JP4323257B2 - 回路基板の製造方法、回路基板及び回路基板の製造装置 - Google Patents
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Description
これらの技術によれば、数十[μm]程度の線幅の電子回路を備えた回路基板を形成することができる。
(1)微小液滴形成の安定性
ノズル径が大きいため、ノズルから吐出される液滴の形状が安定しない。
(2)微小液滴の着弾精度の不足
ノズルから吐出した液滴に付与される運動エネルギーは、液滴半径の3乗に比例して小さくなる。このため、微小液滴は空気抵抗に耐えるほどの十分な運動エネルギーを確保できず、空気対流などによる擾乱を受け、正確な着弾が期待出来ない。さらに、液滴が微細になるほど、表面張力の効果が増すために、液滴の蒸気圧が高くなり蒸発量が激しくなる。このため微細液滴は、飛翔中の著しい質量の消失を招き、着弾時に液滴の形態を保つことすら難しいという事情があった。このように着弾位置の高精度化は液滴の微細化と相反する課題であり、これら2つを同時に実現することは困難であった。
(3)高印加電圧
上記静電吸引方式の溶液吐出装置では、メニスカスの中心に電荷を集中させてメニスカスの隆起を発生する。この隆起したテーラーコーン先端部の曲率半径は、電荷の集中量により定まり、集中した電荷量と電界強度による静電力がそのときのメニスカスの表面張力より勝った時に液滴の分離が始まる。
メニスカスの最大電荷量は、溶液の物性値とメニスカス曲率半径により定まるため、最小の液滴のサイズは溶液の物性値(特に表面張力)とメニスカス部に形成される電界強度により定まる。
一般的に、液体の表面張力は純粋な溶媒よりも溶剤を含んだ方が表面張力は低くなる傾向があり、実際の溶液においても種々の溶剤を含んでいるため、表面張力を高くすることは難しい。このため、溶液の表面張力を一定と考え、電界強度を高くすることにより液滴サイズを小さくする方法が採られていた。
従って、これら静電吸引方式の溶液吐出装置では、両者とも吐出原理として、吐出液滴の投影面積よりもはるかに広い面積のメニスカス領域に強い電界強度のフィールドを形成することにより該メニスカスの中心に電荷を集中させ、該集中した電荷と形成している電界強度からなる静電力により吐出を行うため、2000[V]に近い非常に高い電圧を印加する必要があり、駆動制御が難しいと共に、溶液吐出装置を操作するうえでの安全性の面からも問題があった。
(4)吐出応答性
また、上記静電吸引方式の溶液吐出装置では、両者とも吐出原理として、吐出液滴の投影面積よりもはるかに広い面積のメニスカス領域に強い電界強度のフィールドを形成することにより該メニスカスの中心に電荷を集中させ、該集中した電荷と形成している電界強度からなる静電力により吐出を行うため、メニスカス部の中心に電荷が移動するための電荷の移動時間が吐出応答性に影響し、液滴パターン形成速度の向上において問題となっていた。
0.2[μm]より大きくかつ8[μm]以下の内径の吐出口を有するノズル内に供給された、互いに融着して電子回路をなすべき複数の微細粒子とこれら微細粒子を分散させている分散剤とを含有した溶液に、下記式(1)を満足する電圧Vを印加してこの溶液を帯電させることによりその液滴を前記吐出口から前記基材の表面に向かって吐出させ、
次に、前記基材の表面に着弾した液滴に熱または光をあてることによって前記微細粒子同士を融着させることを特徴とする。
但し、本発明の構成は、対向電極を不要とすることを可能とするが、対向電極を併用しても構わない。対向電極を併用する場合には、当該対向電極の対向面に沿わせた状態で基材を配置すると共に対向電極の対向面がノズルからの液滴吐出方向に垂直に配置されることが望ましく、これにより、ノズル−対向電極間での電界による静電力を飛翔電極の誘導のために併用することも可能となるし、対向電極を接地すれば、帯電した液滴の電荷を空気中への放電に加え、対向電極を介して逃がすことができ、電荷の蓄積を低減する効果も得られるので、むしろ併用することが望ましい構成といえる。
そして、基材の表面に着弾した微細な液滴に熱または光をあてることによって液滴中の分散剤が分解揮散し、液滴中の微細粒子同士が接触して融着するため、10[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材の表面に形成することができる、つまり数十[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材の表面に備えた回路基板を形成することができる。
ここで、電子回路とは電子が流れる回路のことであり、導線や電子素子のみのものも含む。また、ノズルの吐出口の内径は、0.1[μm]〜10[μm]としても良い。また、微細粒子は、溶液の液相に溶解したものであっても良い。
前記微細粒子の平均粒径は100[nm]以下であることを特徴とする。
ここで、微細粒子の平均粒径は、50[nm]以下であっても良い。
前記微細粒子は導電性材料からなることを特徴とする。
前記微細粒子は半導電性材料からなることを特徴とする。
