JP2010219514A - 層間接続基板形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接続性と信頼度が改良された層間接続基板形成方法を提供すること。
【解決手段】仕分けされ配向された後、単位セルは、出力部４４を介して、画像転写装置５０へ送出され、画像転写装置５０は、画像書き込み装置７０を備え、層間接続基板の各層に対して単位セルを送出するために用いる所望の回路パターンを有する。プラテン６０上の所望の回路パターンへ送出されると、単位セル３０は後処理装置８０によって処理される。この処理は、少なくとも一次元で単位セルを共に圧縮し、単位セルを焼結又は加熱して絶縁体材料を架橋することを含む。単位セルを共に圧縮するために、他の単位セル上の導電線に対向する導電線を有する一つの単位セルを取り出す。これら二つの単位セルが共に加圧され、次に加熱され、良好な電気的接続を形成し、層間接続基板を実装する。
【選択図】図１

Description

プリント回路板は、広く、様々な電子部品を接続することによって完成した電子回路を形成するための標準的な技術に関する。一般に、多数のボード（回路基板）のバッチ処理がフォトリソグラフィ（写真平版）工程を用いた回路基板を作成する。回路はトレース（配線）から形成され、様々な層を接続させるビアや他の層間接続子を用いて層内に実装される。

この種類の処理を「需要生産（“ｐｒｏｄｕｃｅ−ｂｙ−ｄｅｍａｎｄ”）」又は受注生産処理に転換する際に様々な多くの困難な問題があった。レチクル及びパターン並びに写真平版装置の作成及び使用には費用が掛かり手間もかかっていた。この処理には大規模な製造設備が必要とされる。これらがすべて相俟って一般的に大きなバッチ処理の製造コストを引き上げ、生産効率を低下させる。

米国特許第７，３３２，３６１号

近年、セイコーエプソン社（Ｓｅｉｋｏ Ｅｐｓｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）は、超薄膜型の多層プリント回路板が得られるインクジェット印刷方法を開示している。ナノコロイド性インク溶液中で金属が印刷され、焼成され、有機材料が除去されるというものである。絶縁体も溶液から印刷される。多層回路板を印刷する能力も開示されている。この方法は、設備や道具の交換費用が必要とされない実質的な「需要生産」において、一作業ずつ異なる回路板を印刷する能力を備えているという重要な利点を有している。

インクジェット印刷方法には、金属及び絶縁体材料は溶液処理されなければならないという制約があった。この制約は、これらの印刷基板を印刷するために使用される材料の組み合わせを制限する。一般に、溶液処理される絶縁体のパフォーマンス値は固体絶縁体より低い。これは溶液処理される金属にもあてはまる。このように処理される金属からは一般に低密度の配線しか得られず、接続性と信頼度の点でパフォーマンスに影響を与えている。

本発明の第１の態様は、層間接続基板を形成する方法であって、少なくとも２つの単位セルを提供し、所望の回路パターンを形成するように前記単位セルを配列し、前記所望の回路パターンを有する前記層間接続基板を形成するように前記単位セルを連結する、ことを含む層間接続基板形成方法、を提供する。

本発明の第２の態様では、第１の態様に於いて、前記単位セルを配列することが、電界の操作、磁場の操作、及び、ディジタル式の加熱器、ディジタル式の半田溶融、レーザ式のピックアンドプレイス、及び接着剤を用いるマイクロ・ピック・プレイスなどの界面エネルギの操作の一つを含むことを特徴とする。

本発明の第３の態様では、第１の態様に於いて、前記二つの単位セルを連結することが、溶着、焼結、メッキ、導電線の自己アセンブリ、前記単位セルが存在している基板を収縮させること、前記単位セルを膨張させること、及び前記単位セルを接続するために導電線を印刷することの一つを含むことを特徴とする。

本発明の第４の態様では、第１の態様に於いて、前記単位セルを提供することが、プリントエンジンを用いて前記単位セルを送出することを含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態による、層間接続基板を組み立てるためのシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による、単位セルを用いた所望の回路設計を示す図である。 本発明の一実施形態による、所望の回路設計を有する完成された層間接続基板の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態による、所望の回路設計を有する完成した層間接続基板の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態による、所望の回路設計を有する完成した層間接続基板の製造工程を示す図である。 本発明の製造工程によって得られた層間接続基板の例を示す 架橋構造を示す断面図である。 他の架橋構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態による、画像転写装置を示す図である。 球形の単位セルからの様々な接続構造を製造する方法の例を示す図である。

