JP4532321B2 - 導電パターン形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板上に導電パターンを形成する形成装置に関する。

従来、回路基板上などに任意の導電パターンを形成する方法として、リソグラフィー技術、エッチング技術、およびめっき技術を組み合わせた方法が一般的であった。しかし、この方法は設計や作成に時間がかかり高度な加工技術も必要とする露光用のマスクを必要とし、また、一連の工程が複雑であるため長い作成時間と高いコストがかかっていた。そのため、多品種少量生産などのようにマスクに修正が必要になると、コストの増大や納期の遅れなどが課題であった。それだけでなく、レジストやエッチング液など多量の環境有害物質の使用が不可欠であるため、廃棄物の管理や処理にコストがかかっていた。

これに対し、工程が簡便な導電パターン形成方法として、導電性粒子と結着樹脂などを溶媒中に分散した導電ペーストを用い、製版されたメッシュを通すことでパターン形成を行うスクリーン印刷法、同じく導電ペーストをもちいてディスペンサーやインクジェット技術などノズル走査により基板に直接パターン形成を行う直接描画法が提案されている。

しかしながら、スクリーン印刷法では、パターン形成に必須となる印刷用スクリーンの製版が簡便とは言いがたいため、パターン変更が多く要求される少量多品種物の生産時は、多量のスクリーン製版が必要となり、製版時間とコストの増大が課題であった。また、スクリーン自体が廃棄物となるため、その管理や処理にかかるコストも課題であった。一方、ディスペンサーやインクジェットなどの直接描画方式も、ノズルの走査により直接基板上に無機材料パターンを描画するため、印刷時間が非常に長くなり、大量生産や大面積パターン形成に対応できないという課題があり、実用化には至っていない。

そのため、近年、新たな導電パターン形成方法として、樹脂中に導電性金属粒子を内添したトナーを用い、静電気力を利用して絶縁基板上に所望の導電パターンを形成する方法が注目されるようになった（例えば、特許文献1参照）。この方式は、印刷に近い方式であるため、大量生産や大面積パターン形成に対応可能であるだけでなく、導電パターンの変更が容易にできるため、多品種少量生産にも最適である。

しかし、この方法では導電材料となる導電性金属粒子をトナー内に内添させて用いるため、導電性金属粒子間にトナーバインダーである絶縁性樹脂成分が介在し、通常の回路基板に要求される抵抗値を実現できなかった。

上記の課題の対策として、例えば、特許文献１では基板としてセラミックグリーンシートを用いて、高温焼成によりバインダ樹脂を除去する方法を検討している。また、特許文献２では導電性金属粒子をめっき核とし、配線を形成する方法が検討されている。

特開２００4−１８４５９８号公報 特開２００４−４８０３０号公報

前記特許文献１の方法では、配線回路として十分な抵抗値は得られていないだけでなく、セラミックのような耐熱性の高い基板に限定されるため、エポキシ樹脂などの耐熱性の低い樹脂基板の適用ができなかった。

また特許文献２の方法では、樹脂層の除去やめっきなどの工程が必須となり、作成時間やコストが増大する問題があった。

本発明は、このような問題点を解決した新たな方法による導電パターン形成装置を実現するためになされたものであり、基板の限定やめっきなどの新たな工程増加をすること無く、工程が簡便で、コストや作製時間や環境負荷が少なく、高い生産性、大面積への対応、パターン容易変更可能な静電気力を利用した導電パターン形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、誘電性薄膜体表面に静電パターンを形成する静電潜像形成手段、その静電潜像に導電性粒子分散溶液を接触供給して導電パターンを現像形成する現像手段を具備する導電パターン形成装置において、導電性粒子分散溶液を表面にはイオン性有機分子が吸着している粒径が１００ｎｍ以下の導電粒子が無極性溶媒中に分散したものとすることを特徴とする。

本発明の導電パターン形成装置によれば、基板の限定やめっきなどの新たな工程を増加させること無く、工程が簡便で、コストや作成時間や環境負荷が少なく、高い生産性、大面積への対応、パターン容易変更可能な導電パターン形成装置を実現できる。さらに、３００℃以下の加熱で導電粒子を十分に融着し、イオン性有機分子を容易に焼成気化させる事ができ、基板の変形や変性を防ぐことができる。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

