连接A点和B点的线切割而得到的展开图，(a)表示立体电路基板的外侧，(b)表示立体电路基板的内侧。
具体实施方式
以下，针对本发明的实施方式进行详细说明。
本发明的立体电路基板为具备在立体基板上形成的电路和部件安装部的立体电路基板。图1为本发明的一个优选实施方式的立体电路基板的示意性立体图，图2为将图1的立体电路基板沿着连接A点和B点的线切割而得到的展开图，(a)表示立体电路基板的外侧，(b)表示立体电路基板的内侧。在如图所示的例中，本发明的立体电路基板10在立体基板1上形成有电路2，且以仅安装有电子部件的部件安装部3开口的方式在立体基板上形成有阻焊层4，电子部件通过焊料安装于部件安装部3。通过以部件安装部3开口的方式形成阻焊层4，能够防止焊料向开口部外部流动、电路2的短路。本发明的立体电路基板在如图所示的部件安装部3设置于曲面部、弯曲部的情况下是特别优选的。
[立体电路基板]
本发明的立体电路基板可以通过如下方式进行制造：在将立体基板成型后，在该立体基板上形成电路，然后以部件安装部开口的方式形成阻焊层。作为立体基板的成型材料，可举出：陶瓷等无机系材料、使用树脂的有机系材料。
作为无机系材料，可以适宜使用氮化硅烧结体、赛隆烧结体、碳化硅烧结体、氧化铝烧结体、氮化铝烧结体等。除了这些陶瓷以外，还可以使用将金属成型，并在表面实施绝缘加工而成的物质。
作为有机系材料，可以适宜使用热固性树脂和热塑性树脂。作为热固性树脂，可举出：环氧树脂、三聚氰胺树脂、酚醛树脂、尿素树脂、不饱和聚酯树脂等。作为热塑性树脂，可举出：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS树脂、氯乙烯树脂、甲基丙烯酸甲酯树脂、尼龙、聚酯树脂、氟树脂、聚碳酸酯、聚缩醛、聚酰胺、聚苯醚、非晶聚芳酯、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、液晶聚合物等。
本发明的立体电路基板中，优选的是，立体基板由树脂成型品形成、且在树脂成型品上形成有电路，理想的是使用重量轻且成型容易的热塑性树脂，特别是本发明的立体电路基板是通过焊料安装电子部件的，因此被称为工程塑料的耐热性优异的氟树脂、聚碳酸酯、聚缩醛、聚酰胺、聚苯醚、非晶性聚芳酯、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、液晶聚合物是适宜的。
本发明的立体电路基板中，在立体基板表面形成电路的方法可以使用已知的方法，根据目的适宜选择即可。特别是本发明的立体基板电路中，优选的是，在立体基板的材料即成型用树脂中使非导电性金属络合物分散，并使用该成型用树脂成型为立体基板后，结合电路图案照射激光光线而产生金属核，然后实施镀覆，从而形成电路。
作为用于本发明的立体电路基板的形成的非导电性金属络合物，没有特别限制。作为非导电性金属络合物的中心金属，例如可举出：铜(Cu)、镍(Ni)、钯(Pd)、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、锡(Sn)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、铑(Rh)、钌(Ru)等。此外，作为非导电性金属络合物的配体，例如可举出：乙酰丙酮、苯甲酰丙酮、二苯甲酰基甲烷等β-二酮类；乙酰乙酸乙酯等β-酮羧酸酯等有机羰基化合物：具有-N＝N-键的有机氮化合物、具有-C＝N-和OH键的有机氮化合物；具有-N<-OH键的有机氮化合物这样的有机氮化合物：具有>C＝S键的有机硫化合物；具有-C-SH键的有机硫化合物这样的有机硫化合物等。
