JP6080869B2 - 金属膜形成方法、および印刷装置 - Google Patents

Description

本発明は、印刷装置を用いて回路基板上に金属膜を形成する金属膜形成方法および、印刷装置に関するものである。

回路基板上に金属膜を形成するための印刷装置は、回路基板を支持するステージと、金属粒子の分散された粒子分散液を吐出する吐出ヘッドとを備えている。その装置では、まず、粒子分散液が吐出ヘッドによって回路基板に吐出されることで、粒子分散液の塗膜が形成される。そして、その塗膜が加熱されることで、回路基板上に金属膜が形成される。下記特許文献に記載の印刷装置では、電磁波の照射により、粒子分散液の塗膜の加熱が行われている。

特開２００５−９５８４９号公報

金属粒子の分散された粒子分散液では、金属粒子の分散性を向上させるべく、金属粒子の表面に分散剤がコーティングされている。このため、粒子分散液の塗膜の加熱時には、まず、溶剤が蒸発し、その後に、分散剤が分解される。そして、複数の金属粒子が融着することで、金属膜が形成される。

上記特許文献に記載の印刷装置では、電磁波の照射により粒子分散液の塗膜の加熱が行われており、塗膜の内部の温度が急激に上昇する。このため、塗膜内において、溶剤の蒸発と分散剤の分解とが同時に進行し、分散剤が変質する虞がある。その変質した分散剤は、塗膜内に残留し、金属粒子の融着を阻害するため、緻密な金属膜が形成できない虞がある。

また、温風等により、粒子分散液の塗膜の加熱が行われる場合には、塗膜の表面から内部に向かって、溶剤の蒸発、分散剤の分解、および金属粒子の融着が進行する。このため、まず、塗膜の表面で金属粒子の融着が行われる。これにより、塗膜表面で融着した金属粒子によって、塗膜の内部に酸素が進入し難くなる。酸素は、分散剤の分解に必要であるため、表面が融着した金属粒子によって覆われた塗膜の内部では、分散剤の分解が適切に行われない場合がある。このような場合には、残留した分散剤によって、金属粒子の融着が阻害され、緻密な金属膜が形成できない虞がある。

本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、粒子分散液の塗膜を適切に加熱し、緻密な金属膜を形成することが可能な印刷装置および、その印刷装置を用いた金属膜形成方法の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、本願の請求項１に記載の金属膜形成方法は、回路基板を支持するステージと、金属粒子が溶剤中に分散された粒子分散液を、前記ステージに支持された前記回路基板に吐出する吐出ヘッドとを備えた印刷装置を用いて、前記回路基板上に金属膜を形成する金属膜形成方法であって、前記ステージに支持された前記回路基板に、前記吐出ヘッドによって前記粒子分散液を吐出することで、前記粒子分散液の塗膜を形成する塗膜形成工程と、前記塗膜形成工程において形成された前記塗膜を加熱する加熱工程とを含み、前記加熱工程が、前記回路基板に含まれる電磁波吸収材に電磁波を照射することで、前記塗膜の前記回路基板に接する側の面から加熱する工程である。

また、請求項２に記載の印刷装置は、回路基板を支持するステージと、金属粒子が溶剤中に分散された粒子分散液を、前記ステージに支持された前記回路基板に吐出する吐出ヘッドと、その吐出ヘッドを前記ステージ上の任意の位置に移動させる移動装置とを備えた印刷装置であって、前記吐出ヘッドが、前記ステージに支持された前記回路基板に、前記粒子分散液を吐出することで、前記粒子分散液の塗膜を形成し、当該印刷装置が、前記回路基板に含まれる電磁波吸収材に電磁波を照射することで、前記塗膜の前記回路基板に接する側の面から加熱する電磁波照射装置を備える。

また、請求項３に記載の印刷装置では、請求項２に記載の印刷装置において、前記電磁波照射装置が、前記吐出ヘッドに固定的に連結され、その吐出ヘッドと共に、前記移動装置によって任意の位置に移動可能とされたことを特徴とする。