前記微細粒子は絶縁性材料または誘電性材料からなることを特徴とする。
前記吐出口の内径が4[μm]以下であることを特徴とする。
また、上記構成において、ノズルの内部直径は0.2[μm]より大きい方が望ましい。ノズルの内径を0.2[μm]より大きくすることで、液滴の帯電効率を向上させることができるので、液滴の吐出安定性を向上させることができる。
0.2[μm]より大きくかつ8[μm]以下の内径の吐出口を有するノズル内に供給された、互いに融着して電子回路をなす微細粒子を接着するための複数の接着粒子とこれら接着粒子を分散させている分散剤とを含有した溶液に、下記式(1)を満足する電圧Vを印加してこの溶液を帯電させることによりその液滴を前記吐出口から前記基材の表面に向かって吐出させ、
次に、前記基材の表面に着弾した液滴に前記微細粒子を散布してこれら微細粒子を前記接着粒子に接着させ、
次に、散布された微細粒子のうち、前記接着粒子に接着されていない微細粒子を前記基材の表面から除去し、
次に、前記基材の表面に熱または光をあてることによって前記微細粒子同士を融着させることを特徴とする。
また、基材の表面に着弾した液滴に微細粒子を散布してこれら微細粒子を接着粒子に接着させた後、散布された微細粒子のうち、接着粒子に接着されていない微細粒子を基材の表面から除去することにより、基材の表面に形成された微細な液滴パターン上に、この液滴パターンと同形状の微細粒子パターンを形成することができる。
そして、基材の表面に熱または光をあてることによって液滴中の分散剤が分解揮散し、液滴中の微細粒子同士が接触して融着するため、10[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材の表面に形成することができる、つまり数十[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材の表面に備えた回路基板を形成することができる。
前記基材に対向する0.2[μm]より大きくかつ8[μm]以下の内径の吐出口を有するノズル内に供給された、互いに融着して電子回路をなすべき複数の微細粒子とこれら微細粒子を分散させている分散剤とを含有した溶液に、下記式(1)を満足する電圧Vを印加してこの溶液を帯電させることによりその液滴を前記吐出口から前記基材の表面に向かって吐出させる電圧印加手段と、
前記基材の表面に着弾した液滴に熱または光をあてることによって前記微細粒子同士を融着させる融着手段とを備えることを特徴とする。
また、液滴は、ノズルから吐出された直後、電界と電荷の間に働く静電力により加速されるが、ノズルから離れると電界は急激に低下するので、その後は、空気抵抗により減速する。しかしながら、微小液滴でかつ電界が集中した液滴は、基材に近づくにつれ、静電力により加速される。この空気抵抗による減速と静電力による加速とのバランスをとることにより、微小液滴を安定に飛翔させ、着弾精度を向上させることが可能となる。
前記吐出口の内径が4[μm]以下であることを特徴とする。
また、上記構成において、ノズルの内部直径は0.2[μm]より大きい方が望ましい。ノズルの内径を0.2[μm]より大きくすることで、液滴の帯電効率を向上させることができるので、液滴の吐出安定性を向上させることができる。
また、ノズルの内部直径は、8[μm]以下であることが好ましい。ノズルの内部直径を8[μm]以下とすることにより、さらに電界を集中させることが可能となり、さらなる液滴の微小化と、飛翔時に対向電極の距離の変動が電界強度分布に影響することを低減させることができるので、対向電極の位置精度や基材の特性や厚さの液滴形状への影響や着弾精度への影響を低減することができる。
さらに、ノズルの内部直径を4[μm]以下とすることにより、顕著な電界の集中を図ることができ、最大電界強度を高くすることができ、形状の安定な液滴の超微小化と、液滴の初期吐出速度を大きくすることができる。これにより、飛翔安定性が向上することにより、着弾精度をさらに向上させ、吐出応答性を向上することができる。
また、ノズルの内部直径は0.2[μm]より大きい方が望ましい。ノズルの内径を0.2[μm]より大きくすることで、液滴の帯電効率を向上させることができるので、液滴の吐出安定性を向上させることができる。
さらに、上記各請求項の構成において、
(1)ノズルを電気絶縁材で形成し、ノズル内に電極を挿入あるいはメッキ形成ことが好ましい。
(2)上記各請求項の構成又は上記(1)の構成において、ノズルを電気絶縁材で形成し、ノズル内に電極を挿入或いはメッキ形成すると共にノズルの外側に電極を設けることが好ましい。
(1)及び(2)により、上記各請求項による作用効果に加え、吐出力を向上させることができるので、ノズル径をさらに微小化しても、低電圧で液を吐出することができる。(3)上記各請求項の構成、上記(1)又は(2)の構成において、基材を導電性材料または絶縁性材料により形成することが好ましい。
(4)上記各請求項の構成、上記(1)、(2)又は(3)の構成において、ノズルに印加する電圧Vを
ただし、γ:液体の表面張力(N/m)、ε0:真空の誘電率(F/m)、d:ノズル直径(m)、h:ノズル−基材間距離(m)、k:ノズル形状に依存する比例定数(1.5<k<8.5)とする。
