JP2008211150A - ３次元構造体部品、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 段差を有する３次元構造体の表面に回路を精度良くかつ容易に形成し、更には部品を実装した３次元構造体部品を提供する。
【解決手段】 段差を有する表面を備え、有機材料からなる３次元構造体と、前記段差を有する表面の、少なくとも側面と該側面につながる面それぞれの表面上を電気的に導通させる金属配線と、前記金属配線に端子が接合されている搭載部品とを備え、前記金属配線は、金属粒子を含む材料が焼成されて形成され、前記搭載部品の前記端子と前記金属配線は、前記金属粒子が焼成されることによって接合されている３次元構造体部品とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、射出成形の樹脂による３次元構造体の段差のある表面上に回路パターンを成形し、その回路に部品を実装する技術に関する。

アナログクオーツ腕時計は、電池、電子回路基板、水晶振動子、モーター、歯車、地板などで構成されている。腕時計は厚さを薄くしたいという要求に応えるために、地板には凹凸があり、水晶振動子や電池等の厚みのある部品は、部品の一部が地板に埋め込まれるような形になり、腕時計の厚さを薄くするということが実現されている。地板のような表面に段差のある３次元構造体を作製するのには、射出成形が一般に用いられている。

一方で、回路基板は、フォトリソグラフィを行いエッチングによって作製するため、平板上に形成され、腕時計に組上げるときに地板に回路基板を接合する必要があり、更に、他の部品と干渉しないように、位置合せをする必要性があった。つまり、従来の方法は、回路基板を別途作製するために回路基板の材料が別途必要であり、更に、地板と回路基板を位置合せする必要があるため、工程数が多くなっていたことが課題であった。

この課題を解決する方法としては、射出成形した部品に直接回路を形成することが考えられる。射出成形した部品に直接回路を形成する方法としては、特許文献１、及び特許文献２に示す方法が既に提案されている。

特許文献１による方法は、メッキ性を増すための触媒を添加した第１の樹脂層を射出成形する。次に、油を含浸させてメッキ不能にした第２樹脂層を第１樹脂層の上面に射出成形して、回路パターン形成位置に沿って第１樹脂層を露呈させた回路部品本体を作製する。次に、触媒として塩化パラジウムを使用して、回路部品本体上面を無電解銅メッキし、第１樹脂層の上面に回路パターンとなる導電材層を積層状に形成して射出成形回路部品を完成するものである。

特許文献２による方法は、成形型の成形面に回路体となる金属メッキ層を電解メッキにより形成し、この成形型を熱可塑性の樹脂からなる基板に押し付ける。次に、成形型を加熱保持して回路体を基板へ加熱圧着し、基板冷却後に成形型を基板から離反させ、回路体を基板に転写するものである。
特開平４−２３９７９５号公報 特許第３１６８３８９号公報

しかしながら、上述した特許文献には、後述する課題が残されている。

特許文献１による方法の課題としては、無電解メッキを行う際に触媒として塩化パラジウムを使用するが、塩化パラジウムは高価であり、必然的に射出成形回路部品も高価になってしまうということがある。また、第１樹脂層上の回路パターンとなる部分を露呈した状態で第２樹脂層を形成するなど、金型の構造及び製造工程のいずれも複雑であり、時計部品に使用する地板のような複雑な形状且つ微細な３次元構造体に回路パターンを形成することは困難である。

特許文献２の課題としては、回路体を形成するための専用金型が必要であり、そのうえ回路基板に押し付けて転写する工程も必要であるため、これらの要素が重畳されて回路基板が高価になってしまうという問題がある。即ち、時計部品に使用する地板のような複雑な形状且つ微細な３次元構造体の表面形状に対応して、簡便に回路パターンを形成することは困難である。

以上の課題を踏まえ、本発明が課題とするものは、段差を有する３次元構造体の表面に回路を精度良くかつ容易に形成し、更には部品を実装した３次元構造体部品を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は以下の３次元構造体部品とその製造方法を提案する。

本発明は、段差を有する表面を備え、有機材料からなる３次元構造体と、前記段差を有する表面の、少なくとも側面と該側面につながる面それぞれの表面上を電気的に導通させる金属配線と、前記金属配線に端子が接合されている搭載部品と、を備え、前記金属配線は、金属粒子を含む材料が焼成されて形成され、前記搭載部品の前記端子と前記金属配線は、前記金属粒子が焼成されることによって接合されている３次元構造体部品とした。

