JP2006229036A - 回路基板及び回路基板製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
断線や欠損不良等がない信頼性の高い回路基板及びスクリーン印刷法における廃液の発生や工程の複雑さを解消し、高価な金やニッケル等からなる導電性インクの使用量を削減した回路基板製造方法を提供する。
【解決手段】
単層又は多層基板の導体露出部（１ａ）に、導体露出部（１ａ）の金属材料とは異なる金属のナノ粒子を分散させた粘度５〜２０ｍＰｓ・ｓの液体材料を、インクジェット法を用いて塗布した回路基板において、前記液体材料を複数回に分けて塗布する、導体露出部（１ａ）の面積をＳ、１回目に前記液体材料を塗布する面積をＳ１、２回目以降に前記液体材料を塗布する面積をＳ２とした時Ｓ＞Ｓ１＞Ｓ２となるように、Ｓ１及びＳ２を設定し、インクジェット法を用いて前記液体材料を塗布する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、単層又は多層基板の導体露出部に、導体部金属材料とは異なる金属のナノ粒子を分散させた液体材料を、インクジェット法を用いて塗布した回路基板及び回路基板製造方法に関するものである。

電子回路基板は、多数の端子部を有している。各端子部に部品を実装する場合は、半田、あるいは、導電性微粒子を混入した異方性導電性接着剤等の接合部剤を使用していた。端子部には、半田やワイヤーボンディング等との接合力の向上や、電気抵抗の上昇を防ぐことを目的として、例えば、金、ニッケル、錫、またはそれらの合金の複合被覆が施されていた。また、部品を実装しない端子部においても劣化を防ぐために、表面に上記と同様の被覆を施す場合があった。

従来は、前記のような端子部の被覆方法として、主にめっき法が利用されていた。めっき法は、回路基板を大量に製作する場合の生産性に優れていた。

また、従来は、端子部と同時に、製作される回路基板の全面にめっきが施されていたが、必要な部分のみにめっきを施し、高価な金やニッケルなどの使用量を減らすため、めっきをしない部分にレジストを塗布するなど、マスクを使用して回路基板を製作していた。

スクリーンマスクを用いたスクリーン印刷法で、必要な部分のみにペースト状にした被覆材料を付着させる方法もあった。

また、多層基板の場合、フォトリソグラフィ工程やスクリーンマスクを使用せずに基板を重ね合わせた後、ドリルやレーザーなどによりビア部を形成し、ビア部を導電性の材料で穴埋めするものもあった（例えば、特許文献１及び２参照）。

さらに、フォトリソグラフィ技術やエッチング技術を用いて貫通穴（貫通ビア部）を形成し、インクジェット法を用いて導電性の材料を貫通ビア部に埋め込むものもあった（例えば、特許文献３及び４参照）。

特開平８−１３０３７１号公報

特開２００１−１５６４５３号公報

特開２００３−２４３３２７号公報

特開２００４−２４７５７２号公報

レジストによるマスクを使用してめっきを行う場合は、レジストの塗布、露光、現像、洗浄及び剥離などのフォトリソグラフィ工程が必要となり、化学廃液量が増加する原因となっていた。

また、スクリーン印刷法を用いて、めっきが必要な部分のみにペースト状にした被覆材料を付着させるためのスクリーンマスクの製作には、フォトリソグラフィ工程に加え、エッチングなどの工程が必要となり、配線パターンを変更するたびに、それに対応したスクリーンマスクの製作及び管理が必要となり煩わしかった。さらに、基板に段差がある場合は被覆材料を付着させるのが困難であった。

上記のように、フォトリソグラフィ工程を用いるめっき法は、工程の煩雑さ、廃液の発生及び材料の浪費が問題であった。

多層基板の製造において、基板を重ね合わせた後、ドリルやレーザーなどによりビア部を形成し、インクジェット法を用いてビア部を導電性の材料で穴埋めする場合は、ビア部が深いため、金属のナノ粒子を分散させた液体材料（導電性インク）を多量に塗布する必要があり、高価な導電性インクの消費量が多くなっていた。また、塗布後、導電性インクの金属のナノ粒子を分散させていた溶剤が揮発するため、乾燥や体積収縮により、ビア部に割れを生じ、多層基板の確実な接合ができなかった。

