JP2006332220A

JP2006332220A - 金属薄膜形成方法

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Publication number: JP2006332220A
Application number: JP2005151839A
Authority: JP
Inventors: Kenji Torasawa; 研示虎澤
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【目的】金メッキ法に替わる新しい金薄膜形成方法を実現する。
【構成】ＦＰＣ製造工程の表面処理工程、特に金メッキ工程と同等の機能を有する金薄膜形成工程のシステムである。１は、コンピュータであり、ＦＰＣのＣＡＤデータを直接取り込んで加工データに変換したり、製品のロット管理をしたりして、金属薄膜形成工程を管理する。２は、本発明を基にして実現した金属薄膜形成装置である。そして、金属薄膜形成装置は、金属薄膜塗布ブロックと焼付けブロックより構成される。

【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板やＦＰＣ(Flexible Printed Circuit)などにおける金属薄膜、とりわけ金薄膜の形成方法に関するものである。

携帯電話やデジタルスチルカメラに見られるように電子機器の小型化、高性能化に伴い、ＦＰＣにおいても電子部品の高密度実装が要求され、ファインピッチ化、多層化、ＣＯＦ実装(チップオンフィルム)、ＬＳＩパッケージの小型化等が進んでいる。

一般に、ＦＰＣの製作工程は、(1)設計処理工程、(2)前工程、(3)中間工程、(4)表面処理工程、(5)後工程に分離することができる。

以下、片面ＦＰＣを製造する一般的な工程について簡単に述べる。

設計処理工程では、決定された製品仕様に基づいて、冶工具の設計・製作やフィルム設計・版製作などが行われる。

前工程では、ポリイミド系樹脂をベースフィルムとした銅箔にフォトレジスト層を形成後、露光し、エッチングを行うことにより、ＦＰＣに不必要な銅箔部分を除去する。ベースフィルムの厚みは20μmから50μm程度であり、銅箔部分の厚みは10μmから35μm程度である。

中間工程では、電子部品をハンダ付けする部分やコネクター部分等露出が必要な箇所等を除いて、銅箔部分を保護する。このために、ポリイミド系樹脂で厚みが20μmから50μm程度のカバーフィルムを裁断した後、被覆したり、スクリーン印刷等によって同様な樹脂を約10μm程度の膜厚で保護コートすることが行われる。

表面処理工程は、露出した銅箔部分を電子部品の装着部分や接点部分等として使用するために、表面処理をする工程であり、金メッキやクリームハンダが施されたりする。又、その他の不必要な露出部分は防錆処理をしたりすることも行われる。

ＦＰＣに金メッキをする表面処理工程は、一般には下記のような手順で行われる。尚、金メッキの詳しい工程については、下記の
に記載されている。

(1) 金メッキが不要な部分へのマスキング
(2) 銅箔表面の活性化、洗浄
(3) ニッケルメッキ、洗浄
(4) ニッケルの活性化、洗浄
(5) 金ストライクメッキ
(6) 金メッキ
(7) 洗浄
(8) 乾燥
(9) マスキング部材の除去
メッキされる膜厚については、使途や要求コスト等によっても異なるが、一般には接点部分では、ニッケルメッキの膜厚が2.5μmから5μm程度、金メッキの膜厚が0.8μmから2.5μm程度が選択される。又、電子部品を鉛フリーはんだ等でＦＰＣに接着する場合、ニッケルメッキの上に金メッキでは0.05μm程度、ニッケルメッキを使用しないダイレクトの金メッキで0.5μm程度の膜厚が選択される。ニッケルメッキは主にコスト削減のために用いられている。

次に、後工程は、ＦＰＣの最終仕上げ工程であり、ＦＰＣを最終形状に打ち抜いたり、印刷をしたり、補強材を施したり、電気特性や形状等を検査する工程である。

このような方法によりＦＰＣは一般的には作製されている。そして、金薄膜の形成には金メッキ法が使用される。現在ＦＰＣ産業や金メッキ産業の生産高は非常に大きな規模に成長している。
特開平８−２３１５４号公報英一太著「エレクトロニクス用機能めっき技術」シーエムシー２０００年

電子回路の接点部分の金属材料には、金が導電性に優れ、化学的にも不活性であることから一般的に使用されている。しかし、金は高価であるために、導体部分である銅箔の上に金薄膜をコートすることが行われており、コート方法として一般に金メッキ法が採用されている。

