JP2006173519A - 電子回路部材とその製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子回路部材における部品実装密度の向上と、放熱効率の向上と、配線パターン引き回しの自由度を向上させる。
【解決手段】 平面部を有する立体基材の側面に、配線パターンを積層して形成し、前記平面部を他の基材と接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明はコンピュータや通信機器などの電子機器に用いられる電子回路部材とその製造方法および製造装置に関する。

電子回路部材はコンピュータや通信機器などの電子機器の心臓部として多く用いられており、近年ではデジタル回路を構成するものが大半であるが、デジタル回路に限らずアナログ回路などさまざま電子回路の実装に広く利用されている。一般にはプリント配線板やプリント板と称されるように板状のものが多く、ガラス繊維などの補強材とエポキシ樹脂などの合成樹脂との複合材やセラミックを基材とするものが多いが、ポリエステル樹脂やアラミド樹脂等屈曲性のあるフィルムを基材とするものもある。基材表面への配線パターン形成はサブトラクティブ法が最も一般的で、穴開け工程、無電解メッキ工程、パターニング工程、電解メッキ工程、エッチング工程、半田剥離工程などの多くの工程を経て形成されている。そのため、この方法の改良として特許文献１では光造形法による形成方法が、そして特許文献２および特許文献３では、ビルドアップ法による製造方法が開示されている。また、特許文献４ではインクジェット法で基材上に導電性インクと絶縁性インクを直接噴射して配線パターンを形成する方法も開示されている。
特開平８−２４４１３８号公報 特開平８−３１６６３９号公報 特開平９−８４５８号公報 特開平１１−１６３４９９号公報

プリント配線板は平面形状であるため、電子部品をプリント配線板の両面に密集して配置することにより実装密度を向上させ、実装した電子部品間の信号配線は配線パターンを多層化することで解決してきた。しかし、あくまでも電子部品を２次元的にしか配置できないため、さらなる実装密度の向上は困難であった。また、プリント配線板に実装した電子部品の発熱による温度上昇を抑えるため、プリント配線板を通じて放熱を行っている場合が多い。

しかし、平面基材では放熱面積に限界があるため、放熱しきれない場合も多く、電子部品自体に取り付けた放熱フィンにより放熱することが一般的であった。さらに、最近ではロジック回路のクロック周波数が数１００ＭＨｚと極めて高速になっているため、多くの配線パターンで最短配線や等長配線が必須となっているが、部品を２次元配置するだけでは部品配置の自由度が少なく、所望の配線を実現できないな場合もあった。

そこで、本発明は、電子回路を形成する基材における部品実装密度のさらなる向上と放熱効率のアップ、そして部品実装および配線パターン引き回しの自由度向上を目的とする。

本願発明は、側面に配線パターンが形成され、前記側面とは別の平面部を有する立体基材と、該立体基材の前記平面部が接合された他の基材と、を有する電子回路部材の製造方法であって、前記立体基材の側面に配線形成溶液を付与することで、前記配線パターンの積層構造を形成する工程と、前記立体基材の前記平面部を前記他の基材に接合させる工程と、を含むことを特徴とする電子回路部材の製造方法に関する。

また、側面に配線パターンが形成され、前記側面とは別の平面部を有する立体基材と、該立体基材の前記平面部に接合された他の基材と、を有し、前記配線パターンは積層構造を有することを特徴とする電子回路部材に関する。

また、配線形成溶液を立体基材に付与することで、前記立体基材に配線パターンを形成する電子回路部材の製造装置であって、前記立体基材を回動させる回動手段と、該回動手段が前記立体基材を回動しているときに、前記配線形成溶液を前記立体基材の側面に付与するための付与手段と、を有する電子回路部材の製造装置に関する。

平面部を有する立体基材の側面に積層された配線パターンを形成し、他の基材と接合することにより、従来の板状の回路基材のみを利用する場合に比べて以下のような効果が挙げられる。
１．部品の実装密度が飛躍的に向上する。
２．放熱面積が大きくなるため、実装した電子部品の発熱による温度上昇を抑えられる。
３．配線パターン引き回しの自由度が向上する。