図1は、本発明の導電パターン形成装置の１例を模式的に示したものである。本装置は主に、ドラム状の感光体を形成している誘電性薄膜４の表面を一様に帯電する帯電装置１と、一様帯電された誘電性薄膜４の表面に光を照射して静電潜像を形成する露光装置３と、静電潜像に導電粒子を付着させて現像するために導電粒子分散溶液７を内部に備えた現像装置６と、現像された像を基板８に転写する転写装置９と、基板８上の像を加熱溶融して基板８に定着させるための加熱装置１３により構成される。

本発明の静電潜像の形成手段としては、誘電性薄膜体４として感光性を有するものを使用している。また誘電性薄膜体４の表面を一様帯電する帯電装置１としては、コロトロン帯電、ローラ接触帯電、ブラシ接触帯電などのうちの１つを用いている。帯電装置１により、誘電性薄膜体４の表面を一様に帯電した状態２にする。その後、パソコンなどの画像情報処理装置からの画像信号に応じてレーザ光を走査する露光装置３により誘電性薄膜体４表面の任意の部分に光を照射し、目的の静電潜像５を形成する。なお、帯電装置１やレーザ光による露光装置３を用いずに、予め目的のパターン形状を表面に加工した静電潜像転写体の凸部分に静電荷を付与し、これを誘電性薄膜体１の表面に接触させるスタンプ帯電により目的の静電潜像５を形成する方法もある。しかし、スタンプ帯電では型を使うため、形成する静電潜像を簡単に変更できないという欠点がある。静電潜像５の容易な変更を実現するには、前者の一様に帯電した静電潜像２の露光による静電潜像パターン５形成方法を用いることが好ましい。なお、いずれの方法においても、付与される静電潜像は、正電荷および負電荷のどちらによるものでも構わない。

本発明の現像装置６では、誘電性薄膜体４の表面に形成された静電潜像５に導電性粒子分散溶液７を接触、供給して導電粒子で導電パターンを現像形成する。そのため、現像装置６は導電粒子分散溶液７を貯蔵する貯蔵タンクと、誘電性薄膜体４上の静電潜像５に供給する供給手段を具備している。なお図示していないが、貯蔵タンク内には導電性粒子分散溶液７の濃度を検出する濃度検出手段を設けて有る。この濃度検出手段により得られた濃度情報に基づいて、無極性溶媒１５、または導電粒子１７（図２参照）を添加することにより濃度を調整する濃度調整手段が設けてある。また、導電性粒子分散溶液７を誘電性薄膜体４上に供給する供給手段としては、図１に示すように回転ロールの表面上に導電性粒子分散溶液７の層を形成し、これを静電潜像に接触させる構成がある。また他に、ノズルにより導電性粒子分散溶液７を吹き付ける方式や、導電性粒子分散溶液７を貯めた溶液中に静電潜像５を形成した誘電性薄膜体４を浸す方式などが挙げられる。

次に、図１の装置の動作を説明する。

まず、装置を起動すると感光体ドラム表面に形成された誘電性薄膜体４上の静電潜像５を消去する消去手段（イレーザ）１０が動作し、続いて清掃装置（クリーナ）１１により表面に残留する導電性粒子１７が取り除かれる。その後消去手段１０停止され、清掃装置１１がドラム表面から離間される。次に、帯電装置１により誘電性薄膜４の表面が一様帯電される。次に、図示していないパソコンなどの画像処理装置から送られてきた画像信号に基づいて、露光装置３が一様帯電されている誘電性薄膜体４上に光を照射することで静電潜像５を形成する。次に、現像装置６に設けた現像ロールを感光体ドラムに接触回転することで導電性粒子分散液７中の導電粒子１７を静電潜像５に付着させて可視化する。可視化された像は転写装置９にて基板８に転写する。

導電性粒子１７で形成された像を転写された基板８は、加熱装置１５側に搬送され、そこで加熱されて導電性粒子が溶融されて基板８に定着１４される。またこの加熱により、導電粒子の外側に付着してるイオン性有機分子は気化して取り除かれる。

本発明の導電性粒子分散溶液７の詳細を図２に示す。本発明の導電性粒子分散溶液７は、表面にイオン性有機分子１６が吸着した粒径１００ｎｍ以下の導電粒子１７を無極性溶媒１５中に分散させてなる。このイオン性有機分子１６は導電粒子に電荷を付与する働きと、粒子間の凝集を防止するために設けているものである。

