JP2012089544A - 回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の回路基板では、品質を向上させることが困難である。
【解決手段】金属粒子を含む液状体をグリーンシートに塗布することによって、前記グリーンシートに前記液状体で回路パターンを描画する描画工程Ｓ１と、前記描画工程Ｓ１の後に、前記回路パターンに光を照射する光照射工程Ｓ２と、前記光照射工程Ｓ２の後に、前記回路パターンに他の前記グリーンシートを重ねて積層体を形成する積層工程Ｓ３と、前記積層工程Ｓ３の後に、前記積層体を加圧する加圧工程Ｓ４と、前記加圧工程Ｓ４の後に、前記積層体を焼成する焼成工程Ｓ５と、を有する、ことを特徴とする回路基板の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、回路基板の製造方法等に関する。

従来、回路基板の一種であるセラミック多層配線板の製造方法では、セラミック材料が薄くシート状に成型されたセラミックグリーンシートに、導電性金属を含有する導体ペーストで、所要の回路パターンを形成する印刷工程と、該パターンを有するグリーンシートを積層し、圧着させる圧着工程と、圧着体を一括焼成する焼成工程とが順に実施されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−１８４１２８号公報

近年、回路パターンの描画に、インクジェット法が活用されてきている。
インクジェットヘッドを用いてインクなどの液状体を液滴として吐出する技術は、インクジェット技術と呼ばれる。そして、インクジェット技術を活用して液状体などを所定の位置に配置する方法は、インクジェット法と呼ばれる。このインクジェット法は、塗布法の１つである。
回路パターンの描画では、インクジェット法に適用され得る液状体の中に、金属の粒子が分散している。インクジェット法を活用して回路を形成する方法では、まず、金属粒子を含有する液状体で回路パターンを描画する。次いで、描画された回路パターンにおける液状体を乾燥させる。これにより、回路パターンに金属粒子が残る。そして、金属粒子が残った回路パターンを焼成することによって、金属粒子同士の密着性が高められる。これにより、回路パターンに沿った導体配線が形成され得る。

このようなインクジェット法は、前述した多層配線板の製造に活用され得る。インクジェット法を活用した多層配線板の製造では、まず、複数のグリーンシートのそれぞれに、インクジェット法で回路パターンを描画する。
次いで、各グリーンシートに描画された回路パターンの液状体を乾燥させる。
次いで、複数のグリーンシートを重ねて積層体を構成する。
次いで、積層体を加圧する。
次いで、積層体を焼成する。
上記の方法によって、多層配線板が製造され得る。

ここで、インクジェット法を活用した配線の形成では、回路パターンを焼成したときに、回路パターンの体積が収縮する傾向がある。これは、焼成によって、金属粒子間の隙間が減少することが要因の１つである。そして、金属粒子の大きさが小さくなるほど、収縮の程度が大きくなる。
多層配線板においては、焼成によって回路パターンの体積が収縮すると、導体配線やセラミック基板に亀裂などが発生することがある。
つまり、従来の回路基板では、品質を向上させることが困難であるという課題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］金属粒子を含む液状体をグリーンシートに塗布することによって、前記グリーンシートに前記液状体で回路パターンを描画する描画工程と、前記描画工程の後に、前記回路パターンに光を照射する光照射工程と、前記光照射工程の後に、前記回路パターンに他の前記グリーンシートを重ねて積層体を形成する積層工程と、前記積層工程の後に、前記積層体を加圧する加圧工程と、前記加圧工程の後に、前記積層体を焼成する焼成工程と、を有する、ことを特徴とする回路基板の製造方法。

この適用例の回路基板の製造方法によれば、光照射工程において、回路パターンに光を照射するので、回路パターン中の金属粒子同士がくっつきやすくなる。回路パターン中の金属粒子同士がくっつくと、金属粒子同士間の隙間が減少する。この結果、焼成工程による回路パターンの体積の収縮を軽減することができる。このため、回路基板の品質を向上させやすくすることができる。