(5)上記各請求項の構成、上記(1)、(2)、(3)又は(4)の構成において、印加する任意波形電圧が1000V以下であることが好ましい。
(6)上記各請求項の構成、上記(1)、(2)、(3)、(4)又は(5)の構成において、印加する任意波形電圧が500V以下であることが好ましい。
基材を導電性または絶縁性の基材ホルダーに裁置ことが好ましい。
(7)上記各請求項の構成、上記(1)〜(6)いずれかの構成において、ノズルと基材との距離が500[μm]以下とすることが、ノズル径を微細にした場合でも高い着弾精度を得ることができるので好ましい。
(8)上記各請求項の構成、上記(1)〜(7)いずれかの構成において、ノズル内の溶液に圧力を印加するように構成することが好ましい。
(9)上記各請求項の構成、上記(1)〜(8)いずれかの構成において、単一パルスによって吐出する場合、
そして、基材の表面に着弾した微細な液滴に熱または光をあてることによって液滴中の分散剤が分解揮散し、液滴中の微細粒子同士が接触して融着するため、10[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材の表面に形成することができる、つまり数十[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材の表面に備えた回路基板を形成することができる。
また、基材の表面に着弾した液滴に微細粒子を散布してこれら微細粒子を接着粒子に接着させた後、散布された微細粒子のうち、接着粒子に接着されていない微細粒子を基材の表面から除去することにより、基材の表面に形成された微細な液滴パターン上に、この液滴パターンと同形状の微細粒子パターンを形成することができる。
そして、基材の表面に熱または光をあてることによって液滴中の分散剤が分解揮散し、液滴中の微細粒子同士が接触して融着するため、10[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材の表面に形成することができる、つまり数十[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材の表面に備えた回路基板を形成することができる。
なお、以下の各実施形態で説明する液体吐出装置のノズル径、即ちノズルの吐出口の内径は、好ましくは8[μm]以下、さらに好ましくは4[μm]以下とすることが好ましい。また、ノズル径は、0.2[μm]より大きいことが好ましい。
(電子回路の製造装置の全体構成)
図1は電子回路の製造装置(以下、製造装置とする)100の概略構成図である。この製造装置100は、基材Kの表面に溶液の液滴を吐出して液滴パターンを形成する溶液吐出装置20と、液滴パターン中の微細粒子同士を融着させる融着装置(融着手段)30と、基材を搬送する搬送装置とからなる。
微細粒子としては、金属や金属化合物などの粒子を用いることができる。金属の微細粒子としては、AuやPt、Ag、In、Cu、Ni、Cr、Rh、Pd、Zn、Co、Mo、Ru、W、Os、Ir、Fe、Mn、Ge、Sn、Ga、Inなど等の導電性の微細粒子がある。特にAuやAg、Cuのような金属の微細粒子を用いると、電気抵抗が低く、かつ腐食に強い電子回路を形成することができ好ましい。金属化合物の微細粒子としては、ZnSやCdS、Cd2SnO4、ITO(In2O3-SnO2)、RuO2、IrO2、OsO2、MoO2、ReO2、WO2、YBa2Cu3O7-x等の導電性の微細粒子、ZnOやCdO、SnO2、InO2、SnO4等、熱によって還元されて導電性を示す微細粒子、Ni-CrやCr-SiO、Cr-MgF、Au-SiO2、AuMgF、PtTa2O5、AuTa2O5Ta2、Cr3Si、TaSi2等の半導電性の微細粒子、SrTiO3やBaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等の誘電性の微細粒子、SiO2やAl2O3、TiO2等の絶縁性の微細粒子がある。
接着粒子としては、熱硬化性樹脂接着剤、ゴム系接着剤、エマルジョン系接着剤、ポリアロマティックス、セラミックス系接着剤等の粒子がある。
分散剤は、微細粒子の保護コロイドとして作用するものである。このような分散剤としては、ポリウレタンとアルカノールアミンとのブロック共重合体やポリエステル、ポリアクリルニトリル等を用いることができる。
溶媒は、微細粒子との親和性を考慮して選定される。具体的には、溶媒としては、水を主体とする溶媒や、PGMEA、シクロヘキサン、(ブチル)カルビトールアセテート、3―ジメチル―2―イミタゾリジン、BMA、プロピレンモノメチルアセテートを主体とする溶媒などがある。
まず、塩化金酸や硝酸銀のような金属イオンソース水溶液に水溶性の重合体を溶解させ、撹拌しながらジメチルアミノエタノールのようなアルカノールアミンを添加する。すると数10秒〜数分で金属イオンが還元され、平均粒系100nm以下の金属微粒子が析出する。そして、析出物を含有する溶液から塩素イオンや硝酸イオンを限外ろ過などの方法で除去した後、この溶液を濃縮・乾燥する。このようにして調製された水性溶液は、水やアルコール系溶媒、テトラエトキシシランやトリエトキシシランのようなゾルゲルプロセス用バインダーに安定に溶解・混合することが可能である。