しかし、金メッキ法は、以下の課題を抱えている。
(1)銅とニッケル、ニッケルと金、あるいは金と金の間の接着力不足や剥離を避けるために、界面を活性化する洗浄工程や、pH、温度、電流密度等金メッキ液の厳格な品質管理が必要となる。
(2)金メッキやニッケルメッキを行う時間はそれぞれ数分程度であるが、製造工程が複雑で多岐にわたるために、ワンサイクルに1時間程度かかり、スループットが悪い。
(3)多くの生産設備を必要となるために、多額の費用が発生する。
(4)洗浄工程などに劇薬であるシアン化合物を使用するために、厳重な安全管理が必要となる。又、メッキ液の廃液処理が必要となる。
(5)結果として、コストが高くなる。

本発明はこうした多くの課題を解決する画期的な方法であり、環境負荷も小さく、スループットが高く、ローコストな金属薄膜形成方法を実現するものである。

この改善策として、インクジェット印刷やシルク印刷のような方法で銅箔上に金ペーストを印刷し、印刷した金ペースト膜をレーザビームのようなエネルギービームで溶融して、薄膜を再形成することが有効である。銅と金の間に金・銅合金層が形成されるような条件を選択することによって、非常に密着力が強い膜となる。又、インクジェット印刷やシルク印刷のような方法は、銅箔上に金ペーストを短時間で大量に印刷する手段として有効な方法である。

本発明は、金ペーストを印刷する技術と、印刷された金ペーストをレーザビームの照射によって溶解する接着技術を開発することにより、ＦＰＣ製造工程の表面処理工程、特に金メッキ工程に置き換わる新規な金属薄膜形成工程を実現した画期的な方法である。

厳格な安全管理が施された大規模なメッキ装置を必要とせず、合わせて洗浄工程、メッキ工程やマスキング及び剥離工程を省略することができ、小規模装置にもかかわらず、スループットが高く、大幅なコストダウンが可能となる。

本発明は、金ペーストを印刷する技術と、印刷された金ペーストをレーザビームの照射によって融解する接着技術を開発することにより、ＦＰＣ製造工程の表面処理工程、特に金メッキ工程に置き換わる新規な金属薄膜形成工程を実現した画期的な方法である。以下、実施例について述べる。

図１は、ＦＰＣ製造工程の表面処理工程、特に金メッキ工程と同等の機能を有する金薄膜形成工程を、本発明を基にして実現したシステムを示す。１は、コンピュータであり、ＦＰＣのＣＡＤデータを直接取り込んで加工データに変換したり、製品のロット管理をしたりして、金属薄膜形成工程を管理する。２は、本発明を基にして実現した金属薄膜形成装置を示す。３は完成したＦＰＣシートの例であり、概ねＡ４サイズのシートには光ディスク用ピックアップに使用されるＦＰＣが６個搭載されている。

ＦＰＣシート３のシートに搭載された光ディスク用ピックアップ用ＦＰＣでは、接点部分の接触不良を防止したり、ノイズを低減するためだけではなく、近年環境対策として採用されてきている鉛フリーハンダ用にハンダののりを改善するために、８ピンコネクター、45ピンコネクター、28端子数のＬＳＩ、各種電気回路などの部分に金薄膜を形成している。

図２は、金属薄膜形成装置のブロック図を示す。装置は、４の金属薄膜塗布ブロックと５の焼付けブロックより構成される。金属薄膜塗布ブロック４で金ペーストを塗布されたＦＰＣシート３はローラ６、７を使用して、焼付けブロック５に送られる。

金属薄膜形成ブロックで形成された薄膜を焼き付けるための焼付けブロック５では、銅箔上に塗布された金ペースト薄膜にエネルギービームであるレーザビームを照射し、金ペースト膜を溶融し、金薄膜を形成する。

まず、４の金属薄膜塗布ブロックについて述べる。

ＦＰＣシート３の所定個所に金ペーストを塗布するために、シルク印刷が使用される。シルク印刷とは金鋼製（ステンレスの細い糸）、ポリエステル、ナイロンなどの単繊維を版枠に張って直接製版したスクリーンに液体の通る部分と通らない部分とを作り、押し出しにより金属ペーストをＦＰＣシート３の所定個所に転移させる方法である。

