JP2012227321A

JP2012227321A - 回路基板の製造方法

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Publication number: JP2012227321A
Application number: JP2011092831A
Authority: JP
Inventors: Yoko Motomura; 瑤子本村
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】基板上に導体パターンを形成するにあたって、基板に溝を形成した後、この溝内に目的の量の導電性粒子を含む流動体を確実に注入する。
【解決手段】溝１２内に空間１２ｓが残るよう、導電性粒子を含む第一流動体Ｐ１を溝内に塗布した後、導電性粒子を含む第二流動体Ｐ２を溝１２の空間１２ｓに塗布する。第一流動体Ｐ１は、溝１２の内面１２，１３に対して浸漬濡れする流動体であり、第二流動体Ｐ２は、溝１２の内面１２，１３に対して拡張濡れする流動体である。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板の表面に回路パターン等の導体パターンが形成されている回路基板の製造方法に関する。

基板の表面に回路パターン等の導体パターンが形成されている回路基板は、例えば、以下の特許文献１に記載されている方法で製造される。

この製造方法では、まず、非導電性の基板上で回路パターンを形成する位置に溝を形成する。そして、金属粒子分散インク等、導電性粒子を含む流動体をこの溝内に注入して、回路パターンを形成している。

特開２００４−３５６２５５号公報

上記特許文献１に記載の方法で、線幅の狭い導体パターンを形成する場合、溝の開口幅が狭くなるため、この溝内へ流動体の注入量は、この流動体の表面張力の影響を強く受ける。例えば、図７に示すように、溝１２内の流動体Ｐの露出面Ｓ（基板に触れていない面）の形状が表面張力によって溝底側から溝開口側に向って凸状になる場合、溝１２の開口幅が狭くなるほどに、溝１２内で流動体Ｐが充填されない空間１２ｓの割合が大きくなる。

このため、上記特許文献１に記載の方法で、線幅の狭い導体パターンを形成する場合、溝内に目的の量の流動体を注入することが難しく、結果として、導体パターンの厚みを目的の厚さにできず、導体パターンの抵抗値を目的の範囲内に収めることが極めて困難である、という問題点がある。

そこで、本発明は、導体パターンの抵抗値を目的の範囲内に確実に収めることができる回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するための発明に係る回路基板の製造方法は、
基板上で導体パターンを形成する位置に、内面が非導電性の溝を形成する溝形成工程と、前記溝内に空間が残るよう、導電性粒子を含む第一流動体を該溝内に塗布する第一塗布工程と、前記第一流動体が塗布された前記溝内の前記空間に、導電性粒子を含む第二流動体を塗布する第二塗布工程と、前記溝内の前記第一流動体及び前記第二流動体中を固化して、前記導体パターンを形成する固化工程と、を有し、
前記第一流動体は、前記溝の前記内面に対して浸漬濡れする流動体であり、前記第二流動体は、該溝の該内面に対して拡張濡れする流動体であることを特徴とする。

当該製造方法では、基板の溝内に、浸漬濡れ性を有する第一流動体を塗布してから、溝内で第一流動体で満たされていない空間に拡張濡れ性を有する第二流動体を塗布するので、溝内をその隅々まで流動体で満たすことができる。このため、当該製造方法では、導体パターンを目的の厚さにでき、導体パターンの抵抗値を目的の範囲内に確実に収めることができる。

ここで、前記回路基板の製造方法において、前記第一流動体における前記導電性粒子の含有率は、前記第二流動体における前記導電性粒子の含有率よりも高いことが好ましい。

当該製造方法では、固化工程で、溝内の流動体中から除く液体等の成分量の割合を少なくすることができ、溝内への塗布物の固化工程における目減り量を少なくすることができる。このため、当該製造方法では、比較的容易に、導体パターンの厚さを厚くすることができ、溝の深さが比較的浅くても、抵抗値が目的の範囲内に収まる導体パターンを形成することができる。

また、以上の回路基板の製造方法において、前記第一流動体の粘度は、前記第二流動体の粘度より高くてもよい。

また、以上の回路基板の製造方法において、前記第一塗布工程では、内部に流動体を溜めるシリンジを有し、該シリンジから流動体を吐出するディスペンサを用いて、前記溝内に前記第一流動体を塗布し、前記第二塗布工程では、流動体を微滴化して吐出するインクジェット装置を用いて、前記溝内に前記第二流動体を塗布してもよい。

