JP2013526081A - 導電性パターンを伴う微細構造表面の製作方法 - Google Patents

Abstract

方法は、第一パターンを第一平面上に形成し、前記パターンの反転を第二平面上に形成することを含む。方法はさらに、エンボス加工機を製作するために第二平面をローラーに取り付けること、及び、エンボス加工機と基板との間に圧力を加えることで基板に第二パターンを形成することを含む。基板は放射線硬化性樹脂材料でコーティングされる。方法はまた、触媒を含むインクを基板に転移させ、第二パターンを伴う基板を無電解めっき槽内でめっきすることを含む。代替として、第一パターンはドラム／ローラーに取り付けられるスリーブ上に形成され得る。

Description

本開示は電気回路を製造する方法に関する。特に、当該方法は電子的な用途で使用するために種々の金属で無電解めっきされる放射線硬化性樹脂の使用を含む。

プリント回路板、つまりＰＣＢは、非導電性基板上にラミネート加工された銅板からエッチングされた電子部品の配線経路、トラック、又はトレースを、機械的に支持し、電気的に接続するために使用される。ＰＣＢはまた、プリント配線板（ＰＷＢ）またはエッチングされた配線板と称される。電子部品が搭載されるＰＣＢはプリント回路実装品（ＰＣＡ）であり、またプリント回路板実装品（ＰＣＢＡ）としても知られている。

ＰＣＢを構成し得る材料は、一般的に銅箔から作られる導電膜である。絶縁膜または誘電材料は一般的にエポキシ樹脂プリプレグとともにラミネート加工される。基板は一般的にソルダレジストでコーティングされる。回路の要求に応じて異なる絶縁値をもたらすことができる、多数の異なる誘電材料が入手可能である。このような誘電材料は、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））、ＦＲ−４、ＦＲ−１、ＣＥＭ−１又はＣＥＭ−３を含む。ＰＣＢ産業で使用されるプリプレグ材料は、ＦＲ−２（フェノール性コットン紙）、ＦＲ−３（コットン紙とエポキシ樹脂）、ＦＲ−４（ガラス織布とエポキシ樹脂）、ＦＲ−５（ガラス織布とエポキシ樹脂）、ＦＲ−６（ガラスマットとポリエステル樹脂）、Ｇ−１０（ガラス織布とエポキシ樹脂）、ＣＥＭ−１（ガラス織布とエポキシ樹脂）、ＣＥＭ−２（ガラス織布とエポキシ樹脂）、ＣＥＭ−３（ガラス織布とエポキシ樹脂）、ＣＥＭ−４（ガラス織布とエポキシ樹脂）、及び、ＣＥＭ−５（ガラス織布とポリエステル樹脂）を含む。熱膨張は特にＢＧＡ及びむき出し金型（ｎａｋｅｄ ｄｉｅ）技術における設計考慮点であり、ガラス繊維は寸法上の安定度を与える。

多くのプリント回路板は、銅の層を基板全体にわたって、時には両面に結合させることで作られ、（“無地のＰＣＢ”を生成する）一時的なマスクを適用した後に不要な銅を（例えばエッチングによって）取り除き、必要な銅配線のみを残す。いくつかのＰＣＢは、通常は複数の電気めっき段階を複合した工程によって、配線を素地基板（あるいは非常に薄い銅の層を伴う基板）に加えることで作られる。