本発明における平面部を有する立体基材とは、円錐や多角錐等の錐体、円柱や多角柱等の柱体、または円筒や多角筒等の筒状の形状があげられる。また、本発明における平面部とは、立体基材の平面そのものの他に、基材端部の曲線または折れ線によって囲まれることで空間に形成された面も含む。具体的には、錐体の場合の平面部とは、頂点を含まない平面（底面）であり、柱体の場合の平面部とは、上下の平行な平面であり、筒状の形状の平面部とは、側面に囲まれた基材の端部によって空間に形成された面のことを示す。つまり、従来のような平面基材上に本発明における立体基材を配置した際に、安定して配置、接続ができるように平面部を含むことを特徴としている。

［実施例１］
１．円筒形電子回路部材の構造
図１〜３にしたがって本願の平面部を有する立体基材の一例として、円筒形の立体基材に電子回路を形成した、円筒形電子回路部材の構造について説明する。本実施例における円筒形状の基材の平面部とは、円筒の底面部と上面部であり、筒状の基材端部に囲まれた円の部分である。

図１は本実施例における円筒形電子回路部材の概略図である。基材１はアルミナを円筒形に焼結したものである。基材１の外周には配線形成溶液として、導電性溶液と絶縁性溶液とを塗布した後に定着させて形成した配線パターン層を、繰り返し積層して形成した所望の配線回路が構成された積層パターンが形成されている。この配線パターンには配線パターン２のほかに、電子部品３の端子との接続するための接続用パッド４や基材外部に信号を出力するための出力用パッド５が設けられており、複数の電子回路部材同士を電気的、物理的に接続することで部品実装と配線パターンの引き回しの自由度を向上させている。接続用パッド４にはＩＣなどの電子部品３の端子がアライメントして実装されるように予め設計されており、この端子と接続用パッド４とは通常の半田付けや導電性ペーストにより電気的かつ物理的に結合される。

図２は図１で示した円筒形電子回路部材上部の拡大図である。この図で示される第１の形態の電子回路部材では配線パターン層６−１、６−２および６−３は１層づつ分離しており、別々の層を形成している。

図３は、本実施例における第２の形態の電子回路部材の拡大図で、この形態では連続した配線パターン層７が基材１の外周に巻き付けられるようにして積層されている。従来の平面形状回路部材では周囲４方向の端面があるのに比べ、第１の形態の円筒形電子回路部材では端面が上下の２方向のみとなるため、配線パターンの引き回しの自由度が格段に向上し、最短配線や最長配線などが容易に実現できる。第２の形態の円筒形電子回路部材では連続した配線パターン層７が基材１の外周に巻き付けられるようになっているため、第１の形態よりもさらに引き回しの自由度を向上させることができる。なお、第１および第２の形態の電子回路部材においても、従来の平面形状回路部材のスルーホールと同様に隣接する２層間で各導電パターンを接触させることによって配線パターン同士を導通させることができる。図１６は円筒形電子回路部材の各層の配線パターンの一部を切り開いて図に示したもので、図中（Ａ）が１層目、（Ｂ）が２層目、（Ｃ）が３層目の配線パターン図である。黒線部分が導電パターンを示しており、１層目と３層目の導電パターンが２層目の４つの島部分で接続されることでスルーホールと同様に１層目と３層目の導通をとっている。白色部分は絶縁パターンであり、導電パターンの形成と同様にインクジェット方式によって基材に形成される。本発明における配線パターンとは、導電パターンだけではなく、絶縁パターンや、半導体パターンなど、電子回路を構成するのに必要な全てのパターンを含む。また、配線形成溶液も、導電パターンに限らず、絶縁パターンや、半導体パターンなど、電子回路を構成するのに必要な全ての溶液を含む。

