JP2005123215A

JP2005123215A - プリント配線板の製作法

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Publication number: JP2005123215A
Application number: JP2003353079A
Authority: JP
Inventors: Yasusaburo Sakai; 泰三郎酒井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2023-10-14
Also published as: JP3635280B1

Abstract

【課題】ガラス繊維強化エポキシ樹脂基板のプリント配線板を製造する方法において、インクジエット描画法と無電解メッキ法の組み合わせにより製作するプリント配線板は金属製の回路と絶縁基板との接着が弱いため回路ハク離や回路断線の問題があり、実用的なプリント配線板を製作することが困難であった。
【解決手段】基板上に回路パターンをインクジエット描画する工程の前に、あらかじめレーザー照射により回路パターン上の樹脂層を焼き取って溝を作りガラス繊維織物を溝の底面に露出させておくことにより、後続の無電解メッキ工程において形成される金属層の回路は基板に強固に接着される。
【選択図】図５

Description

本発明は、プリント配線板及びその製作法に関するものである。プリント配線板は絶縁基板の上に導電回路を形成したもので最近では回路基板とも呼ばれるが、プリント配線板及び回路基板は同義語である。本明細書中では用語を主としてプリント配線板に統一して記述する。その理由は、本発明の主たる手段が基板の加工法にあるため、絶縁基板についての説明が多くなるので「回路基板」の用語は紛らわしいからである。即ち、本発明はインクジエット方式の描画法によるプリント配線板及びその製作法に関し、無電解メッキ活性化剤を含有するインクを用いて絶縁基板上に回路パターンを描画してインクを定着させた後、無電解メッキ浴中に該基板を浸漬して無電解メッキ法により絶縁基板上に金属製の導電回路を形成することを特徴とするプリント配線板及びその製作法に関する。

従来のプリント配線板は主として銅箔を全面に貼った絶縁基板をエッチング法により回路パターン領域のみ残して他の余分な銅箔部分を溶解除去する方法で製造されている。しかし、この方法は回路部分の面積よりエッチングで溶解除去される銅箔部分の面積がはるかに多いので資源の無駄使いであるばかりかエッチングレジストの製膜、エッチング工程、更にまたエッチングレジストフイルムを除去する工程が続くなど工程が長くて複雑で効率の悪い生産方法である。又、この方法ではエッチング廃液が多量に排出され、排水処理施設に多額の資金を必要とし、長い製造工程のために高コストの生産技術である。
それゆえ、必要な導電回路部分のみを無電解メッキ法により形成する方法が従来より提案されている。そのような方法のひとつとして無電解メッキ活性化剤及び接着剤（バインダー）を含有するインクを用いて絶縁基板上に回路パターンを印刷し、インクを加熱又はその他の手段で固着して基板表面を活性化させた後、該基板を無電解メッキ浴中に浸漬して回路パターン領域にのみ金属層を発現させて導電回路を形成する方法が、例えば、特許昭和５０-１４２４号公報又は特開昭和５１-３５６３０号公報等に提案されている。これらの方法では版印刷法を利用して回路パターンを印刷するので同一製品のプリント配線板を大量生産するのに適している。版印刷法ではインクに耐熱性接着剤を含有させることもできるので、例えば、特開平成１１-９７８４０号公報に記載されているようにハンダ付け温度にも耐える実用性の高いプリント配線板も作れるようになっている。しかしながら、近年においては情報通信機器の高機能化に伴いそれを実装するプリント配線板の高機能化に対応するため、目まぐるしく変化する市場ニーズに遅滞なく対応するため多品種少量生産に適した製造プロセスとしてインクジエット描画法によるプリント配線板製造技術が注目されている。インクジエット法の直接描画による回路形成技術では工程が簡略化でき、省エネルギー及び多品種少量生産に適した生産技術になると期待されている。