プリント回路板の製造に使用される一般的な”サブトラクティブ”方法（銅を除去する方法）が３つある。シルクスクリーン印刷は、銅箔を保護するために耐エッチング性インクを使用する。写真製版は、基板から銅箔を除去するためにフォトマスクと化学的エッチングを使用する。フォトマスクは通常、技術者がＣＡＭ、すなわちコンピュータ支援製造ソフトウェアを使用して作成するデータからのフォトプロッタを用いて準備される。レーザプリントされた透明フィルムは一般的にフォトツールに使用されるが、ただし、高解像度が要求される場合はフォトツールの代替としてレーザダイレクトイメージング技術が使用される。最後に、ＰＣＢ板フライス加工は、銅箔を基板から物理的に除去するために、２または３軸の機械的なフライス加工システムを使用する。ＰＣＢフライス盤（‘ＰＣＢ プロトタイパ（Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｒ）’と称される）は、ｘ、ｙ、及び（もし関連性があれば）ｚ軸におけるフライスヘッドの位置を制御するホストソフトウェアからのコマンドを受信し、プロッタと同様の動作を示す。プロトタイパを操作するためのデータは、ＰＣＢ設計ソフトウェアで作成され、ＨＰＧＬまたはガーバファイル形式で保存されたファイルから抽出される。

“アディティブ”工程もまた存在する。最も一般的なのは、“セミアディティブ”工程である。この工程において、パターンが付いていない基板は、その上にすでに銅の層を有する。次に反転マスクが適用される。（サブトラクティブ工程のマスクとは違い、このマスクは最終的に配線になる基板の部分を露出させる。）そして、付加的な銅が基板のマスクされていない範囲にめっきされ、銅は求められる重量までめっきされる。そして、すず鉛または他の表面めっきが施される。マスクをはがし、ここで露出される最初の銅の膜を短時間のエッチング工程によって基板から除去し、個々の配線を分離させる。アディティブ工程は基板における（導電性ビアを製造するための）孔を通ってめっきを促進させるので、一般的に多層基板に使用される。

しかし、上述の製作方法全てに共通する問題は、基板又はめっきされた基板の表面にすでにラミネートされた銅箔を使用しており、ＰＣＢ基板を完成させるのに多数の工程段階を要することである。このような工程は、作業と材料の両方において負担が大きく、概して多量の銅を無駄にする。

本発明の種々の実施形態は、第一平面に第一パターンを形成し、第二平面に前記パターンの反転を形成することを含む方法を対象にする。当該方法はさらに、エンボス加工具を製作するために第二平面をローラーに取り付けること、及び、エンボス加工機と基板との間に圧力を加え、基板に第二パターンを形成することを含む。基板は、放射線硬化性樹脂材料でコーティングされる。方法はまた、触媒を含有するインクを基板に転移すること、及び、第二パターンを伴う基板を無電解めっき槽内でめっきすることも含む。

他の実施形態は、第一平面に第一パターンを形成し、第二平面に前記パターンの反転を形成することを含む方法を対象にする。このような方法はさらに、エンボス加工具を製作するために第二平面をローラーに取り付けること、及び、エンボス加工具と基板との間に圧力を加え、基板に第二パターンを形成することを含む。基板は、放射線硬化性樹脂材料でコーティングされる。方法は、第二パターンを伴う基板を無電解めっき槽内でめっきすることも含む。このような方法において、樹脂はめっき工程に適切な有機金属材料を含んでいる場合と含んでいない場合がある。樹脂に有機金属材料が含まれていない実施形態では、触媒ベースのインクが基板に転移され、めっき工程のためのシード層として作用する。

本発明の様々な特徴、側面、及び利点は、図全体を通して同様の文言は同様の部分を示す添付の図を参照しながら後述の詳細な説明を読むことでより深く理解されるであろう。

本発明の第一実施形態に基づく方法を示す図である。 基板上の微細にエンボス加工された導電性配線の断面図である。 本発明の第二実施形態に基づく方法を示す図である。 本発明の第三実施形態に基づく方法を示す図である。

図１は種々の実施形態に基づく方法１００を示す。当該方法又は本明細書に記載される他の方法において、動作手順は図示の通りになる場合もあり、あるいは図示と異なる場合もある。さらに、動作は順次行われる場合もあり、あるいは２つ以上の動作が並行して行われる場合もある。

