JP2007510300A - 電気回路を製造する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

パターン化電気回路の製造方法である。本方法は、低温動的吹き付け（ＣＧＤＳ）デバイスを設けるステップと、基板を設けるステップと、ＣＧＤＳデバイスと基板の間の相対運動により基板上にＣＧＤＳデバイスを用いて所定パターンの導電材料を蒸着するステップとを含む。

Description

本発明は、パターン化電気回路を製造する方法及び装置に関する。

現在、電気回路はスタンプ印刷や食刻を含む様々な方法で生産されている。

従来のＰＣＢ製法には、導電材料シートが必要である。所望回路パターンの被覆には食刻レジスト物質が用いられ、過剰な導電材料は食刻除去する。

周知のバス−バー法にも、伝導材料シートが必要である。回路パターン図付きの金属スタンプが、所望回路パターンの打印に用いられる。

これらの方法は共に全導電材料シートから始め、その大量の部分を除去してパターン化回路図を残す際に過分の廃棄材料を生ずる。これらの方法は回路専用工具揃えもまた必要とし、それにはコストがかかり生産に時間を浪費し、しかも回路設計を変更した場合に適合が困難である。

また、これらの方法により生成される回路は一般に平坦であり、これらの方法を三次元平面に適用するのは難しい。

パターン化電気回路の製造用に提案された他の方法は、火炎吹き付けやプラズマ吹き付けや高速酸素添加燃料の使用等の加熱吹き付け技術が含まれる。これらの技術には、所望回路パターン付きのマスクが用いられる。材料をマスク上に吹き付け、次にこのマスクを取り除いて回路パターン図にて吹き付け材料を残す。

この方法にもまた、マスクと共に除去される大量の廃棄材料の生成が伴う。それは、ここでも回路パターン専用工具揃えを必要とし、それには製造にコストがかかり時間が浪費され、回路図を変更する場合に適用が困難である。

加えて、上記に特定した加熱吹き付け法には溶融或いは半溶融状態の導電材料の吹き付けが伴う。このことが、吹き付け対象材料内に相変化や酸素含有量の増加や延性の減少等の不要な特徴や特性を生み出す。このことは、成形した回路の性能にとって有害であり、増大した抵抗或いは振動や温度変化等の環境条件における許容範囲の減少を招くことがある。

一旦従来回路を製造すると、それには通常半田付けにより部品が接続される。これには、半田等の追加材料や、回路を半田槽内を通過させる等の追加の処理ステップが必要である。それには経費がかかり時間を浪費することがあり、部品の適所への半田付けを確実にする配慮を払わねばならない。

本発明は、従来の回路製造法が遭遇する前述の問題の一部に対処することを目指すものである。

本発明によれば、パターン化電気回路の製造方法が提供され、この方法には、低温ガス動的吹き付け（ＣＧＤＳ）デバイスを配設するステップと、基板を配設するステップと、ＣＧＤＳデバイスと基板との間の相対運動により前記基板上にＣＧＤＳデバイスを用いて所定パターンの導電材料を蒸着するステップで、所定パターンの導電材料を蒸着する前にＣＧＤＳデバイスを用いて接着層を蒸着するステップとが含まれる。

本発明によれば、パターン化回路基板の製造装置もまた提供され、それには
駆動機構と、低温ガス動的吹き付け（ＣＧＤＳ）デバイスと、使用時に駆動機構を制御し、ＣＧＤＳデバイスと基板の間の相対運動をもたらし、基板上に接着層を、接着層上に所定パターンの導電材料を蒸着させる手段とが備わる。

ＣＧＤＳデバイスは、限られた過剰吹き付けでもって非常によく画成された吹き付けパターンを生成することができる。このことが、マスキングを殆ど或いは一切使用することなくパターン化電気回路基板を製造する可能性をもたらす。こうして、本発明は従来の方法に比べ廃棄材料の劇的な減少を伴うパターン化電気回路の製造方法を提供する。それは、回路専用工具揃え、例えばマスクや打印要素や食刻要素の必要性を低減し或いは一部ケースでは取り除き、この種の工具揃えに関連するコストと余分な工程ステップとを低減する。