また、本発明は、前記３次元構造体の表面と前記金属配線との間に絶縁層を有する３次元構造体部品とした。

また、本発明は、前記３次元構造体部品を構成する前記有機材料は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、またはＰＣ（ポリカーボネート）、またはＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合合成樹脂）のいずれかの樹脂が主材料である３次元構造体部品とした。

さらに本発明は、有機材料からなる３次元構造体の段差を有する表面の、少なくとも側面と該側面につながる面それぞれの表面上に、金属粒子を含む材料を塗布する塗布工程と、前記金属粒子を含む材料が塗布されている所定の位置に端子を接触させて搭載部品を配置する部品配置工程と、前記金属粒子を含む材料を焼成し、前記３次元構造体の表面に金属配線を形成すると共に、前記搭載部品の前記端子と前記金属粒子を含む材料を接合する実装工程と、を有する３次元構造体部品の製造方法とした。

また、本発明は、前記実装工程は、１×１０^-4Ｐａから１×１０⁴Ｐａの圧力範囲に減圧した焼成条件で行う３次元構造体部品の製造方法とした。

また、本発明は、前記金属粒子は、粒子径が直径３ｎｍから１００ｎｍの範囲である３次元構造体部品の製造方法とした。

射出成形した３次元構造体に直径３ｎｍから１００ｎｍの金属粒子を含んだ導電材料をインクジェット、或いは、ディスペンサーで所望の位置に塗布し、焼成することによって回路を形成する。このとき一般的な作業状態である大気圧において、直径数十ｎｍの金属粒子は、その金属のバルク材料の融点よりかなり低い温度で焼成できる。しかし、射出成形で形成した一般的な３次元構造体は有機材料のため、耐熱温度はあまり高くない。即ち、有機材料の耐熱温度よりは高い温度で焼成するため、焼成時に３次元構造体の形が崩れてしまう。そこで、有機材料の耐熱温度より低温で焼成可能にするために、大気圧より低い真空下で金属粒子の焼成を行うことによって、有機材料の耐熱温度より低温で焼成可能になり、３次元構造体は形を維持したまま、金属粒子は焼成後にバルク状態となるため、配線抵抗値が小さなものができる。

また、射出成形した３次元構造体にシランカップリング処理、プライマー処理、アルカリ洗浄などの前処理を行うことで、３次元構造体と金属粒子から形成される回路の密着性をあげる密着層を形成することで、信頼性を向上させることができる。

金属粒子を焼成した回路では、イオンマイグレーションが懸念されるが、回路形成後、無電解鍍金を回路表面に施すことにより、イオンマイグレーションを抑えられる。電解鍍金でもよいが、配線パターンによってはメッキ厚みのバラツキが大きくなるので、無電解鍍金の方が好ましい。

また、回路形成後、水晶振動子等の搭載部品を実装したのちに、回路及び接続した搭載部品に樹脂をコーティングすることでも、マイグレーションを抑えると共に、３次元構造及び回路の耐侯性を向上することができる。

また、金属粒子を含んだ導電材料を塗布した直後に、電池リードや水晶振動子などの部品を予め所定の位置に搭載した後に、焼成することでより接続抵抗の低い実装が可能となる。この場合、位置合わせして搭載するだけ良く、超音波接合による金属間接合による実装と比較して装置か簡易になる。

表面に段差のある３次元構造体に、精度良く直接回路を形成することができ、従来の回路基板が不要となり、回路基板に関係する材料、工程数を減らすことができ、低コスト化を実現できる。また、搭載部品の実装と回路焼成を同時に行うことで、従来のような回路形成と実装工程を別途に行う方法よりも工程数が減るため、容易に３次元構造体部品を作製でき、低コスト化が実現できる。

以下、本発明に係る３次元構造体部品及びその製造方法について、図１から図８を参照して説明する。

図１は、本発明に係る３次元構造体の例を示す断面図である。３次元構造体１０は、有機材料を射出成形することで形成されている。この有機材料は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、またはＰＣ（ポリカーボネート）、またはＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合合成樹脂）のいずれかの樹脂が主材料となっている。

図１に示すように、この３次元構造体１０の上面には、段差を構成する凹部１０ａが形成されており、凹部１０ａの左側側面は２段の段差、右側側面は３段の段差となっている。これら左右の側面は、それぞれ傾斜のある平面となっているが、その傾斜角度は射出成形可能な範囲で任意に決定して良い。また、この斜面の側面も含め、側面につながる上面や底面は必ずしも平面である必要はなく、曲面であっても良い。