図４は第２の形態の電子回路部材の構造にしたがってコイルを構成した場合の模式図であり、導電性パターン８を連続的に部材上に巻き付け、さらにそれらを層状に形成することで容易にコイルを形成できることを示している。また、図５はコンデンサを構成した場合の模式図で、基材外周全面に導電性溶液を塗布して形成した導電層９と、絶縁性溶液により同様に形成した絶縁層１０を交互に巻き付けるようにして積層することでコンデンサを形成している。このほかにも、高抵抗の導電性溶液により線分パターンを形成し、所望の抵抗素子を実現することも可能で、円筒形回路基材の構成を応用すれば受動素子などの電子回路素子を作成することができる。

図６はこのようにして形成したコンデンサとコイルを配線パターンによって接続してＬＣ回路を円筒形電子回路部材で構成した例である。図中の１１で示される部分がコンデンサ、１２で示される部分がコイルで、それらを配線パターンで直列に接続し、その両端を出力用パッド５に接続してＬＣの直列回路を実現したものである。

２．円筒形電子回路部材の実装形態
次に円筒形電子回路部材の実装形態について説明する。

図７は円筒形電子回路部材１と平面基材１０１との接合を示す第１の実装形態であり、従来の平面形状の電子回路部材１０１と本願の円筒形の電子回路部材１を組み合わせて実装した場合の模式図で、基材間はそれぞれの基材に設けられた出力パッド５を半田付けまたは導電性ペーストで接続することにより電気的かつ物理的に結合させている。このように、配線パターンが形成された立体基材を平面基材に接合して、電子回路部材を形成しても良いし、物理的に２つの基材を接続した後に、回路形成液体を両基材に付与することで、配線パターン及び電気的な接続を行っても良い。

図８は円筒形電子回路部材と平面基材との接合を示す第２の実装形態であり、円筒形回路基材１を上下から平面形状の回路基材１０１aと１０１ｂとで挟み込むように実装したもので、同様にして積み重ねればさらに実装密度を向上させることができる。

図９は円筒形電子回路部材と平面基材との接合を示す第３の実装形態である。円筒形回路基材のパッド５にコネクタ１３を取り付け、それによって平面形状電子回路部材のスルーホールに半田付けしても良い。図９においては、コネクタ部がわかりやすいよう、平面基材の図は省略してある。

図１０は円筒形電子回路部材と平面基材との接合を示す第４の実装形態であり、平面形状の回路基材１０１上に円筒形電子回路部材を複数実装しながら、円筒形回路基材１ａ、１ｂ同士をそれぞれの立体基材の出力用パッド５ａにより結合して実装したものである。

以上のようにして平面部を有する立体基材を他の基材に接合することにより、３次元実装が可能になるため、部品の実装密度が飛躍的に向上する。また、筒状形状であるため、放熱面積が大きくなるため、実装した電子部品の発熱による温度上昇を抑えられる。筒状基材の中に放熱材を詰めた柱状基材においても、同様の効果を得られる。さらに、立体基材の側面に配線パターンを積層して形成する為、該配線パターン引き回しの自由度が向上する。