図１は、層間接続基板を組み立てるためのシステム１０を示す。ここで用いられているように、用語「インターコネクト（層間接続）基板」とは、複数の電気又は電子部品の間で層間接続を提供する任意の基板を意味している。層間接続基板の例としては、一つ以上の層、セラミック基板、可撓性回路、背面などを有するプリント回路板が挙げられる。

図１のシステム１０は、２００８年２月１０日発行で本願の譲受人によって所有され、本明細書に参照することによって組み込まれている米国特許第７，３３２，３６１号に開示されているシステムに類似している。このシステムにおいて、システムは、マイクロ物体、ミクロンサイズの部品を微小構造に組み立てるために使用される。しかしながら、図１のシステムは、プリント回路板に類似した層間接続基板のアセンブリを目的としている。

図１において、層間接続基板３０の構成部品は、前処理装置２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃに配列される。これらの前処理装置は、層間接続基板の構成部品を製造するか又は既に製造され格納されている構成部品を入れておくリザーバ（容器）として作用し得る。本明細書の説明では、層間接続基板構成部品を「単位セル」と称する。単位セルは、層間接続基板を作成するために組み立てられる任意の種類の構成部品である。例えば、単位セルの種類は、それらに限定されないが、絶縁体のみを含むもの、片面に少なくとも一本の導電線を有する絶縁体を含むもの、異なる二つの面に少なくとも一本の導電線を有する絶縁体を含むもの、例えば、方向を変えるなどしてコーナー（角）付けするために少なくとも一本の導電線を有する絶縁体を含むもの、及び、導電線と組み合わせるか否かに関わらず、少なくとも一つのビア（ホール）を有するものがある。

前処理装置は、基板上に導電線及びビアを形成するために使用される標準的な技術によって単位セルを製造することができる。次に、基板はさいの目に切断され、得られた単位セルが前処理装置内の容器へ分配される。一つ異なるのは、単位セル内で絶縁体として使用される材料である。本発明の単位セルの材料は、熱可塑性か又は部分硬化されたプラスチックである。単位セルを接着させるために材料を架橋する能力は有用な特性とされ、その能力を有していれば、どの材料をも使用してもよい。仕分けや取り扱いを容易にするために、単位セルは全て略同じか又は全く同一の寸法を有し得る。

次に、前処理装置は、経路４５へ収束され入力部４２へ入力される経路４３Ａ〜４３Ｃを介して仕分け装置４０へ単位セルを提供する。仕分け装置４０は、所望の回路パターンを適切に位置合わせし配置する際に、必要に応じて、電界及び磁場を操作し、単位セルを仕分けし配向することができる。前述したように、単位セルの少なくともいくつかの上には、導電線及び／又はビアが載置又は形成され得る。絶縁体材料のみから成る単位セルは、あえて配向せずとも、適切に配置される。

単位セルを配向し及び／又は配置するアセンブリ処理の他の方法には、プログラム可能なマイクロチップアセンブリ方法がある。これらの方法として、ディジタル式の加熱器、ディジタル式の半田溶融、レーザ式のピックアンドプレイス（「拾い上げ、載置する」）、及び接着剤を用いるマイクロ・ピック・プレイスなどの界面エネルギ技術が提供され得る。配向の要不要に無関係に単位セルを配置するアセンブリ方法は本明細書に開示されている任意の特定の処理に限定されるものではない。

仕分けされ、配向された後、単位セルは、仕分け装置の出力部４４を介して、画像転写装置５０へ送出される。画像転写装置５０は、プリントエンジンと同様に考えられ、この場合、単位セルは、プラテン又は他のプラットフォーム６０上へ画像転写システムによって送出されるインク又はトナーである。画像転写装置５０は、以下により詳細に説明されるように、画像書き込み装置７０を有し得る。画像転写装置５０は、層間接続基板の各層に対して、単位セルを送出するために用いる所望の回路パターン（又は複数のパターン）を有する。

プラテン６０上の所望の回路パターンへ送出されると、次に、単位セル３０は後処理装置８０によって処理される。この処理は、少なくとも一次元で単位セルを共に圧縮し、単位セルを焼結又は加熱して絶縁体材料を架橋することを含む。単位セルを共に圧縮するため、例えば、他の単位セル上の導電線に対向する導電線を有する一つの単位セルを取り出す。これら二つの単位セルが共に加圧され、次に加熱されて良好な電気的接続を形成する。

