JP2009206443A - 電子回路基板の製造方法およびその電子回路基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電子回路基板に形成された貫通孔または有底の止り穴にコールドスプレー法により導電性金属粒子を付着堆積させて電極または配線となる導電体を形成する方法。前記導電性金属粒子を温度が20〜400℃の圧力気体に混合してなる混合気体を前記貫通孔あるいは止り穴に噴射して前記導電性金属粒子を固相状態のまま塑性変形させて付着堆積させて充填する。
【選択図】図1
Description
表面技術:Vol.44、No.10,1993 表面科学:Vol.25、No.10、pp.635−641、2004、「エアロゾルデポジション法とその応用」明渡純
前記、圧力気体供給装置2から供給された圧力気体は、その圧力を制御設定する圧力調整器9で調節されたのち加熱装置3で加熱される。加熱された圧力気体は、混合部4において、キャリアガスを通過するようにした粉粒体供給装置5により供給される導電性金属粒子と混合され噴射ノズル6より噴射される。その結果、噴射ノズル6の噴射口が向けられた電子回路基板の貫通孔あるいは止り穴に前記導電性金属粒子が付着堆積して導電体を形成することができる。
本試験1を実施するにあたり、図1に示すコールドスプレー装置と、水アトマイズ法で造粒した平均粒子径が0.5〜40μmの純Cu粒子からなる導電性金属粒子と、外形寸法が2インチ角、厚さ0.7mmのアルミナ製板材にドリル加工によって直径が300μmのストレートの貫通孔(図2−(a)の形態)を穿設した電子回路基板と、外形寸法が前記と同一でブラスト加工によって開口部の直径が180μm、深さが200μmの有底の止り穴(図3−(c)の形態)を穿設した電子回路基板を準備した。
Particle Image Velocimetry(西華産業製)によって測定し、導電体の形成状態についての評価基準は、形成された導電体の空隙率が1%未満を「◎」、1〜5%を「○」、5%以上を「△」、導電体が完全に形成できなかったものを「×」を付記した。なお、空隙率が5%未満であれば電気抵抗率、強度の両面から実用上の問題無く使用可能であるが、空隙率が5%を超えると導電体の密着強度が低下して研磨等の後加工工程において欠けが発生するため、前記のような評価基準とした。
平均粒子径が2μm未満の場合には、該導電性金属粒子の噴射速度は速いものの付着堆積が確実でなく導電体が形成できていない(比較例1)、もしくは導電体が形成できても該導電体の空隙率が高い(比較例2)結果となった。また、平均粒子径が30μmを超える場合には、該導電性金属粒子の噴射速度が250m/secに到達せず、導電性金属粒子が付着堆積せず導電体を形成することができなかった(比較例3、4)。従って、導電性金属粒子の平均粒子径は2〜30μmの範囲が好適であった。
圧力気体の流量が10L/min・mm2に満たない場合には、導電性金属粒子の平均粒子径が前記の好適範囲(2〜30μm)内であっても噴射速度が250m/secに到達せず、導電性金属粒子が付着堆積せず導電体を形成することができなかった(比較例6、8)。また、圧力気体の流量が40L/min・mm2を超える場合には、電子回路基板や平均粒子径が大きい導電性金属粒子が割れたり、マスク材の損傷がやや増大する傾向であった(比較例5、7、9)。従って、10〜40L/min・mm2の範囲が好適である。
導電性金属粒子の噴射速度は、その平均粒子径、圧力気体の種類、および前記圧力気体の流量が相互に関係して決定されるが、250m/secに満たない場合は、電子回路基板の貫通孔あるいは止り穴に衝突する導電性金属粒子の速度が遅いため、該導電性金属粒子を付着堆積させることができず導電体を形成することができなかった(比較例3、4、6、8)。次に、いずれも好適な導電性金属粒子の平均粒子径を2〜30μm、圧力気体の流量を10〜40L/min・mm2の条件下で、導電性金属粒子の噴射速度を250m/sec以上にして徐々に速めた各噴射速度における導電体の形成状態、電子回路基板の割れの有無、マスク材の損傷状態をチェックした結果、250〜350m/secにおいては、電子回路基板の割れが無く、マスク材の損傷も軽微であって問題は無かったが導電体の形成状態に若干の空隙率が認められた(実施例1−13)。