まず、油溶解性のポリマーをアセトンのような水混和性有機溶媒に溶解させ、この溶液を、上記のようにして形成された水性溶液と混合する。このとき混合物は不均一系であるが、これを撹拌しながらアルカノールアミンを添加すると金属微粒子は重合体中に分散した形で油相側に析出してくる。そして、この溶液を洗浄・濃縮・乾燥させると油性溶液が得られる。このようにして形成された油性溶液は、芳香族系、ケトン系、エステル系などの溶媒やポリエステル、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂等に安定に溶解・混合することが可能である。
なお、上記のような水性及び油性の溶液における金属微粒子の濃度は、最大80重量%とすることが可能であるが、用途に応じて適宜稀釈して使用する。通常、溶液における金属微粒子の含有量は2〜50重量%、分散剤の含有量は0.3〜30重量%、粘度は3〜100センチポイズ程度が適当である。
(溶液吐出装置の全体構成)
図2〜図4は図1に示す溶液吐出装置20の詳細を示したものであり、図2は溶液吐出装置20の概略を示す側面図であり、図3は後述するノズル21に沿った溶液吐出装置20の断面図であり、図4は溶液の吐出動作と溶液に印加される電圧との関係を示す説明図であって、図4(A)は吐出を行わない状態であり、図4(B)は吐出状態を示す。
ノズル21は後述するノズルプレート26の下面層26cから垂設され、この下面層26cと一体的に形成されている。ノズル21の先端部は対向電極23に指向している。ノズル21の内部には、その先端部からその中心線に沿って貫通するノズル内流路22が形成されている。
なお、ノズル21の各寸法は上記一例に限定されるものではない。特に吐出口の内径については、後述する電界集中の効果により液滴の吐出を可能とする吐出電圧が1000[V]未満を実現する範囲であって、例えば、100[μm]以下であり、より望ましくは、20[μm]以下であって、現行のノズル形成技術により溶液を通す貫通穴を形成することが実現可能な範囲である内径、例えば0.1[μm]をその下限値とする。
溶液供給手段は、ノズルプレート26の内部であってノズル21の根元となる位置に設けられると共にノズル内流路22に連通する溶液室24と、図示しない外部の溶液タンクから溶液室24に溶液を導く供給路27と、溶液室24への溶液の供給圧力を付与する図示しない供給ポンプとを備えている。
上記供給ポンプは、ノズル21の先端部まで溶液を供給し、当該先端部からこぼれ出さない範囲の供給圧力を維持して溶液の供給を行う(図4(A)参照)。
吐出電圧印加手段25は、ノズル21内の溶液に吐出電圧を印加してこの溶液を帯電させることにより、この溶液の液滴をノズル21の吐出口から基材Kに向かって吐出させるものである。この吐出電圧印加手段25は、ノズルプレート26の内部であって溶液室24とノズル内流路22との境界位置に設けられた吐出電圧印加用の吐出電極28と、この吐出電極28に常時,直流のバイアス電圧を印加するバイアス電源30と、吐出電極28にバイアス電圧に重畳して吐出に要する電位とするパルス電圧を印加する吐出電圧電源29とを備えている。
バイアス電源30によるバイアス電圧は、溶液の吐出が行われない範囲で常時電圧印加を行うことにより、吐出時に印加すべき電圧の幅を予め低減し、これによる吐出時の反応性の向上を図っている。
一例を挙げると、バイアス電圧はDC300[V]で印加され、パルス電圧は100[V]で印される。従って、吐出の際の重畳電圧は400[V]となる。
ノズルプレート26は、図3において最も上層に位置する上面層26aと、その下に位置する溶液の供給路を形成する流路層26bと、この流路層26bのさらに下に形成される下面層26cとを備え、流路層26bと下面層26cとの間には前述した吐出電極28が介挿されている。
対向電極23は、ノズル21に垂直な対向面を備えており、かかる対向面に沿うように基材Kの支持を行う。ノズル21の先端部から対向電極23の対向面までの距離は、例えば100[μm]等、一定に保持されている。
なお、溶液吐出装置20は、ノズル21の超微細化による当該ノズル21の先端部での電界集中により電界強度を高めることで液滴の吐出を行うことから、対向電極23による誘導がなくとも液滴の吐出を行うことは可能ではあるが、ノズル21と対向電極23との間での静電力による誘導が行われた方が望ましい。この場合、ノズル21から吐出され空気抵抗により減速する液滴を、静電力により加速することができる。従って、これら空気抵抗による減速と静電力による加速とのバランスをとることにより、微小液滴を安定に飛翔させ、着弾精度を向上させることができる。またなお、帯電した液滴の電荷を、対向電極23の接地により逃がすことも可能である。
また、溶液吐出装置20は、基材Kの搬送方向に対して直交する方向に多数のノズル21を配列してなるライン型の溶液吐出装置としてもよい。