对于激光光线，只要是通过照射于上述非导电性金属络合物而使金属释放的物质即可，没有特别限制。作为激光光线的波长，例如可以使用248nm、308nm、355nm、532nm、1064nm和10600nm。
对利用激光光线而产生的金属核实施的镀覆优选导电性优异的镀铜，由此在立体基板上形成有电路。需要说明的是，该镀铜通过电镀实施即可。对于电路表面，为了长期确保可靠性而实施镀金是理想的，但镀金具有高成本这样的问题。然而，本发明的立体电路基板中，立体基板上的电路除了部件安装部即开口部以外被阻焊层覆盖，因此即使不实施高成本的镀金也能够防止电路的氧化，能够长期获得可靠性。需要说明的是，为了在电路表面实施镀金，首先，对镀铜层实施镍的化学镀，接着，对得到的镍层实施金的化学镀即可。
[阻焊层]
本发明的立体电路基板以部件安装部开口的方式形成有阻焊层。对于在立体电路基板的表面上形成阻焊层，可以按照阻焊剂组合物的涂布、干燥、曝光、显影、热固化的顺序进行。作为用于阻焊层的形成的阻焊剂组合物，可以使用含有树脂、单体、光聚合引发剂、热固化成分、填料等的物质，其组成可以根据目的进行适当设计。
作为阻焊剂组合物的树脂，优选含羧基树脂。由于羧基的存在，可以使阻焊层表现出碱显影性。此外，从光固化性、耐显影性的观点出发，除了羧基以外，还优选分子内具有烯属不饱和键。此外，作为阻焊剂组合物中使用的单体，优选分子中具有1个以上烯属不饱和基团的化合物(感光性单体)。这种单体是通过活性能量射线照射而进行光固化，发挥使树脂不溶或助其不溶于碱水溶液的作用。
作为光聚合引发剂，可以使用公知的任意物质，其中，优选具有肟酯基的肟酯系光聚合引发剂、α-氨基苯乙酮系光聚合引发剂、酰基氧化膦系光聚合引发剂。热固化成分是用于赋予耐热性的成分，可以使用封端异氰酸酯化合物、氨基树脂、马来酰亚胺化合物、苯并噁嗪树脂、碳二亚胺树脂、环碳酸酯化合物、多官能环氧化合物、多官能氧杂环丁烷化合物、环硫树脂、三聚氰胺衍生物等公知惯用的热固性树脂。填料是为了提高所得固化物的物理强度等而根据需要添加的成分。作为这种填料，可以使用公知的无机或有机填料，例如可以使用硫酸钡、球状二氧化硅、滑石、高岭土、Sillitin。进而，为了得到白色的外观、阻燃性，也可以使用氧化钛、金属氧化物、氢氧化铝等金属氢氧化物作为体质颜料填料。
本发明的立体电路基板中，阻焊剂组合物的涂布优选以喷雾方式进行。对于作为二维的电路基板的印刷电路板的阻焊剂组合物的涂布方法，通常为丝网印刷，也可以使用辊涂、帘式涂布、将干膜进行辊式层压的方法。然而，这些方法在三维的立体电路基板中困难较多，故不优选。喷雾方式的阻焊剂组合物的涂布在部件安装于立体电路基板的曲面的情况下，即开口部设置于立体电路基板的曲面的情况下是特别有效的。需要说明的是，在使用干膜形成立体电路基板的情况下，可以通过模内(in-molding)来形成。
阻焊剂组合物的干燥通过如下方式进行：使组合物中的溶剂挥发，以阻焊层的形式固体化。对于阻焊剂组合物的干燥，只要溶剂挥发即可，因此对于干燥方式没有特别限制，但是不优选阻焊层会发生固化反应的程度的高温。通常，利用热风式干燥炉在80℃下干燥30分钟左右即可。
阻焊剂组合物的曝光是以利用光反应进行图案化为目的进行的，形成覆盖除了部件安装部分以外的图案。在形成本发明的立体电路基板的情况下，阻焊剂组合物的曝光优选通过照射聚光的光源来进行，例如，优选使将i线作为主体的光源聚光而进行照射的方法。二维的印刷电路板的曝光是使用原尺寸大的光掩模、或通过使用干板的投影进行曝光，这些方法在三维的立体电路基板中的应用是困难的，故不优选。需要说明的是，针对使光源聚光的方法，可以为已知方法中的任意者。