本発明は、単層又は多層基板の導体露出部に、該導体露出部の金属材料とは異なる金属のナノ粒子を分散させた粘度５〜２０ｍＰｓ・ｓの液体材料を、インクジェット法を用いて塗布した回路基板において、前記液体材料を複数回に分けて塗布する、前記導体露出部の面積をＳ、１回目に前記液体材料を塗布する面積をＳ１、２回目以降に前記液体材料を塗布する面積をＳ２とした時Ｓ＞Ｓ１＞Ｓ２となるように、前記Ｓ１及びＳ２を設定し、インクジェット法を用いて前記液体材料を塗布したことを特徴とする。

また、前記液体材料が、金のナノ粒子を分散させた液体であることを特徴とする。

また、前記導体露出部に複数回に分けて塗布する前記液体材料が、それぞれ異なる金属のナノ粒子を分散させてなることを特徴とする。

また、前記導体露出部の表面粗さＲａが１〜１０μｍであることを特徴とする。

また、室温以上に加熱した前記導体露出部に、前記液体材料を塗布したことを特徴とする。

本発明によれば、断線や欠損不良等がない信頼性の高い回路基板を提供することができる。また、スクリーン印刷法における廃液の発生や工程の複雑さを解消し、高価な金やニッケル等からなる導電性インクの使用量を削減した回路基板製造方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。
（実施例１）
本発明について図１及び図２を用いて説明する。図１に、単層基板におけるビア部３の断面形状を示す。１は導体、２は絶縁層、１ａは導体露出部を示す。導体露出部１ａに、金属のナノ粒子を分散させた液体材料を導電性インクとして用い、インクジェット法により塗布する。金属のナノ粒子としては、端子部の加工に多用される金をナノ粒子化したものを使用した。金属の平均粒子径は０．０１〜１００ｎｍが好ましい。より好ましくは０．５〜１０ｎｍである。これにより、抵抗が小さく信頼性の高い導通が得られた。例えば、ハリマ化成製のＮＰシリーズ、ナノペースト微細配線用金属ペースト等が使用できる。他方、銀を使用した場合は、空気中の水分がウィスカー状になり、いわゆるマイグレーションを発生しやすくなり、隣接する導体を短絡する場合がある。

導電性インクの粘度は、インクジェット法で安定した塗布が可能な５〜２０ｍＰｓ・ｓとした。導電性インクは２回に分けて導体露出部１ａに塗布する。導電性インクを塗布する前には、導体露出部１ａの異物や汚れを取り除き、また、表面を活性化して導電性インクが均一に濡れ広がるように洗浄を行なう。本実施例においては、廃液等の発生が無く、導体１の酸化を起こさない、アルゴンプラズマを用いて洗浄及び濡れ性の改善を行った。プラズマを得るためのガスは、アルゴンの他に、水素、またはアルゴンと水素の混合気体でも良い。

導電性インクを塗布する面積は、１回目の導電性インク塗布面積Ｓ１よりも２回目以降の導電性インク塗布面積Ｓ２を小さく、かつ１回目の導電性インク塗布面積Ｓ１は導体露出部１ａの面積Ｓよりも小さく設定する。２回目に重ね塗りされた導電性インク層５は、１回目の導電性インク層４のように濡れ広がらない。これは、導電性インク層４の上に新たに塗布された導電性インクの溶媒は、当接する下層の導電性インク層４に吸収され易いこと、また、導電性インク中の金属のナノ粒子自身は、互いにそれぞれ溶媒中で分散するように作られているために、金属のナノ粒子同士の濡れ性が低いために起こる。