図３（ａ）はＦＰＣシート３の一部を構成する28個の端子を持つ信号処理用ＬＳＩ付近の概略図を示す。白い部分が、銅箔部分９である。その中で、図３（ｂ）における斜線部分８は、銅箔部分９の上に金薄膜を形成する所定個所であり、ＬＳＩの28個の端子が銅箔とハンダ付けされる部分である。次に、図３（ｂ）をもとに金薄膜を形成すべき所定個所を表す原図を作成する。図4は原図を示す。10の金薄膜を形成する部分は光が透過する部分であり、その他の部分は光が透過しない部分である。この原図を版下として、感光乳剤を塗布したスクリーン上に焼き付ける。このスクリーンを現像、水洗いすることにより、光が当たった部分の感光乳剤は落とされ、印刷用のシルクスクリーンが完成する。このシルクスクリーン上に焼き付けられたパターン、即ちＦＰＣシート３上に金属膜を形成する所定個所のパターンとは同一であり、このパターン部は版膜がなくインキなどが加圧により容易に透過することができる。印刷用スクリーンのＦＰＣシート３との位置を合わせて、即ち印刷用スクリーンパターンとＦＰＣシート３の金属膜を形成する所定個所のパターンとが基準誤差内で重なるように位置を合わせる。この後印刷用スクリーンの上に金ペーストを乗せ、ローラでこの金ペーストを刷り込むことにより、ＦＰＣシート３の所定箇所に金ペーストを塗布することができる。

本実施例ではＦＰＣシート３の所定個所に金ペーストを塗布する方法としてシルクスクリーンによる方法を述べたが、この他最近のプリンターに使用されているインクジェット印刷の他、パッド印刷、平版印刷（オフセット印刷）、凸版印刷、凹版印刷等の印刷方法、あるいはスプレー等の塗布方法も使用することができる。これはＦＰＣシート３の形状、数量あるいは塗布個所等の生産性、その塗布パターンの精度等により最適のものを選択して使用、あるいは併用することが可能である。

次に、図２の４の金属薄膜形成ブロックで金ペースト薄膜を所定の箇所に塗布されたＦＰＣシート３はローラ６、７によっての焼付けブロック５に搬送される。

図５は、焼付けブロック５の内部を示すものであり、ＦＰＣシート３の金ペーストが塗布された部分は内部にレーザ集光光学系を備えた光学ヘッド11から出射されたレーザビーム12によって焼付けが行なわれる。

図６は、光学ヘッド11内のレーザ集光光学系を示す。13は高出力ＣＷ半導体レーザである。このクラスの半導体レーザとして、例えばソニー株式会社から、光出力が4 W、波長が808nmの半導体レーザ(SLD335YT) や、光出力が40W、波長が808nmの半導体レーザ(SLD432S)が発売されている。あるいは、浜松ホトニクス株式会社から、光出力が15W、波長が808nmの半導体レーザ(L8413)が発売されている。14は半導体レーザを駆動するための駆動回路であり、コンピュータ１からのＣＡＤデータに基づいてレーザビーム照射のＯＮ／ＯＦＦの制御がなされる。

高出力ＣＷ半導体レーザ13より出射されたレーザビームはコリメータレンズ15によって集められ、平行光線にされた後、対物レンズ16によって絞られ、ＦＰＣシート３上に焦点を結ぶ。17は、対物レンズ16などの光学部品を塵埃から保護するためのカバーガラスである。対物レンズ16の開口数をNA、レーザビームの波長をλとすると、ＦＰＣシート３上に結んだレーザビームの径は、ほぼλ/NAに等しくなる。ＦＰＣシート３上に金薄膜を形成する電極の最小寸法は300μm程度であるので、ＦＰＣシート３上で30μm程度のビーム径であれば、精度良く金薄膜を形成することができる。λを808nmとすると、対物レンズのNAは0.027となる。ここで、例えばソニー株式会社から発売されている半導体レーザ(SLD335YT)の放射角の仕様は、接合面に平行方向が10度、垂直方向が24度である。

ＦＰＣシート３上において接合面に平行方向のビーム径として30μmを得るためには、対物レンズのNAが0.027になるようにすれば良い。この場合の焦点深度は1.1mmとなる。このビーム径と焦点深度は、電極上に金薄膜を十分精度良く形成することができる値である。

あるいは、対物レンズのNAを0.04にすれば、ＦＰＣシート３上のビーム径は20μmで焦点深度は0.5mmとなり、このビーム径は電極上に金薄膜を十分精度良く形成することができるとともに、その焦点深度も実用上問題のない値である。