１０２において、方法は微細構造のマスタパターン（ｍａｓｔｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）を第一平面上に形成することを含む。このパターンは最終的に対象の基板上にエンボス加工される。一般的にマスタパターンは、様々な種類の既知のフォトリソグラフィ工程のうちのいずれかにより、ガラスまたはリジッドな高分子基板上に生成される。面上のマスタのパターン形状は、３次元幾何学的パターンのｘ、ｙ、及びｚ平面において０．１から５０ミクロンまで変化し得る。他の実施形態において、マスタパターンは（平面に対立するものとして）ドラム上、またはドラム周辺に取り付けられるスリーブ上に直接形成される。このような実施形態において、シムは必要でない。

１０２でマスタが製作されると、マスタパターンが高分子または金属の基板または“シム”のいずれかに転写され、１０４で第二平面上に反転パターンが生成される。シムは剛性又は可撓性で、厚さが１２から１，０００ミクロン、好ましくは１００〜３００の範囲である。そしてシムは、１０６で感圧接着剤または溶接によって一般には金属のドラムである剛性のローラーに取り付けられる。ここで第二平面とローラーの組み合わせは、対象の基板上に構造を製作できるエンボス加工具を形成する。もし前述のようにスリーブが形成されるならば、スリーブがドラムよりわずかに大きくなるように２つの間で温度差を生じさせることで、スリーブはドラム上に取り付けられる。

対象の導電性の微細にエンボス加工された基板の製作は、エンボス加工される基板を放射線硬化性樹脂の薄い液状の層でコーティングする１０８で始まる。対象の基板は無機または有機で、好ましい実施形態では高分子のシートまたはフィルムである。いくつかの実施形態において、樹脂は製作を容易にするために粘度を低減させる溶剤を含む、モノマー、オリゴマー、及び／又は高分子の混合物を含む。本実施形態において、放射線硬化性樹脂混合物は、後の金属導体の無電解めっきでシード層として作用する有機金属添加物を含むのが好ましい。有機金属材料は、シード材料の重量対、放射線硬化性樹脂混合物中の固体重量で、例えば０．０１％から５％、好ましくは１％から１．５％の濃度領域で酢酸パラジウムを含み得る。有機金属添加物を含む薄い液状コーティングは、余分な溶剤を取り除くため、及び、又は、はんだぬれを改善するように基板表面上の樹脂混合物の粘度を低下させるのを補助するために、微細なエンボス加工をする前に熱処理され得る。

１１０において、方法は１０６で製作されたエンボス加工具と樹脂コーティングされた基板との間に圧力を加えることを含む。圧力を加えることで、対象のエンボス加工具と基板との間に溜まった余分な液状樹脂及び気泡が取り除かれる。

１１０のならし及び絞り工程の後、方法１００は基板がまだエンボス加工具と疑似接触している間に樹脂を硬化させることを含む。樹脂が硬化するとマスタツールパターンとして反転の幾何学的形状を有する固体の高分子構造になる。

１１０においてイオン化放射線にさらすと、樹脂中の有機金属の添加物が活性化し、ポリマー微細構造が溶液中の金属で無電解めっきされる。基板の微細なパターンが付いた表面はめっき溶液に入れられ（１１４）、パラジウムと無電解めっき溶液中の金属との間に触媒反応が起きる。めっき溶液中の金属は基板の表面上に付着する。様々な実施形態において、めっき溶液中の金属は銅、ニッケル、金、銀などの適切な金属を含む。どのような多種のめっき溶液でも使用できる。いくつかの実施形態において使用されるめっき溶液は、クックソン・エレクトロニクス社（Ｃｏｏｋｓｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）が市販するＥｎｔｈｏｎｅ製品のＥＮＰＬＡＴＥ ４０６である。金属めっきを施した後、導電性を得た微細にエンボス加工された基板は余分なめっき溶液を取り除くために水で洗い流され、乾燥される（１１６）。