阻焊剂组合物的显影是以将通过曝光而发生了光反应的图案的不需要部分去除为目的进行的。显影液可以根据阻焊剂组合物区分使用，如果阻焊剂组合物为碱显影型，则可以使用碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾、各种有机胺等水溶液，如果为溶剂显影型则可以使用指定的溶剂。
阻焊剂组合物的热固化是以通过热引发阻焊剂组合物的固化反应，从而获得耐热性、耐溶剂性等为目的进行的。阻焊剂组合物的热固化可以在不超过立体基板的成型材料的耐热性的范围内进行。例如，优选的是，利用烘箱在150℃下进行热固化30分钟左右。从阻焊剂组合物的热固化的观点出发，理想的是，立体基板的成型材料为耐热性高的工程塑料。
本发明的立体电路基板中，对于阻焊剂组合物没有特别的限制，可以任意使用已知的物质，优选使用正型光致阻焊剂组合物。一般来说，阻焊剂组合物在二维的印刷电路板中使用负型，但在三维的立体电路基板中，优选正型。本发明的立体电路基板中，阻焊层的开口部只要是能安装部件的程度即可，这是由于开口部占总面积的比例极少。即，正型是曝光部在后工序的显影中溶解的机制，因此，光照射仅针对部件安装部分的开口部，能够缩短工序。
需要说明的是，在使用正型阻焊层制备本发明的立体电路基板的情况下，在高温高湿试验(HAST：Highly Accelerated Stress Test)中能够得到有利的结果。HAST是在超过100℃的高湿度的环境下进行试验的，虽然也存在无法获取与实际故障的相关性的情况，但能够在短时间内进行具有可靠性的试验，因此最近被大量采用。通常已知：形成有阻焊层的电路基板在HAST中绝缘电阻值降低，迁移的产生变多。作为其理由，认为是由于：未形成阻焊层时，电路被氧化，变得难以引起迁移的产生，另一方面，形成阻焊层时，在覆盖表面的阻焊层的存在下，由于试验环境严酷，从电路基板产生的气体变得无法漏出、或由于在高压下加湿，水分进入阻焊层内而导致迁移产生。然而，利用正型阻焊剂组合物在立体电路基板上形成阻焊层的情况下，观察到不同的行为，能够抑制电路的氧化且延长故障时间。
本发明的立体电路基板是以在立体基板上兼备电路和部件安装部的立体电路基板的部件安装部开口的方式形成阻焊层而成的，在该部件安装部通过焊料安装有电子部件是重要的，对于除此以外的构成，没有特别限制。例如，本发明的立体电路基板可以安装IC、LED、照相机、麦克风等各种电子部件。
实施例
以下，使用实施例对本发明的立体电路基板进行详细说明。
<立体电路基板制造例1>
为了制造如图1所示的立体电路基板，将Victrex-MC,Inc.制的VICTREX PEEK450G903Blk注射成型，并将除了电路形成部以外的部分用耐水耐溶剂性掩蔽胶带进行掩模。为了提高电路的密合性，用10质量％的硫酸水溶液进行清洗，接着用包含1％的硅烷偶联剂的二氯甲烷进行清洗。然后，通过喷雾涂布银填料系的常温干燥型的导电性涂料并干燥后，剥离掩蔽胶带，进行电镀铜，并实施镍基底的化学镀金。
<立体电路基板制造例2>
未进行镍基底的化学镀金，除此之外，利用与立体电路基板制造例1同样的方法制造立体电路基板。
<立体电路基板制造例3>
为了制造图1中示出的立体电路基板，将树脂和激光响应性非导电性金属络合物混合并使其分散而得到的混合物即BASF CORPORATION制的Ultramid T 4381LDS注射成型，对电路形成部照射波长1064nm的激光，使表面粗糙化，并且将非导电金属络合物金属化。接着，进行电镀铜，实施镍基底的化学镀金，从而制造立体电路基板。