ここで、複数回に分けて導電性インクを塗布する方法は、電気的に制御してもまた機械的動作において行っても特に制限はない。１回目に塗布するというのは、導体露出部１ａ上に直接塗布することで、一層目の導電性インクを塗布することである。同様に、２回目に塗布するというのは、一層目の導電性インク層４の上に塗布することで、これが２層目の導電性インク層５となる。

さらに、インクジェット法で使用される導電性インクは、スクリーン印刷法などで使用される一般のペーストなどよりも粘度が低いため、流動しやすく、導電性インクの表面張力及び絶縁層２の障壁効果により、１回目の導電性インクの塗布で導体露出部１ａ周辺部の導電性インク層４が厚くなる。２回目に導電性インクを塗布する面積Ｓ２を、１回目に導電性インクを塗布した面積Ｓ１よりも小さく設定して導電性インクを重ねて塗布することで、導体露出部１ａ全面を均一な膜厚のインク層で被覆することができた。つまり、導電性インク層４の膜厚が薄い導体露出部１ａの中央部に、２回目の導電性インクが塗布されるように、２回目に導電性インクを塗布する面積Ｓ２を設定することが望ましい。

本実施例においては、沸点が１５０から２００℃の溶媒を用いた導電性インクを、８０から１００℃に加熱した導体露出部１ａに２回に分けて塗布した。この際、導体露出部１ａの面積をＳ、１回目の導電性インクの塗布面積をＳ１、２回目の導電性インクの塗布面積をＳ２とした時、Ｓ＞Ｓ１＞Ｓ２となるように、Ｓ１及びＳ２を設定したため、信頼性の高い回路基板を得ることができた。信頼性をさらに向上させるために３回目の導電性インクを塗布してもよい。この際、３回目の塗布は、導電性インク層５に当接し、３回目の導電性インクの塗布面積をＳ３とするとＳ＞Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３となるように面積を設定するとよい。

なお、導体露出部１ａは、室温以上に加熱することが望ましい。本実施例においては、回路基板をラバーヒータで加熱して、導電性インクを塗布する導体露出部１ａを８０〜１００℃に加熱した。基板を室温以上に加熱した状態で導電性インクを塗布することにより、溶剤の揮発が加速されるため、導電性インクが導体露出部１ａの周辺に広がり、導体露出部１ａ中央部の導電性インク層４および５の膜厚が薄くなるのを抑制することができた。

導電性インク塗布後、回路基板を２００〜２３０℃程度に設定した焼成炉にて約１時間焼成することで、導電性インク中の溶媒及び分散剤等の有機物が消失し、金のナノ粒子の融合融着により回路基板が形成される。本実施形態においては、電気抵抗を小さくするため焼成の条件を２００〜２３０℃で約１時間とした。金のバルク材の比抵抗値は２μΩ・ｃｍであるが、金属のナノ粒子を用いた配線の場合は、配線が多孔質状となるため、一般的には、比抵抗値は５〜１０μΩ・ｃｍとなる。この範囲の比抵抗値であれば電気的導通を十分得ることができる。さらに、インクジェット法によって導電性インクをビア部３に塗布して得られた導電性インク層４及び５は、非常に薄く、電気抵抗の影響は少ないため、焼成の条件を例えば、１８０℃で３０分のようにより低温かつ短時間にして比抵抗値が数Ω・ｃｍになっても問題ない。

なお、本発明において一回の塗布で得られた導電性インク層４の膜厚は、導電性インク１ドットの重量を２０ｎｇ、導体露出部１ａ上に広がったインク径をφ６０μｍ、導電性インク中の金のナノ粒子含有量を３０〜５０ｗｔ％及び金の比重を１９として算出したところ０．１〜０．２μｍであった。

また、本実施例においては、１回目及び２回目の塗布共に金のナノ粒子を分散させた液体材料を導電性インクとして用いたが、導体１に使用される材料として最も汎用な銅に塗布すると、銅が金へ拡散する場合がある。このような場合、１回目の導電性インクとして、ニッケル又は、金とニッケルを混合した導電性インクを用いることも可能である。