第一流動体中の導電性粒子の含有率を高くすると、この第一流動体の粘度も高まる。このように、第一流動体の導電性粒子の含有率及び粘度が比較的高い場合には、この第一流動体の塗布にディスペンサを用いることで、正確な量の第一流動体を効率的に溝内に塗布することができる。また、第二流動体中の導電性粒子の含有率を低くすると、この第二流動体の粘度は低くなる。このように、第二流動体の導電性粒子の含有率及び粘度が比較的低く、溝内への塗布量が少ない場合には、この第二流動体の塗布にインクジェット装置を用いることで、正確な量の第二流動体を効率的に溝内に塗布することができる。

本発明によれば、導体パターンを目的の厚さにでき、導体パターンの抵抗値を目的の範囲内に確実に収めることができる。

本発明に係る実施形態における回路基板の製造手順を示すフローチャートである。図６におけるＡ−Ａ線断面での変化形態を示す説明図で、同図（ａ）は加工前の基板を示し、同図（ｂ）は溝形成工程後の基板を示し、同図（ｃ）は第一塗布工程中の状態を示し、同図（ｄ）は第一塗布工程の終了直後の状態を示す。図６におけるＡ−Ａ線断面での変化形態を示す説明図で、同図（ａ）は第二塗布工程中の状態を示し、同図（ｂ）は第二塗布工程の終了直後の状態を示し、同図（ｃ）は固化工程中の状態を示す。本発明に係る実施形態における溝への第一流動体の塗布量を説明するための説明図である。本発明に係る実施形態における第一塗布工程及び第二塗布工程で用いる流動体塗布装置を示す説明図である。回路基板の斜視図である。従来技術で、溝内に流動体を塗布した状態を示す説明図である。

以下、本発明に係る回路基板の製造方法の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

まず、本実施形態で製造する回路基板について、図６を参照して説明する。

本実施形態で製造する回路基板１０は、基板１１と、この基板１１の一方の面側に導電性材料で形成されている回路パターン１５とを有している。この回路パターン１５は、例えば、基板１１上に搭載されている図示されていない電子部品間の電気的な接続の役目を担う。

次に、以上で説明した回路基板１０の製造方法について、図１に示すフローチャートに従って説明する。

まず、図２（ａ）及び同図（ｂ）に示すように、基板１１上で回路パターン１５を形成する位置に溝１２を形成する（溝形成工程（Ｓ１））。なお、図２及び図３は、いずれも、図６中のＡ−Ａ線断面における各工程での状態を示している。

基板１１は、非導電性であって、後述の固化工程（Ｓ４）で基板１１に加える熱負荷に耐える材料であれば如何なる材料で形成されてもよく、例えば、樹脂、セラミックス、さらにこれらの複合材料等で形成されてもよい。また、基板１１は、導電性の基材に溝１２を形成した後、この基材の外面、さらに溝１２の内面１３，１４を非導電性の樹脂等でコーティングしたものであってもよい。溝１２は、各種方法で形成することが可能で、例えば、レーザ照射加工法、切削加工法、基板１１成形時に同時に形成する方法等がある。

ここでは、基板１１として、ポリカーボネート製の平板を用いる。また、ここでは、溝１２に対応した凸部が形成されている基板成形金型を用いて、基板１１の成形と同時に溝１２を成形する。なお、溝１２の開口幅Ｗは、例えば、１００μｍで、溝１２の深さＤは、例えば、５０μｍである。

次に、図２（ｃ）及び同図（ｄ）に示すように、流動体塗布装置２０を用いて、導電性粒子を含む第一流動体Ｐ１を基板１１の溝１２内に塗布する（第一塗布工程（Ｓ２））。

第一流動体Ｐ１は、有機溶剤などの溶媒中に導電性粒子を分散させた導電性ペースト又は導電性インクである。この第一流動体Ｐ１は、溝１２内に塗布された際、その上面が上方に向かって凸状になる流動体、つまり溝１２の内面１３，１４に対して浸漬濡れ性を有する流動体である。

ここで、浸漬濡れについて簡単に説明する。溝１２の内面１３，１４と流動体との接触点では、以下の（式１）に示される力関係が成立する。
γ_Ｓ＝γ_ＳＬ＋γ_Ｌｃｏｓθ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式１）
γ_Ｓ：溝の内面の表面張力
γ_ＳＬ：固−液（溝の内面−流動体）境界張力
γ_Ｌ：流動体の表面張力
θ：接触角

浸漬濡れとは、（式１）において、０＜θ≦９０°となる濡れである。
なお、拡張濡れとは、（式１）において、θ＝０°となる濡れであり、流動体が溝１２の内面１３，１４に対してどこまでも広がる濡れである。
また、付着濡れとは、（式１）において、９０°＜θ≦１８０°となる濡れである。