［適用例２］上記の回路基板の製造方法であって、前記金属粒子における金属は、銀を含んでおり、前記光は、波長が３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲内にある光を含む、ことを特徴とする回路基板の製造方法。

この適用例では、銀を含む金属で構成された金属粒子に、光の波長が３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲内にある光を照射することができる。銀は、波長が３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲内にある光によって活性化されやすい。このため、金属粒子同士間の隙間を減少させやすくすることができる。
また、波長が３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲内にある光は、グリーンシートに吸収されにくい。このため、この製造方法によれば、グリーンシートの温度上昇を低く抑えやすくすることができる。

［適用例３］上記の回路基板の製造方法であって、前記金属粒子の粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であること、を特徴とする回路基板の製造方法。

この適用例では、前記粒径の金属粒子を使用することで、液状体への安定分散が可能となる。これにより、前記描画工程において、均一な回路パターンを形成することができる。

本実施形態における回路基板の断面図。 本実施形態における回路基板の製造方法を示すフローチャート。 本実施形態における描画工程を説明する図。 本実施形態における吐出ヘッドの概略の構成を示す断面図。 本実施形態における光照射工程を説明する図。 本実施形態における積層体の断面図。

以下、実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施形態における回路基板の断面図である。回路基板１０は複数のセラミック基板１１からなる積層体である。各セラミック基板１１は、それぞれ、後述するグリーンシートの焼結体であって、厚みが数十μｍ〜数百μｍで形成されている。各セラミック基板１１の層間には、回路パターン１４が設けられている。回路パターン１４は、抵抗素子、容量素子、コイル素子等の各種の内部素子や、内部素子間を電気的に接続する配線パターンなどを含んでいる。また、各セラミック基板１１の層内には、スタックビア構造やサーマルビア構造を成すビア配線１３が形成されている。

本実施形態における回路基板１０の製造方法について説明する。図２は、回路基板１０の製造方法を示すフローチャートである。回路基板１０の製造方法は、描画工程Ｓ１と、光照射工程Ｓ２と、積層工程Ｓ３と、加圧工程Ｓ４と、焼成工程Ｓ５とを有している。

描画工程Ｓ１では、図３に示すように、金属粒子を含む液状体３５をグリーンシート３１に塗布することによって、グリーンシート３１に液状体３５で描画パターン３２を形成する。
描画パターン３２の描画には、吐出ヘッド３６を利用したインクジェット法が活用され得る。
吐出ヘッド３６から液状体３５を液滴３５ａとして吐出する技術は、インクジェット技術と呼ばれる。そして、インクジェット技術を活用して液状体３５などを所定の位置に配置する方法は、インクジェット法と呼ばれる。このインクジェット法は、塗布法の１つである。

グリーンシート３１は、ガラスセラミック粉末やバインダー等を含むガラスセラミック組成物からなるシートである。グリーンシート３１の膜厚は、内部素子として容量素子を形成する場合に数十μｍで形成され、他の層においては１００μｍ〜２００μｍで形成される。

ガラスセラミック粉末は、０．１μｍ〜５μｍの平均粒径を有する粉末であり、例えばアルミナやフォルステライト等のセラミック粉末にホウ珪酸系ガラスを混合したガラス複合セラミックを用いることができる。また、ガラスセラミック粉末としては、ＺｎＯ−ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系の結晶化ガラスを用いた結晶化ガラスセラミック、ＢａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系セラミック粉末やＡｌ₂Ｏ₃−ＣａＯ−ＳｉＯ₂−ＭｇＯ−Ｂ₂Ｏ₃系セラミック粉末等を用いた非ガラス系セラミックを用いても良い。

バインダーは、ガラスセラミック粉末の結合剤としての機能を有し、焼成工程で分解して容易に除去できる有機高分子である。バインダーとしては、例えばブチラール系、アクリル系、セルロース系等のバインダー樹脂を用いることができる。また、バインダーは、例えばアジピン酸エステル系可塑剤、ジオクチルフタレート（ＤＯＰ）、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）フタル酸エステル系可塑剤、グリコールエステル系可塑剤等の可塑剤を含有しても良い。