図３に、多層基板におけるビア部３（貫通ビア）の構成を示す。各層で導体１範囲内に、交互にブラインドビア３ａを構成することで、ビア部３の深さを深くとる必要がなくなり、微少量の導電性インクで導体露出部１ａへの塗布が可能になった。

また、多層基板の場合は、貫通穴（ビア部３）は連通穴とせずに、図３のように階段状に各層を接続するラダー方式を用いることで、深いビア部に多量の導電性インクを塗布する必要がなくなり、高価な導電性インクの消費量を減らすことができた。なお、基板への導電性インクの塗布に関しては、上記したため省略する。
（実施例２）
本実施例では、導体露出部１ａ表面の濡れ性及び導電性インクの密着性を改善するため、導体露出部１ａ表面に微小な凹凸をつけた（図４）。それ以外は実施例１と同様の方法で回路基板を作成した
導体露出部１ａの異物を取り除き、微小な凹凸による毛細管現象を利用することで、導電性インクが、導体露出部１ａ表面に濡れ広がりやすくなった。さらに、導体露出部１ａの凹凸によるアンカー効果のため、焼結後の導電性インク層４は、導体露出部１ａに対して優れた密着性を示した。

微小な凹凸の加工は、極微小なガラスやアルミの粒を吹き付けて加工するサンドブラスト法を用いた。また、表面粗さＲａ値の測定には、触針式または非接触式の測定器を使用することができる。例えば、（株）東京精密社等から上市されているサーフコム５７０Ａ−３ＤＦが好ましく使用できる。

導体露出部１ａ表面の表面粗さＲａ値が１μｍよりも小さい場合、インクジェット法で塗布した導電性インクは十分に濡れ広がらないため、Ｒａ値は１μｍ以上であることが好ましい。また、Ｒａ値が１０μｍを超えると、大きな凹部に導電性インクが溜り、濡れ広がりが不均一になるため、導体露出部１ａの表面粗さＲａ値は１０μｍ以下が好ましい。つまり、導電性インクの濡れ性、密着性を向上するため、導体露出部１ａは、表面粗さをＲａ値で１〜１０μｍとすることが望ましい。

また、導電性インクの塗布は、複数回に分け、導体露出部１ａの面積をＳ、１回目の導電性インク塗布面積をＳ１、２回目の導電性インク塗布面積をＳ２とした時、Ｓ＞Ｓ１＞Ｓ２とすることで、微量の導電性インクで、高精度な回路基板を得ることができた。

さらに、金属のナノ粒子としては、金を使用することが望ましいが、金への導体露出部１ａ構成材料の拡散を防ぐため、導体露出部１ａと接する１回目に塗布する導電性インクには、ニッケルまたは、金とニッケルの各ナノ粒子を含んだ導電性インクを使用してもよい。
（比較例１）
導電性インクは実施例１で使用したものと同じものを使用した。導電性インクを塗布する前に、実施例１と同様に導体露出部１ａの異物や汚れを取り除き、また、表面を活性化して導電性インクが均一に濡れ広がるように洗浄を行った。

図５は、一回目に導電性インクを塗布する面積Ｓ１を、導体露出部１ａの面積Ｓと同じ面積に設定して、導電性インクを一回で塗布した場合の導電性インク層４の形状を示す。

導電性インクの濡れ広がり及び、着地のずれにより、塗布しようとする導体露出部１ａ以外の絶縁層２にまで導電性インクが広がってしまったため、導電性インクを浪費し、かつ信頼性の高い回路基板を得ることができなかった。
（比較例２）
導電性インクは実施例１で使用したものと同じものを使用した。導電性インクを塗布する前には、実施例１と同様に導体露出部１ａの異物や汚れを取り除き、また、表面を活性化して導電性インクが均一に濡れ広がるように洗浄を行った。

