JP2016131201A - 回路基板製造装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金型を必要とせずに回路基板の製造を光造形法によって行うことを課題とし、さらに、回路基板のＣＡＤデータを、複数種の光造形装置のそれぞれの特性に合わせて自動的に修正し、その修正したデータに従い光造形法を採用してより早く安定的に回路基板を製造すること。【解決手段】噴射方式の光造形装置の特性を基に、製造する回路基板のＣＡＤデータを自動的に修正し、この修正したＣＡＤデータに従って、噴射方式の光造形装置により回路基板を製造する方法。【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板の製造装置及び方法に関する。

インクジェット方式を利用して導電性のインクや絶縁性のインクを吐出し、多層の電子回路基板を形成する装置や方法は、特許文献１〜４に記載されている。
特許文献５には、導電性液状樹脂を貯留した貯留槽と、絶縁性液状樹脂を貯留した貯留槽を用いた液槽光重合による光造形法を採用して多層基板を形成する方法が記載されている。
また、特許文献６には、絶縁性液状樹脂を貯留した貯留槽を用いた液槽光重合による光造形法を採用して基板上に硬化した絶縁樹脂層を形成し、未硬化の絶縁性液状樹脂を吸引除去した後、その吸引除去により得られた凹部に金属等の機能性材料を充填して、回路基板等とすることが記載されている。

特開２００４−１６５３１０号公報 特開２００４−２４１５１４号公報 特開平１１−２７４６７１号公報 特開２００４−１２９０２号公報 特開２００４−２２６２３号公報 特開２００４−４２５４６号公報

回路基板のＣＡＤデータを作成する人と、そのＣＡＤデータに基づいて回路基板を作成する人は異なることが普通である。このときの回路基板の作成は光造形法ではなく、従来の積層、エッチング等を繰り返して製造する方法であるため、ＣＡＤデータの中でも使用するデータは各層の厚さと各面での回路の形状が中心であった。そのため、１つのＣＡＤデータを用いても複数種の装置にて回路基板を作成することが可能であったが、金型等を使用することが必要であり、多品種少量生産やサンプルの生産を行うには、高いコストを要した。
このため、本発明は金型を必要とせずに回路基板の製造を光造形法によって行うことを課題とし、さらに、回路基板のＣＡＤデータを、複数種の光造形装置のそれぞれの特性に合わせて自動的に修正し、その修正したデータに従い光造形法を採用してより早く安定的に回路基板を製造することを課題とする。
さらに、回路基板のスルーホールを光造形法により形成すると共に、該スルーホールの壁面にも導電層を形成することにより層間を電気的に接続する構造を形成する。

すなわち、本発明は、下記の通りである。
１．噴射方式の光造形装置の特性を基に、製造する回路基板のＣＡＤデータを自動的に修正し、この修正したＣＡＤデータに従って、噴射方式の光造形装置により、絶縁層及び導電層を形成して、内壁に導電層を有するスルーホールを備えた回路基板を製造する方法。
２．１．の方法に使用するシステムであって、噴射方式の光造形装置、記憶装置、演算装置からなり、記憶装置に記憶した配線基板のＣＡＤデータを、記憶装置に記憶した光造形装置の特性に基づいて再計算して該光造形装置に適合したＣＡＤデータとし、この再計算したＣＡＤデータに従って、該光造形装置により回路基板を製造するシステム。

本発明によれば回路基板の製造を光造形装置にてより早く安定的に行うことができ、かつ、１つのＣＡＤデータを複数種の噴射方式の光造形装置にて使用できるという効果を有する。

回路基板を製造する方法の概要図 回路基板のパッド部分の断面図 ガーバーデータの修正方法を示す図 配線幅の修正のアルゴリズム パッド径の修正のアルゴリズム 穴の修正のアルゴリズム