本発明のイオン性有機分子１６は、高分子の場合は、ポリスチレン、ポリ−ｐ−クロルスチレン、ポリビニルトルエン、スチレン−ｐ−クロルスチレン共重合体、スチレン−ビニルトルエン共重合体等のスチレンおよびその置換体の単独重合体およびそれらの共重合体、スチレン−アクリル酸メチル共重合体、スチレン−アクリル酸エチル共重合体、スチレン−アクリル酸−ｎ−ブチル共重合体等のスチレンとアクリル酸エステルとの共重合体、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体、スチレン−メタクリル酸エチル共重合体、スチレン−メタクリル酸−ｎ−ブチル共重合体等のスチレンとメタクリル酸エステルとの共重合体、スチレンとアクリル酸エステルとメタクリル酸エステルとの多元共重合体、その他スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ビニルメチルエーテル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−ビニルメチルケトン共重合体、スチレン−マレイン酸エステル共重合体等のスチレンと他のビニル系モノマーとのスチレン系共重合体、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート等のメタクリル酸エステル樹脂、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等のアクリル酸エステル樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、シクロオレフィン共重合体等の、単独または混合した高分子樹脂に、カルボン酸基やアミノ酸基などのイオン性を付与できる官能基が付いたものが挙げられる。

低分子量の有機分子の場合は、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、アジピン酸、グルタル酸、２，４−ジエチルグルタル酸、２，４−ジエチルグルタル酸、ピメリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、シクロヘキサンジカルボン酸、マレイン酸、フマル酸、ジグリコール酸などのジカルボン酸や、カプリル酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキン酸、ベヘニン酸、リノール酸、オレイン酸、リノレン酸などの脂肪酸や、乳酸、ヒドロキシピバリン酸、ジメチロールプロピオン酸、クエン酸、リンゴ酸、グリセリン酸などのヒドロキシカルボン酸、などの脂肪族カルボン酸による脂肪族カルボン酸イオン19と、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなどの無機イオン１８、からなる脂肪族カルボン酸無機塩などが挙げられる。この時、低抵抗化のために導電パターン中の有機分子成分を低下させ、かつポリイミドなどの樹脂基板上への導電性パターン形成を実現させるため低温焼成をするには、図３に示すような後者の低分子量の有機分子であることが好ましい。

本発明の導電粒子１７の粒径は低温融着や高解像度化を実現するために１００ｎｍ以下である必要があるが、２００度以下の加熱により融着するためには、更に１０ｎｍ以下であることが好ましい。更に、１００ｎｍ以下の線幅の導電パターン形成を実現するには、５ｎｍ以下であることが好ましい。導電粒子１７の成分はＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなどの単体金属やその酸化物、更にはそれらの合金であるものが挙げられるが、導電体として用いるためには、体積抵抗率の低いＡｇ、Ｃｕを用いることが好ましい。また、導電粒子はここにあげた物を複数混合したものでも良い。

本発明の無極性溶媒１５は、脂肪族炭化水素系溶媒であることが好ましく、イソパラフィン系、石油ナフサ系、アイソパー（エクソン社）、ＩＰソルベント（出光石油社）、ソルトール（フィリップス石油社）、その他の炭化水素などがあげられる。

以下、本発明の無機微粒子分散媒の作成について、具体的な例をあげるが、特にこの方法に限定されるものではない。

特級メタノール（和光化学製）１００ｍｌ中にステアリン酸銀（和光化学製）３．５ｇを投入し加熱還流を行い完全に溶解させた。そこに、純水２５ｍｌ中に硝酸銀（和光化学製）を１．５ｇ投入し溶解した硝酸銀水溶液を１０分かけて滴下した。すると、溶液中に白色沈殿物が発生した。滴下終了後、更に３０分加熱攪拌した後、装置を室温まで冷却し、上記白色沈殿部を濾過、乾燥したところ白色のステアリン酸銀を５．０ｇ得た。次に、得られたステアリン酸銀１．０ｇを炉に投入し、窒素下２５０度で４時間加熱したところ、紫色の個体を得た。上記固体をアルコールで洗浄後、アイソパーＨ（エクソン社製）１０ｍｌに１００ｍｇ投入し、５分超音波照射を行い、３０分６０度で加熱したところ、静置しても沈降の見られない茶色の銀粒子分散液を得た。この時、粒径は１０ｎｍであることを確認した。更に、この銀粒子分散液中にステンレス電極板を浸し、電極間距離１ｍｍで１０Ｖの直流電荷を１ｍｉｎ印加したところ、陽極側への粒子の電着を確認した。よって、分散媒中の銀粒子は負に帯電している事が分かった。

