JP2011509834A - 電子積層体の深部加工方法および本方法を達成するための装置 - Google Patents

電子積層体の深部加工方法および本方法を達成するための装置 Download PDF

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Abstract

金属層と金属基板との間に挟まれた誘電体で構成され、次いで積層されている電子積層体の深部加工方法。この方法は、最初に、少なくとも1つの開口が設けられている硬化マスクを、前記金属層とサンドブラスト装置の少なくとも1つのノズルとの間に介装されるように配置するステップを含んでいる。その後に、電子積層体が、前記サンドブラスト装置によって前記少なくとも1つの開口を通ってサンドブラストされる。前記サンドブラスト装置によって適用される研磨材の力、サイズ、および種類が、前記金属層および前記誘電体を浸食するために充分であるが、前記基板を浸食するためには充分でない。
【選択図】 図6

Description

発明の分野
本発明は、電子積層体(electronic layup)の深部加工(depth routing)方法および本方法を達成するための装置に関する。本発明は、特に、サンドブラストによる電子積層体の深部加工に関する。
発明の背景
以下の本発明の背景の説明は、本発明の理解を容易にすることを目的としている。しかしながら、それらの説明が、そこで言及されるいかなる内容も、本出願の優先日の時点において、いかなる法域においても、刊行済みであり、公知であり、または共通の一般的知識の一部を成していると自認または了解するものではないことを、理解すべきである。
図1が、典型的な電子積層体を示している。電子積層体が、FR4積層板に接合された銅層を備え、FR4積層板が、銅またはアルミニウム基板上に形成された誘電体に接合されている。このような積層体から回路を製造するために、種々の技法が発見されている。本出願の出願日において最も一般的な技法は、深部加工である。
回路を生成するための深部加工技法は、銅またはアルミニウム基板以外の各層の一部分を浸食することを含んでいる。これは、化学的な手段によって実現することができるが、より一般的には、コンピュータ数値制御(CNC)の工作機械によって実行される。この後者のプロセスは、機械的な深部加工またはフライス削り(milling)と称されることも多い。
CNCを基盤とする機械的な深部加工における問題は、得られる加工後の表面が平らでなく、バリを含む可能性がある点にある。表面のこれらのバリおよび/または不整によって、下方の銅またはアルミニウム基板に接触することができる電子部品の地理的領域が減少する。場合によっては、電子部品が、下方の銅またはアルミニウム基板にまったく接触できなくなる可能性もあり、その場合、熱が誘電体を通って消散させられる。
これは、電子部品の熱の消散を可能にするものが、この下方の銅またはアルミニウム基板との接触であるため、重要である(実際には、下方の銅またはアルミニウム基板に接続されたヒートシンクが熱を消散させる)。電子部品と下方の銅またはアルミニウム基板との間の接触の量が大きいほど、より多くの熱を消散させることができる。さらには、表面のこれらのバリおよび/または不整は、化学的なめっきの効率および効果を低下させる。さらに、CNCを基盤とする機械的な深部加工の発展のレベルは、本発明の発明者の見解では、さらなる改良によっても、熱の消散についてわずかな改善しかもたらされない地点に達している。
図1に示したとおりの典型的な電子積層体の現在の製造方法は、複雑かつ高価につくプロセスである。機械的な深部加工またはフライス削りの技法を使用して行われる各工程を、以下に簡単に説明する。両面FR4積層板が用意され、穿孔および/またはエッチングによってFR4積層板にくぼみが生成される。このくぼみを有するFR4積層板を生成する工程は、従来からのプリント基板(「PCB」)のプロセスにおいて、約28のプロセス段階を含んでいる。次に、誘電層が設けられる。誘電層は、通常は打ち抜きによらない。打ち抜きは、FR4積層板ならびに銅またはアルミニウム基板の、フィット(fit)および形態に一致するように実行される。誘電層が適切に打ち抜きされた後に、銅またはアルミニウム基板、打ち抜き後の誘電層、ならびにくぼみを有するFR4積層板が、順に配置され、打ち抜きされた部分およびくぼんだ部分が電子積層体の中央に一致するように正確に整列させられる。次いで、種々の層が、図1に示したとおりの一体の電子積層体を形成するように、一体に積層される。上述のプロセスは、図1に示したとおりの電子積層体の製造の概要をもたらしている。前準備段階、中間段階、および出荷のための電子積層体の準備における仕上げ段階は、当業者に一般的に知られている典型的なPCB製造の各段階であり、ここでは説明を省略する。要約すると、電子積層体の製造に関係する約37のプロセス段階が存在する。