しかしながら、接着を形成するための焼結には制約がない。単位セル間に接着を形成し、必要に応じて確実にロバストな電気的接続を形成する任意の方法を用いることができる。得られる層間接続基板６２が、プラテン６０から取り出され、必要に応じて更に処理され、層間接続基板を実装する。

単位セルの段の一段から他段への移動及び各段の動作は、中央制御装置１２によって制御され得る。中央制御装置は、アセンブリ装置を実行させるために使用されるコンピュータ又はワークステーション内に置くことができる。制御装置は、例えば、ガーバーファイル（Ｇｅｒｂｅｒ ｆｉｌｅ）を介して、所望の層間接続基板のレイアウトを受け取り、所望のレイアウトを有する層間接続基板を作成するように様々な処理段に命令する。得られる層間接続基板は、プリント回路板ではなく、単位セルで構成されている。

層間接続基板を製造するためのシステムの概要に基づいて、具体的な例を示すことによって、システムの有用性がより明確に理解されよう。図２は、所望の回路パターンを概略的に示す平面図である。層間接続基板６０の一部が第１の導電線又はトレース（配線）９０を有している。集積回路チップ（ＩＣ）９２などの活性構成部品が導電線９０と接触するように配置されている。この接触はＩＣ上のピン又はパッドと一致しており、ＩＣ上のピン又はパッドは、層間接続基板上の他の構成部品に対して信号を受送信するために用いることができる。

同様に、ＩＣ９２からの他の接触が他の導電線９４と接触を成す場合もある。ここでも、この接触は、層間接続基板６０上の他の装置に用いられるＩＣ上の回路の入力又は出力と一致し得る。図示されているように、この特定の実施例において、導電線（導電性トレース）９４は配線（トレース）９６に接続している。図で見ると、この接続は、「平面」接続されているか、又は、同一の金属経路が配線９４及び９６を形成しているかのようにみえる。しかしながら、配線９４及び９６が層間接続基板の別々の層に載置されているので、「コーナー９８」を実質的に完成するのは導電性ビアである。この回路設計は、概略的に例示されているにすぎず、様々なレベルの複雑性に対応すべく多くの様々な変形が可能であり、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

図３〜図５は、層間接続基板を作成するための製造方法を示している。図３は、層間接続基板の第１の層を示す。この実施例において、第１の層は、図中に指し示した接続パッド１０６によって一般的に「フリップチップ」されている集積回路９２と、単位セルの配列とを含む。この例において、図２の所望の回路パターンを実現するために、単位セルは二種類のうちのいずれかである。一つの種類は、絶縁体のみを含む単位セル１０２である。他の種類は、片面を横切って導電線１０４が載置されている絶縁体ベースを含む単位セル１００である。

単位セル１００は、導電線が単位セルの表面を介してＩＣ９２の表面まで続き、ＩＣ上のトレース（配線）１０６に位置が合うように配線を形成するように配列される。この配線は、図２の配線９０に対応している。単位セルの表面を横切って載置されるＩＣの手前に形成される配線は、配線９６に対応している。

回路設計の第一の層が配列された後に第二の層が形成される。図４は、この層の形成を示している。絶縁体単位セルのいくつかは明確化のために省略されている。第二の層は、単位セル１００の上面の導電線に対応するように、底面に導電線が載置された単位セルを有している。単位セル１１０は、底面の導電線を見せるために透視図で示され、単位セル１１２は非透視図で示されている。第二の層の単位セルは、第一の層の単位セルを覆って、位置合わせされる。これらの単位セルは、最終段階の導電性経路においてより良好な接続性が可能となるように、一単位セルの幅の半分に等しい距離だけオフセットされる。

図の手前において、他の単位セル１００が導電線を有する前後ではなく、その上面を横切って図面の左右に導電線を有する単位セル１１４が示されている。この単位セルは、図２の領域９８の接続を形成する。単位セル１１４は、このビアを介して、導電性経路が前後に横切る単位セル１１８に接続され、次に、図示されているように、単位セル１１４の上面を導電性経路が左右に横切る単位セル１１６に接続される。これらの単位セルの断面形状が図５に示されている。

単位セル１１４は、図４に示された単位セル１１４上の導電性経路を単位セル１１８上の導電性経路に接続させるビア１１３を有している。次に、単位セル１１６に接続されると、図２の配線９４を、異なる層に載置された配線９６に接続させることができる。次に、単位セル１１６が導電線９６のベースを形成する。