このようなインクジエット方式の描画法により導電回路を形成する目的のためにインクジエット用インクが既に開発されており、例えば、特開昭和６２-２６１１９５号公報に開示されているように、無電解メッキ活性化剤を含有するインクを用いて基板上に回路パターンを描画した後、該基板を無電解メッキ浴中に浸漬して金属層を回路パターン上にのみ発現させて導電回路を生成させる方法が提案されている。このインクは固形分含有量が少ないため、ノズル目詰まりを生ずることがない。更に、インク粘度が低いためノズルからの吐出安定性が良い等のインクジエット用インクとして優れた性質を持っている。インクジエットプリンタではインクは微細な口径のノズルから微小液滴として高速度及び高頻度で吐出されるため、インクジエット用インクのインク粘度は出来るだけ低く維持するようにしなければならない。それらの理由から、インクジエット用インクにはバインダー又は接着剤を含有させることが出来ない。しかしながら、特開平成１１−９７８４０号公報に開示されているように、無電解メッキ法により基板上に導電回路を形成する場合には無電解メッキ活性化剤が基板にしっかりと接着されていることが必要である。そのために、導電回路を描くインクは無電解メッキ活性化剤と共に接着剤（バインダー）を含有していることが必須の条件である。インクが接着剤（バインダー）を含有しない場合には、後続の無電解メッキで得られる導電回路は基板との接着力が弱いため回路剥離や回路断線が生じて実用にならないからである。
特許昭和５０-１４２４号公報特開昭和５１-３５６３０号公報特開昭和６２-２６１１９５号公報特開平成１１‐９７８４０号公報

解決しようとする問題点は、インクジエット描画法により絶縁基板上にプリント配線板を製作する場合には基板と導電回路を強固に接着させることが非常に困難であるという点である。プリント配線板においては回路が基板に強固に接着されていることが非常に重要な問題であり、金属製の導電回路が樹脂製の絶縁基板に十分な強度で接着又は固定されていない場合には回路が基板から剥離して回路の断線が生じ易い等の問題が発生するため、実用的な回路基板としての信頼性を確保することが出来ない。このように、インクジエット描画法によるプリント配線板の製作法ではインクジエット用インクのインク粘度を出来るだけ低く維持しなければならないため、インクに接着剤又はバインダーを添加することができないという問題があった。そのため、インクジエット描画法によるプリント配線板の製作法では接着剤又はバインダーを使用することなく無電解メッキにより発現される金属製の回路を基板に強固に接着又は固定させるためには、どのような手段で解決することが出来るかという問題があった。この点が解決しようとする問題点である。

プリント配線板に使用される絶縁基板は高精度の寸法安定性が要求されるため、通常は図１に示すような平織構造のガラス繊維織物で強化されたエポキシ樹脂のシートを５〜６枚貼り合わせて作られている。この絶縁基板は一般にガラス繊維強化エポキシ樹脂基板又は単に略してガラエポ基板などと呼ばれている。このガラス繊維強化エポキシ樹脂基板がプリント配線板用の基板として最も多く使用されている理由は、ＦＲＰの高い寸法安定性に加えて、エポキシ樹脂が耐アルカリ性に優れているためである。現在では、プリント配線板の製造においてはスルーホールメッキに代表されるように無電解メッキが多用されるので強アルカリ性の無電解メッキ浴に耐えられる樹脂基板が要求されるのである。このたび、本発明者はガラス繊維強化エポキシ樹脂基板をレーザーで照射して回路パターン上に凹部(くぼみ)を有する溝を作っておくとインクジエット描画法と無電解メッキ法の組み合わせにより形成された金属製の導電回路は基板に強固に固定されることを発見した。ガラス繊維強化エポキシ樹脂基板にレーザー照射すると樹脂が焼きとられてガラス繊維織物が表面に露出するために、ガラス繊維織物にインクが染み込んでアンカー効果を生ずるためと考えられる。即ち、図２に示したガラス繊維織物の断面構造から明らかなように、ガラス繊維織物を構成するタテ糸及びヨコ糸はそれぞれが数十本のガラス繊維の束から成っている。一本のタテ糸又はヨコ糸は多くの繊維間の隙間を有しており、このガラス繊維織物の糸の隙間にインクが染み込むため、インク成分の無電解メッキ活性化剤がガラス繊維織物の組織の中に浸透する結果、無電解メッキにより生成する金属層が絶縁基板に強固に接着される効果が発現したことが考えられる。これは試作実験中に偶然に発見された現象であり、インクジエット用インクに接着剤を全く添加しなくても無電解メッキにより生成する導電回路の金属層が樹脂製の絶縁基板上に強固に接着されることが偶然にも発見された。無電解メッキ法により生成する金属層がガラス繊維織物の隙間に食い込んでアンカー効果を発揮すると考えられる。この新発見によって接着剤を含有しないインクでインクジエット描画したのち無電解メッキ法によリ形成する導電回路の金属層を樹脂基板に強固に接着させる難問が、はからずも予期しない方法であっさりと解決することができた。アンカー効果と言う用語は無電解メッキ技術者の間でよく使われる技術用語であり、無電解メッキ法で形成された金属皮膜が基板表面と密着して容易には剥離しない接着力の強さを表現する用語であり、基板表面の凹凸部との形状的な引っ掛かりにより金属皮膜があたかも基板に強力に接着されているかのように密着している状態を表わす。このようなアンカー効果が発生するため、生成した金属回路の皮膜はガラス繊維織物の繊維間隙間や凹凸構造に引っ掛かりを生じて基板表面に強固にしっかりと固定されるようになったと考えられる。