ＣＧＤＳデバイスは、吹き付け対象融点未満の温度を維持することができる。こうして、高温加熱吹き付け工程の使用に比べ被蒸着導電材料の特性は大幅に改善される。

接着層は、基板と回路の接着強度を大幅に増大させる。接着層の別の利点は、それが多種多様な基板材料の使用を可能にする点にある。

加えて、本発明はコストのかかる長々しき半田付け処理を伴うことなく電気部品を簡単に基板に接続できるようにする。本発明の好適な実施形態では、ＣＧＤＳデバイスは電気部品を回路内に包含させるときに使用することができる。本方法は、電気部品の所定場所への保持と回路への電気的接続の両方を規定するものである。

本発明のさらなる実施形態では、層間に誘電材料層を挟んで多層電気回路を構築することができる。こうして、非常に複雑な回路を大幅に縮減された空間内でかつ従来の方法に比べてかなり簡単に製造することができる。

さらにまた、本発明は三次元輪郭基板に適用することができる。これは多くの新規で刺激的な可能性を切り開き、何故なら電気回路はほぼどんな面にも吹き付けることができるからである。この種可能性の一例は車両製造業にあり、ここでは本発明を用い、電気回路を電動窓の作動に用いる車両扉の外板に直接吹き付けることができる。以前は、回路とこれを車両の扉内の所定場所に保持する一部の手段は扉内に個別に或いは集合させて製造するようにしていた。従来の方法を上回るコストと製造効率と空間効率における利点をもって、本発明を同様の仕方で使用し得る多くの工業が存在する。

ここで、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明することにする。

本発明を説明する前に、本発明が用いるより広範な原理の一部を論ずることは適切である。低温ガス動的吹き付け（ＣＧＤＳ）には、粉末粒子をガス流に導入し、混合物を加速して超音波噴流を形成することが含まれる。この噴流は基板にて案内され、粉末粒子は基板の表面に蒸着される。本発明における使用に適したＣＧＤＳデバイスは、例えば米国特許第５３０２４１４号に記載されている如く各種材料に対する被覆の塗布について周知である。

図１に示す如く、ＣＧＤＳデバイスは圧縮ガス源１を含む。本例のガスは窒素であるが、ヘリウム等の他のガスとすることもできる。圧縮ガス源１からは、ガスはガス管路を介してガス制御装置２へ流れる。ガス制御装置から流離するガスの圧力は通常、０．５〜５ＭＰａで、好ましくは２〜４ＭＰａであり、最も好ましくは約３ＭＰａである。ガスはまたそこで粉末給送器３へ流入し、そこで粉末粒子が導入されてガス／微粒子噴流が形成される。粉末給送器３は、粉末原材料と計量部品（図示せず）とを備える。

粉末原材料には、銅やアルミニウムや銀や金やニッケルやスズや亜鉛やこれら材料の合金等の導電材料の粉末粒子が含まれる。銅は特別な便宜を有するが、あらゆる導電材料を使用することもできる。本発明の代替実施形態によれば、粉末原材料には接着材料粒子や誘電材料や基板７上に蒸着するものでＣＧＤＳデバイスと共に使用するのに適した他の任意の材料を含めることができる。粒子寸法は、通常１〜５０μｍの幅範囲内にある。

計量部品は、ガス流内への粒子の給送レートを調節して制御するのに用いられる。２．４〜１５ｋｇ／ｈｒの給送レートが、一般に用いられる。適当な計量部品、例えば米国特許第５３０２４１４号に記載されたものを用いることができる。

ガス温度は吹き付け対象である個別導電材料の溶融温度未満であり、実際には０〜６００℃の間にある。ＣＧＤＳデバイスには、噴流速度を制御する一方法として使用できるガスヒータ４が随意選択的に含まれる。増大した温度は噴流速度を増大させることができ、導電材料の延性を改善することもできる。

