JP2014218709A - 導電パターン付き立体成型品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型であっても導電パターン付き立体成型品を簡便に製造すること。
【解決手段】三次元形状を有する表面１ａに形成した凹部１ｂに導電パターン１ｃを形成した導電パターン付き立体成型品１の一次成型品３の凹部１ｂに、液晶ポリマー層１ｄを二色成形で形成する。そして、コールドスプレー法により金属粒子を液晶ポリマー層１ｄに吹き付けて、導電パターン１ｃの導電層を液晶ポリマー層１ｄ上に積層する。その後、還元プラズマ照射により導電層を還元焼成し、プレス型により導電層を平滑化して、導電パターン付き立体成型品１を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面に導電パターンを形成した立体成型品及びその製造方法に関する。

成型品の表面に導電パターンを形成する方法として、導電パターン形成面上の金属メッキ層に積層したフォトレジストを導電パターンのパターン形状で露光、現像し、フォトレジストの周囲に露出する金属層をエッチング除去する方法が知られている。

そして、導電パターンを形成するのが立体成型品の表面であるときに、立体成型品の導電パターン形成面に対応する形状の立体フォトマスクを用いて、フォトレジストを立体的なパターンで露光することが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開平９−３１９０６８号公報

しかし、金属メッキやエッチングには対象物に応じた大きさの浴槽が必要なので、三次元形状の立体成型品の場合は基板等の平板の場合と事情が異なり、フォトマスクを用いた金属メッキ層のエッチングによる導電パターンの形成方法を大型品に適用するのは困難である。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、大型であっても簡便に製造することができる導電パターン付き立体成型品及びその製造方法を提供することにある。

上述した目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の導電パターン付き立体成型品は、
三次元形状の表面に導電パターンを形成した導電パターン付き立体成型品であって、
前記導電パターンに対応するパターン形状で前記表面に形成された凹部と、
前記凹部に形成された液晶ポリマー層とを有しており、
前記液晶ポリマー層に積層した金属粒子によって前記凹部に前記導電パターンが形成されている、
ことを特徴とする。

また、上述した目的を達成するため、請求項２に記載した本発明の導電パターン付き立体成型品の製造方法は、
立体成型品の三次元形状の表面に導電パターンを形成した導電パターン付き立体成型品を製造する方法であって、
前記導電パターンに対応するパターン形状で三次元形状の表面に凹部が形成された前記立体成型品の一次成型品を成形する第１成形ステップと、
二色成形により前記凹部に液晶ポリマーを注入成形して前記液晶ポリマー層を前記凹部に形成する第２成形ステップと、
前記液晶ポリマー層にコールドスプレー法により金属粒子を吹き付けて前記パターン形状の導電層を前記表面にパターニングするパターニングステップと、
を含むことを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の導電パターン付き立体成型品と、請求項２に記載した本発明の導電パターン付き立体成型品の製造方法とによれば、導電パターンの形成にコールドスプレー法が用いられる。コールドスプレー法は、材料粒子をその融点又は軟化点よりも低い温度の高速の不活性ガスで加速させて対象物に吹き付ける成膜技術である。

このコールドスプレー法は、一般的な成膜技術である物理気相成長（ＰＶＤ）法や化学気相成長（ＣＶＤ）法と比較して、成膜速度が高い特徴を有している。

ここで、成膜速度が高い技術としては、溶射法が知られているが、該溶射法は、粉体材料の溶融を前提とする方法である。このため、溶射法で金属粒子を吹き付けて成膜すると、溶射中における金属粒子の酸化や熱的変質に伴う特性劣化が避けられない。したがって、溶射法では、金属材料特有の電気伝導性や熱伝導性を維持した積層体の製造がきわめて困難である。

これに対して、コールドスプレー法では、上述したように成膜速度が高いとともに、粉体材料の溶融を伴わないため、酸化物を含むことなく金属粒子を積層させることができ、電気伝導性や熱伝導性が向上した導電パターンを成膜することができる。