本発明における導電パターン形成する現像装置６によって、誘電性薄膜体４上に現像された導電粒子パターン１２を基板８上に転写する転写手段９を具備する。また、誘電性薄膜体上に形成された導電粒子パターンを一旦中間転写体上に転写した後に、基板８上に転写する構成としても良い。この時、導電パターンが転写される基板８は絶縁性を有していることが必要である。

本発明における導電パターン形成装置において基板８上に転写された導電粒子パターン１２を、基板８上に定着し、導電パターン１４とするための加熱手段１３を具備する。この時、加熱手段１３は導電粒子１７を融着させるだけ出なく、導電粒子表面のイオン性有機分子１６を焼成することで気化させ、溶融した導電粒子のみ残るようにした。また、加熱と同時に導電粒子パターン１２を基板８上に加圧できる機能を有していても良い。この時の加熱温度は、導電粒子を十分に融着し、イオン性有機分子を焼成・気化させ、かつ基板８の変形や変性を防ぐために３００℃以下であることが好ましい。この時、気化された有機物成分を排気する排気手段を設置しても良い。

以下、本発明の加熱による導電パターン形成について、他の実施例をあげるが、特にこの方法に限定されるものではない。

本実施例では、ポリイミド上に形成した０．５ｍｍ×８ｍｍの導電粒子パターンを、ホットプレートにより２５０度で１時間加熱し、表面に金属光沢をもつ０．５ｍｍ×８ｍｍの銀による導電パターンを得た。

本実施例における導電パターン形成装置において、現像された後の導電パターンの溶媒成分を乾燥蒸発させる乾燥手段を設けても良い。更に、蒸発した溶媒を液化させ、現像装置６に戻し、再び導電粒子分散溶液７の濃度希釈用の無極性溶媒１５としてリサイクルしても良い。

本発明における導電パターン形成装置において、誘電性薄膜体４は導電パターンを転写後、再び潜像形成され導電粒子パターン１２を現像される構成であっても良い。形状としてはベルト状またはドラム状であることが好ましい。また、この時、転写後の誘電性薄膜体の残留静電潜像を消去する手段（イレーザ）１０、および残留した導電粒子１７を除去・回収するクリーニング手段１１を有することが好ましい。クリーニング手段１１としては、誘電性薄膜体４にブレードを接触させ掻きとる方法や、溶媒により洗い流す方法が挙げられる。また、除去・回収された導電粒子１７は、現像手段７に戻されて、再び導電粒子分散溶液７中に分散されてリサイクルされても良い。

次に、本発明の他の実施例を図４を用いて説明する。先の実施例ではドラム状の誘電体表面を一様帯電してそこに光を照射して静電潜像を形成するものであったが、本実施例では、予めパターンを形成したマスクを用いる方法である。

本発明の静電潜像の形成手段は、図４のように、まず、誘電性薄膜体４表面に任意のパターンを有するマスク２０を密接させる。次に、マスク２０の上部より帯電手段１により帯電する。これにより、パターンの形成されている開口部を通して誘電性薄膜体４の表面が帯電される。その後、マスク２０を除去することで、誘電性薄膜体４の表面には静電潜像パターン５が形成される構成である。この時、誘電性薄膜体４の帯電付与面逆側の面は導電性薄膜層２１を有し、さらに該導電性薄膜層２１は接地状態であることが好ましい。

ここで、本実施例の静電潜像の現像について、具体的な例をあげるが、特にこの方法に限定されるものではない。

本発明では、片面に８μｍ厚の銅箔上にポリイミド膜（45μｍ）が形成された基板を用意した。この基板のポリイミド膜上に０．５ｍｍ×８ｍｍのパターンを有する金属マスクを密接させ、その上から、コロナ帯電器により帯電を行い、表面電位約１０００Vの静電潜像パターンを得た。得られた静電潜像を持つポリイミド基板を導電性粒子分散溶液に１秒間浸し、１０分自然乾燥することにより、０．５ｍｍ×８ｍｍのパターンの銀粒子集合膜を得た。なお、上記の操作の間は全てポリイミド膜の反対側の面の銅箔側は接地状態であった。