請求項１に記載の金属膜形成方法および、請求項２に記載の印刷装置では、回路基板に含まれる電磁波吸収材に電磁波を照射することで、塗膜が回路基板に接する側の面から加熱される。これにより、溶剤の蒸発、分散剤の分解、および銀ナノ粒子の融着が、塗膜の下方から上方に向かって進行するため、銀ナノ粒子の融着は阻害されず、緻密な金属膜が形成される。また、塗膜が回路基板に接する側の面から加熱されることで、回路基板に接する金属粒子が効率的に回路基板の内部に拡散する。これにより、金属粒子による金属膜と回路基板との密着性を高くすることが可能となる。

また、請求項１に記載の金属膜形成方法および、請求項２に記載の印刷装置では、回路基板に電磁波吸収材が含まれている。そして、その電磁波吸収材に電磁波が照射されることで、塗膜が回路基板に接する側の面から加熱される。これにより、比較的に簡便な方法で、緻密な金属膜を形成することが可能となる。

また、請求項３に記載の印刷装置では、電磁波照射装置が、吐出ヘッドに固定的に連結され、その吐出ヘッドと共に、移動装置によって任意の位置に移動する。これにより、電磁波照射装置を移動させるための専用の装置を設ける必要が無くなる。また、吐出された粒子分散液に電磁波を照射する際に、電磁波照射装置を殆ど移動させる必要が無いため、高スループット化を図ることが可能となる。

本発明の実施例である印刷装置を示す図である 塗膜の下部に含まれる電磁波吸収材への電磁波の照射により、加熱される塗膜を示す断面図である。 塗膜と回路基板との間に含まれる電磁波吸収材への電磁波の照射により、加熱される塗膜を示す断面図である。 回路基板に含まれる電磁波吸収材への電磁波の照射により、加熱される塗膜を示す断面図である。 基板保持装置に含まれる電磁波吸収材への電磁波の照射により、加熱される塗膜を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例および変形例を、図を参照しつつ詳しく説明する。なお、本発明は、以下の実施例および変形例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することができる。

＜印刷装置の構成＞
図１に、本発明の実施例の印刷装置１０を示す。印刷装置１０は、回路基板１２に回路パターンを印刷するための装置である。印刷装置１０は、搬送装置２０と吐出ヘッド２２と照射装置２４と吐出ヘッド移動装置（以下、「移動装置」と略す場合がある）２６とを備えている。

搬送装置２０は、Ｘ軸方向に延びる１対のコンベアベルト３０と、コンベアベルト３０を周回させる電磁モータ（図示省略）とを有している。回路基板１２は、それら１対のコンベアベルト３０によって支持され、電磁モータの駆動により、Ｘ軸方向に搬送される。また、搬送装置２０は、基板保持装置３２を有している。基板保持装置３２は、１対のコンベアベルト３０の間に配設されており、コンベアベルト３０によって支持された回路基板１２を固定的に保持する。

吐出ヘッド２２は、インクジェット方式の吐出ヘッドとされており、導電性インク、具体的には、銀ナノ粒子ペーストを吐出する。銀ナノ粒子ペーストは、銀ナノ粒子の表面に分散剤がコーティングされており、その銀ナノ粒子が溶剤中に分散されたものである。その銀ナノ粒子ペーストを吐出する吐出ヘッド２２は、ヘッド本体３６と吐出ノズル３８とを有している。吐出ノズル３８は、ヘッド本体３６の下端部に装着されており、吐出ノズル３８には、銀ナノ粒子ペーストを吐出するための複数のノズル穴（図示省略）が形成されている。そして、電気信号に従って、圧電素子（図示省略）や熱による蒸気泡を駆動源として、銀ナノ粒子ペーストがノズル穴から吐出される。

照射装置２４は、電磁波、詳しくは、数ＭＨｚから数百ＧＨｚの比較的高周波の電磁波を照射する装置であり、吐出ヘッド２２のヘッド本体３６の下端部に装着されている。これにより、電磁波が、回路基板１２の上方から回路基板１２に向かって照射される。