図３におけるビア３３は、グリーンシート３１にパンチャー法あるいはレーザー加工法により所定の形状に貫通孔を形成した後、貫通孔に導電ペーストを充填することにより形成される。導電ペーストは、導電性金属をペースト状に練り込んだものである。

描画パターン３２を形成するために用いられる金属粒子を含む液状体３５について説明する。本実施形態では、銀粒子が分散した液状体３５を用いた場合について代表的に説明する。

［水系分散媒］
まず、水系分散媒について説明する。
本実施形態において、「水系分散媒」とは、水および／または水との相溶性に優れる液体（例えば、２５℃における水１００ｇに対する溶解度が３０ｇ以上の液体）で構成されたもののことを指す。このように、水系分散媒は、水および／または水との相溶性に優れる液体で構成されたものであるが、主として水で構成されたものであるのが好ましく、特に、水の含有率が７０ｗｔ％以上のものであるのが好ましく、９０ｗｔ％以上のものであるのがより好ましい。

水系分散媒の具体例としては、例えば、水、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等のエーテル系溶媒、ピリジン、ピラジン、ピロール等の芳香族複素環化合物系溶媒、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）等のアミド系溶媒、アセトニトリル等のニトリル系溶媒、アセトアルデヒド等のアルデヒド系溶媒等が挙げられ、これらのうち、１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

また、描画パターン形成用の液状体３５における水系分散媒の含有率は、２５ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であることが好ましく、３０ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下であることがより好ましい。これにより、インクの粘度を好適なものとしつつ、分散媒の揮発による粘度の変化を少ないものとすることができる。

［銀粒子］
次に、銀粒子（金属粒子）について説明する。
銀粒子は、形成される描画パターン３２の主成分であり、描画パターン３２に導電性を付与する成分である。また、銀粒子は、液状体３５中において分散している。

銀粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であるのが好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるのがより好ましい。粒径が１ｎｍ以下となった場合、粒子同士の凝集による、経時的な粒径の変化が生じてしまう。また、粒径が２００ｎｍ以上となると粒子の沈降が生じるため、安定的なインクジェット吐出ができなくなる。なお、本明細書では、「平均粒径」とは、特に断りのない限り、体積基準の平均粒径のことを指すものとする。

［有機バインダー］
また、金属粒子を含む液状体３５は、有機バインダーを含んでいてもよい。有機バインダーは、導体パターン形成用インクによって形成された描画パターン３２を乾燥（脱分散媒）した際に、描画パターン３２にクラックが発生するのを防止する。

有機バインダーとしては、特には限定されないが、例えば、ポリエチレングリコール＃２００（重量平均分子量２００）、ポリエチレングリコール＃３００（重量平均分子量３００）、ポリエチレングリコール＃４００（重量平均分子量４００）、ポリエチレングリコール＃６００（重量平均分子量６００）、ポリエチレングリコール＃１０００（重量平均分子量１０００）、ポリエチレングリコール＃１５００（重量平均分子量１５００）、ポリエチレングリコール＃１５４０（重量平均分子量１５４０）、ポリエチレングリコール＃２０００（重量平均分子量２０００）等のポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール＃２００（重量平均分子量：２００）、ポリビニルアルコール＃３００（重量平均分子量：３００）、ポリビニルアルコール＃４００（重量平均分子量：４００）、ポリビニルアルコール＃６００（重量平均分子量：６００）、ポリビニルアルコール＃１０００（重量平均分子量：１０００）、ポリビニルアルコール＃１５００（重量平均分子量：１５００）、ポリビニルアルコール＃１５４０（重量平均分子量：１５４０）、ポリビニルアルコール＃２０００（重量平均分子量：２０００）等のポリビニルアルコール、ポリグリセリン、ポリグリセリンエステル等のポリグリセリン骨格を有するポリグリセリン化合物が挙げられ、これらのうち１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。また、ポリグリセリンエステルとしては、例えば、ポリグリセリンのモノステアレート、トリステアレート、テトラステアレート、モノオレエート、ペンタオレエート、モノラウレート、モノカプリレート、ポリシノレート、セスキステアレート、デカオレエート、セスキオレエート等が挙げられる。