本発明に従って回路基板を製造する方法を図１に基づき説明する。
まず、回路基板はたとえば公知の印刷回路基板のように、基材上に絶縁層を複数層設け、その絶縁層間に導電材料からなる配線を設け、該絶縁層内に該絶縁層の厚さ方向に導電部位及び／またはスルーホールを設け、さらに両面の少なくとも一方の面に素子等を配置・接続するための端子部分を形成してなるものである。

図１（ａ）のようにシャフトＳにより上下方向に移動可能な基礎Ｂの上に、予めプログラムされた光造形装置のノズルＮ１の動きによって、任意の位置に放射線重合性の樹脂等からなる絶縁層１が形成される。このとき得られる回路基板の端面となる絶縁層１の基礎Ｂ側の面に電気素子を配置することを考慮して、絶縁層を全面に形成することなく、必要な箇所に穴が開くようにすることができる。絶縁層を設けない部分は回路基板に穴を設ける部分、及び穴の周囲のパッド部分、さらに表面に設けた端子部分に相当する。
ノズルＮ１により絶縁層が形成された直後には、未だ該絶縁層は硬化されていないので、この絶縁層全面に放射線を照射して硬化する。このときの放射線としては紫外線、電子線等を使用でき、硬化のための装置は公知の紫外線硬化装置や電子線硬化装置を使用することができる。
なお、光造形装置としては公知のものを使用することができるが、いわゆる光硬化型インクを使用するインクジェット印刷装置や３Ｄプリンターも使用することができる。

その後、図１（ｂ）に示すように、シャフトＳを下げることなく、上記において絶縁層を設けなかった基礎Ｂ上の部分、つまり、回路基板の穴、パッドあるいは表面に形成されるべき端子部分のうち、穴を形成する部分以外であって、上記の工程にて絶縁層を形成しなかった部分に対して、放射線硬化性の導電性材料を滴下し、さらに硬化させて、パッドや端子部分等の導電性部分を形成する。

次いで図１（ｃ）に示すように、シャフトＳによって基礎Ｂを下方に移動する。このときの移動量としては、ノズルと作成途中の回路基板との距離が一定になるように、その前の工程で形成した層の厚さと等しくすることが好ましい。
この要件に従ってシャフトＳを下方に移動させた後に、図１（ａ）の工程において形成した絶縁層及び図１（ｂ）の工程において形成した導電層の上の任意の箇所に、ノズルＮ２を用いて導電層を部分的に設ける。この導電層は製造された回路基板の絶縁層間における配線部分となる層である。
この導電層を形成した後においても上記と同様に放射線を照射することによって硬化を行う。

次いで、穴や層間に接続する導電層を形成する部分を除く絶縁層を形成させる部分には、ノズルＮ１により絶縁層を形成するための放射線重合性の樹脂等を塗布し、これを放射線の照射によって硬化させる、その後、ノズルＮ２によって導電部２を形成する。この導電部は専ら先の工程において絶縁層を形成したときに、回路基板の絶縁層の一方から他方にかけて導電部を形成させる部分である。このような導電部は穴の周囲に設けられる。なお、この２層目の絶縁層を形成するときに、直前に形成した導電層がある部分及び導電層を形成していない部分を共に被覆するようにして絶縁層を形成させることができる。
このため、この導電部２は絶縁層において予め絶縁層が形成されることなく、設けられている上記の穴に相当する位置に形成される。
この穴の中を充填するように、Ｎ２から放射線硬化性の導電性材料を滴下する。その後上記の放射線で硬化する際の装置と同じ装置により硬化させる。このとき、硬化後において導電部が穴からはみ出さないように、あるいは穴に充填する量が少なすぎて、硬化した導電性材料の上に空間が存在しないようにすることが必要である。
その後、放射線硬化性材料に対して放射線を照射して十分に硬化させる。