<立体电路基板制造例4>
未进行镍基底的化学镀金，除此之外，利用与立体电路基板制造例3同样的方法制造立体电路基板。
<正型阻焊剂组合物的制备>
在200质量份的将明和化成株式会社制的酚醛树脂HF-4M用卡必醇乙酸酯溶解而成的清漆(固体成分50％)中加入20质量份的东洋合成株式会社制的NQD ester NT-200(1,2-萘醌-(2)-二叠氮基-4-磺酸与2,3,4-三(二苯甲酮)的酯化合物)和10质量份的日产化学株式会社制的环氧化合物TEPIC-H。将其用三辊磨分散，并用卡必醇乙酸酯稀释至能够喷雾涂布的粘度。
<负型阻焊剂组合物的制备>
在具备温度计、搅拌器、滴液漏斗和回流冷凝器的烧瓶中加入甲酚酚醛清漆型环氧树脂(环氧当量200～220、软化点80～90℃)210g和作为溶剂的卡必醇乙酸酯96.4g，使其加热溶解。接着，向其中加入作为阻聚剂的氢醌0.1g、作为反应催化剂的三苯基膦2.0g。将该混合物加热至95～105℃，缓慢滴落丙烯酸72g，使其反应约16小时直至酸值成为3.0mgKOH/g以下。将该反应产物冷却至80～90℃后，加入四氢邻苯二甲酸酐76.1g，使其反应约6小时直至基于红外线吸收分析的酸酐的吸收峰(1780cm-1)消失。在该反应溶液中加入96.4g的出光兴产株式会社制的芳香族系溶剂Ipsol#150，稀释后取出。如此操作而得到的含羧基的感光性聚合物溶液的不挥发成分为65重量％，固体物质的酸值为78mgKOH/g。
在所得的含羧基的感光性聚合物溶液154质量份中，加入2-甲基-1-(4-甲基硫代苯基)-2-吗啉代丙烷-1-酮15质量份、酞菁绿2质量份、硫酸钡160质量份、二季戊四醇六丙烯酸酯6质量份、三聚氰胺5质量份、双氰胺0.5质量份、苯酚酚醛清漆型环氧树脂(环氧当量200～220、软化点80～90℃)清漆(环氧与卡必醇乙酸酯70︰30)25质量份、具有相对于均三嗪骨架面在同一方向键合有环氧基的结构的β体的异氰脲酸三缩水甘油酯14质量份。将其用三辊磨分散而得到负型阻焊剂组合物。接着，利用丙二醇单甲醚乙酸酯稀释至能够喷雾涂布的粘度。
<实施例1～4>
在立体电路基板制造例1～4中制作的立体电路基板上，利用喷雾以干燥后的膜厚成为5～10μm的方式涂布在正型阻焊剂组合物的制备中制作的正型阻焊剂组合物。利用热风式干燥炉在80℃下使其干燥30分钟而使溶剂挥发后，使将i线作为主体的光源聚光，以300mJ/cm2的累积光量对部件安装部曝光。接着，利用0.3％的氢氧化钠水溶液显影并去除曝光部的阻焊剂组合物。然后，利用烘箱在150℃30分钟的条件下使阻焊剂组合物热固化，从而在立体电路基板上形成阻焊层。
<实施例5～8>
在制造例1～4中制作的立体电路基板上涂布在负型阻焊剂组合物的制备中制作的负型阻焊剂组合物，利用热风式干燥炉在80℃下使其干燥30分钟而使溶剂挥发后，使将i线作为主体的光源聚光，以300mJ/cm2的累积光量对除了部件安装部以外的部分曝光。接着，利用1％的碳酸钠水溶液显影并去除未曝光部的阻焊层。然后，利用烘箱在150℃30分钟的条件下使阻焊层热固化，从而得到形成有阻焊层的立体电路基板。
在所得到的实施例1～8的各形成有阻焊层的4种立体电路基板的部件安装部涂上焊料膏，载置电子部件，利用回流焊炉在280℃下加热20秒，进行安装。需要说明的是，在各立体电路基板上各自安装10个电子部件。
<比较例1～4>
在立体电路基板制造例1～4中制作的立体电路基板上，不形成阻焊层，与上述同样地安装电子部件，制作4种立体电路基板(比较例1～4)。