図２は、図１の３次元構造体の表面に金属粒子を含む材料を塗布した状態の例を示す断面図である。金属粒子を含む材料２０は、材料２０の粘度に応じてディスペンスやインクジェットを用いて塗布されている。また、材料２０に含まれる金属粒子の直径は、３ｎｍから１００ｎｍの範囲にそろえてある。これは、金属粒子の直径が例えば１μｍを越えるものが混入していると、低温での焼成では粒子が溶けずに、バルク状態にならないため、信頼性試験等で問題になるためである。この時点で金属粒子を含む材料２０は、金属粒子の凝集を防ぐための膜が金属粒子を包むように形成されているために導電性ではない。

この金属粒子を含む材料２０の塗布位置は、予め決定されている回路の配線パターンに基づいて、ディスペンスやインクジェットのノズルとの位置関係を相対的に変化させる駆動制御を行なうことによって規制される。これにより、図２に示すように、３次元構造体１０の凹部１０ａの左右の側面と、これにつながる上面や底面の表面に、角や隅で途切れることなく金属粒子を含む材料２０が塗布される。

図３は、図２の３次元構造体に搭載部品を配置した状態の例を示す断面図である。図３に示すように、３次元構造体１０の凹部１０ａの表面に塗布されている金属粒子を含む材料２０に、搭載部品３０の端子電極３１が重なるようにマウントしている。この搭載部品３０をマウントした状態の３次元構造体１０を、真空状態にした炉で焼成する。真空の焼成炉で焼成することにより図４に示す状態になる。

尚、図３に示した例では搭載部品３０の端子電極３１が下側に配置されているため、金属粒子を含む材料２０を凹部１０ａの底面まで延長して塗布してあるが、搭載部品３０の端子電極３１が側面に配置されているような場合には、金属粒子を含む材料２０を凹部１０ａの側面まで塗布しておけば良い。

図４は、図３の３次元構造体に搭載部品が実装された状態の例を示す断面図である。一般に市販されている銀の金属ナノ粒子の焼成条件は２３０℃程度であるが、一般的なＰＰ（ポリプロピレン）やＰＥＴなどの有機材料を射出成形した部品の耐熱温度は６０℃〜１４０℃程度であるため、金属粒子を焼成すると射出成形した部品が溶けてしまう。そこで、金属粒子の径を３ｎｍから１００ｎｍの範囲に小さくしたものにすることで、焼成温度の低温化を図るとともに、金属粒子の凝集を防いでいる膜を除去する温度を低くするために、真空中で加熱することで、３次元構造体１０の耐熱温度より低い温度で、バルク金属を得られるようにした。具体的な条件としては、大気圧に対して１×１０^-4Ｐａ〜１×１０⁴Ｐａの圧力範囲に減圧された条件で焼成を行う。これにより、金属粒子を含む材料２０からバルク金属である金属配線２１が得られると共に、搭載部品３０の端子電極３１と金属配線２１とが接続され、電気的導通がとれ、機能部品として利用できる。

金属粒子を含む材料２０の金属粒子が銀の場合、焼成後でもイオンマイグレーションが起こり不良になる場合があるので、図５に示すような対策を行う。図５は、図４の３次元構造体の表面に金属層を設けた状態の例を示す断面図である。金属配線２１にニッケル、金、白金等を電解メッキ、あるいは無電解メッキすることによって、金属配線２１の表面を覆う金属層２２を設ける。

金属配線２１の表面を金属層２２で覆う代わりに、図６に示す対策を行っても良い。図６は、図４の３次元構造体の表面に樹脂コーティングした状態の例を示す断面図である。図６に示すように、３次元構造体１０の搭載部品３０が実装されている上面側の全表面を樹脂２３でコーティングしている。図６に示した例では、搭載部品３０が実装されている上面側のみをコーティングしているが、搭載部品３０が実装されていない裏面も含め全体を樹脂２３でコーティングしてもよい。樹脂２３の材料としては、エポキシ系樹脂等が使用できる。

また、金属配線２１と３次元構造体１０の密着力を向上させるために、金属粒子を含む材料２０を塗布する前に密着層を形成する方法もある。図７は、図１の３次元構造体の特定の場所に密着層を形成してから金属粒子を含む材料を塗布した状態の例を示す断面図である。また、図８は、図１の３次元構造体の表面全面に密着層を形成してから金属粒子を含む材料を塗布した状態の例を示す断面図である。