上述のような典型的な電子積層体の現在の製造方法に関して、いくつかの欠点が存在する。第1に、くぼみを有するFR4積層板の生成の工程が、従来からのPCBプロセスにおける約28のプロセス段階を含み、かなりの時間およびコストを招いている。FR4積層板ならびに銅またはアルミニウム基板のフィットおよび形態に一致するための誘電層の打ち抜き、ならびにその後の誘電層の打ち抜き部分およびくぼみ付きのFR4積層板のくぼみ部分の配置および整列が、電子積層体の品質、歩留まり、信頼性、および工学的な公差に悪影響を及ぼさないよう、高度の正確さを必要とする。
この厄介事に加え、電子積層体の各層の積層において、電子積層体が積層プロセスにさらされるたびに、そりまたはゆがみを生じがちである。そりまたはゆがみが生じると、下方の銅またはアルミニウム基板を介して最大の熱の消散を得るように電子部品を配置することに、問題が生じる。さらには、積層プロセスにおいて、電子積層体の信頼性および歩留まりに悪影響が及ばないよう、くぼみに樹脂が存在しないようにしつつ、樹脂が積層すべき領域の全体に一様に分布するように保証することに、注意を払わなければならない。
上述の問題は、一般的に市販されている標準的な絶縁金属基板を使用し、これにくぼみを生成するために機械的な深部加工技法を使用することによって、完全に解消することはできないにしても、最小限にすることが可能である。
本明細書の全体を通して、用語「・・・からなる(comprising)」、「・・・で構成される(consisting of)」、などは、とくにそのようでないと示されない限りは、すべてを述べ尽くすものではないと解釈されるべきであり、すなわち「・・・を含むが、・・・には限られない」という意味に解釈されなければならない。
本発明の第1の態様によれば、電子積層体の深部加工方法が提供される。電子積層体は、誘電体を金属層と金属基板との間に挟み、次いで積層してなる。本方法は、
・少なくとも1つの開口が設けられている硬化マスクを、上記金属層とサンドブラスト装置の少なくとも1つのノズルとの間に介装されるように配置するステップ、および
・上記サンドブラスト装置によって上記の少なくとも1つの開口を通って上記電子積層体をサンドブラストするステップ
を含み、
上記サンドブラスト装置によって適用される研磨材の力、サイズ、および種類が、上記金属層および上記誘電体を浸食するために充分であるが、上記金属基板を浸食するためには充分でない。
本方法は、上記の硬化マスクの上記電子積層体に対する相対位置を維持している間、この電子積層体および硬化マスクを治具に固定するステップをさらに含むことができる。理想的には、上記硬化マスクを配置するステップが、この硬化マスクを上記金属層から0.5mmよりも離れないように配置するサブステップを含んでいる。
本方法の自動化を促進するために、本方法は、
・上記治具を送りベルトに固定するステップ、および
・上記治具の上記サンドブラスト装置に対する移動を上記送りベルトによって制御するステップ
をさらに含むことができる。
好ましくは、上記金属層および上記誘電体を通じて上記電子積層体をサンドブラストするステップが、研磨材粒子を含む流体の流れを上記電子積層体に向かって案内するサブステップを含んでいる。
本発明の第2の態様によれば、本発明の第1の態様の方法に従って形成された深部加工済みの電子積層体が提供される。
好ましくは、上記金属層は、銅である。同様に、上記基板は、銅またはアルミニウムであると好ましい。
本発明の第3の態様によれば、本発明の第1の態様の方法において使用するためのサンドブラスト装置であって、研磨材粒子を含む流体の流れを生成して上記電子積層体に向けるように構成されているサンドブラスト装置が提供される。