ガス／粒子噴流は、３個の部分すなわち収束部１０と喉部１１と拡散部１２とを有するノズル６へ向け移動する（図２参照）。噴流は先ずガスを圧縮する収束部１０に流入し、それを約３３２ｍ／ｓ（マッハ１）まで加速する。噴流はそこで喉部１１に流入し、ここで噴流速度は約３３２ｍ／ｓ（マッハ１）に維持される。ノズル１２の第３の出口部分は拡散させてあり、この部分でガスは公称周囲圧力に拡張し、噴流をさらに４００〜１２００ｍ／ｓの間の速度へ加速させる。

ノズルの寸法と形状は重要であり、何故ならそれらは既存の噴流の属性に対し大きな影響を有するからである。噴流８は、粒子が基板７上にしっかりと蒸着されるようノズル６から流離するに際し超音波速度を有する必要がある。拡散域１２に対する喉域１１の比率は、噴流を所望速度まで加速するのを確実にする上で重要である。本例では、１．５〜１０の間の面積比が用いられる。

ノズルの設計はまた生成される超音波噴流の輪郭を決定し、ノズルは微細で良好に画成された吹き付けを生成するよう設計してある。ノズルの設計は、製造対象回路に最も適した吹き付け輪郭を生成するよう変更することができる。

超音波噴流８は基板７にて案内され、基板７の表面上に導電材料９が蒸着する。基板７は、あらゆる支持材料、例えば金属やポリマーで作成することができる。金属基板の場合には、加熱吹き付けセラミック被覆やポリマー被覆或いは他の任意の適当な被覆の形態とし得る誘電体絶縁被覆が必要とされよう。基板７は平坦にできたり、或いは三次元形状（図３に示す如く）輪郭とすることができる。

基板上に導電材料のパターンを作成すべく、ＣＧＤＳデバイスを基板７に対し移動させるか、或いはその逆とする。実際には、これはＣＧＤＳデバイスをロボットやＸ−Ｙプロッタ等の駆動機構上に装着することでなされる。ＣＧＤＳデバイスは、任意の適当な手段により装着することができる。本例では、駆動機構はロボット或いはＸ−Ｙプロッタとしたが、任意の適当な操作手段を用いることができる。駆動機構５は手動操作できるが、本例では所望のパターン図をもたらすよう事前プログラミングしてある。

被蒸着導電材料９と基板７との接着長を改善すべく、中間接着層１３を用いることもできる（図３参照）。基板が高分子材料であるときは、これは特に有用である。接着層１３は、導電材料の蒸着前にＣＧＤＳデバイスを用いて作成する。接着層１３は被覆として蒸着したり、或いは製造対象回路のパターンすなわちそれが必要とされる箇所にだけ蒸着することができる。接着層として使用する適切な材料には、スズや亜鉛や鉛やビスマスやこれらの材料の合金等の低融点材料が含まれる。

本発明の一実施形態では、所定パターンの導電材料９を蒸着した後、ＣＧＤＳデバイスは導電材料１４の層、続いて第２のパターンの導電材料９の蒸着に用いることができる（図３参照）。本発明方法は非常に柔軟性があり、通常は交互積層された導電材料と誘電材料からなる多層を製造することができる。駆動機構５をプログラミングして各層を任意の所望パターンに蒸着するか、或いは全体又は一部の被覆を提供することができる。層の一部或いは全部の間の開口１８は、回路内に電気部品１６を包含するのに用いることのできる接点の作成用に残すことができる（図５参照）。この種の層を用い、任意の所望形状の電気回路を構築することができる。このことは、例えばパターン化電気回路がより大きなデバイス内のただ一つの部品であって他の部品と良好に適合するよう製造することのできる場合は極めて有益である。

本発明により、複雑な回路を個別ベースで比較的安価に製造できるようになり、何故ならパターン専用工具揃えは必要ないからである。この駆動機構５をプログラミングしてあらゆるパターンを作成でき、粉末原材料を多くの異なる材料からなる粒子へ変更することができる。こうして、非常に複雑な回路を本発明の方法及び装置により生成することができる。