关于安装有电子部件的各立体电路基板，对焊料的流动、短路、高温高湿试验(HAST)进行评价。评价方法如下所述。
<焊料的流动>
焊料的流动是通过目视外观对焊料是否从安装部分沿着布线流动进行评价。评价基准如下：将10个所有样品没有焊料从安装部分流动的情况设为◎，将1～3个样品观察到焊料的流动的情况设为○，将4～9个样品观察到焊料的流动的情况设为△，将所有样品观察到焊料的流动的情况设为×。将结果示于表1～3。
<短路>
短路是通过目视外观对安装时使用的焊料是否横跨相邻的布线来进行评价。评价基准如下：将10个所有样品未发生短路的情况设为○，将1～2个样品出现短路的情况设为△，将3个以上样品出现短路的情况设为×。将结果示于表1～3。
<高温高湿试验>
高温高湿试验中，选择未发生短路的样品各一个，并在85℃、85％RH的环境下放置500小时，通过目视来评价布线的变色程度。评价基准如下：将未观察到布线的变色的情况设为◎，将稍有变色的情况设为○，将能够明显确认到变色的情况设为△，将严重变色的情况设为×。将结果示于表1～3。
[表1]
[表2]
[表3]
<HAST>
在立体电路基板上进行HAST的影响是何种程度的试验。将在立体电路基板制造例4中的立体电路基板上利用正型阻焊剂组合物形成阻焊层但未进行部件安装的情况设为参考例1，将利用负型阻焊剂组合物形成阻焊层的情况设为参考例2，将未形成阻焊层的情况设为参考例3。对参考例1～3的各立体电路基板施加10V的电压，在120℃、85％RH的环境下进行试验。在从试验开始100小时后，暂时取出各样品，利用显微镜观察迁移的产生，并通过目视颜色的变化来评价布线的氧化。
评价基准如下：将完全未观察到迁移的产生的情况设为○，将观察到若干迁移的产生的情况设为△，将明显产生迁移的情况设为×，将产生严重迁移且近乎于短路的情况设为××。对于布线的氧化，将未观察到变色的情况设为○，将稍微观察到变色的情况设为△，将明显观察到变色的情况设为×。此外，观察后进一步进行试验，绝缘电阻值变成100MΩ以下时，判断为故障，测量直至发生故障的试验时间。将结果示于表4。
[表4]
由表4可知：对于利用正型阻焊剂组合物形成有阻焊层的立体电路基板，在因阻焊层的存在而成为不利因素的HAST中，能够抑制由布线的氧化引起的变色，并且抑制迁移的产生，与未形成阻焊层的立体电路基板相比，直至发生故障的时间变长。
如上可知：本发明的立体电路基板即使安装部件也不会发生使可靠性降低的焊料的流动、焊料横跨电路间的致命故障即短路，经过长时间布线也不会氧化而能够保持性能。此外，可知：通过在立体电路基板上使用正型阻焊剂组合物，即使在HAST中也变得有利。
附图标记说明
1 立体基板
2 电路
3 部件安装部
4 阻焊层
10 立体电路基板

Claims (4)

1.一种三维立体电路基板，其特征在于，其具备在三维立体基板上形成的电路和在该电路上的部件安装部，
所述部件安装部设置于曲面部和/或弯曲部，以所述部件安装部开口的方式通过喷雾方式的涂布方法形成有阻焊层，且在所述部件安装部通过焊料安装有电子部件。
2.根据权利要求1所述的立体电路基板，其中，所述阻焊层为光致保护剂。
3.根据权利要求1所述的立体电路基板，其中，所述立体基板为树脂成型品，且在该树脂成型品上形成有电路。
4.根据权利要求3所述的立体电路基板，其中，所述树脂成型品是在成型用树脂上分散非导电性金属络合物而成的，在所述树脂成型品成型后通过激光光线的照射而产生金属核，然后实施镀覆而形成所述电路。
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