プリント配線板はあらゆる電子機器に使われ各機能部品を接続するために必須の中核部品である。回路断線や回路ショートが生じると各機能部品が正常に作動していても電子機器は故障してしまう。それゆえ、プリント配線板の導電回路は絶縁基板にしっかりと固定されていて剥離や断線が生じない安定性の高いものが要求される。本発明の方法では、あらかじめレーザー照射で回路パターンに溝を作り、溝の底面にガラス繊維織物を露出させることで、この問題を解決することができた。本発明の方法では回路が基板にしっかりと固定されており、接着剤を含有しないインクを用いるインクジエット描画法によっても回路断線や回路ショートを生じない実用性の高いプリント配線板を製作することができるようになった。周知の如く、インクジエット描画法ではインク滴が高速で着弾する時の衝撃でインク液の一部が飛び散り、本来の目的とするドットの周囲に微細なサテライトドットが飛散する問題がある。サテライトドットが発生すると、後続の無電解メッキ工程においてサテライトドット上にも金属が析出するので、回路線間の絶縁性が低下する心配や回路ショートの原因となる恐れがある。本発明では、回路パターンの溝を作っておくことによりインク滴の飛散、即ち、サテライトドットの発生を防ぐことができる。このようにしてインクジエット描画法の欠点をすべて解消することができた。