以後、図１（ａ）〜（ｃ）に示す工程を繰り返して、図１（ｄ）に示すように、さらに絶縁層、導電部及び導電層を形成させる。
このとき、図１（ｃ）に示す状態から、図１（ｄ）に示す状態とする際に、一旦、図１（ｃ）の導電層３の間を埋めるように、絶縁性材料を供給して、その絶縁性材料を硬化しておき、導電層３と同じ高さの絶縁部分を形成しておくこともできる。
さらに、同様の工程を繰り返して、目的とする層の数を形成したところで回路基板の製造を終了する。終了した後の回路基板は例えば図１（ｅ）に示す構造を有し、最上層に導電層からなる回路や端子が設けられている。回路基板を製造後は基礎Ｂから離して回路基板を得る。
なお、回路基板の両面に導電層からなる回路や端子を設ける場合には、上記図１（ａ）に示す工程の前に基礎Ｂの上に必要なパターンの回路や端子部分をノズルＮ２及び放射線硬化装置を用いて形成しておくことができる。

さらに、得ようとする回路基板に対し、その表面に例えば白字による文字や図形の表示したり、及び／又は放射線硬化性樹脂により、電子部品を回路基板に取り付ける際に導電層同士が短絡しないように設ける表面保護層を形成する際には、それぞれの材料を吐出するノズルを準備しておき、例えば基礎Ｂ上に電子部品等の名称や記号を示す白字等による文字や図形を描き、さらに保護層となる放射線硬化性樹脂層を形成し、これらを硬化させておくこともできる。
このような構成とすることにより、回路基板の製造を光造形装置のみで行うことができ、他の塗布装置や印字装置を必要としない。
また上記白字等による文字や図形は、基礎Ｂ上に設けず回路基板を製造した後にその表面に印刷する等して設けることもできる。

このようにして得られた回路基板の各絶縁層及び導電層の厚さは、通常の回路基板のもと同程度の厚さとすることができる。そのため、必要に応じて例えば１層の絶縁層を形成するために、ノズルＮ１からの絶縁性樹脂の滴下を複数回繰り返すことができる。
使用する放射線硬化性の絶縁性樹脂としては、放射線により速やかに硬化され、かつ硬化後において、十分な寸法安定性、絶縁性、機械的強度を有し、隣接する硬化性樹脂や導電層との密着性に優れることが必要である。
本発明において製造される回路基板としては、その用途は問わず、大きさも任意である。

図１は、絶縁層に設けた穴の中に導電部を充填する構造であるが、これに代えて図２に示す構造にすることもでき、さらに１つの回路基板においてこれらの構造
を併用することもできる。
図２に示す構造は回路基板を積層したものではなく、絶縁層を１層としたものを例としている。図１に示す装置において、白字等による文字や図形を基礎Ｂ上に設ける場合の図２に示す構造を製造する方法としては、先ず基礎上の任意の位置に白字等による文字や図形層７を設けて放射線を照射して硬化させる。図２では、回路基板を貫通する穴を設ける位置付近に図形層７を設けている。

その後、上記保護層と同様の作用を示す保護層６を一部に設けて、同様に放射線によって硬化する。このとき保護層６は回路基板に設けた穴を形成する位置に穴Ｈを設ける。
その上に、さらに回路基板の配線を形成する導電層３と、該導電層３同士の間を埋める充填絶縁層５をそれぞれのノズルにより形成して放射線硬化させる。このとき、導電層３及び充填絶縁層５のいずれを先に形成してもよい。

引き続き、絶縁層５と絶縁性を備えた保護層６上に絶縁層１を設け、放射線硬化し、さらに、導電層３と電気的に接続できるように、絶縁層１に設けた穴Ｈの周囲に導電部４を設ける。
その後、同様にして絶縁層５と導電層３を設け、さらに絶縁性を備えた保護層６と文字や図形層７を設けて、本発明の回路基板を得ることもできる。