第一流動体Ｐ１に含まれる導電性粒子としては、例えば、銀、金、銅、ニッケル、アルミニウム、ハンダ等の合金の金属粉がある。第一流動体Ｐ１は、上記導電性粒子の他、導電線粒子を分散させるための溶媒となる有機溶剤、樹脂、界面活性剤や、硬化剤・分散剤のような添加剤を含んでいる。有機溶剤としては、例えば、各種アルコールや各種エーテルを用いる。樹脂としては、例えば、アクリル樹脂等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いる。

溝１２の内面１３，１４に対する濡れ性の調整や粘度調整は、第一流動体Ｐ１に含まれる有機溶剤、樹脂、添加剤により行われる。ここでは、第一流動体Ｐ１は、導電性粒子としてナノサイズの銀粒子を用い、溶媒として酢酸ブチルカルビトールを用いた導電性ペーストである。この第一流動体Ｐ１の粘度は１０Ｐａ・ｓで、導電性粒子（銀粒子）の含有率はおよそ９０ｗｔ％である。

第一流動体Ｐ１を基板１１の溝１２内に塗布する流動体塗布装置２０としては、例えば、インクジェット装置、ディスペンサ等を用いるとよい。但し、第一流動体Ｐ１は、ここでは、導電性粒子の含有率及び粘度が比較的高いため、インクジェット装置を用いるよりもディスペンサを用いる方が好ましい。このため、ここでは、流動体塗布装置２０として、エアーディスペンサを用いる。

このエアーディスペンサは、図５に示すように、内部に第一流動体Ｐ１が入れられるシリンジ２１と、このシリンジ２１の開口を塞ぐ蓋２５と、シリンジ２１内を移動するピストン２９と、シリンジ２１内に圧縮エアーを送り込むエアー供給装置（不図示）と、を備えている。シリンジ２１には、一方の端部に前述したような開口が形成され、他方の端部にノズル２２が形成されている。シリンジ２１内は、ピストン２９により二室に仕切られた構造となっており、ピストン２９を基準にしてノズル２２側が流動体室２３を成し、ピストン２９を基準にして蓋２５側が気体室２４を成す。エアー供給装置からの圧縮エアーは、蓋２５の貫通孔２６を介して、この気体室２４に送り込まれて、ピストン２９を移動させる。

なお、ここでは、最も簡易なエアーディスペンサを例示している。

溝１２が形成された基板１１は、図５に示すように、ＸＹステージ４０上に置かれる。そして、このＸＹステージ４０が駆動され、基板１１の溝１２の直上にシリンジ２１のノズル２２が位置するように、シリンジ２１に対して基板１１が移動する。さらに図示しないＺステージによりノズル２２の先端から塗布される第一流動体Ｐ１が溝底面１４に接触するように、シリンジ２１と基板１１との距離が制御される。続いて、エアー供給装置からシリンジ２１の気体室２４に圧縮気体が送り込まれ、シリンジ２１内のピストン２９が移動する。このピストン２９の移動により、シリンジ２１の流動体室２３に充填されていた第一流動体Ｐ１がノズル２２から吐出される。第一流動体Ｐ１がノズル２２から吐出されると同時にＸＹステージ４０が駆動され、基板１１がノズル２２に対して相対移動し、溝１２内に第一流動体Ｐ１が塗布される。

溝１２内に塗布される第一流動体Ｐ１の量は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、溝１２内に塗布された第一流動体Ｐ１の露出面（基板１１に触れていない面）Ｓと基板１１との境界Ｂが溝１２の内面１３，１４中にとどまる量である。具体的に、第一流動体Ｐ１の量は、図４（ａ）及び同図（ｂ）に示すように、境界Ｂが溝１２の内面１３，１４を形成する側周面１３と底面１４とのうち、側周面１３中にとどまる量か、同図（ｃ）に示すように、境界Ｂが溝１２の底面１４中にとどまる量であればよい。なお、同図（ｂ）に示すように、第一流動体Ｐ１の量は、境界Ｂが溝１２の側周面１３中にとどまる量であれば、溝１２内の第一流動体Ｐ１の最頂部ｔが溝１２の開口縁１２ａよりも上方に位置してもよい。

一方、図４（ｄ）に示すように、境界Ｂが溝１２の内面１３，１４中に留まらず、基板１１の表面１１ａに及ぶ場合には、この第一流動体Ｐ１を例えば吸引等の方法で一部除去し、境界Ｂが溝１２の内面１３，１４中にとどまるようにする必要がある。

第一塗布工程（Ｓ２）が終了すると、図３（ａ）及び同図（ｂ）に示すように、流動体塗布装置３０を用いて、溝１２内の空間１２ｓ内に導電性粒子を含む第二流動体Ｐ２を塗布する（第二塗布工程（Ｓ３））。