上記研磨材粒子は、以下の種類の研磨材粒子のうちの少なくとも1つ、すなわち酸化アルミニウム、チタニウムを含んでいる溶融酸化アルミニウム、コランダムのうちの少なくとも1つを含んでいる。上記研磨材粒子のサイズは、5μm〜2800μmの範囲にある。しかしながら、好ましい構成においては、上記研磨材粒子の平均粒子サイズが、10μm±0.2μmである。
上記流体の流れの圧力は、0.3Mpa〜2MPaの範囲にあってもよい。しかしながら、好ましい圧力範囲は、3.724×10Pa±0.098×10Paである。例外は、高温銅の場合であり、上記流体の流れが、0〜4.7×10Paの圧力の範囲を有する空気の流れが好ましい。
上記少なくとも1つのノズルは、セラミックノズル、炭化タングステンノズル、または炭化ホウ素ノズルであってもよい。セラミックノズルが使用される場合、ノズルのサイズは、
・2.6mm×円錐形の外側×長さ50mm
・3mm×円錐形の外側×長さ50mm
であってもよい。
炭化タングステンノズルが使用される場合、ノズルのサイズは、
・4mm×12.5mm×長さ41mm
・6mm×20mm×長さ41mm
・7.5mm×20mm×長さ43mm
であってもよい。
炭化ホウ素ノズルが使用される場合、ノズルのサイズは、
・6.3mm×21mm×長さ82mm
・8mm×21mm×長さ82mm
・9mm×24mm×長さ82mm
・10mm×24mm×長さ82mm
・12mm×24mm×長さ82mm
であってもよい。
上記の生成される流体の流れの速度は、5m/分〜30m/分の間であってもよい。好ましくは、上記の生成される流体の流れの速度が、9m/分〜11m/分の間である。
好ましくは、上記研磨材粒子が、7〜9の間のモース硬度を有している。
次に、本発明を、添付の図面を参照して、あくまでも例として説明する。
従来技術による電子積層体を示している図である。 本発明の第1の実施形態によって使用される電子積層体を示している図である。 サンドブラスト治具のベース板を示している図である。 サンドブラスト治具の保護用ステンシルを示しているさらなる図である。 ベース板、保護用ステンシル、工具固定プレート、およびクランパを備えるサンドブラスト治具の完結したキットを示している図である。 サンドブラスト治具の完結したキットに固定された金属クラッドプリント回路基板の断面図を、サンドブラストノズルとともに示している図である。 完結したサンドブラスト治具の保護用ステンシルを通じて金属クラッドプリント回路基板へ圧力を噴出させて特定の深さを達成すべく浸食するための、サンドブラストノズルへの研磨剤供給プロセスフィルタを示している図である。
発明の好ましい実施形態
次に、本発明の具体的な実施形態を詳しく説明する。本明細書において使用される専門用語は、あくまでも特定の実施形態を説明する目的のためのものであって、本発明の技術的範囲を限定しようとするものではない。
本発明の第1の実施形態によれば、電子積層体の機械的な深部加工の方法が提供される。本方法の動作は、以下の構成要素の使用を必要とする。
・電子積層体12
・サンドブラスト装置14
・治具16
・保護用ステンシル18
・送りベルト20
この実施形態において使用される電子積層体12が、図2に示されている。電子積層体12が、誘電体24に接合された銅層22を備えている。次いで、誘電体24が、銅またはアルミニウム基板26に接合されている。次いで、電子積層体12の全体が、積層される。本発明の発明者は、電子積層体12を単一の平坦なシートとして積層することで、上記の従来技術に記載のプロセスに対して、そりまたはゆがみが少なくなると考えている。
図6に示したサンドブラスト装置14は、好ましくは、サンドブラストのPolyhedralKNOOP法を使用するShang Po SandblastingからのTM−CTコンベア式自動ブラスト装置である(ただし、これに限られるわけではない)。サンドブラスト装置14は、平らな被加工物のためのブラストの態様に構成されている。サンドブラスト装置14のコンベア速度は、要件に合わせて相応に調節可能にされる。
この実施形態において、サンドブラスト装置14は、8つの円錐セラミックノズル28を有している。8つの円錐セラミックノズル28のサイズは、調節可能である。