図２は回線配線のような完成された微細にエンボス加工された導電性を有する幾何学的形状の断面図である。基板２００はガラス、高分子ガラス繊維プリプレグ、又は、高分子フィルムを含む。微細にエンボス加工されたパターン２０５は無電解めっき溶液によって付着した金属めっき２１０で覆われる。金属めっき２１０の厚さは、５ナノメートルから１００ミクロンが好ましい。

微細にエンボス加工された導電性を有するパターンを伴う基板はそのまま或いは、必要な大きさ及び形状に切断され、フレックス回路、ＰＷＢ、透明なタッチスクリーン、ＲＦＩＤアンテナ、及び可撓性トランジスタ部品などの電気製品の製造に使用される。

図３は第二実施形態に基づく方法２００を示す。当該方法２００は図１の方法１００と同じ動作をいくつか含んでおり、便宜上、共通の動作には同じ参照番号を使用する。図３の動作１０２、１０４、及び１０６は図１と同様で、マスタパターン及び反転パターンが第一及び第二面に形成され、第二面はローラーに取り付けられエンボス加工具を製作する。相違点は、図１の動作１０６が動作１０７に置き換えられ、動作１０７では基板は放射線硬化性樹脂、好ましくは有機金属化合物を有さない樹脂でコーティングされることである。代わりに、エンボス加工具と基板との間に圧力を加え（１１０）、樹脂を硬化させ（１１２）、高分子触媒ベースのインクが、動作１１０、１１２で形成された基板の構造の上面に転移される１１３。インクの転移は、フレキソ印刷、マイクログラビア印刷、または凹版印刷のような様々な方法で実行できる。インク中の触媒は１１４で金属がめっきされる材料をもたらす。そして、基板は１１６で洗い流され、乾燥される。

従って、図１の方法１００においては、樹脂はめっきを発生させるのに必要な材料を含むが、図３の方法２００においては、樹脂はそのような材料は有さず、代わりにめっきを発生させるためのシード層をもたらすように触媒ベースのインクが基板に適用される。

図４は第三実施形態に基づく他の方法３００を示す。３０２で、フォトマスクは要求されるパターンの反転イメージで生成されるのが好ましい。フォトマスクはクロムイメージを伴うガラスのような適切な材料から作られ得る。３０４で、フォトマスクはフレキソ印刷版に適用される。フォトマスクをフレキソ印刷版に適用することは、フォトマスクをフレキソ印刷版にラミネート加工することを含み得る。フレキソ印刷版は、写真乳剤が上に備えられる基板のような適切な材料から作られる。フォトマスクをフレキソ印刷版に適用するためには、溜まった気泡を絞り出すのに十分な圧力を使用することが好ましい。

３０６で、フォトマスクとフレキソ印刷版との組み合わせは放射（例えば、紫外線）にさらされる。紫外線がフォトマスクを通過して照射する場所で（クロムイメージがない範囲で）、紫外線はフレキソ印刷版上の写真乳剤と架橋し、それにより乳剤が硬化する。クロムイメージを含むフォトマスク上の範囲では紫外線は通過できず、フレキソ印刷版上に内在する写真乳剤はより液状の状態にとどまる（つまり架橋及び硬化しない）。

そしてフォトマスクは３０８で取り除かれ、フレキソ印刷版は３１０で洗浄される。版を洗浄することで、架橋していない乳剤を取り除くことができ、それによりフレキソ印刷版上の硬化された乳剤を残す。この点において、フレキソ印刷版は要求される導電性回路を表すイメージを含み、“印刷版”と呼ばれる。

印刷版は、フィルムを搭載したフレキソ印刷機上に取り付けられる（３１２）。フィルムはＰＥＴ、セルロース、ポリカーボネート、ポリイミド、またはポリオレフィンのような適切なフィルムを含む。３１４において、方法はさらにポリマー触媒ベースのインクを、フレキソ印刷機により印刷版に、そして印刷版からフィルムに移すことを含む（３１６）。