３．円筒形電子回路部材の製造装置
次に、円筒形回路基材の製造装置について説明する。図１３は円筒形回路基材の製造装置の外観図である。円筒形の基材１はチャック２２により保持され、モータ１４により所定の方向に回動する。円筒形の基材が予め平面基材に接合されている場合には、平面基材をチャックで保持して回動させれば良い。基材１の回動に対応する回転角度はモータの軸に取り付けられたエンコーダ１５によって検出される。一方、描画ヘッド１６は基材１の表面に溶液を噴射するような位置に取り付けられている。描画ヘッド１６はインクジェット方式のヘッドで導電性溶液と絶縁性溶液を同時に噴射できるようにするため、図１４に示すようにそれぞれの溶液用に２系統のノズル列１７−１および１７−２を有している。本願では描画ヘッド１６としてバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットヘッドを採用しているが、使用する溶液を吐出することができればバブルジェット（登録商標）方式に限らず、ピエゾ方式のヘッドを用いても問題ない。なお、導電性および絶縁性の２つの溶液は不図示の供給タンクからチューブ１９によりそれぞれ描画ヘッド１６に供給されている。通常の円筒形電子回路部材の長さは数１０ｍｍ程度であるため、円筒形の基材１の長さはノズル列長よりも短いことがほとんどであるが、図示のように基材１の長さのほうが長い場合には、描画ヘッド１６が基材１の長手方向にノズル列の長さづつリニアステージ１８によりステップ移動しながら繰り返し配線パターンを形成していくことで基材全面にパターン形成することができる。一方、描画ヘッド１６と対向する側には基材上に塗布した導電性溶液や絶縁性溶液を基材上に定着させるための定着機２０が設けられている。本願の場合、導電性溶液としては銅粉や銀粉などの導電性材料をエポキシ樹脂やフェノール樹脂に分散させ、溶剤、硬化剤、分散剤などを混合したものを使用している。また、絶縁性溶液としては、エポキシ樹脂を主成分とした熱硬化型のソルダーレジストを用いている。そのため、定着機２０は溶剤を蒸発させ、熱硬化させることが必要である。そこで、本願では基材１の表面にエアチューブ２１からの熱風を吹き付けるドライヤを定着機として使用している。なお、導電性溶液や絶縁性溶液として光硬化型を使用する場合にはＵＶ照射機を使用することもある。

図１５はこの製造装置の構成を表したブロック図である。装置全体の動作はすべてコンピュータ３０によって制御される。コンピュータ３０の拡張ラック３１には描画ヘッド１６を移動させるリニアステージ１８を制御するリニアモータコントローラ３２と、基材１を回動させるモータ１４を制御するモータコントローラ３３、そして描画ヘッド１６に所望のパターンを描画させるための描画コントローラ３４が納められている。リニアモータコントローラ３２およびモータコントローラ３３の指令信号はモータドライバ３５および３６に接続されており、それぞれのモータに取り付けられているエンコーダ３７および１５からの位置、および角度信号を入力してモータの現在位置を検出し、現在位置とモータコントローラからの指令信号を比較してモータを指令通りに制御する。モータ１４のエンコーダ信号は描画コントローラ３４の位置検出回路３８にも入力されている。描画コントローラ３４はコンピュータ３０から描画指令くると位置検出回路３８で検出した基材１の回転角度に従って画像メモリ３９に記憶されているパターンの描画を行う。画像メモリ３９には各層毎のパターンデータが予めコンピュータ３０からストアされており、コンピュータ３０からどの層の描画データを選択するか指示されると、それに対応した層の描画データを描画ドライバ４０に転送する。描画ドライバ４０は描画データを受信するとヘッド駆動信号に変換して所定層のパターン描画を実行する。このときの描画タイミングは基材１の回転角度にしたがってパルス出力され、所定の角度移動する毎にパルス出力される。本装置で使用しているエンコーダは原点位置を基準にして絶対角度が検出できるタイプであるため、描画タイミングは基材の絶対角度にしたがって出力される。そこで、図１６に示したような３層の配線パターンを描画した場合、図中（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の配線パターンはすべて上下でアライメントされて形成されるため、所望の多層配線回路を構成することが可能となる。なお、円筒形の基材に描画する場合、はじめに描画する層よりも後に描画する層の方が描画面積が大きくなる。そのため、層を増す毎に溶液の塗布量を増加させるように描画コントローラは描画ヘッドを駆動して、配線パターン層の厚みが均一になるように制御している。