図6において、治具16が、ベース板30(図3)および工具固定プレート32を有している。ベース板30は、電子積層体12を堅固に受け止めるように構成されている。工具固定プレート32は、保護用ステンシル18を堅固に受け入れるように構成されている。工具固定プレート32に対するベース板30の配置は、保護用ステンシル18が電子積層体12に平行であり、かつ電子積層体12から0.5mmよりも離れていないような配置である。
サンドブラスト作業の最中に保護用ステンシル18と電子積層体12との間に相対移動が存在しないことを保証するために、治具16が、サンドブラスト作業に先立ってクランパ34(図5を参照)によって固定される。
保護用ステンシル18は、硬化鋼から形成される。図4において、保護用ステンシル18の一部分または開口が切除されており、電子積層体12のうちのサンドブラスト作業による浸食が所望される領域を表わしている。
送りベルト20が、治具16を固定するための固定機構を有している。送りベルト20の速度は、5〜30m/分の範囲において制御可能である。
次に、この実施形態を、その意図される使用の状況において説明する。
電子積層体12が、治具16のベース板30に堅固に受け止められる。ほぼ同時に、保護用ステンシル18が、工具固定プレート32に堅固に受け入れられる。次いで、治具16が、クランパ34を使用して固定される。
このように固定された状態で、治具16は、送りベルト20に取り付けられる。取り付けは、固定機構によって実現される。ひとたびそのように取り付けられると、送りベルト20が、サンドブラスト装置14に対する治具16の移動を制御するように運転される。
図7において、送りベルト20(図示されていない)を動作可能にした状態で、サンドブラスト装置14の各々の円錐ノズル28に、酸化アルミニウム研磨材が供給される。酸化アルミニウム研磨材は、10μm±0.2μmのサイズを有している。研磨材が、3.724×10Pa±0.098×10Paの圧力に調節された流体の流れに取り込まれて、治具16に向かって案内される。取り込まれた粒子は、10m/分±1m/分の速度で移動するようにさらに制御される。ノズル28のさらなる制御が、サンドブラストの所望の対象範囲を実現するために行われる。
このやり方で、サンドブラスト装置14によって放射される取り込まれた粒子が、保護用ステンシル18によって止められ、または保護用ステンシル18に設けられた開口を通過することができる。開口を通過することができた粒子は、電子積層体12の(下方の銅またはアルミニウム基板層26を除く)層22、24を浸食する。その結果、時間が経過し、ノズル28および送りベルト20が所定のパターンに従って移動するにつれて、電子積層体12の種々の層22、24の浸食によって、保護用ステンシル18のパターンと同一のパターンが形成される。
上述のシステムの利点は、選択される酸化アルミニウム研磨材が、銅層22および誘電体24を除去するための充分な強度を有しているが、下方の銅またはアルミニウム基板26を除去し、または保護用ステンシル18を傷めるような研磨の強度を有さない点にある。これは、製造者が、CNCを基盤とする機械的な深部加工器具(下方の銅またはアルミニウム基板26も除去することができ、したがって電子積層体を不良にしてしまう可能性がある)においてはx−y−z位置に注意しなければならないのに対し、サンドブラスト装置14においてはx−y位置にのみ集中すればよいことを意味する。また、浸食された層22、24の付近の下方の銅またはアルミニウム基板26の表面について、バリおよび/または他の不整が大幅に少ないことを意味する。
さらに、サンドブラスト技法を使用することで、電子積層体12の材料の総量および厚さを減らすことができる。例えば、図1に示した従来からの電子積層体においては、材料が、銅層(厚さは無視できる)、FR4積層板(1.6mm)、誘電層(厚さは無視できる)、およびアルミニウム基板(1mm)を含んでいる。本発明によれば、材料が、銅層(厚さは無視できる)、誘電層(0.1mm)、およびアルミニウム基板(1.5mm)を含んでいる。このように材料が少ないことは、材料コストの削減につながり、電子積層体の全体構造がよりスリムになることで、所与の空間において電子積層体のユニットをより多く使用することができ、フォームファクタの小さい電子デバイスが可能になる。