インクがフィルムに完全に転移し、目的のイメージに相当するイメージの様々な部分を覆った後、３１８でフィルムは硬化される。この硬化工程は、例えば熱や紫外線放射を加えることを含み得る。硬化工程はインクを固くする。３２０で、硬化したフィルムは上述のような無電解溶液につけられる。

本発明は様々な変更及び代替形態の可能性があるが、特定の実施形態は図中の例によって示され、本明細書に詳細に記載されている。しかし、本発明は開示された特定の形態に限定される意図はないことを理解されたい。むしろ本発明は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の精神及び範囲に含まれる全ての変更、同等物、及び代替物を含む。

Claims (17)

1. 第一パターンを第一平面上に形成すること、
   前記パターンの反転を第二平面上に形成すること、
   エンボス加工具を製作するため、前記第二平面をローラーに取り付けること、
   前記エンボス加工具と放射線硬化性樹脂材料でコーティングされた基板との間に圧力を加えることで、前記基板に第二パターンを形成すること、及び、
   前記第二パターンを伴う基板を無電解めっき槽内でめっきすること、
   を含む方法。
2. 前記放射線硬化性樹脂材料は有機金属化合物を含まず、当該方法はさらに前記無電解めっき槽内で前記基板にめっきする前に、触媒ベースのインクを前記基板上に転移させることを含む、請求項１の方法。
3. 前記無電解めっき槽内で前記基板をめっきする前に、前記触媒ベースのインクを前記基板上に転移させることをさらに含む、請求項１の方法。
4. 前記放射線硬化性樹脂材料は有機金属化合物を含む、請求項１の方法。
5. 前記基板上に硬化した構造を生成するために、前記第二パターンを有する前記基板を硬化させることをさらに含む、請求項１の方法。
6. 前記基板をめっきすることは、前記基板上の硬化された構造にめっきすることを含む、請求項５の方法。
7. 前記エンボス加工具と前記基板の間に圧力を加えることをさらに含む、請求項１の方法。
8. 第一パターンを第一平面上に形成すること、
   前記パターンの反転を第二平面上に形成すること、
   エンボス加工具を製作するため、前記第二平面をローラーに取り付けること、
   前記エンボス加工具と放射線硬化性樹脂材料でコーティングされた基板との間に圧力を加えることで、前記基板に第二パターンを形成すること、
   触媒を含有するインクを、前記基板の少なくとも一部に転移させること、及び、
   前記第二パターンを伴う基板を無電解めっき槽内でめっきすること、
   を含む方法。
9. 前記放射線硬化性樹脂材料は有機金属化合物を含まない、請求項８の方法。
10. 前記基板を硬化させることを含む、請求項８の方法。
11. フォトマスクを生成すること、
    前記フォトマスクをフレキソ印刷版に適用すること、
    前記フレキソ印刷版に基づく印刷版を製作するために、前記フォトマスクと前記フレキソ印刷版とを放射に露出すること、及び、
    前記印刷版に触媒ベースのインクを転移させること、
    を含む方法。
12. 前記インクを前記印刷版からフィルムに転移させることをさらに含む、請求項１１の方法。
13. 前記フィルムを硬化させることを含む、請求項１２の方法。
14. 前記フィルムを無電解めっき槽内でめっきすることを含む、請求項１３の方法。
15. 前記フォトマスクを前記フレキソ印刷版に適用することは、前記フォトマスクを前記フレキソ印刷版にラミネート加工することを含む、請求項１１の方法。
16. 第一パターンをスリーブ上に形成すること、
    前記スリーブをドラム周辺に取り付けることで、エンボス加工具を形成すること、
    前記エンボス加工具と放射線硬化性樹脂材料でコーティングされた基板との間に圧力を加えることで、前記基板に第二パターンを形成すること、及び、
    前記第二パターンを伴う前記基板を無電解めっき槽内でめっきすること、
    を含む方法。
17. 前記スリーブを前記ドラム周辺に取り付けることは、前記スリーブと前記ドラムとの間で温度差を生成することを含む、請求項１６の方法。

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