次に、圧力気体の種類を前記において用いていた空気からヘリウムに変更し、導電性金属粒子の噴射速度をさらに速めて導電体の形成状態、電子回路基板の割れの有無、マスク材の損傷状態をチェックした結果、600m/secを超えると、電子回路基板の割れが無く導電体の形成状態も良好であったが、マスク材の損傷がやや増大する傾向が認められた(実施例1−5、1−7、1−10、1−12)。 このような結果から、導電性金属粒子の噴射速度の上限値については、圧力気体にヘリウムを用いその流量を前記の好適範囲の最大量である40L/min・mm2にして得られた1118m/sec(実施例1−5)が実用上の上限値である。従って、250〜1200m/secが好適であって、350〜600m/secがさらに好ましい。
本発明に用いることができる圧力気体には、空気、窒素、ヘリウムがあって、空気および窒素の違いについて検討した結果、導電性金属粒子の噴射速度、導電体の形成状態、電子回路基板の割れの有無、マスク材の損傷状態等のチェック項目がすべて同等の結果(実施例1−8、1−9)であったのでどちらを選択してもよいが、ヘリウムを用いた場合(実施例1−5、1−7、1−10、1−12)は、導電性金属粒子の噴射速度が大幅に増大したことから、導電性金属粒子の噴射速度が加速され難い平均粒子径が比較的大きい導電性金属粒子を使用する場合には効果的である。
本発明の導電性金属粒子の平均粒子径、噴射ノズルの噴射口/単位断面積当りの圧力気体の流量、導電性金属粒子の噴射速度、圧力気体の選択、について検討した本試験2を実施するにあたり、前記試験1と同様の図1に示すコールドスプレー装置と、夫々の平均粒子径が10μmであって水アトマイズ法により製造したCu、ガスアトマイズ法により製造したAl、Sn、Ni、Zn、湿式還元法により製造したAu、Ag、Pd、からなる導電性金属粒子と、厚さが0.5mmの窒化アルミ製板材、厚さが0.65mmの窒化珪素製板材、厚さが0.5mmの炭化珪素製板材、厚さが0.6mmの酸化ジルコニウム製板材からなり夫々の外形寸法が直径3インチ共通の電子回路基板にブラスト加工によって開口部直径210μm、深さ240μmの有底の止り穴(図3−(c)の形態)を穿設して準備した。なお、前記止り穴をブラスト加工する際に使用したマスク材は、前記試験1に使用したものと同一の厚さが100μm、ウレタンアクリレート系の紫外線硬化型樹脂製を使用した。
導電性金属粒子に用いる金属粒子は、Cu、Al、Au、Ag、Pd、Sn、Ni、Znの1種類以上含む合金粒子または混合粒子であればいずれも空隙部がなく緻密で確実な導電体が形成できた。前記金属粒子は、電気抵抗率が低く、耐酸化性に優れ、且つ軟質で塑性変形能が大きいため、本発明に用いる導電性金属粒子として好適である。
電子回路基板に用いる材質として、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素、酸化ジルコニウムを用いて評価検討を実施したが、いずれも前記導電性金属粒子の付着堆積が良好にでき、緻密で確実な導電体の形成ができた。これらセラミックス材料は、試験1で用いたアルミナも含み、絶縁性、耐熱性、熱伝導性、耐食性、加工性などに優れていて、電子回路基板に用いる基材として好適である。
圧力気体の温度が20℃(常温:測定室温)の場合は、導電性金属粒子の付着堆積の状態に空隙箇所が若干見られたがその密着状態を保ち使用できる範囲であった(実施例2−1)。前記「実施例2−1」より、前記圧力気体の温度が20℃以下であると、該圧力気体と混合されて噴射される導電性金属粒子が確実に付着堆積せず空隙箇所が増加して剥離することが予測できる。一方、圧力気体の温度が、400℃を超えて450℃とした比較例10では基板が熱衝撃によって割れると共に、酸化が急激に進行して導電体の空隙箇所が増加した。従って、圧力気体の温度は、「実施例2−1」〜「実施例2−11」に示されるように、20〜400℃であれば電子回路基板が割れ、酸化がなく、確実に導電体が形成されるものであり、導電性金属粒子の融点の1/2以下の温度となるものである。
ペースト法により製造した電子回路基板の導電体は、窒化アルミ製の電子回路基板に穿設した止り穴に市販のビアフィル用導電性銅ペーストを充填した後、60℃で60min間乾燥し、その後、さらに160℃で60min間硬化処理を行って形成した。その電気抵抗率と単位面積当たりの導電性金属粒子/付着堆積の速度比の結果を次の表3の比較例11に示す。