移動装置２６は、Ｘ軸方向スライド機構５０とＹ軸方向スライド機構５２とによって構成されている。Ｘ軸方向スライド機構５０は、Ｘ軸方向に移動可能にベース５４上に設けられたＸ軸スライダ５６を有している。そのＸ軸スライダ５６は、電磁モータ（図示省略）の駆動により、Ｘ軸方向の任意の位置に移動する。また、Ｙ軸方向スライド機構５２は、Ｙ軸方向に移動可能にＸ軸スライダ５６の側面に設けられたＹ軸スライダ６０を有している。そのＹ軸スライダ６０は、電磁モータ（図示省略）の駆動により、Ｙ軸方向の任意の位置に移動する。そのＹ軸スライダ６０には、吐出ヘッド２２のヘッド本体３６が取り付けられている。このような構造により、吐出ノズル３８および照射装置２４は、移動装置２６によってベース５４上の任意の位置に移動する。

＜印刷装置の作動＞
上述した構成により、印刷装置１０では、回路基板１２の上面に、銀ナノ粒子ペーストが吐出されることで、銀ナノ粒子ペーストの塗膜が形成される。そして、その銀ナノ粒子ペーストの塗膜が加熱されることで、銀ナノ粒子が融着し、回路パターンが回路基板１２上に印刷される。具体的には、まず、印刷装置１０の作動を制御する制御装置（図示省略）の指令により、回路基板１２が作業位置まで搬送され、その位置において、回路基板１２が、基板保持装置３２によって固定的に保持される。

そして、吐出ヘッド２２が、移動装置２６の作動により回路基板１２の上方に移動する。続いて、吐出ノズル３８から、回路基板１２の上面に銀ナノ粒子ペーストが吐出される。これにより、図２に示すように、銀ナノ粒子ペーストの塗膜７０が、回路基板１２の上面に形成される。

銀ナノ粒子ペーストには、銀ナノ粒子とともに、粒子状の電磁波吸収材７２が溶剤中に分散されている。電磁波吸収材７２は、電磁波を吸収し易い材料、例えば、酸化銅，酸化銀，酸化ニッケル，カーボンブラック，カーボンナノチューブ，カーボンフラーレン等により成形されており、それの粒径は、銀ナノ粒子の粒径より大きくされている。具体的には、銀ナノ粒子の粒径は、数ｎｍ〜数百ｎｍであり、電磁波吸収材７２の粒径は、０．５μｍ〜５μｍである。このため、電磁波吸収材７２は、図２に示すように、塗膜７０の内部で沈降し、塗膜７０の下部に位置する。

そして、その塗膜７０に向かって、電磁波が、照射装置２４によって照射される。照射された電磁波は、塗膜７０内に沈降している電磁波吸収材７２に吸収され、塗膜７０を下方から加熱する。つまり、塗膜７０の回路基板１２に接する側の面から加熱する。これにより、塗膜７０を構成する銀ナノ粒子ペーストの溶剤が、塗膜７０の回路基板１２に接する側の面から順次、蒸発する。そして、塗膜７０の回路基板１２に接する側の面から順次、銀ナノ粒子の表面にコーティングされた分散剤が分解され、複数の銀ナノ粒子が互いに融着する。この際、塗膜７０の回路基板１２に接する側の面では、銀ナノ粒子が回路基板１２内に拡散する。そして、溶剤の蒸発、分散剤の分解、および銀ナノ粒子の融着が、塗膜７０の上面にまで進行すると、回路パターンが回路基板１２上に印刷される。つまり、回路基板１２に接する銀ナノ粒子が回路基板１２内に拡散し、銀ナノ粒子が、塗膜７０全体で融着することで、回路パターンが回路基板１２上に印刷される。

このように、印刷装置１０では、塗膜７０が回路基板１２に接する側の面から加熱されることで、回路基板１２に接する銀ナノ粒子が回路基板１２内に拡散し、銀ナノ粒子が、塗膜７０の下方から上方に向かって融着する。一方で、従来の印刷装置では、回路基板の上面に形成された銀ナノ粒子ペーストの塗膜は、電気炉等により加熱されていた。電気炉等を用いて銀ナノ粒子ペーストの塗膜が加熱される際には、まず、塗膜の表面において、溶剤の蒸発、分散剤の分解、および銀ナノ粒子の融着が行われ、溶剤の蒸発、分散剤の分解、および銀ナノ粒子の融着が、塗膜７０の内部に向かって進行する。