(融着装置30の全体構成)
融着装置30は、基材Kの表面に着弾した液滴に熱または光をあてて液滴中の分散剤を分解揮散させることによって微細粒子同士を融着させるものである。
ここで、特に熱によって還元されて導電性を示す微細粒子同士を融着させる場合には、融着装置30として熱融着装置が用いられる。この場合、熱融着装置の熱制御部はチャンバ内を加熱し、基材Kが軟化せず、微細粒子が還元され、かつ液滴中の分散剤が分解揮散する温度に保つ。このような温度は、基材Kや分散剤の材料によって異なる。
(搬送装置の全体構成)
搬送装置は、図2に示すように、基材Kを搬送する搬送ローラ401,402及びベルトコンベア403,404と、搬送ローラ401,402の上方に配置され搬送ローラ401,402との間で基材Kを挟持する圧接ローラ405,406等とを備えている。
搬送ローラ401,402は、対向電極23を水平方向に挟んで設けられたものである。このうち、搬送ローラ401は基材Kの搬送方向上流側に配置されたものであり、搬送ローラ402は下流側に配置されたものである。
ベルトコンベア403,404は、搬送ローラ401,402を水平方向に挟んで設けられたものである。このうち、ベルトコンベア403は基材Kの搬送方向上流側に配置されたものであり、ベルトコンベア404は下流側に配置されたものである。
なお、融着装置30のチャンバーを挟み、基材Kの搬送方向の上流側と下流側とには、ベルトコンベア404によって搬送された基材Kをチャンバーの内部に搬送するとともにチャンバー内の基材Kをベルトコンベア404に搬送する図示しない搬送機が設けられている。
次に、図2により製造装置100の動作説明を行う。
まず、ベルトコンベア403及び搬送ローラ401を回転駆動させることにより、基材Kを搬送ローラ401上に搬送し、更に、搬送ローラ401と圧接ローラ405とにより挟持しながら対向電極23の上部に搬送する。
次に、液滴パターンが形成された基材Kを搬送ローラ402と圧接ローラ406とにより挟持して対向電極23の上部から取り除き、ベルトコンベア404及び前記搬送機を介して融着装置30のチャンバ内に搬送する。
そして、表面に電子回路が形成された基材Kを前記搬送機及びベルトコンベア404によってチャンバから取り除く。
次に、図3及び図4により製造装置100における溶液吐出装置20の動作説明を行う。
溶液供給手段の供給ポンプによりノズル内流路22には溶液が供給された状態にあり、かかる状態でバイアス電源30により吐出電極28を介してバイアス電圧が溶液に印加されている。かかる状態で、溶液は帯電すると共に、ノズル21の先端部において溶液による凹状に窪んだメニスカスが形成される(図4(A))。
そして、吐出電圧電源29によりパルス電圧が印加されると、ノズル21の先端部では集中された電界の電界強度による静電力により溶液がノズル21の先端側に誘導され、外部に突出した凸状メニスカスが形成されると共に、かかる凸状メニスカスの頂点により電界が集中し、ついには溶液の表面張力に抗して微小液滴が対向電極側に吐出される(図4(B))。
そして、ノズル21の吐出口の内径が微細であるがために、ノズル21コンダクタンスの低さによりその単位時間あたりの吐出流量を低減する制御を容易に行うことができると共に、パルス幅を狭めることなく十分に小さな液滴径による溶液の吐出を実現している。
さらに、吐出される液滴は帯電されているので、微小の液滴であっても蒸気圧が低減され、蒸発を抑制することから液滴の質量の損失を低減し、飛翔の安定化を図り、液滴の着弾精度の低下を防止する。
(第一の実施例)
本第一の実施例は、製造装置100を利用してAgの導線からなる電子回路を基材Kの表面に形成するものである。
本第一の実施例において、溶液吐出装置20のノズル21に供給される溶液は、プロピレングリコールモノメチルアセテートとイソプロピルアルコールとの混合溶媒中にAgの微細粒子と分散剤とを含有するものである。より詳細には、この溶液は、Agの微細粒子の含有量が20重量%、分散剤の含有量が5重量%のイソプロピルアルコール分散体溶液にプロピレングリコールモノメチルアセテートを混合してAg微細粒子の含有量を15重量%としたものである。Agの微細粒子の平均粒径は10[nm]である。また、溶液吐出装置20のノズル21はガラス製であり、吐出口の内径が2.0[μm]となっている。また、融着装置30として、熱融着装置を用いている。更に、基材Kとして、ポリイミドフィルム製の基材を用いている。
以下、手順について説明する。
まず、基材Kの表面に溶液吐出装置20によって線幅8[μm]、膜厚0.7[μm]の液滴パターンを描画した。具体的には、基材Kに対して、走査型の溶液吐出装置にあっては溶液吐出装置20を基材Kの搬送方向に走査させながら基材Kに対して液滴を吐出させ、またライン型の溶液吐出装置にあっては基材Kに対してライン状に液滴を吐出させることにより、基材Kに所望の液滴パターンを形成した。
次に、熱融着装置のチャンバ内を150℃に10分間保つことによって乾燥処理を行った。そして、同チャンバ内を200℃に20分間保つことによって融着処理を行い導線を形成した。