上述の本発明が、上述の実施形態に限られないことを、当業者であれば理解できるであろう。特に、以下の変更および改善を、本発明の技術的範囲から離れることなく行うことが可能である。
・本出願の出願人は、使用される研磨材が、必ずしも酸化アルミニウムである必要はなく、溶融酸化アルミニウム、チタニウムを含む溶融酸化アルミニウム、またはコランダムなど、任意の同様の粒子であってもよいことを発見した。
・本出願の出願人による実験によって、研磨材の粒子サイズが、5μm〜2800μmの範囲であってもよいことが示されている。理想的には、平均粒子サイズが、10μmである。
・同様に、研磨材へ加えられる圧力は、0.3Mpa〜2MPaの範囲であってもよい。
・サンドブラスト装置によって使用されるノズルを、セラミック、炭化タングステン、または炭化ホウ素から形成してもよい。
・セラミックノズルの場合に、本出願の出願人は、以下の仕様のノズルを使用してもよいことを発見した。
内径2.6mm×円錐形の外側×長さ50mm
内径3mm×円錐形の外側×長さ50mm
・炭化タングステンノズルの場合に、本出願の出願人は、以下の仕様のノズルを使用してもよいことを発見した。
内径4mm×外径12.5mm×長さ41mm
内径6mm×外径20mm×長さ41mm
内径7.5mm×外径20mm×長さ43mm
・炭化ホウ素ノズルの場合に、本出願の出願人は、以下の仕様のノズルを使用してもよいことを発見した。
内径6.3mm×外径21mm×長さ82mm
内径8mm×外径21mm×長さ82mm
内径9mm×外径24mm×長さ82mm
内径10mm×外径24mm×長さ82mm
内径12mm×外径24mm×長さ82mm
・粒子を、0〜4.7×10Paの間の範囲の圧力を有する空気の流れに取り込んでもよい。上述の圧力範囲は、高温銅が関係する状況にとくに該当する。
・好ましくは、ノズルの速度範囲は、5m/分〜約30m/分の間であり、好ましい速度は、約10m/分である。
・サンドブラスト装置の動作時間は、5〜25分の範囲であってもよい。サンドブラスト装置の動作時間を、手動または自動で制御してもよい。
・電子積層体は、金属コアプリント基板、銅クラッド積層体、またはプリント回路の製造のための任意の他の種類の積層板の形態をとってもよい。
・理想的には、粒子の硬さは、モース硬さ試験機において7〜9の範囲である。
・X−Yテーブルを、保護用ステンシルによる電子積層体の浸食を促進するために使用してもよい。
・システム全体の動作を、手動で制御してもよく、または自動的に制御してもよい。理想的には、システムが自動制御され、CNC工作機械の機械的なルーティング部品をサンドブラスト装置のサンドブラスト器具で置き換えることによって実現される。
さらに、上述の実施形態において説明された特徴および上述された追加の特徴を、本発明の技術的範囲に包含されるまたさらなる実施形態を形成するために組み合わせることができる。

Claims (31)

  1. 誘電体を金属層と金属基板との間に挟み、次いで積層してなる電子積層体の深部加工方法であって、
    a.少なくとも1つの開口が設けられている硬化マスクを、前記金属層とサンドブラスト装置の少なくとも1つのノズルとの間に介装されるように配置するステップ、および
    b.前記サンドブラスト装置によって前記少なくとも1つの開口を通って前記電子積層体をサンドブラストするステップ
    を含み、
    前記サンドブラスト装置によって適用される研磨材の力、サイズ、および種類が、前記金属層および前記誘電体を浸食するために充分であるが、前記金属基板を浸食するためには充分でない電子積層体の深部加工方法。
  2. 前記硬化マスクの前記電子積層体に対する相対位置を維持する間、前記電子積層体および硬化マスクを治具に固定するステップをさらに含んでいる請求項1に記載の電子積層体の深部加工方法。
  3. 前記硬化マスクを配置するステップが、前記硬化マスクを前記金属層から0.5mm以内に配置するサブステップを含んでいる請求項1または2に記載の電子積層体の深部加工方法。
  4. a.前記治具を送りベルトに固定するステップ、および
    b.前記治具の前記サンドブラスト装置に対する移動を前記送りベルトによって制御するステップ
    をさらに含んでいる請求項3に記載の電子積層体の深部加工方法。