また、金属粒子を含む液状体３５中の有機バインダーの含有率は、１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であるのが好ましく、５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であるのがより好ましい。これにより、クラックの発生をより効果的に防止することができる。

次に図４を用いて、吐出ヘッド３６について説明する。本実施形態では、吐出ヘッド３６は、圧電体素子としてのピエゾ素子４１を用いて液状体３５を吐出させるピエゾ方式を用いている。ピエゾ方式は、液状体３５に熱を加えないため、材料の組成に影響を与えないなどの利点を有する。

吐出ヘッド３６は、ヘッド本体４２と、振動板４３と、ピエゾ素子４１とを有している。
ヘッド本体４２は、ヘッド本体４２と、その下端面にノズルプレート４４とを有している。そして、ヘッド本体４２を板状のノズルプレート４４と振動板４３とが挟み込むことにより、空間としてのリザーバー４５およびリザーバー４５から分岐した複数のインク室４６が形成されている。
リザーバー４５には、インクタンク（図示せず）より液状体３５が供給される。そして、リザーバー４５は、各インク室４６に液状体３５を供給するための流路を形成している。
また、ノズルプレート４４は、ヘッド本体４２の下端面に装着されており、インク吐出面４４Ｐを構成している。このノズルプレート４４には、液状体３５を吐出する複数のノズル４７が、各インク室４６に対応して形成されている。そして、各インク室４６から対応するノズル４７に向かって、インク流路が形成されている。
振動板４３は、ヘッド本体４２の上端面に装着されており、各インク室４６の壁面を構成している。振動板４３は、ピエゾ素子４１の振動に応じて振動可能となっている。
ピエゾ素子４１は、その振動板４３のヘッド本体４２と反対側に、各インク室４６に対応して設けられている。ピエゾ素子４１は、水晶等の圧電材料を一対の電極（図示せず）で挟持したものである。その一対の電極は、駆動回路４８に接続されている。

そして、駆動回路４８からピエゾ素子４１に電気信号を入力すると、ピエゾ素子４１が膨張変形または収縮変形する。ピエゾ素子４１が収縮変形すると、インク室４６の圧力が低下して、リザーバー４５からインク室４６に液状体３５が流入する。また、ピエゾ素子４１が膨張変形すると、インク室４６の圧力が増加して、ノズル４７から液状体３５が吐出される。なお、印加電圧を変化させることにより、ピエゾ素子４１の変形量を制御することができる。また、印加電圧の周波数を変化させることにより、ピエゾ素子４１の変形速度を制御することができる。すなわち、ピエゾ素子４１への印加電圧を制御することにより、液状体３５の吐出条件を制御し得るようになっている。
以上のような吐出ヘッド３６を用いることにより、液状体３５を、グリーンシート３１へ所望の量、精度良く吐出することができる。

描画パターン３２が形成されたグリーンシート３１は、分散媒を乾燥させた後に光照射工程Ｓ２に送られる。図５に示すように、光照射工程Ｓ２では、描画パターン３２に光５１を照射する。これにより、描画パターン３２における銀粒子を粒成長させる。これにより、銀粒子同士間の隙間を低減することができる。この結果、描画パターン３２の体積に占める銀粒子の体積を高めることができる。

本実施形態のように金属粒子の粒子径が微粒子化されると、特定の波長の光と共振して非常に大きな吸収を示すようになる。この吸収はプラズモン吸収と呼ばれるものである。使用する光波長は金属粒子材料のプラズモン吸収に対応するように選ぶことが好ましく、銀粒子であれば波長が３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲にある光を含むことが好ましい。これにより、金属粒子へ効率よく光吸収させ、粒成長させることができる。