４．円筒形電子回路部材の製造方法
図１７は以上説明した製造装置で円筒形電子回路部材を形成するときの一連の製造フローを表した第１の製造フロー図である。基材１をチャック２２に装着した後（Ｆ１１）、モータが回転して基材が所定の回転数で安定して回動すると（Ｆ１２）、定着機２０を起動する（Ｆ１３）。そして、１層目の描画を行うために画像メモリ３９から１層目のパターンを選択して（Ｆ１４）、描画コントローラを起動する（Ｆ１５）。描画コントローラはエンコーダ１５が検知した基材の絶対回転角度をモニターし、その回転角度が描画位置であるかを判別し（Ｆ１６）、描画位置であれば１カラム分の描画を行う（Ｆ１７）。１カラムの描画が完了すると１層分の描画が完了したかを判別し（Ｆ１８）、完了していなければ次カラムの配線パターンを画像メモリから読み込む（Ｆ１９）。そして、再びＦ１６〜１９の操作を繰り返し行って１層分の描画が完了すると、次にパターンが定着しているかを判断する（Ｆ２１）。定着していない場合には、パターンを定着させるため、しばらく待つか、加熱定着を行う（Ｆ２０）。なお、本願の場合、定着機は描画のスタート時点で動作しているが、１層分の描画が完了したあとに定着機を起動しても問題ない。パターンが定着すると、次にすべての層の描画が完了したかを判別し（Ｆ２２）、まだ完了していなければ、画像メモリから次層のパターンを選択して（Ｆ２３）、再び１層分の描画を行う。そして、これらの描画操作を繰り返し行うことにより、全層の配線パターン描画が完了して、円筒形電子回路部材が完成する。

以上の製造フローは定着工程を含む場合であるが、導電性溶液や絶縁性溶液が速乾性や自己凝集型の場合には定着工程は必要ない。この場合のフローを示したのが図１８の第２の製造フローである。図１７との違いはＦ１３の定着機の起動とＦ２０の定着したかの判別と、Ｆ２１の定着工程がないだけで、他は全く同様である。このように、溶液の特性により、多少製造工程に差がでてくるが１層づつ配線パターンを積層して形成することにより図２で示すような形態の円筒形電子回路部材を製造することができる。

図１９は図３に示す形態の円筒形電子回路部材の第３の製造フロー図で、この場合でも製造フローはほぼ同様で、図１７のフローとの違いは、各層ごとに画像メモリに記憶していたパターンをすべて１層分のパターンとして画像メモリに記憶し、かつ１層分のパターン描画として描画していることである。ただし、図１７のＦ１６では描画位置の判断は基材の１回転、すなわち１層分だけだったのに対して、Ｆ２１６では巻きつける回転数だけ描画位置信号を出力して重複して描画するようになっている。

［実施例２］
実施例１では円筒形電子回路部材の構造や実装形態、そして製造装置、製造方法に関して説明した。本実施例においては、平面部を有する立体基材として他の形状を示す。例えば、図１１に示すような円錐形の電子回路部材でも円筒形の場合と同等の効果を得ることができる。円錐形の場合でも円筒形と同様に基材外部に信号を出力するための出力用パッド５を図１１に示すように円錐の裾野の部分に設けることが可能で、このパッドを利用して図１２のよう平面形状回路基材１０１上のパッドと半田付けや導電性ペーストで接続することができる。この接続に関しては実施例１と同様である。また、その形成についても図１３の装置で同様に製造することができる。すなわち、図１３において円筒形基材の場合にはチャック２２は基材の内側を保持しているが、円錐形の基材の場合には外側から保持すればよい。円錐形の基材が予め平面基材に接合されている場合には、平面基材をチャックで保持すれば良い。また、描画ヘッドの位置も円筒形の場合には基材の表面にノズル面が平行になるように配置しているが、円錐形の場合には円錐表面に平行になるように描画ヘッドを傾けて設置すればよい。それ以外については特に変更する必要はなく、円筒形回路基材の製造フローにしたがえば円錐形電子回路部材を形成することが可能である。

さらに、本発明における平面部を有する立体基材の例として、筒状の形状に限らず、熱伝導性の良い物質を芯として入れた形状の基材でも本発明は適応できる。ただし、中身が詰まった形状の立体基材を用いる場合には、製造装置のチャックは、円錐基材を用いた場合と同様に、外側から押さえ込むようなチャックとなる。