得られた導線の抵抗値は1.6×10-5[Ωcm]であり、電子回路として使用可能であることが確認できた。
本第二の実施例は、製造装置100を利用してCuの導線からなる電子回路を基材Kの表面に形成するものである。
本第二の実施例において、溶液吐出装置20のノズル21に供給される溶液は、水とプロピレンモノメチルアセテートとの混合溶媒中にCuの微細粒子と分散剤とを含有するものである。より詳細には、この溶液は、Cuの微細粒子と分散剤とを含有する水分散体溶液にプロピレングリコールモノメチルアセテートを混合してCu微細粒子の含有量が30重量%、分散剤の含有量が10重量%となるようにしてものである。Cuの微細粒子の平均粒径は40[nm]である。また、溶液吐出装置20のノズル21はガラス製であり、吐出口の内径が2.0[μm]となっている。また、融着装置30として、熱融着装置を用いている。更に、基材Kとして、ガラス製の基材を用いている。
以下、手順について説明する。
まず、基材Kの表面に溶液吐出装置20によって線幅12[μm]、膜厚0.8[μm]の液滴パターンを上記第一の実施例と同様に描画した。次に、熱融着装置のチャンバ内を150℃に10分間保つことによって乾燥処理を行った。そして、同チャンバ内を200℃に20分間保つことによって融着処理を行い導線を形成した。
得られた導線の抵抗値は3.0×10-5[Ωcm]であり、電子回路として使用可能であることが確認できた。
本第三の実施例は、製造装置100を利用してコンデンサを含んだ電子回路を基材Kの表面に形成するものである。より詳細には、基材Kの表面に絶縁膜101Aと、この絶縁膜101Aを挟んだ導電膜101B、つまり電極とを形成するものである。
なお、本第三の実施例においては、走査型の溶液吐出装置20を用いている。
また、本第三の実施例において絶縁膜101Aを形成する際には、PGMEA、シクロヘキサン、カルビトールアセテート等が溶媒として用いられた溶液(以下、絶縁溶液とする)を溶液吐出装置20のノズル21に供給している。この絶縁溶液には、微細粒子としてSiO2やAl2O3等の絶縁性材料の粒子、SrTiO3、BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等の誘電性材料の粒子が用いられている。また、湿潤剤またはバインダとしてグリセリンやジエチレングリコール、エチレングリコール等が必要に応じて加えられている。
また、本第三の実施例において導電膜101Bを形成する際には、ブチルカルビトールアセテート、3−ジメチル−2−イミタゾリジン、BMA等が溶媒として用いられた溶液(以下、導電溶液とする)を溶液吐出装置20のノズル21に供給している。この導電溶液には、微細粒子としてRuO2やIrO2、OsO2、MoO2、ReO2、WO2、YBa2Cu3O7−x、Pt、Au、Ag、In、In−Ga合金、Ga、ハンダ等の導電性材料の微細粒子が用いられている。
まず、図5に示すように、基材Kの表面に絶縁膜101Aを形成する。
具体的には、まず、図5(a)に示すように、絶縁膜101Aを形成するべき領域に溶液吐出装置20を走査させて移動し、絶縁溶液の液滴をノズル21から基材Kの表面に向かって吐出させる。このとき、液滴を吐出させつつ溶液吐出装置20を走査させてノズル21を図5(b)に矢印で示すように動かし、矩形の液滴パターン(以下、絶縁液滴パターンとする)101aを形成する。なお、コンデンサの容量は対向電極の面積、間隙および誘電率により定まるため、形成するべきコンデンサの容量に応じて絶縁液滴パターン101aの幅、長さおよび絶縁性材料の誘電率を設定する。
具体的にはまず、導電溶液の液滴を吐出させつつ溶液吐出装置20を走査させて図6(b)や図7(b)に矢印で示すようにノズル21を動かす。これにより絶縁膜101Aを挟んだ2つのの液滴パターン(以下、導電液滴パターンとする)101b,101bが形成される。なお、このとき形成される導電液滴パターン101b,101bは、図5〜図7のような形の他、種々の形状に変更可能である。例えば、導電液滴パターン101bや上記絶縁液滴パターン101aを鋸歯状や凹凸形状に形成し、導電液滴パターン101a,101a同士が絶縁膜101Aを挟んで噛み合うように形成すれば、更にコンデンサの容量を増加させることができる。また、コンデンサの容量を大きくするために、絶縁膜101Aの高さや導電膜101B,101Bの対向面の高さを高く形成することによって電極面積を大きくしても良い。
そして、図8に示すように融着装置30のチャンバ内で乾燥処理および融着処理を行うことによりコンデンサの電極となる導電膜101Bを形成する。
具体的にはまず、ノズル21から複数の接着粒子と接着粒子を分散させる分散粒子とを含んだ溶液(以下、接着溶液とする)の液滴を吐出し、液滴パターン(以下、接着液滴パターンとする)を形成する。
次に、基材Kの上面に導電性材料または誘電性材料からなる微細粒子を散布し、これら微細粒子を接着粒子に接着させる。
次に、基材Kの上面に散布された微細粒子のうち、接着粒子に接着されなかったものを基材Kの上面から吹き払う。これにより、接着液滴パターンの上に、この接着液滴パターンと同形状の微細粒子パターンが形成されて残る。