本発明を実施する方法について図１〜６の図面を用いて説明する。プリント配線板に最も多く使用されるガラス繊維強化エポキシ樹脂基板に用いられるガラスクロス(ガラス繊維織物)の織物構造を図１に示す。ガラス繊維のタテ糸１及びヨコ糸２はそれぞれ数十本のガラス繊維の束から成り、格子状に平織り構造になっている。ガラス繊維織物の断面図を図２に示す。ガラス繊維強化エポキシ樹脂基板は図３に示した断面構造を有する。図３は１枚のガラス繊維強化エポキシ樹脂シートの断面図であり、エポキシ樹脂層３の厚みは約０．３ｍｍである。実際のプリント配線基板は図３に示した単層シートを５〜６枚重ねて貼り合わせ圧着して剛性を高めており、高い寸法安定性を確保している。図４に示すようにガラス繊維強化エポキシ樹脂基板にレーザー照射して回路パターンを描画する。レーザーの熱エネルギーを利用して樹脂部分を焼き取り、基板上に回路パターンの溝を作ると同時にガラス繊維を表面に露出させる。レーザーの出力は樹脂を熱分解してもガラス繊維を溶かさない程度の温度範囲、即ち、基板表面を４００〜５００℃に加熱する熱量に調節する。使用可能なレーザーの波長と種類としてはガラスに吸収されない波長が７００ミクロン以下のレーザーはいずれも全て本発明に使用できるが、本発明ではレーザー発振器を描画機に搭載して使用する制約があるため、装置がコンパクトな固体レーザーが好ましい。より好ましいのはルビーレーザー（波長０．６９４ミクロン）又はＹＡＧレーザー（波長１．０６ミクロン）等の可視〜赤外域波長の固体レーザーである。そのため、基板のエポキシ樹脂はこの波長域に吸収を有する青色〜緑色染料で着色しておくのが好ましい。こうすることによって図４に示したようにレーザービーム４を照射し回路パターンを描画して回路部分の樹脂を焼き取り（即ち、熱分解により揮散させて）回路パターンに凹部の溝を形成してガラス繊維を表面に露出させることができる。次いで、この基板上の回路パターンの溝内にインクジエットプリンタによりインクを付与する。このインクには無電解メッキ活性化剤が含まれている。無電解メッキ活性化剤を含むインクジエット用インクは特開昭６２-２６１１９５号公報に開示されているように、ビスベンゾニトリルパラジウムジクロライド又は１，３−ブタジエンパラジウムジクロライド等の有機パラジウム化合物を有機溶剤に溶解したものである。このインクを用いて図５に示したように基板の回路パターン上の溝にインクジエット描画する。有機パラジウム化合物は有機溶媒に溶けるので油性インクとして使用する。適当な有機溶媒として多くの有機溶剤を利用できるが、沸点が１００〜１５０℃の範囲のものが使いやすい。水性インクでインクジエット描画する場合には、無電解メッキ活性化剤として銀アンモニウム錯イオン水溶液をインクジエット描画用インクとして用いることができる。

図５において、インクジエットプリンタから吐出されるインク滴５は、説明のために、基板上の溝の幅に対して拡大されて示されている。実際には、レーザーで焼きとられた溝の幅は数十〜数百ミクロンのオーダーであり、これに対してインク滴５の粒径は数ミクロン〜数十ミクロンであるため、回路パターンの溝の幅に対して約１／１０の大きさのインク滴でインクジエット描画されることになる。本発明の目的に使用するインクジエットプリンタはピエゾ型のものが適している。ピエゾ型はインクに熱負荷がかからず正確にインクジエット描画できるからである。インクジエット描画した後、該基板を乾燥してインク成分の有機パラジウム化合物を該基板上の溝内に定着させたのち、又は、もし必要ならば、該基板を１００〜２００℃に加熱して有機パラジウム化合物を熱分解させて生じる金属単体のＰｄ微粒子を該基板上に定着させてから、該基板を無電解メッキ浴に浸漬するとインクが付与された溝の領域のみが化学メッキされて、図６に示したように回路パターン上にのみ無電解メッキにより発現された金属層６が生成して導電回路が得られる。このようにして得られた導電回路は基板に強固に固定されており、回路が基板から剥離することが無い非常に信頼性の高いプリント配線板が得られるようになった。このようにして、インクジエット方式の描画法によっても、特開平１１-９７８４０に開示されているようなインクに接着剤を含有させることなく、基板と回路の接着力が強いプリント配線板を製作できるようになったのである。

上記の特開昭６２-２６１１９５が出願された１９８６年当時はインクジエットプリンタの性能が良くなかったため、インクジエット方式の描画法によるプリント配線板の製作法が具体化される機運は無かったのである。しかしながら、近年インクジエットプリンタの性能が著しく向上してきて精細な回路パターンをインクジエット描画できるようになり本発明に到達するに至った。本法によるプリント配線板の製作法では５〜６層の多層基板の製造も容易である。即ち、図４，図５及び図６において説明した方法で回路を形成した単層の基板シートを５〜６枚重ねて貼り合わせることで、従来のガラス繊維強化エポキシ樹脂基板の製造法と同じ方法で多層基板を製造することができる。従来の多層基板において各層の導電回路を導通させるスルーホールメッキ法をそのまま利用して各層の回路を導通させることが可能である。本発明に利用する無電解メッキ法では銅メッキ、銀メッキ又は金メッキが可能である。それぞれ銅，銀又は金製の導電回路を作製することができる。次に実施例について説明する。