このような構造の回路基板は、図１に示す回路基板とは異なり、絶縁層に設けた穴が導電性材料によって充填された導電部を備えることがないので、その導電部を形成するための特別な装置等を採用する必要がない。かつ絶縁層に形成した穴の内壁に導電部を得るので、電子部品のピンをその穴に刺しながら、その電子部品のピンをより確実に接続することができる。また、図２に示す方法は、放射線硬化性の絶縁性材料と導電性材料を別々に噴射できるノズルを用意することのみで行うことができ、図１に示す方法のように、絶縁層に形成した穴をうめるような別の部材を必要としない。

このような、噴射方式の光造形装置、及び回路基板を設計したＣＡＤのデータを用いて、上記の方法によって回路基板を製造するために、以下の処理を行うことが必要である。
そのために図３に示す工程によって、ＣＡＤデータとした上でソフトを基に回路基板を製造することが必要である。

本発明のシステムに回路基板のガーバーデータを入力する。ガーバーデータは回路基板を構成する各層、つまり上記に記載の、電子部品等の名称や記号を示す白字等による文字や図形を構成する層、保護層６、導電層３、絶縁層１等の全ての層について、各層毎に何を設けるかの位置を示すデータである。
このガーバーデータをシステムに入力した後、所定のアルゴリズムに従って、各層を形成するためのパターンを修正し、それに基づきパッドの位置、大きさ、形状を修正し、それに基づき穴径を修正する。

また図３ではその後にパターン層の厚みを計算し、続いて絶縁層の厚みを計算し、さらにレジスト層である保護層や電子部品等の名称や記号を示す白字等による文字や図形を構成する層の厚みも計算する。
但し、これらのパターン層等の厚みはパッドや穴径の修正と同時若しくは順序を変更して行うこともでき、また、該パターン層として銅箔を採用することもできる。銅箔を採用した場合には、その銅箔の上に絶縁層や導電層を形成することになる。
引き続き、各層の数や積層順序を決定して造形データを作成する。
この造形データを光造形装置に送り、光造形装置がこの造形データに従って回路基板を作成する。

このような回路基板の製造にあたり、まず、使用する光造形装置に関する特性データに基づいて回路基板を製造できるようにデザインルールチェックを行う必要があり、そのためのツールを作成する。なおこの特性データは必要に応じてノズルから吐出する材料の物性（濃度、粘度等）を考慮して決定される。
光造形装置に関する特性データとは、例えば、最小造形精度、最小堆積高さ、ノズル情報等であり、この特性データに基づいて回路基板設計ＣＡＤ用のＤＲＣデータ（最小パターン幅、最小パターン間ギャップ、最小穴径、最小パット径、ビアのバッドからの幅、シルク・レジスト間隔、パット・レジスト間隔、基板端逃げ幅等）を計算しておく。

次いで、回路基板のＣＡＤデータに基づいて光造形装置にて回路基板を製造できるか否かを確認しながら、ＤＲＣデータに基づいてＣＡＤデータ（パターン幅や厚み、パターン間ギャップ、穴径、パット径、ビアのバッドからの幅、シルク・レジスト間隔、パット・レジスト間隔、基板端逃げ幅、絶縁データ、各層の厚さ、各層の数等）を修正する。
具体的には、
配線等が最小造形精度に近い線幅又は最小造形精度より小さい線幅である場合には、その最小造形精度まで線幅を太くし、他のパターンとのギャップや接触等をチェックし、必要に応じて表示画面上にパターンを表示又は印刷する。
例えば、図４に示すように、当初のＣＡＤデータの配線の線幅が最小印刷精度よりも小さい線幅である場合には、そのＣＡＤデータにおける線幅を自動的に修正して、線幅を最小造形精度と同じまたはそれ以上とする。その後そのデータについて、他のパターンとのギャップや接触等のチェックを行ない、修正したＣＡＤデータ、つまり印刷するための情報に提供すると共に、必要に応じて出力する。同様の方法による修正を下記のパッド径等の修正にも採用することができる。