そして、融着装置30のチャンバ内で乾燥処理および融着処理を行い、コンデンサの電極となる導電膜101Bを形成する。
本第四の実施例は、製造装置100を利用して抵抗器を含んだ電子回路を基材Kの表面に形成するものである。より詳細には、基材Kの表面に抵抗膜101Cと、この抵抗膜101Cを挟んだ導電膜101B、つまり電極とを形成するものである。
なお、本第四の実施例においては、走査型の溶液吐出装置20を用いている。
また、本第四の実施例において抵抗膜101Cを形成する際には、PGMEA、シクロヘキサン、カルビトールアセテート等が溶媒として用いられた溶液(以下、抵抗溶液とする)を溶液吐出装置20のノズル21に供給している。この抵抗溶液には、微細粒子としてNi‐CrやCr‐SiO、Cr‐MgF、Au‐SiO2、AuMgF、PtTa2O5、AuTa2O5Ta2、Cr3Si、TaSi2等の半導電性材料の粒子または導電性材料の微細粒子と絶縁性材料の微細粒子との混合物が用いられている。また、湿潤剤またはバインダとして、グリセリンやジエチレングリコール、エチレングリコール等が必要に応じて加えられている。
また、本第四の実施例において、導電膜101Bを形成する際には上記第三の実施例の溶液と同様の導電溶液を用いている。
まず、基材Kの表面に、抵抗膜101Cを形成する。
具体的には、まず、抵抗膜101Cを形成するべき領域に溶液吐出装置20を走査させて移動し、図9(a)(b)に示すように、抵抗溶液の液滴を吐出させ、基材Kの表面に液滴パターン(以下、抵抗液滴パターン)101cを形成する。なお、抵抗器の抵抗値は長さに比例し断面積に反比例するため、形成するべき抵抗器の抵抗値に応じて抵抗液滴パターン101cの幅、高さおよび長さ設定する。
そして、融着装置30のチャンバ内で乾燥処理および融着処理を行うことにより基材Kの表面に抵抗膜101Cを形成する。
具体的にはまず、導電溶液の液滴を吐出させつつ溶液吐出装置20を走査させて図10(b)や図11(b)に矢印で示すようにノズル21を動かす。これにより抵抗膜101Cを挟んで直線上に連なる導電液滴パターン101b,101bが形成される。なお、このとき形成される導電液滴パターン101b,101bは、図9〜図11のような形の他、種々の形状に変更可能である。
そして、第三の実施例における導電膜101Bの形成手順と同様に、融着装置30を用い、基材Kの表面に導電膜101B,101Bを形成する。
そして、基材Kの表面に着弾した微細な液滴に熱または光をあてることによって液滴中の分散剤が分解揮散し、液滴中の微細粒子同士が接触して融着するため、10[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材Kの表面に形成することができる、つまり数十[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材Kの表面に備えた回路基板を形成することができる。
また、微細粒子として半導電性材料からなるものを用い、これら微細粒子同士を融着させることにより、基材Kの表面に抵抗膜101Cを形成することができる。従って、例えばこの抵抗膜101Cの両端に導線を形成することにより、基材Kの表面に抵抗器を形成することができる。
また、微細粒子として絶縁性材料または誘電性材料からなるものを用い、これら微細粒子同士を融着させることにより、基材Kの表面に絶縁膜101Aを形成することができる。従って、例えばこの絶縁膜101Aを挟んで電極膜を形成することにより、基材Kの表面にコンデンサを形成することができる。
そして、乾燥処理及び融着処理を行うことにより、10[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材Kの表面に形成することができる、つまり数十[μm]よりも微細な線幅の電子回路を基材Kの表面に備えた回路基板を形成することができる。
なお、上記実施の形態においては、製造装置100によってコンデンサや抵抗器を形成することとして説明したが、有機および無機トランジスタ等、他の電子素子を形成することとしても良い。
本発明では、静電吸引型インクジェット方式において果たすノズルの役割を再考察し、
このような駆動電圧低下および微少量吐出実現の方策のための吐出条件等を近似的に表す式を導出したので以下に述べる。
以下の説明は、上記各本発明の実施形態で説明した液体吐出装置に適用可能である。
いま、半径rのノズルに導電性溶液を注入し、基材としての無限平板導体からhの高さに垂直に位置させたと仮定する。この様子を図12に示す。このとき、ノズル先端部に誘起される電荷は、ノズル先端の半球部に集中すると仮定し、以下の式で近似的に表される。
ところで、ノズル先端部に於ける集中電界強度Eloc. [V/m]は、先端部の曲率半径をR[m]と仮定すると、
今簡単のため、d/2=Rとする。これは、ノズル先端部に表面張力で導電性溶液がノズルの半径と同じ半径を持つ半球形状に盛り上がっている状態に相当する。
ノズル先端の液体に働く圧力のバランスを考える。まず、静電的な圧力は、ノズル先端部の液面積をS[m2]とすると、