図７に示すように、形成する回路パターンが予め決定されている場合などは、３次元構造体１０の表面に形成させる金属配線２１のパターンに合わせて密着層４０を形成し、その密着層４０の表面にのみ金属粒子を含む材料２０を塗布する。このように構成して、図示しない搭載部品３０を配置し焼成を行なうことにより、金属配線２１と３次元構造体１０の密着力が高まり、搭載部品３０もより強固に接合される。

また、図８に示すように、形成する回路パターンとは関係なく、３次元構造体１０の表面全面に密着層４０を形成しても良い。

密着層４０は、シランカップリング処理、プライマー処理、アルカリ洗浄などの前処理によって形成するものであり、アルカリ洗浄後に更にプライマー処理等を行ってもよく、一つの手法だけを行うものに限るものではない。密着層４０を形成することで、金属粒子を含む材料２０を焼成して得られる金属配線２１と３次元構造体１０との密着性が向上する。密着層４０は、図示しない樹脂２３と同じ材料にすることも可能であり、その場合にはエポキシ系樹脂等を選択することにより信頼性の高い３次元構造体部品を製造することができる。

以上の説明では、表面に段差を有する３次元構造体１０は、表面の一部が窪んでいる凹部１０ａが構成されている例で説明したが、表面の高さに差があれば、一部が突出しているような高い部分の面積の方が低い部分の面積よりも小さい表面形状の３次元構造体であっても適用可能である。

本発明に係る３次元構造体の例を示す断面図である。 図１の３次元構造体の表面に金属粒子を含む材料を塗布した状態の例を示す断面図である。 図２の３次元構造体に搭載部品を配置した状態の例を示す断面図である。 図３の３次元構造体に搭載部品が実装された状態の例を示す断面図である。 図４の３次元構造体の表面に金属層を設けた状態の例を示す断面図である。 図４の３次元構造体の表面に樹脂コーティングした状態の例を示す断面図である。 図１の３次元構造体の特定の場所に密着層を形成してから金属粒子を含む材料を塗布した状態の例を示す断面図である。 図１の３次元構造体の表面全面に密着層を形成してから金属粒子を含む材料を塗布した状態の例を示す断面図である。

符号の説明

１０ ３次元構造体
１０ａ 凹部
２０ 金属粒子を含む材料
２１ 金属配線
２２ 金属層
２３ 樹脂
３０ 搭載部品
３１ 端子電極
４０ 密着層

Claims (6)

1. 段差を有する表面を備え、有機材料からなる３次元構造体と、
   前記段差を有する表面の、少なくとも側面と該側面につながる面それぞれの表面上を電気的に導通させる金属配線と、
   前記金属配線に端子が接合されている搭載部品と、
   を備え、
   前記金属配線は、金属粒子を含む材料が焼成されて形成され、
   前記搭載部品の前記端子と前記金属配線は、前記金属粒子が焼成されることによって接合されていることを特徴とする３次元構造体部品。
2. 前記３次元構造体の表面と前記金属配線との間に絶縁層を有することを特徴とする請求項１記載の３次元構造体部品。
3. 前記３次元構造体部品を構成する前記有機材料は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、またはＰＣ（ポリカーボネート）、またはＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合合成樹脂）のいずれかの樹脂が主材料であることを特徴とする請求項１記載の３次元構造体部品。
4. 有機材料からなる３次元構造体の段差を有する表面の、少なくとも側面と該側面につながる面それぞれの表面上に、金属粒子を含む材料を塗布する塗布工程と、
   前記金属粒子を含む材料が塗布されている所定の位置に端子を接触させて搭載部品を配置する部品配置工程と、
   前記金属粒子を含む材料を焼成し、前記３次元構造体の表面に金属配線を形成すると共に、前記搭載部品の前記端子と前記金属粒子を含む材料を接合する実装工程と、
   を有することを特徴とする３次元構造体部品の製造方法。
5. 前記実装工程は、１×１０^-4Ｐａから１×１０⁴Ｐａの圧力範囲に減圧した焼成条件で行うことを特徴する請求項４記載の３次元構造体部品の製造方法。
6. 請求項４の製造方法において、前記金属粒子は、粒子径が直径３ｎｍから１００ｎｍの範囲であることを特徴とする３次元構造体部品の製造方法。

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