図６は、得られた層間接続基板の一例を示す。ＩＣ９２は、二つの層間に埋設されるか又は第一の層の底面上に載置される。配線９０と９４は共に層の内部に配置されているため、その構造は点線で示されている。配線９６は、層間接続基板の最上層の表面に載置されている。図示されているように、配線９０及び９４は、単位セルを含む第二の層の架橋（ブリッジ）構造配置によって、インターリーブ（隙間配列）型の外観を有している。

架橋構造の断面を図７に示す。図６の配線９０の形成に寄与する図４の単位セル１１１及び１０９の側面図を図７に示す。単位セル１１２の底部は、単位セル１１１及び１０９の上の導電性経路に対応する導電性経路を有する。これらが共に加圧され、恐らくは溶着されると、これらの導電性経路は、図６に示される経路９０を形成する。

基板のうち、最初の二つの層だけが示されていることを理解されたい。以上の技術によってより多くの層を作成することができる。更に、第二の層の単位セルが第一の層の導電線を覆う架橋構造で示されているが、必ずしも架橋構造である必要はない。単位セルの縁部は、架橋構造を必要としないほど、強い接続経路を形成することができる。図８にこの例が示される。

図８において、図４の単位セル１１１及び１０９が、横並びの平坦な構造において、共に溶着されているのが示されている。この平坦構造は、収縮可能な基板、即ち、単位セルが平たんなタイル状に載置される一時的又は永久的な表面から得られる。単位セル又は単位セルが載置される基板を加熱及び／又は収縮することによって単位セルを並列に溶着することができる。単位セルが収縮している間に上下の平面性を維持するには、ローラや下向きの圧力の使用が要求され、単位セルの接着部分における歪みや隆起の発生を確実に回避することができる。他の方法としては、加熱時に膨張する膨張性ポリマーから単位セルを製造する方法が提供されており、単位セルがしっかり密着され、安定した導電線の形成が可能となる。

層間接続基板のための所望の回路設計が完了すると、基板が溶着され、層間接続基板が完成する。ここで使用される「完成する」とは、全体が接着されて統合基板になったことを意味するが、更なる処理を施す必要がないわけではない。一旦完成した層間接続基板でも、基板にコネクタや他のＩＣを載置させるなどの更なる処理を施す場合もある。

単位セルを連結して統合基板を作成する方法としては、単位セルと得られる回路の並列性を維持し又はセルの歪みを防止するためには相容れない高温を伴う溶着又は焼結に代わって、他の方法を用いることができる。

図３を参照すると、単位セルは、図示されているものと同様であるが、互いに接触して載置され、次に、無電解又は自触媒のメッキ槽に入れられる。金属は、露出した金属の全ての部分に堆積され、分厚くなって、隣接チップに密着される。これによって低温度の歪曲されない方法を提供することができる。一つの問題は、この方法が１層又は２層程度の回路板にしか適用できない点にある。層が多ければ、メッキ槽から遮蔽され、層全体が過度に金属で堆積されるのを防止して、安定した接続を確実とする下位層が得られる。

他の方法としては、単位セル間の導電線の自己アセンブリが提供される。導電線の界面エネルギを操作することによって、単位セルはインクジェット印刷の導電線に用いる銀粒溶液に類似した導電性粒子を含む流体に浸漬され、金属は界面エネルギによって金属の表面に密着する。自己アセンブリの他の方法は、導電性トナーに類似した乾式導電性粒子を引き寄せるために導電線に作用する静電力又は磁力を用いることを含むことができる。これらの方法は、確実な接続を形成するためにアニール処理を含むこともできる。

浸漬塗膜法において用いられる導電性溶液が単位セル上の導電線間に導電性粒子を印刷するために使用されてもよい。アセンブリ中、プリントヘッドは、単位セルの位置合わせに基づいて導電線に沿って粒子を送出できる。この方法は、誤って位置合わせされた単位セルが接続を補正するために適している。

接着は、溶着、焼結、又は、単位セルの絶縁ベースを架橋すると共に、様々な導電性経路間に安定した接続を形成するために作用する任意の他の方法を含むことができる。導電線は、金属、半田ペーストなどの低温度でも焼結可能な材料から形成することができる。

材料の選択は、最終的な接着処理に影響する。熱可塑性又は他の低温絶縁体が用いられる場合、導電性材料は低温の材料でなければならない。そうでない場合、単位セルの上部の導電線は単位セルの下部の導電線に接着しない。ただし、これが金属の使用を除外するものではなく、金属は、絶縁体の選択如何で発生する可能性である。材料の正しい選択と組み合わせは、基板及び回路の設計者次第である。