静電的な力により流体の吐出が起こる条件は、静電的な力が表面張力を上回る条件なので、
この関係式より、Vとdの関係を求めると、
従来の電界に対する考え方、すなわちノズルに印加する電圧と対向電極間の距離によって定義される電界のみを考慮した場合では、微小ノズルになるに従い、吐出に必要な電圧は増加する。一方、局所電界強度に注目すれば、微細ノズル化により吐出電圧の低下が可能となる。
また、上記各実施形態において電極への印加電圧はプラス、マイナスのどちらでも良い。
さらに、ノズルと基材との距離は、500[μm]以下に保つことにより、溶液の吐出を容易にすることができる。また、図示しないが、ノズル位置検出によるフィードバック制御を行い、ノズルを基材に対し一定に保つようにする。
また、基材を、導電性または絶縁性の基材ホルダーに裁置して保持するようにしても良い。
まず吐出のためには、それ以上の電界でないと吐出しないというある一定の臨界電界Ecが存在する。この臨界電界は、ノズル径、溶液の表面張力、粘性などによって変わってくる値で、Ec以下での吐出は困難である。臨界電界Ec以上すなわち吐出可能電界強度において、ノズル基材間距離(L)と印加電圧の振幅(V)の間には、おおむね比例の関係が生じ、ノズル間距離を縮めた場合、臨界印加電圧Vを小さくする事が出来る。
逆に、ノズル基材間距離Lを極端に離し、印加電圧Vを大きくした場合、仮に同じ電界強度を保ったとしても、コロナ放電による作用などによって、流体液滴の破裂すなわちバーストが生じてしまう。そのため良好な吐出特性を得るためには、ノズル基材間距離は100[μm]程度以下に抑えることが吐出特性並びに、着弾精度の両面から望ましい。
3 溶液
20 溶液吐出装置
25 電圧印加手段
30 融着手段
100 回路基板の製造装置
K 基材
Claims (10)
- 溶液吐出装置によって基材の表面に電子回路を形成する回路基板の製造方法であって、
0.2[μm]より大きくかつ8[μm]以下の内径の吐出口を有するノズル内に供給された、互いに融着して電子回路をなすべき複数の微細粒子とこれら微細粒子を分散させている分散剤とを含有した溶液に、下記式(1)を満足する電圧Vを印加してこの溶液を帯電させることによりその液滴を前記吐出口から前記基材の表面に向かって吐出させ、
次に、前記基材の表面に着弾した液滴に熱または光をあてることによって前記微細粒子同士を融着させることを特徴とする回路基板の製造方法。
- 請求項1記載の回路基板の製造方法において、
前記微細粒子の平均粒径は100[nm]以下であることを特徴とする回路基板の製造方法。 - 請求項1または2記載の回路基板の製造方法において、
前記微細粒子は導電性材料からなることを特徴とする回路基板の製造方法。 - 請求項1または2記載の回路基板の製造方法において、
前記微細粒子は半導電性材料からなることを特徴とする回路基板の製造方法。 - 請求項1または2記載の回路基板の製造方法において、
前記微細粒子は絶縁性材料または誘電性材料からなることを特徴とする回路基板の製造方法。 - 請求項1から5の何れか一項に記載の回路基板の製造方法において、
前記吐出口の内径が4[μm]以下であることを特徴とする回路基板の製造方法。 - 溶液吐出装置によって基材の表面に電子回路を形成する回路基板の製造方法であって、
0.2[μm]より大きくかつ8[μm]以下の内径の吐出口を有するノズル内に供給された、互いに融着して電子回路をなす微細粒子を接着するための複数の接着粒子とこれら接着粒子を分散させている分散剤とを含有した溶液に、下記式(1)を満足する電圧Vを印加してこの溶液を帯電させることによりその液滴を前記吐出口から前記基材の表面に向かって吐出させ、
次に、前記基材の表面に着弾した液滴に前記微細粒子を散布してこれら微細粒子を前記接着粒子に接着させ、
次に、散布された微細粒子のうち、前記接着粒子に接着されていない微細粒子を前記基材の表面から除去し、
次に、前記基材の表面に熱または光をあてることによって前記微細粒子同士を融着させることを特徴とする回路基板の製造方法。
- 請求項1から7の何れか一項に記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする回路基板。
- 溶液吐出装置によって基材の表面に電子回路を形成する回路基板の製造装置であって、
前記基材に対向する0.2[μm]より大きくかつ8[μm]以下の内径の吐出口を有するノズル内に供給された、互いに融着して電子回路をなすべき複数の微細粒子とこれら微細粒子を分散させている分散剤とを含有した溶液に、下記式(1)を満足する電圧Vを印加してこの溶液を帯電させることによりその液滴を前記吐出口から前記基材の表面に向かって吐出させる電圧印加手段と、
前記基材の表面に着弾した液滴に熱または光をあてることによって前記微細粒子同士を融着させる融着手段とを備えることを特徴とする回路基板の製造装置。
- 請求項9に記載の回路基板の製造装置において、
前記吐出口の内径が4[μm]以下であることを特徴とする回路基板の製造装置。
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