本発明は、電気回路９に電気部品１６を接続する従来方法もまた用いるものである。電気部品１６を基板７上に配置し、ＣＧＤＳデバイスを用いて図４に示す如く基板７だけでなく電気部品１６上への接着層１３及び／又は導電材料９のパターンの蒸着にも用いられる。この種の部品は通常、従来の製造方法では基板に半田付けされることになる一般に脚部と呼ばれる接続部１５を有する。電気部品１６を回路内に一体化すべく、ＣＧＤＳデバイスは接着層１３及び／又は導電材料９を電気部品の接続部へ吹き付けるのに用いる。これは部品の所定場所への保持と、部品とパターン化回路との電気的な接続の両方への影響を有する。多層形成時に、電気部品は全ての層の一部或いは全てと一体化することができる。

図６は、脚部１５により回路内の所定場所に取り付けた電気部品１６を有する蒸着導電材料９からなる電気回路を示す。図７は、図６のＡ−Ａ平面に沿う断面図で、導電材料層９で被覆した接着層１３により脚部１５が基板に接続されていることを示している。図８は、成形基板７上に回路を製造し、それを接続部品１７に整然と適合させることのできる仕方を示す。

本発明に使用するＣＧＤＳデバイスの概略線図である。 本発明において使用するＣＧＤＳデバイスのノズルの断面図である。 本発明により製造する多層回路の断面図である。 本発明により製造する電気部品を含む回路の断面図である。 本発明により製造する回路とこの回路に接続する電気部品の断面図である。 本発明により製造する電気部品を含む回路の平面図である。 Ａ−Ａ平面に沿う図６の回路の断面図である。 本発明により製造する回路とこの回路に接続する接続部品の断面図である。

符号の説明

１ 圧縮ガス源
２ ガス制御装置
３ 粉末供給器
４ ガスヒータ
５ 駆動機構
６ ノズル
７ 基板
８ 噴流
９ 導電材料
１０ 収束部
１１ 喉部
１２ 拡散部
１３ 接着層
１４ 導電材料
１５ 脚部
１６ 電気部品
１７ 接続部品
１８ 開口

Claims (9)

1. パターン化電気回路の製造方法であって、
   低温ガス動的吹き付け（ＣＧＤＳ）デバイスを設けるステップと、
   基板を設けるステップと、
   前記ＣＧＤＳデバイスと前記基板との間の相対運動により前記基板上に請求項ＣＧＤＳデバイスを用いて所定パターンの導電材料を蒸着するステップと、前記所定パターンの導電材料を蒸着する前に前記ＣＧＤＳデバイスを用いて接着層を蒸着する前記ステップとを含む、ことを特徴とする製造方法。
2. 前記導電材料は銅又は銅合金である、請求項１記載の方法。
3. 前記接着層はスズかスズ合金か亜鉛か亜鉛合金から成る、請求項１記載の方法。
4. 前記基板上には電気部品が配置してあり、前記ＣＧＤＳデバイスは該電気部品上に接着層及び／又は導電材料を蒸着するのに用いる、請求項１記載の方法。
5. 前記接着層及び／又は導電材料は前記電気部品の前記接続部分上に蒸着する、請求項４記載の方法。
6. 前記導電材料パターンの蒸着後、前記ＣＧＤＳデバイスを用いて誘電材料層及び続く第２のパターンの導電材料を蒸着する、請求項１記載の方法。
7. 前記基板は三次元輪郭形状を有する、請求項１記載の方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項を用いて製造する、ことを特徴とするパターン化電気回路。
9. パターン化電気回路の製造装置であって、
   駆動機構と、
   低温ガス動的吹き付け（ＣＧＤＳ）デバイスと、
   使用時に、前記駆動機構を制御し、前記ＣＧＤＳデバイスと基板の間の相対運動をもたらし、前記基板上に接着層を、かつ該基板上に所定パターンの導電材料を蒸着させる手段とを備える、ことを特徴とする装置。

Images