本発明における導電パターン形成装置において、形成された導電パターンは、例えばパーソナルコンピュータ、大型電子計算機、ノート型パソコン、ペン入力パソコン、ノート型ワープロ、携帯電話、携帯カード、腕時計、カメラ、電気シェーバ、コードレス電話、ファックス、ビデオ、ビデオカメラ、電子手帳、電卓、通信機能付き電子手帳、携帯コピー機、液晶テレビ、電動工具、掃除機、バーチャルリアリティ等の機能を有するゲーム機器、玩具、電動式自転車、医療介護用歩行補助機、医療介護用車椅子、医療介護用移動式ベッド、エスカレータ、エレベータ、フォークリフト、ゴルフカート、非常用電源、ロードコンディショナ、電力貯蔵システムなどの基板配線として使用することが出来る。また、民生用のほか、軍需用、宇宙用としても用いることができる。

本発明における導電パターン形成装置の該略図である。 本発明における導電粒子分散溶液の概略図である。 低分子量のイオン性有機分子を有する導電粒子の概略図である。 本発明の導電パターン形成装置の他の実施例。

符号の説明

１…帯電手段、２…静電潜像、３…露光手段、４…誘電性薄膜体、５…静電潜像パターン、６…現像手段、７…導電性粒子分散溶液、８…基板、９…転写手段、１０…残留潜像消去装置、１１…残留導電粒子クリーニング装置、１２…導電粒子パターン、１３…加熱手段、１４…導電パターン、１５…無極性溶媒、１６…イオン性有機分子、１７…導電粒子、１８…無機イオン、１９…脂肪酸イオン、２０…マスク、２１…導電性薄膜層。

Claims (6)

1. 誘電性薄膜体表面に静電潜像を形成する静電潜像形成手段と、前記静電潜像に導電性粒
   子分散溶液を接触供給し、導電粒子で現像する現像手段を具備した導電パターン形成装置
   において、
   前記導電性粒子分散溶液が、表面に電荷を付与するイオン性有機分子を吸着している粒径が１００ｎｍ以下の銀、銀酸化物又はそれらの合金からなる導電粒子を無極性溶媒中に分散させて前記イオン性有機分子により導電粒子に電荷を付与し、
   前記誘電性薄膜体表面に形成された導電パターンを導電パターン形成基材上に転写する転写手段を具備し、前記基材上に転写された導電パターンを加熱融着する加熱手段を具備することを特徴とする導電パターン形成装置。
2. 請求項１記載の導電パターン形成装置において、
   前記導電パターンを中間転写体上に転写する転写手段と、前記中間転写体上に転写され
   た導電パターンを導電パターン形成基材上に転写する転写手段を具備することを特徴とす
   る導電パターン形成装置。
3. 請求項１または２記載の導電パターン形成装置において、
   前記導電粒子の粒径を１０ｎｍ以下とし、前記加熱手段の２００度以下の加熱により前記導電パターン形成基材上に導電パターンを融着することを特徴とする導電パターン形成装置。
4. 請求項１または２記載の導電パターン形成装置において、
   前記導電粒子の粒径を５ｎｍ以下とし、前記加熱手段の２００度以下の加熱により前記導電パターン形成基材上に導電パターンを融着することを特徴とする導電パターン形成装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の導電パターン形成装置において、
   前記静電潜像形成手段が、構成材料を光照射により前記照射部の表面電荷を失う感光性
   材料で形成された誘電性薄膜体と、前記誘電性薄膜体表面に放電または接触により電荷を付与して静電荷を形成する静電荷付与手段と、前記誘電性薄膜体表面の静電荷に光を照射して静電潜像パターンを形成する露光手段を具備することを特徴とする導電パターン形成装置。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の導電パターン形成装置において、
   前記誘電性薄膜体が感光性を有しており、前記誘電性薄膜体表面を一様に帯電させる帯
   電手段と、一様帯電された誘電性薄膜体表面の任意の部位に光を照射する露光手段からな
   ることを特徴とする導電パターン形成装置。

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