図５に示すようにパッドを形成する際には、当初のＣＡＤデータのパッドの径が最小印刷精度よりも小さくないことを確認し、印刷を行うことができる。該パッドの径が最小印刷精度よりも小さい場合には、パッド径が最小印刷精度と一致するように、ＣＡＤデータを修正し、その後他のパターンとのギャップや接触等の有無についてチェックを行い、問題がなければ、印刷用のデータとする。

従来の印刷による回路基板における穴径と同じ穴径にするためには、例えば最小造形精度が１００μｍの光造形装置では径が２００μの穴を開ける必要がある。
そのため、図６に示すようにこの穴径にする際に穴の径が最小印刷精度より小さくないことを確認して、かつ他のパターンとのギャップや接触等をチェックし、必要に応じて表示画面上にパターンを表示又は印刷する。また、最小造形精度の４倍よりも径が小さい穴については、穴を空けないようにすることもできる。
図４に示す構造を形成するために、絶縁層１に設けた穴Ｈの周囲に導電部４を設けるにあたり、導電部の幅は最小印刷精度以上である必要があり、そうでないと十分に精度良く印刷することができない。そのため穴を形成する箇所における絶縁性材料による層の穴の径は最終的な穴の径に少なくとも最小印刷精度の２倍を加えた径が必要である。
同様にパッド径は絶縁性材料からなる層の径に少なくとも最小印刷精度の２倍を加えた径が必要である。
そうすると、最終的にパッド径は導電部４の内径に、少なくとも最小印刷精度の４倍を加えた径が必要である。

ＣＡＤデータ中に最小印刷精度より小さいパッドがある場合には造形できない場合があるため、パッド幅を大きくすることが可能と判断した場合は、最小印刷精度までパッド幅を自動的に広げ、必要に応じて表示画面上にパターンを表示又は印刷する。

導電層に使用する導電性材料の特性に基づいて、該導電層の単位体積当たりの電気抵抗を計算し、かつ、従来の基板に使用する銅箔の単位体積当たりの電気抵抗を計算して、それらの値を元に導電層厚を計算する(現在の各材質の電気抵抗は、基板のパターンに使用される、銅箔よりも電気抵抗が高いため、それを補正するために高さを高くし電気抵抗を下げる必要が有る)。

導電層以外の場所を全て絶縁層により埋めるために、上記導電層及びパッド等に関する修正したデータを基に、絶縁層をその場所にどの程度形成するかを求める。これにより導電層を有する各層は、その界面が全て平滑な面となり、さらにその上に円滑に積層させることができる。
また絶縁層の厚さは目的とする厚さから各導電層の厚みを引いた層厚となる。
但し、絶縁層を形成させる場合においても、回路基板にスルーホールを設け、そのスルーホールの内壁面を導電性とする場合には、該絶縁層の該スルーホールの導電性の内壁に位置する箇所に対しては導電性の材料からなる導電層を一部形成することになる。

保護層や電子部品等の名称や記号を示す白字等による文字や図形を構成する層は、その層の目的を考慮すると、必要最小限の厚さを有していればよい。
このようにしてＣＡＤデータを修正し、全体の体積すべき層の数を求め、修正したＣＡＤデータを基に光造形装置にて回路基板を作成する。

１ 絶縁層
２ 導電部
３ 導電層
４ 導電部
５ 充填絶縁層
６ 保護層
７ 図形層

Claims (2)

1. 噴射方式の光造形装置の特性を基に、製造する回路基板のＣＡＤデータを自動的に修正し、この修正したＣＡＤデータに従って、噴射方式の光造形装置により、絶縁層及び導電層を形成して、内壁に導電層を有するスルーホールを備えた回路基板を製造する方法。
2. 請求項１の方法に使用するシステムであって、噴射方式の光造形装置、記憶装置、演算装置からなり、記憶装置に記憶した配線基板のＣＡＤデータを、記憶装置に記憶した光造形装置の特性に基づいて再計算して該光造形装置に適合したＣＡＤデータとし、この再計算したＣＡＤデータに従って、該光造形装置により回路基板を製造するシステム。