ここで、NAが0.04、焦点距離が50mmの対物レンズを選択すると、対物レンズに入射する有効レーザビーム径は4mmとなる。そこで、4mmの有効レーザビーム径を得る為には、水平方向の放射角が10度の半導体レーザを使用する場合、NAが0.17で焦点距離が12mmのコリメータレンズを選択すれば、実現できる。そして、実際の光学系ブロックの大きさは、半導体レーザの駆動回路を搭載したとしても、50mm×50mm×20mm程度のコンパクトなサイズとすることが出来る。

20μm四方で、厚さ0.2μmの金ペーストを溶解させるのに必要なエネルギーは、概略以下のように計算できる。

面積=4×10^-6 ｃｍ²
体積=8×10^-11 ｃｍ³
重量=8×10^-11 ×19.3 =1.5×10^-9ｇ
ＦＰＣシート３上の金ペーストを溶融するのに必要なエネルギーを、熱伝導によるエネルギー損失を考慮しないで計算すると、
((1064-25) ×0.127+63) ×1.5×10^-9 =0.3×10^-6 J
(注)周囲温度は25℃とした。

ここで、照射されたレーザビームの溶融に寄与する有効パワーを1.0Wとすると、金ペー
ストを溶かすのに必要な時間は0.30μsecとなる。

図７は焼付けブロック５において、光学ヘッド11を移送動作させる図である。光学ヘッド11はレール18,19の上に搭載され、Ｘ方向を往復移動する。その移動速度は250mm/sec、移動精度は10μmである。光学ヘッド11を移動させる駆動方法としてはリニアモータとかステッピングモータによる方法等があるが、図では省略する。

一方、ＦＰＣシート３はローラ20,21によってZ軸方向に搬送される。搬送ピッチは20μmで、搬送速度は250mm/secである。ローラを駆動する方法としてステッピングモータによる方法等があるが図では省略する。ＦＰＣシート３が露光台22上を通るとき、半導体レーザがＯＮ／ＯＦＦ制御される。対物レンズ16の焦点はＦＰＣシート３上に結んでいる。光学ヘッド11の中心位置はＦＰＣシート３上に照射されるレーザビームの中心位置である。

そこで、図８に示すような各々の電極サイズが0.36mm×3mm で、ピッチが500μmである45ピンコネクターの接点に金薄膜を実際に形成する方法について述べる。この場合電極と電極の間は140μmになる。又、各々の電極について、(1)から(45)までの番号をつける。

まず焼き付けを行なうに際して、一旦ＦＰＣシート３のZ軸方向への搬送を止めた後、光学系ブロック11を250mm/secの速度でＸ軸方向をＡ方向に走査する。そして、レーザビーム径を考慮して電極(1)のａ端からＸ軸方向、Ｚ軸方向とも10μm内側に入った位置ｂで半導体レーザ13を点灯し、図９のようなパルス信号列によって半導体レーザ13のＯＮ／ＯＦＦの制御を行なう。前述したように有効パワーが0.5Wである時、金ペーストを溶融させるのに必要な時間は0.30μsecであるので、ＯＮの時間幅は0.30μsecである。一方、ＯＦＦの時間幅は、20μmを動く時間は80μsecであるので、79.7μsecとなる。そして、電極(1)のｂ端付近に来た時は、レーザビーム径を考慮してｃ端からＸ軸方向、Ｚ軸方向とも内側10μmの位置ｄにおいて0.30μsecの時間半導体レーザ13を点灯し、次の電極(2)まで、即ち距離にして160μmの間、消灯する。そして、光学ヘッド11が160μm動いて、電極(2)のａ端からＸ軸方向、Ｚ軸方向とも内側へ10μmの位置ｂに来た時、再び電極(1)で動作させたようなパルス信号列を発生させて半導体レーザ13のＯＮ／ＯＦＦの制御を行なう。こうして、電極(45)のｃ端のＸ軸方向、Ｚ軸方向とも内側10μmの位置ｄでの点灯動作を終えた時、ＦＰＣシート３をＺ軸方向に20μm動かす。

光学ヘッド11の中心位置がＦＰＣ３上で描く軌跡は図10のようになる。この軌跡を描くために必要な時間は約15secである。大掛かりな装置を使用することも無く、金メッキ方法に比べてかなり高速に金薄膜を形成することができる。