図６に、１回目の導電性インク塗布面積Ｓ１を、導体露出部１ａの面積Ｓよりも小さい面積に設定して、導電性インクを一回で塗布した場合の導電性インク層４の形状を示す。導体露出部１ａ以外に導電性インクが広がることは無かったが、インクジェット法で使用される導電性インクは、スクリーン印刷法などで使用される一般のペーストなどよりも粘度が低いため、流動しやすく、導電性インクの表面張力及び絶縁層２の障壁効果により、導電性インクがビア部３の周辺部分（絶縁層２の壁側）に溜まってしまった。この状態で基板を加熱し、導電性インク中の溶媒の揮発を促進させると、導体露出部１ａの中央部付近は、導電性インク中の固形分（金属のナノ粒子）からなる膜が０．１〜０．２μｍ以下と薄くなってしまい、断線や欠損不良等が発生して高性能な回路基板を得ることはできなかった。

本発明である回路基板におけるビア部の断面図（実施例１）。 本発明である回路基板の一実施形態を示す導電性インク塗布後のビア部の断面図（実施例１）。 本発明である多層基板におけるビア部の構成を示す断面図（実施例１）。 本発明である回路基板の他の実施形態を示す導電性インク塗布後のビア部の断面図（実施例２）。 従来法により導電性インクを塗布したビア部の一例を示す断面図（比較例１）。 従来法により導電性インクを塗布したビア部の他の例を示す断面図（比較例２）。

符号の説明

１ 導体
１ａ 導体露出部
２ 絶縁層
３ ビア部
３ａ ブラインドビア
４ 導電性インク層
５ 導電性インク層

Claims (10)

1. 単層又は多層基板の導体露出部に、該導体露出部の金属材料とは異なる金属のナノ粒子を分散させた粘度５〜２０ｍＰｓ・ｓの液体材料を、インクジェット法を用いて塗布した回路基板において、前記液体材料を複数回に分けて塗布する、前記導体露出部の面積をＳ、１回目に前記液体材料を塗布する面積をＳ１、２回目以降に前記液体材料を塗布する面積をＳ２とした時、Ｓ＞Ｓ１＞Ｓ２となるように前記Ｓ１及びＳ２を設定し、インクジェット法を用いて前記液体材料を塗布したことを特徴とする回路基板。
2. 前記液体材料が、金のナノ粒子を分散させた液体であることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
3. 前記導体露出部に複数回に分けて塗布する前記液体材料が、それぞれ異なる金属のナノ粒子を分散させてなることを特徴とする請求項１または２記載の回路基板。
4. 前記導体露出部の表面粗さＲａが１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板。
5. 室温以上に加熱した前記導体露出部に、前記液体材料を塗布したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板。
6. 単層又は多層基板の導体露出部に、該導体露出部の金属材料とは異なる金属のナノ粒子を分散させた粘度５〜２０ｍＰｓ・ｓの液体材料を塗布した回路基板の製造方法において、前記液体材料を複数回に分けて塗布する、前記導体露出部の面積をＳ、１回目に前記液体材料を塗布する面積をＳ１、２回目以降に前記液体材料を塗布する面積をＳ２とした時、Ｓ＞Ｓ１＞Ｓ２となるように前記Ｓ１及びＳ２を設定し、インクジェット法を用いて前記液体材料を塗布したことを特徴とする回路基板の製造方法。
7. 前記液体材料が、金のナノ粒子を分散させた液体であることを特徴とする請求項６記載の回路基板の製造方法。
8. 前記導体露出部に複数回に分けて塗布する前記液体材料が、それぞれ異なる金属のナノ粒子を分散させてなることを特徴とする請求項６または７記載の回路基板の製造方法。
9. 前記導体露出部の表面粗さＲａが１〜１０μｍであることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
10. 室温以上に加熱した前記導体露出部に、前記液体材料を塗布したことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の回路基板の製造方法。
    

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