このように、層間接続基板を「需要生産」することが可能である。どんな回路トポロジ（接続形態）もこの技術を用いて製造することができることに注目されたい。任意の標準のＰＣＢ（プリント回路板）設計を想定した場合、本明細書に記載されている技術を用いて、同数の層を有する同一設計が達成可能である。この方法によって、任意の層数を有する任意の回路トポロジを製造することができる。

画像書き込み装置７０において、単位セルを用い、単位セルをインク又はトナー粒子であるが如く送出することが可能である。図９の例においては、単位セル３０が、仕分け装置４０によって、画像転写装置５０の画像転写ドラム６０上へ送出される。ドラム６００は、軸６０２を中心に回転し、静電潜像６０６を支持することができるドラム表面６０４を有する。画像書き込み装置７０は、制御装置１２の制御下でドラム６００の表面６０４に静電潜像６０６を形成することができる。静電潜像は、電荷に応じて異なる構成を有する単位セルを引き付ける可変電荷を有することができる。静電潜像６０６は、単位セル３０がプラテン又はプラットフォーム６０に接触するまで、単位セル３０をドラム６０に堆積させたままにする。プラットフォームの下方のドラム６５０は、プラットフォーム６０とドラム６００の間のニップ６５４へ圧力を印加し、単位セルがプラテン６０に転写されるように作用する。

加圧ニップと加熱素子６４０によって提供される加熱処理の組み合わせが層間接続基板を固化させるに十分な圧力と温度を提供するので、後処理装置８０の使用は必ずしも必要ではない、図９のシステムは、単位セルが、どのようにしてあたかも乾式トナーのトナー粒子であるように分配されるかについて示している。

単位セルが液体「インク」として溶液から送出されることを想定することができる。他の変形例としては、システムを特定数の種類の単位セルに限定し、単位セルが着色料であるかのように分配する方法がある。この方法は、各色が別個に印刷されて最終画像を形成する４−カラーシステムと同様に作用する。着色料の代わりに、特定の種類の単位セルを一色として印刷することができ、例えば、異なる四種類の単位セルを用いて、層間接続基板を形成することも想定できる。

加えて、インクとして送出されるかどうかは別として、単位セルは、球状、八角形、円筒形、ピラミッド形、その他を含む任意の多数の他の形状であってよい。図１０は、球状の単位セルから製造される様々な接続構造の例を示す。球状の単位セル１３０は、導電性材料１３２の周囲寸法全体を含む３６０度の構成のバンド（帯域）を有し得る。この球状単位セル１３０は、導電性バンドの各側面において隣接する単位セル間の接続を可能とし、単位セルの上の単位セル及び下の単位セルとの接続も可能とする。他の構成は、球体の一部を単一方向に横切るバンド１４２とこのバンドの位置から９０度オフセットして横切る他のバンド１４４を有する単位セル１４０を含む。同様に、バンドは、導電性バンド１５２とバンド１５４によってコーナーを形成する単位セル１５０によって示されるようにバンドがそのバンドに一体化されるコーナーを有するように堆積されることによって、図４に説明されるように、「コーナーを曲がる」ことができた。

Claims (4)

1. 層間接続基板を形成する方法であって、
   少なくとも２つの単位セルを提供し、
   所望の回路パターンを形成するように前記単位セルを配列し、
   前記所望の回路パターンを有する前記層間接続基板を形成するように前記単位セルを連結する、
   ことを含む層間接続基板形成方法。
2. 前記単位セルを配列することが、電界の操作、磁場の操作、及び、ディジタル式の加熱器、ディジタル式の半田溶融、レーザ式のピックアンドプレイス、及び接着剤を用いるマイクロ・ピック・プレイスなどの界面エネルギの操作の一つを含む、請求項１に記載の層間接続基板形成方法。
3. 前記二つの単位セルを連結することが、溶着、焼結、メッキ、導電線の自己アセンブリ、前記単位セルが存在している基板を収縮させること、前記単位セルを膨張させること、及び前記単位セルを接続するために導電線を印刷することの一つを含む、請求項１に記載の層間接続基板形成方法。
4. 前記単位セルを提供することが、プリントエンジンを用いて前記単位セルを送出することを含む、請求項１に記載の層間接続基板形成方法。

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