  5. 前記金属層および前記誘電体をサンドブラストするステップが、研磨材粒子を含む流体の流れを前記電子積層体に向かって案内するサブステップを含んでいる請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子積層体の深部加工方法。
  6. 請求項1に記載の方法に従って形成された深部加工済みの電子積層体。
  7. 前記金属層が銅である請求項6に記載の深部加工済みの電子積層体。
  8. 前記金属基板が銅またはアルミニウムである請求項6または7に記載の深部加工済みの電子積層体。
  9. 請求項1に記載の方法において使用するためのサンドブラスト装置であって、
    研磨材粒子を含む流体の流れを生成して前記電子積層体に向かって案内するように構成されているサンドブラスト装置。
  10. 前記研磨材粒子が、以下の種類の研磨材粒子のうちの少なくとも1つ、すなわち酸化アルミニウム、チタニウムを含んでいる溶融酸化アルミニウム、コランダムのうちの少なくとも1つを含んでいる請求項9に記載のサンドブラスト装置。
  11. 前記研磨材粒子のサイズが、5μm〜2800μmの範囲にある請求項9または10に記載のサンドブラスト装置。
  12. 前記研磨材粒子の平均粒子サイズが、10μm±0.2μmである請求項11に記載のサンドブラスト装置。
  13. 前記流体の流れの圧力が、0.3Mpa〜2MPaの範囲にある請求項9〜12のいずれか一項に記載のサンドブラスト装置。
  14. 前記流体の流れの圧力が、3.724×10Pa±0.098×10Paの範囲にある請求項13に記載のサンドブラスト装置。
  15. 前記流体の流れが、0〜4.7×10Paの圧力の範囲を有する空気の流れである請求項9〜14のいずれか一項に記載のサンドブラスト装置。
  16. 前記少なくとも1つのノズルが、セラミックノズルである請求項9〜15のいずれか一項に記載のサンドブラスト装置。
  17. 前記少なくとも1つのノズルが、2.6mm×円錐形の外側×長さ50mmのノズルである請求項16に記載のサンドブラスト装置。
  18. 前記少なくとも1つのノズルが、3mm×円錐形の外側×長さ50mmのノズルである請求項16に記載のサンドブラスト装置。
  19. 前記少なくとも1つのノズルが、炭化タングステンノズルである請求項9〜15のいずれか一項に記載のサンドブラスト装置。
  20. 前記少なくとも1つのノズルが、4mm×12.5mm×長さ41mmのノズルである請求項19に記載のサンドブラスト装置。
  21. 前記少なくとも1つのノズルが、6mm×20mm×長さ41mmのノズルである請求項19に記載のサンドブラスト装置。
  22. 前記少なくとも1つのノズルが、7.5mm×20mm×長さ43mmのノズルである請求項19に記載のサンドブラスト装置。
  23. 前記少なくとも1つのノズルが、炭化ホウ素ノズルである請求項9〜15のいずれか一項に記載のサンドブラスト装置。
  24. 前記少なくとも1つのノズルが、6.3mm×21mm×長さ82mmのノズルである請求項23に記載のサンドブラスト装置。
  25. 前記少なくとも1つのノズルが、8mm×21mm×長さ82mmのノズルである請求項23に記載のサンドブラスト装置。
  26. 前記少なくとも1つのノズルが、9mm×24mm×長さ82mmのノズルである請求項23に記載のサンドブラスト装置。
  27. 前記少なくとも1つのノズルが、10mm×24mm×長さ82mmのノズルである請求項23に記載のサンドブラスト装置。
  28. 前記少なくとも1つのノズルが、12mm×24mm×長さ82mmのノズルである請求項23に記載のサンドブラスト装置。
  29. 前記生成される流体の流れの速度が、5m/分〜30m/分の間である請求項9〜28のいずれか一項に記載のサンドブラスト装置。
  30. 前記生成される流体の流れの速度が、9m/分〜11m/分の間である請求項29に記載のサンドブラスト装置。
  31. 前記研磨材粒子が、7〜9の間のモース硬度を有している請求項9〜30のいずれか一項に記載のサンドブラスト装置。
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