また、図２０に示すような六角柱のような多角柱１であれば、平面基材１０１に多角形の面を接合しても図２０−（ａ）、平面基材に多角形の面を垂直になるように配置しても図２０−（ｂ）良く、さらに多角柱同士を接合することが容易であり、実装密度がさらに向上する。多角柱のような形状の基材に配線パターンを形成する場合には、基材とヘッドとの距離を一定に保つために、平面ごとに配線パターンを形成するのが好ましい。

実施例１の円筒形電子回路部材の概略図 実施例１における第１の形態の円筒形電子回路部材の拡大図 実施例１における第２の形態の円筒形電子回路部材の拡大図 実施例１の第２の形態の円筒形電子回路部材のコイルへの応用例 実施例１の第２の形態の円筒形電子回路部材のコンデンサへの応用例 実施例１のＬＣ回路を構成した場合の円筒形電子回路部材の概略図 実施例１の円筒形電子回路部材の第１の実装形態 実施例１の円筒形電子回路部材の第２の実装形態 実施例１の円筒形電子回路部材の第３の実装形態 実施例１の円筒形電子回路部材の第４の実装形態 実施例２の円錐形電子回路部材の概略図 実施例２の円錐形電子回路部材の実装形態 実施例１の円筒形電子回路部材の製造装置の概略図 描画ヘッドの概略図 実施例１の円筒形電子回路部材の製造装置のブロック図 実施例１の円筒形電子回路部材の各層の配線パターンの一部を切り開いた図 実施例１の円筒形電子回路部材の第１の製造フロー 実施例１の円筒形電子回路部材の第２の製造フロー 実施例１の円筒形電子回路部材の第３の製造フロー 本発明の基材の概略図

符号の説明

１ 立体基材
２ 配線パターン
３ 電子部品
４ 接続用パッド
５ 出力用パッド
６、７ 配線パターン層
１３ コネクタ
１４ モータ
１６ 描画ヘッド
１７ ノズル列
１８ リニアステージ
２０ 定着機

Claims (11)

1. 側面に配線パターンが形成され、前記側面とは別の平面部を有する立体基材と、該立体基材の前記平面部が接合された他の基材と、を有する電子回路部材の製造方法であって、
   前記立体基材の側面に配線形成溶液を付与することで、前記配線パターンの積層構造を形成する工程と、
   前記立体基材の前記平面部を前記他の基材に接合させる工程と、
   を含むことを特徴とする電子回路部材の製造方法。
2. 前記配線形成溶液の付与はインクジェット方式を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の電子回路部材の製造方法。
3. 側面に配線パターンが形成され、前記側面とは別の平面部を有する立体基材と、
   該立体基材の前記平面部に接合された他の基材と、を有し、
   前記配線パターンは積層構造を有することを特徴とする電子回路部材。
4. 前記配線パターンによって電子回路素子が前記立体基材に形成されている請求項２または３に記載の電子回路部材。
5. 前記立体基材は、前記他の基材と電気的に接続されている請求項３または４に記載の電子回路部材。
6. 前記立体基材は、錐体、柱体または筒状の形状のいずれかである請求項３ないし５のいずれか１項に記載の電気回路部材。
7. 配線形成溶液を立体基材に付与することで、前記立体基材に配線パターンを形成する電子回路部材の製造装置であって、
   前記立体基材を回動させる回動手段と、
   該回動手段が前記立体基材を回動しているときに、前記配線形成溶液を前記立体基材の側面に付与するための付与手段と、
   を有する電子回路部材の製造装置。
8. 前記回動手段が前記立体基材を回動させる角度の情報と前記配線パターンの情報とに基づいて前記付与手段を制御する制御手段をさらに有する請求項７に記載の電子回路部材の製造装置。
9. 前記付与手段がインクジェット方式である請求項７または８に記載の電子回路部材の製造装置。
10. 前記立体基材上に付与した前記配線形成溶液を定着させるための定着手段をさらに有する請求項７ないし９のいずれか１項に記載の電子回路部材の製造装置。
11. 前記配線形成溶液を前記立体基材に積層して付与する際に、積層するにしたがって前記付与手段からの吐出量を変化させる請求項７ないし１０のいずれか1項に記載の電子回路部材の製造装置。

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