ところで、一般的なコールドスプレー法では、材料粒子を吹き付けて積層させる基材の材質に特に制限はなく、表面に粉体を積層できれば金属及び非金属のいずれであってもよいとされている。しかし、材料粒子が金属の場合は、樹脂材料で形成される成型品のような非金属性基材への付着が困難になる。

そこで、立体成型品のコールドスプレー法により金属粒子を吹き付ける凹部に液晶ポリマーを注入成形する。液晶ポリマーは、結晶性樹脂のなかでも繊維状の構造を持つ特殊な材料であり、高い耐熱性を有する。そのため、液晶ポリマーは、コールドスプレー法を行った場合、他の非金属（樹脂材料）に比べてエロージョン現象を起こしにくい。

また、液晶ポリマーでは、コールドスプレー法にて金属粒子を吹き付けた際に、一度表面が溶解し再結晶化する。その際に、吹き付けた金属粒子を保持するアンカー効果（密着力が高まる効果）が発揮される。したがって、コールドスプレー法にて液晶ポリマー層に金属粒子を吹き付けた際に安定してこれを付着保持させることができ、酸化物を含むことなく、電気伝導性や熱伝導性等を向上させることができる。

そして、これらのプロセスを通じて、金属メッキやエッチングを行う場合のような浴槽を必要としないので、大型であっても簡便に導電パターン付きの立体成型品を製造することができる。

しかも、導電パターン以外の不要な金属メッキ部分をエッチング除去する一般的な導電パターンの成膜方法では、エッチング液に対するフォトマスクの耐性との関係で、金属メッキ層の厚膜化に限界がある。そのため、厚膜の導電パターンを形成することが難しい。しかし、成膜速度が高いコールドスプレー法を用いることで、厚膜の導電パターンを形成することができる。

また、請求項３に記載した本発明の導電パターン付き立体成型品の製造方法は、請求項２に記載した本発明の導電パターン付き立体成型品の製造方法において、前記導電層をプレス加工により平滑化する平滑化ステップと、前記導電層を還元プラズマ照射により焼成する焼成ステップとの少なくとも一方をさらに含むことを特徴とする。

請求項３に記載した本発明の導電パターン付き立体成型品の製造方法によれば、請求項２に記載した本発明の導電パターン付き立体成型品の製造方法において、プレス加工による導電層表面の平滑化も、還元プラズマ照射による導電層の焼成も、導電層を酸化させずに、導電層の密度を高めて導電層の単位体積あたりの抵抗率（いわゆる、比抵抗）を低減させて、電気伝導性を高めることができる。

なお、プレス加工による導電層表面の平滑化では、導電パターンの全体を均一な抵抗率にすることもできる。

本発明によれば、大型であっても導電パターン付き立体成型品を簡便に製造することができる。

本発明の製造方法により製造する導電パターン付き立体成型品の一実施形態の概略構成を示す断面図である。 本発明の導電パターン付き立体成型品の製造方法の一実施形態に係る手順を示すフローチャートである。 図２の第１成形ステップで行う一次成型品を成形工程を示す説明図である。 図２の第２成形ステップで行う一次成型品への液晶ポリマーの二色成形工程を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は図２のパターニングステップで行う一次成型品への導電層のパターニング工程を示す説明図である。 図２の焼成ステップで行う還元プラズマ照射による導電層の焼成工程を示す説明図である。 図２の平滑化ステップで行う導電層表面のプレス加工による導電層の平滑化工程を示す説明図である。

以下、本発明の導電パターン付き立体成型品の製造方法の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の製造方法により製造する導電パターン付き立体成型品の一実施形態の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る導電パターン付き立体成型品１は、三次元形状を有する表面１ａに形成した凹部１ｂに導電パターン１ｃを形成したもので、導電パターン１ｃを凹部１ｂに固定するために、凹部１ｂと導電パターン１ｃとの間に液晶ポリマー層１ｄを積層している。