積層工程Ｓ３では、このように加工されたグリーンシート３１を所定枚数、所定の順序に従い積み重ねる。
次いで、加圧工程Ｓ４において、積み重ねられた複数のグリーンシート３１を真空パック用袋（例えば、ナイロン袋）に入れて真空パックし、静水圧加圧装置を用いて、加圧することで図６に示す積層体６０を形成する。加圧条件としては７００ｋｇｆ／ｃｍ²とすることが望ましい。７００ｋｇｆ／ｃｍ²を超えると積層体６０の変形が発生したり、電極パターンなどの寸法精度が得られにくくなるという問題があるためである。

光照射工程Ｓ２で各描画パターン３２における金属粒子を粒成長させているので、本加圧条件において、金属粒子の充填率をセラミック粒子と同程度まで上げることが可能となる。これにより、後述する焼成工程Ｓ５における収縮量が金属粒子とセラミック粒子とで近似するようになり、配線や基板内の亀裂が抑制される。尚、「充填率」とは、特に断りのない限り、一定体積に占める粒子の割合を指すものとする。つまり、本実施形態では、光照射工程Ｓ２によって、金属粒子同士間の隙間を低減することができるので、描画パターン３２における金属粒子の充填率が高められる。

次いで、焼成工程Ｓ５において、積層体６０を焼成する。焼成工程Ｓ５では、例えば、ベルト炉などによって積層体６０を焼成する。グリーンシート３１は、焼成されることで、セラミック基板１１となる。また、描画パターン３２は、これを構成する銀粒子が焼結して回路パターン１４となる。また、ビア３３は、ビア配線１３となる。つまり、積層体６０が焼成されることで、この積層体６０は回路基板１０となる。

ここで、積層体６０の焼成温度としては、グリーンシート３１中に含まれるガラスの軟化点以上とするのが好ましく、具体的には、６００℃以上９００℃以下とするのが好ましい。また、焼成条件としては、適宜な速度で温度を上昇させ、かつ下降させるようにし、さらに、最大加熱温度、すなわち６００℃以上９００℃以下の温度では、その温度に応じて適宜な時間保持するようにする。

このようにガラスの軟化点以上の温度、すなわち６００℃以上９００℃以下の温度範囲にまで温度を上げることにより、得られるセラミック基板１１のガラス成分を軟化させることができる。したがって、その後常温にまで冷却し、ガラス成分を硬化させることにより、回路基板１０を構成する各セラミック基板１１と回路パターン１４との間がより強固に固着するようになる。

このように製造された回路基板１０では、回路パターン１４やセラミック基板１１などに亀裂が発生することを低く抑えることができる。この結果、回路基板１０の品質や信頼性を向上させやすくすることができる。

１０…回路基板、１１…セラミック基板、１３…ビア配線、１４…回路パターン、３１…グリーンシート、３２…描画パターン、３３…ビア、３５…液状体、３５ａ…液滴、６０…積層体。

Claims (3)

1. 金属粒子を含む液状体をグリーンシートに塗布することによって、前記グリーンシートに前記液状体で回路パターンを描画する描画工程と、
   前記描画工程の後に、前記回路パターンに光を照射する光照射工程と、
   前記光照射工程の後に、前記回路パターンに他の前記グリーンシートを重ねて積層体を形成する積層工程と、
   前記積層工程の後に、前記積層体を加圧する加圧工程と、
   前記加圧工程の後に、前記積層体を焼成する焼成工程と、を有する、
   ことを特徴とする回路基板の製造方法。
2. 請求項１に記載の回路基板の製造方法であって、
   前記金属粒子における金属は、銀を含んでおり、
   前記光は、波長が３５０ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲内にある光を含む、
   ことを特徴とする回路基板の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の回路基板の製造方法であって、
   前記金属粒子の粒径が１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、
   ことを特徴とする回路基板の製造方法。

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