プリント配線板用のガラス繊維織物強化エポキシ樹脂基板にレーザーを照射して導電回路パターンの一部として一本の直線を描いた。消費電力５００ワットのルビーレーザーを使用して直線状に樹脂を焼き取り線幅が約２００ミクロンの直線の溝を作った。溝の底面にはガラス繊維織物が露出した。この直線の溝の中にインクジエットプリンタからインクを吐出した。このインクの組成は１重量部の１，３−ブタジエンパラジウムジクロライドを３０重量部のジオキサンに溶解した油性インクである。１，３−ブタジエンパラジウムジクロライドは上記の特開昭６２‐２６１１９５の実施例の中で開示した処方で合成した。赤外線ランプで基板を加熱してインク溶媒を蒸発させた後、該基板を無電解メッキ浴に浸漬した。無電解メッキ浴は次の組成である。
硫酸銅０．０４モル／リットル
ホルマリン（３７％水溶液）０．３モル／リットル
水酸化ナトリウムｐＨ＝１２．２
ＥＤＴＡ−Ｎａ０．１モル／リットル
非イオン系界面活性剤２５０ mg／リットル
ジピリジル２０ mg／リットル
上記の無電解メッキ浴に該基板を６０℃で５時間浸漬して銅の導電回路を形成した。図６に示した断面図のように回路パターンの溝の中に金属銅の層が形成されて導電回路が得られた。この導電回路は基板に強固に密着していることが確認された。

外部機関にレーザー照射を依頼してプリント配線板用のガラス繊維織物強化エポキシ樹脂基板にＹＡＧレーザーを照射し導電回路パターンの一部として一本の直線を描いてもらった。基板表面の樹脂が直線状に焼き取られて線幅が約２００ミクロンの直線の溝が彫られており、溝の底面にはガラス繊維織物が露出していた。この直線の溝の中にインクジエットプリンタからインクを吐出した。このインクの組成は銀アンモニウム錯イオンの水溶液から成る水性インクである。赤外線ランプで基板を加熱してインク溶媒を蒸発させた後、該基板を無電解メッキ浴に浸漬した。無電解メッキ浴の組成は次の通りである。
塩化金１１ｇ
か性ソーダ７０ｇ
ホルマリン（３７％水溶液）３０ｍｌ
ブドウ糖４ｇ
アルコール２５ｍｌ
を９００ｍｌの水に溶解して無電解メッキ浴を調製した。上記の無電解メッキ浴に該基板を６０℃で５時間浸漬して金の導電回路を形成した。図６に示した断面図のように回路パターンの溝の中に金の層が形成されて導電回路が得られた。この導電回路は基板に強固に密着していることが確認された。

ガラス繊維織物の組織表面を示した外観図である。ガラス繊維織物の組織断面を示した断面図である。ガラス繊維織物強化樹脂基板の断面図である。レーザー照射して回路パターンの溝を作った基板の断面図である。回路パターンの溝にインクジエット描画する説明図である。回路パターンの溝に無電解メッキによって金属層が形成されたプリント配線板の断面図である。

符号の説明

１ガラス繊維織物のタテ糸
２ガラス繊維織物のヨコ糸
３エポキシ樹脂層
４レーザービーム
５インクジエット描画機から吐出されたインク滴
６無電解メッキにより形成された金属層

Claims

インクジエット方式の描画法によるプリント配線板の製作法において、無電解メッキ活性化剤を含有するインクを用いてガラス繊維強化樹脂基板上に回路パターンをインクジエット描画したのち該基板を無電解メッキ浴中に浸漬して無電解メッキ法により該回路パターン上にのみ金属層を形成させてプリント配線板を製作する工程に先だって、あらかじめ上記の樹脂基板にレーザーを照射して該回路パターン領域の樹脂層を熱分解して取り除くことにより該回路パターンの溝を作ると同時にガラス繊維織物を溝の底面に露出させる方法で製作されたことを特徴とするプリント配線板。
上記のガラス繊維強化樹脂基板がガラス繊維強化エポキシ樹脂基板である請求項１に記載のプリント配線板。