半導体レーザ13の光出力に余裕がある時は、金薄膜の形状によって開口を制限して焼付けを行うことにより、時間を一層短縮することが可能になる。即ち、コリメータレンズ15と対物レンズ16の間に、図11に示すような長径方向の4mmに対して短径方向が半分の2mmとなる楕円形状の開口部24を有する絞り23を挿入すると、対物レンズ16によって絞られたビーム径は開口部21の長径方向が20μmであるのに対して短径方向が40μmと2倍になる。上記の0.36mm×3mmという短冊形の電極の場合、40μmの方向をＺ軸方向として3mmの方に一致させれば、焼付け時間を約半分することができる。即ち、絞り23を切り替える機構を光学ヘッド11の中に設け、焼付けパターンに応じて、絞り23と半導体レーザ13の出力パワーを切り替えればよい。尚、ａ部分は遮光部である。

その上に、このような方法で銅箔上に形成された金薄膜は、金・銅合金層が二つの層の間に形成されるので、非常に密着力が強い膜となる。即ち、丸善株式会社発行の理科年表平成17年度版によれば、金の融点が1064.43度であるのに対して銅の融点は1084.5度である。銅の融点が金に対して、近いが少し高いために、結果として両方の金属の界面に良好な金・銅合金層が形成されることになり、銅箔に対して密着力の強い金薄膜が形成される。

本発明は、金ペーストを印刷する塗布技術と、塗布された金ペーストをレーザビームの照射によって溶解する接着技術を開発することにより、ＦＰＣ製造工程の表面処理工程、特に金メッキ工程に置き換わる新規な金属薄膜形成工程を実現した画期的な方法である。
厳格な安全管理が施された大規模装置を必要とせず、合わせて洗浄工程、メッキ工程やマスキング及び剥離工程を省略することができ、小規模装置にもかかわらず、ドライプロセスで、スループットが高く、大幅なコストダウンが可能となる。ＦＰＣの金薄膜を形成する事業分野だけではなく、シールの上に金薄膜等を形成する分野など様々な産業分野に応用する事が出来る。

本発明を使用した金属薄膜形成装置一式である。本発明を使用した金属薄膜形成装置のブロック図である。ＦＰＣの一部を構成する28個の端子を持つ信号処理用ＬＳＩ付近の概略図である。シルクスクリーンの原図である。焼付けブロック内部の光学ヘッドとＦＰＣの関係を示す図である。光学ヘッドの光学系のブロックダイアグラムである。光学ヘッドを移送する図である。金薄膜を形成する45ピンコネクターの図である。レーザパワーの出力制御方法を示す図であ。光学ヘッドの中心がＦＰＣ上を動く軌跡を示す図である。光学ヘッドに設けられる絞りの形状を示す。

符号の説明

１コンピュータ
２金属薄膜形成装置
３ＦＰＣシート
４金属薄膜塗布ブロック
５焼付けブロック
６ローラ
７ローラ
８銅箔露出部分
９金薄膜形成箇所
10 光透過部分
11 光学ヘッド
12 レーザビーム
13 半導体レーザ
14 レーザ駆動装置
15 コリメータレンズ
16 対物レンズ
17 カバーガラス
18 レール
19 レール
20 ローラ
21 ローラ
22 露光台
23 絞り
24 開口部

Claims

第一の金属に第二の金属を含む物質を塗布し、塗布した箇所にエネルギービームを照射することにより、第二の金属薄膜を第一の金属上に形成する金属薄膜形成方法。
請求項１において、エネルギービームが0.3μmから10μmの間の波長であるレーザであることを特徴とする金属薄膜形成方法。
請求項１において、第二の金属が金であることを特徴とする金属薄膜形成方法。
請求項１において、形成される第二の金属の膜厚が10μm以下であることを特徴とする金属薄膜形成方法。
請求項１において、第一の金属が銅であることを特徴とする金属薄膜形成方法。
請求項１において、第一の金属上に第一の金属と第二の金属の合金を形成することを特徴とする金属薄膜形成方法。
請求項１において、照射されるエネルギービームの第一の金属上での有効照射面積が1μm^２から1mm^２であることを特徴とする金属薄膜形成方法。
請求項１において、物質に含まれる第二の金属の粒径が10μm以下であることを特徴とする金属薄膜形成方法。
請求項１において、照射するエネルギービームを吸収する物質が物質に含まれていることを特徴とする金属薄膜形成方法。
請求項１において、厚さが5μmから100μmの基板の上に、第一の金属の厚さが5μmから50μmで形成されていることを特徴とする金属薄膜形成方法。
請求項１において、第一の金属はプラスチック樹脂の基板上に形成されていることを特徴とする金属薄膜形成方法