第二流動体Ｐ２も、第一流動体Ｐ１と同様、有機溶剤などの溶媒中に導電性粒子を分散させた導電性インクである。但し、この第二流動体Ｐ２は、溝１２内に塗布された際、溝１２の内面１３，１４を伝って濡れ広がる流動体、つまり溝１２の内面１３，１４に対して拡張濡れ性を有する流動体である。なお、拡張濡れとは、前述したように、（式１）において、θ＝０°となる濡れである。

この第二流動体Ｐ２は、第一流動体Ｐ１と同様、導電性粒子の他、有機溶剤、樹脂、添加剤を含んでいる。但し、第二流動体Ｐ２は樹脂を含んでいなくてもよい。ここでは、第二流動体Ｐ２は、導電性粒子としてナノサイズの銀粒子を用い、有機溶剤として２−プロパノールを用いた導電性インクである。この第二流動体Ｐ２の粘度は１５ｍＰａ・ｓで、導電性粒子（銀粒子）の含有率はおよそ６０ｗｔ％である。

第二流動体Ｐ２を基板１１の溝１２内に塗布する流動体塗布装置３０としては、例えば、インクジェット装置、ディスペンサ等を用いるとよい。但し、第二流動体Ｐ２は、ここでは、導電性粒子の含有率及び粘度が第一流動体Ｐ１と比較してかなり低く、溝１２内への塗布量も少ないため、ディスペンサを用いるよりも、インクジェット装置を用いるが好ましい。このため、ここでは、流動体塗布装置３０として、インクジェット装置を用いる。

このインクジェット装置は、図５に示すように、内部に第二流動体Ｐ２が入れられるタンク３１と、タンク３１からの第二流動体Ｐ２を微滴化して吐出するピエゾヘッド３２とを有している。ピエゾヘッド３２は、内部に第二流動体Ｐ２が通る流路３４が形成されているヘッド体３３と、電圧の印加により変形するピエゾ素子３５と、このピエゾ素子３５を駆動させる駆動回路３６とを有している。ヘッド体３３内の第二流動体Ｐ２は、ピエゾ素子３５の変形により、微滴化されて、ヘッド体３３のノズル３３ａから吐出される。

なお、ここでは、インクジェット装置として、ピエゾ式の装置を例示しているが、サーマル式の装置など他の方式を採用したインクジェット装置を用いてもよい。

溝１２に第一流動体Ｐ１が塗布された基板１１は、図５に示すように、引き続き、ＸＹステージ４０上に置かれている。そして、このＸＹステージ４０が駆動され、基板１１の溝１２の直上にインクジェット装置のノズル３３ａが位置するように、インクジェット装置のヘッド３２に対して基板１１が移動する。さらに図示しないＺステージによりノズル３３ａから吐出される第二流動体Ｐ２が溝１２内に確実に着弾するように、ヘッド３３ａと基板１１との距離が制御される。続いて、インクジェット装置のヘッド３３ａから、微滴化された第二流動体Ｐ２が、基板１１の溝１２内に吐出される。第二流動体Ｐ２がノズル３３ａから吐出されると同時にＸＹステージ４０が駆動され、基板１１がノズル２２に対して相対移動し、溝１２内に第二流動体Ｐ２が塗布される。

流動体塗布装置３０から基板１１の溝１２内へ塗布された第二流動体Ｐ２は、図３（ａ）及び同図（ｂ）に示すように、溝１２内であって、第一流動体Ｐ１で満たされていない空間１２ｓに流れ込む。第二流動体Ｐ２は、前述したように、拡張濡れ性を有する流動体であるため、空間１２ｓの隅々まで行き渡る。この結果、溝１２内は、第一流動体Ｐ１と第二流動体Ｐ２でほぼ満たされる。なお、第二流動体Ｐ２の塗布量は、この第二流動体Ｐ２が溝１２から溢れ出ない量である。

第二塗布工程（Ｓ３）が終了すると、図３（ｃ）に示すように、加熱装置５０を用いて、溝１２内の第一流動体Ｐ１及び第二流動体Ｐ２を加熱し、各流動体Ｐ１，Ｐ２中の溶媒等の成分を蒸発・分解させて、各流動体Ｐ１，Ｐ２内の導電性粒子を溝１２に固定し、回路パターン１５を形成する（固化工程（Ｓ４））。

溝１２内の各流動体Ｐ１，Ｐ２が加熱され、各流動体Ｐ１，Ｐ２中の溶媒等が蒸発すると、各流動体Ｐ１，Ｐ２中の固体成分である多数の導電性粒子同士が接触又は結合して、固化すると共に溝１２の内面１３，１４に固定される。