実施例1−6および実施例2−3のコールドスプレー法によって形成された導電体の電気抵抗率は、純銅の電気抵抗率(1.7×10−8Ω・m)に最も近く良好な特性であったが、比較例11のペースト法によって形成された導電体の電気抵抗率は、純銅の約100倍であった。この工法では空隙率が10〜20%であるため電気抵抗率の低下が著しい。また、比較例12のエアロゾルデポジションによって形成された導電体の電気抵抗率は、純銅に近い値であったが、実施例1−6と比較すると1.45倍であった。これは、使用する導電性金属粒子径が小さいため、その金属粒子が多数堆積して形成される界面の面積が大きくなり抵抗値が増加したとものと推察する。
生産性の評価基準となる単位面積当たりの導電性金属粒子/付着堆積の速度比の評価は、実施例1−6の本発明のコールドスプレー法における単位面積当りの付着堆積の量を100とし、従来技術のペースト法、およびエアロゾルデポジション法の付着堆積の量を単位面積当りに換算して算出した。前記の単位面積当りに換算して算出した理由は、エアロゾルデポジション法で使用可能な噴射ノズル/噴射口の断面積が、本発明のコールドスプレー法で使用する噴射ノズル/噴射口の断面積の10分の1以下であるため、従来のエアロゾルデポジション法の導電性金属粒子/付着堆積の速度比をμm/minで測定すると、付着堆積された面積が微少であるにも関わらず付着堆積された厚さだけを評価することとなるので、実際の生産性を比較評価するには不適当となるので単位面積当たりに換算して比較した。その結果、本発明のコールドスプレー法による電子回路基板/導電性金属粒子の付着堆積(導電体の形成)の速度比は、従来のエアロゾルデポジション法の10倍以上であり、広い面積すなわち複数の導電体を同時に効率良く処理することが可能であって、生産性を向上した方法であることが判明した。
2 圧力気体供給装置
3 加熱装置
4 混合部
5 粉粒体供給装置
6 噴射ノズル
7 温度センサー
8 圧力センサー
9 圧力調整器
10 電子回路基板
11 基板保持部
12 加熱ヒータ
13 貫通孔
14 マスク材
15 止り穴
Claims (7)
- 電子回路基板に形成された貫通孔または有底の止り穴にコールドスプレー法により導電性金属粒子を付着堆積させて電極または配線となる導電体を形成する方法であって、前記導電性金属粒子を温度が20〜400℃の圧力気体に混合調製してなる混合気体を前記貫通孔あるいは止り穴に噴射して前記導電性金属粒子を固相状態のまま塑性変形させて付着堆積させて充填するようにしたことを特徴とする電子回路基板の製造方法。
- 前記混合気体は、導電性金属粒子の平均粒子径を2〜30μm、圧力気体の流量を噴射ノズルの噴射口の単位断面積当たりの流量(10〜40L/min・mm2)とし、該混合気体を噴射して前記導電性金属粒子の噴射速度が250〜1200m/secになるようにしたことを特徴とする請求項1記載の電子回路基板の製造方法。
- 前記圧力気体を、空気、窒素、ヘリウム、のいずれかにしたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の電子回路基板の製造方法。
- 前記導電性金属粒子の材質を、Cu、Al、Au、Ag、Pd、Sn、Ni、Zn、の単一粒子、またはこれら2種類以上の合金粒子、または混合粒子、のいずれかにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか記載の電子回路基板の製造方法。
- 前記電子回路基板の材質を、セラミックスにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか記載の電子回路基板の製造方法。
- 前記セラミックスの材質を、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、酸化ジルコニウムのいずれかにしたことを特徴とする請求項5記載の電子回路基板の製造方法。
- 前記請求項1乃至請求項6のいずれか記載の電子回路基板の製造方法を用いて製造された電子回路基板。
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