図２は本発明の導電パターン付き立体成型品の製造方法の一実施形態に係る手順を示すフローチャートである。図２に示すように、本実施形態の製造方法は、第１成形ステップ（ステップＳ１）、第２成形ステップ（ステップＳ３）、パターニングステップ（ステップＳ５）、焼成ステップ（ステップＳ７）、及び、平滑化ステップ（ステップＳ９）を含んでいる。

ステップＳ１の第１成形ステップでは、ＰＰ（ポリプロピレン）やＡＢＳ（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合体）等の汎用合成樹脂を材料に用い、図３に示すように、共通金型１１に一次金型１３を組み合わせて、立体成型品１の表面１ａや凹部１ｂとなる部分を有する一次成型品３を成形する。

次に、第２成形ステップ（ステップＳ３）では、ＬＣＰ（液晶ポリマー）を材料に用い、図４に示すように、一次金型１３を二次金型１５に交換して、一次成型品３の凹部１ｂに液晶ポリマー層１ｄを二色成形により形成する。

続いて、パターニングステップ（ステップＳ５）では、図５（ａ）に示すように、液晶ポリマー層１ｄにコールドスプレー法により粒径が４０〜５０μｍの銅粉３０（請求項中の金属粒子に相当）を吹き付けて、導電パターン１ｃに対応するパターン形状の導電層５を一次成型品３の液晶ポリマー層１ｄ上にパターニングする。

ここで、コールドスプレー法は、材料粒子をその融点又は軟化点よりも低い温度の超音速不活性ガスで加速させて対象物に吹き付ける成膜技術である。本実施形態では、ノズルユニット２０のインナーノズル２１から噴出させた銅粉３０を、アウターノズル２３からの高速の不活性ガス（例えば、ヘリウムや窒素、空気）で加速させて、ノズルヘッド２５から噴出させる。

不活性ガスは銅の融点又は軟化点よりも低い温度であり、銅粉３０はノズルヘッド２５からの噴出の際に溶融されることがない。このため、銅粉３０は酸化物を生成することなく液晶ポリマー層１ｄに衝突する。

また、一般に、銅粉３０のような金属粒子は、コールドスプレー法により非金属材料に付着させるのが困難とされている。しかし、液晶ポリマー層１ｄは、結晶性樹脂のなかでも繊維状の構造を持つ特殊な材料で、しかも高い耐熱性を有するので、エロージョン現象を起こしにくく、衝突した銅粉３０の保持力に優れている。しかも、液晶ポリマー層１ｄは、銅粉３０と共に吹き付けられた不活性ガスの熱によって一度表面が溶解されて再結晶化する際に、アンカー効果で銅粉３０を強固に保持する。

したがって、コールドスプレー法を用いたステップＳ５のパターニングステップを行うことで、一次成型品３の凹部１ｂの液晶ポリマー層１ｄ上に、銅粉３０による導電層５が強固な保持状態で積層される。

なお、コールドスプレー法は、一般的な成膜技術である物理気相成長（ＰＶＤ）法や化学気相成長（ＣＶＤ）法と比較して、成膜速度が高い特徴を有している。そのため、導電層５の膜厚を高くして比抵抗の低い導電パターン１ｃを形成することができる。また、成膜速度が高い他の方法である溶射法のように材料粒子を溶融させないので、酸化や熱による変質を避け、電気伝導性や熱伝導性が高い導電層５を成膜することができる。

ちなみに、一次成型品３の表面１ａに銅粉３０が無用に付着する場合は、図５（ｂ）に示すように、一次成型品３の凹部１ｂに対応するマスクパターンを有しステンレス等で形成した立体マスク４０を用い、表面１ａをマスクし液晶ポリマー層１ｄを露出させた状態で、ステップＳ５のパターニングステップを行ってもよい。