加熱装置５０としては、例えば、各流動体Ｐ１，Ｐ２と共に基板１１全体を加熱する装置、溝１２内の各流動体Ｐ１，Ｐ２のみに光照射又は電圧印加し加熱する装置等がある。ここでは、各流動体Ｐ１，Ｐ２と共に基板１１全体を加熱する装置としてオーブンを用いる。このオーブンでの加熱時間は３０分間で、各流動体Ｐ１，Ｐ２と共に基板１１を１４０℃で加熱する。この加熱により、各流動体Ｐ１，Ｐ２中の溶媒は蒸発し、銀粒子を被覆する有機膜等の分散剤は分解する。この結果、各流動体Ｐ１，Ｐ２中の多数の銀粒子同士は凝集し、金属結合して固化すると共に、樹脂成分の固化により溝１２の内面１３，１４に固定され、導電性材料としての銀による回路パターン１５が形成される。

この固化工程（Ｓ４）が終了すると、必要に応じて、回路パターン１５に対して電子部品の実装等を行うことで、回路基板１０が完成する。

以上、本実施形態では、基板１１の溝１２内に、浸漬濡れ性を有する第一流動体Ｐ１を塗布してから、溝１２内で第一流動体Ｐ１で満たされていない空間１２ｓに拡張濡れ性を有する第二流動体Ｐ２を塗布するので、溝１２内はほぼ流動体Ｐ１，Ｐ２で満たされる。この結果、回路パターン１５の厚みを目的の厚さにでき、回路パターン１５の抵抗値を目的の範囲内に確実に収めることができる。

さらに、本実施形態では、第一流動体Ｐ１中の導電性粒子の含有率を高くし、この第一流動体Ｐ１を第二流動体Ｐ２よりも多く溝１２内に塗布しているので、固化工程（Ｓ４）で、溝１２内の流動体Ｐ１，Ｐ２中から除かれる液体等の成分の量を少なくすることができ、溝１２内への塗布物の固化工程（Ｓ４）における目減り量を少なくすることができる。このため、本実施形態では、比較的容易に、回路パターン１５の厚さを厚くすることができ、溝１２の深さが比較的浅くても、抵抗値が目的の範囲内に収まる回路パターン１５を形成することができる。

なお、以上の実施形態は、導体パターンが回路パターン１５の例であるが、導体パターンは、導電性材料で形成されたパターンであれば如何なるパターンでもよく、例えば、磁気シールドするための磁気シールドパターンであってもよい。

また、以上の実施形態では、平板状の基板１１に対して回路パターン１５を形成したが、立体的な基板に対して回路パターン等を形成する場合にも、本発明を適用してもよい。この場合、立体的な基板や、この基板に形成した立体的な溝の形状に追従可能なステージ、具体的には、基板の載置面が少なくとも互いに垂直な３方向に移動可能な装置を用いればよい。

１０…回路基板、１１…基板、１２…溝、１５…回路パターン、２０…流動体塗布装置（エアーディスペンサ）、３０…流動体塗布装置（インクジェット装置）、４０…ＸＹステージ、５０…加熱装置、Ｐ１…第一流動体、Ｐ２…第二流動体

Claims

基板上で導体パターンを形成する位置に、内面が非導電性の溝を形成する溝形成工程と、
前記溝内に空間が残るよう、導電性粒子を含む第一流動体を該溝内に塗布する第一塗布工程と、
前記第一流動体が塗布された前記溝内の前記空間に、導電性粒子を含む第二流動体を塗布する第二塗布工程と、
前記溝内の前記第一流動体及び前記第二流動体中を固化して、前記導体パターンを形成する固化工程と、
を有し、
前記第一流動体は、前記溝の前記内面に対して浸漬濡れする流動体であり、前記第二流動体は、該溝の該内面に対して拡張濡れする流動体である、
ことを特徴とする回路基板の製造方法。
前記第一流動体における前記導電性粒子の含有率は、前記第二流動体における前記導電性粒子の含有率よりも高い、
ことを特徴とする請求項１に記載の回路基板の製造方法。
前記第一流動体の粘度は、前記第二流動体の粘度より高い、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回路基板の製造方法。
前記第一塗布工程では、内部に流動体を溜めるシリンジを有し、該シリンジから流動体を吐出するディスペンサを用いて、前記溝内に前記第一流動体を塗布し、
前記第二塗布工程では、流動体を微滴化して吐出するインクジェット装置を用いて、前記溝内に前記第二流動体を塗布する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の回路基板の製造方法。