次に、焼成ステップ（ステップＳ７）では、図６に示すように、一次成型品３の表面１ａに還元プラズマ５０を照射して、導電層５を焼成する。具体的には、例えば、水素やアルゴン、ヘリウム等の還元性ガスの大気圧プラズマを還元プラズマ５０として導電層５に照射し、導電層５の表面を還元すると共に導電層５を低温で加熱して焼成する。

続いて、平滑化ステップ（ステップＳ９）では、図７に示すように、導電層５の表面をプレス型６０でプレスし平滑化する。焼成ステップに続けて平滑化ステップを行うことで、焼成により加熱された状態で導電層５を平滑化し、複雑な三次元形状の表面に形成した導電層５に対して実質的なアニール処理を施すことができる。そして、これら焼成ステップ及び平滑化ステップを行うことで、導電層５の比抵抗を下げて電気伝導性を高めることができる。

以上のステップを行うことにより、三次元形状の表面１ａの凹部１ｂに液晶ポリマー層１ｄを介して導電パターン１ｃを形成した、図１の導電パターン付き立体成型品１を得る。

なお、焼成ステップと平滑化ステップの順番は入れ替えてもよく、どちらか一方又は両方を省略したり、それらのステップに代わる他のステップを行うようにしてもよい。

以上に説明した本実施形態の製造方法によれば、図２のフローチャートに示す全てのステップを通じて、金属メッキやエッチングを行う場合のような浴槽を必要としないので、大型であっても簡便に導電パターン付きの立体成型品を製造することができる。

しかも、導電パターン以外の不要な金属メッキ部分をエッチング除去する一般的な導電パターンの成膜方法では、エッチング液に対するレジストの耐性との関係で、金属メッキ層の厚膜化に限界がある。そのため、厚膜の導電パターンを形成することが難しい。しかし、本実施形態の製造方法では、導電パターン１ｃの成膜に成膜速度が高いコールドスプレー法を用いるので、例えば、５０〜５００μｍオーダーの厚膜の導電パターン１ｃを形成することができる。

本発明は、立体成型品の三次元形状の表面に導電パターンを形成した導電パターン付き立体成型品を製造する際に用いて極めて有用である。

１ 立体成型品
１ａ 表面
１ｂ 凹部
１ｃ 導電パターン
１ｄ 液晶ポリマー層
３ 一次成型品
５ 導電層
１１ 共通金型
１３ 一次金型
１５ 二次金型
２０ ノズルユニット
２１ インナーノズル
２３ アウターノズル
２５ ノズルヘッド
３０ 銅粉
４０ 立体マスク
５０ 還元プラズマ
６０ プレス型

Claims (3)

1. 三次元形状の表面に導電パターンを形成した導電パターン付き立体成型品であって、
   前記導電パターンに対応するパターン形状で前記表面に形成された凹部と、
   前記凹部に形成された液晶ポリマー層とを有しており、
   前記液晶ポリマー層に積層した金属粒子によって前記凹部に前記導電パターンが形成されている、
   ことを特徴とする導電パターン付き立体成型品。
2. 立体成型品の三次元形状の表面に導電パターンを形成した導電パターン付き立体成型品を製造する方法であって、
   前記導電パターンに対応するパターン形状で三次元形状の表面に凹部が形成された前記立体成型品の一次成型品を成形する第１成形ステップと、
   二色成形により前記凹部に液晶ポリマーを注入成形して前記液晶ポリマー層を前記凹部に形成する第２成形ステップと、
   前記液晶ポリマー層にコールドスプレー法により金属粒子を吹き付けて前記パターン形状の導電層を前記表面にパターニングするパターニングステップと、
   を含むことを特徴とする導電パターン付き立体成型品の製造方法。
3. 前記導電層をプレス加工により平滑化する平滑化ステップと、前記導電層を還元プラズマ照射により焼成する焼成ステップとの少なくとも一方をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の導電パターン付き立体成型品の製造方法。

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