しかし、塗膜の表面において、銀ナノ粒子の融着が行われると、その融着した銀ナノ粒子によって、塗膜が覆われ、塗膜の内部に酸素が進入し難くなる。酸素は、分散剤の分解に必要であるため、塗膜内部での分散剤の分解が適切に行われない場合がある。このような場合には、残留した分散剤によって、銀ナノ粒子の融着が阻害され、緻密な金属膜、つまり、回路パターンが形成できない虞がある。

このようなことに鑑みて、印刷装置１０では、上述したように、塗膜７０内に電磁波吸収材７２が沈降しており、その電磁波吸収材７２に電磁波が照射されることで、塗膜７０が、回路基板１２に接する側の面から加熱されている。これにより、溶剤の蒸発、分散剤の分解、および銀ナノ粒子の融着が、塗膜７０の下方から上方に向かって進行するため、銀ナノ粒子の融着は阻害されず、緻密な金属膜が形成される。

また、塗膜７０が回路基板１２に接する側の面から加熱されることで、回路基板１２に接する銀ナノ粒子が効率的に回路基板１２内に拡散する。これにより、銀ナノ粒子による金属膜と回路基板１２との密着性を高くすることが可能となる。

さらに言えば、電気炉等による塗膜の加熱時には、回路基板１２全体が加熱される。一方、印刷装置１０では、塗膜７０に沈降している電磁波吸収材７２のみが加熱される。つまり、印刷装置１０では、加熱したい個所だけが加熱されており、金属膜成形時のエネルギー効率を高くすることが可能となる。これにより、加熱に要するエネルギーの抑制および、加熱に要する時間の短縮を図る可能となり、高スループット化，低コスト化等を実現することが可能となる。

＜変形例１＞
上記実施例では、塗膜７０内に沈降した電磁波吸収材７２に電磁波が照射されることで、塗膜７０が下方から加熱されているが、塗膜を下方から加熱可能な位置であれば、電磁波吸収材を様々な箇所に配置させることが可能である。具体的には、塗膜と回路基板との間に電磁波吸収材を配置し、その電磁波吸収材により塗膜を加熱する印刷装置を、変形例１の印刷装置８０として、図３に示す。なお、印刷装置８０は、銀ナノ粒子ペーストの塗膜および電磁波吸収材を除いて、印刷装置１０と同様の構成であるため、印刷装置１０と同様の機能の構成要素については、同じ符号を用いて説明を省略あるいは簡略に行う。

変形例１の印刷装置８０では、図３に示すように、基板保持装置３２に保持された回路基板１２上に、電磁波吸収材８２を含む溶液８４が塗布される。電磁波吸収材８２は、上記電磁波吸収材７２と同様の素材により成形されているが、それの粒径は、銀ナノ粒子の粒径より大きくなくてもよい。なお、溶液８４の塗布は、マスクとスキージとを用いたマスク印刷、吐出ヘッド等を用いた溶液８４の吐出等、種々の方法により行うことが可能である。

そして、回路基板１２上に塗布された溶液８４の上に、銀ナノ粒子ペーストが、吐出ヘッド２２によって吐出される。これにより、溶液８４の上に、銀ナノ粒子ペーストの塗膜８６が形成される。なお、この銀ナノ粒子ペーストには、銀ナノ粒子が分散されているが、電磁波吸収材は分散されていない。

溶液８４の上に塗膜８６が形成されると、その塗膜８６に向かって、電磁波が、照射装置２４によって照射される。照射された電磁波は、溶液８４に含まれる電磁波吸収材８２に吸収され、塗膜８６を下方から加熱する。これにより、塗膜８６でも、上記塗膜７０と同様に、溶剤の蒸発、分散剤の分解、および銀ナノ粒子の融着が、塗膜８６の下方から上方に向かって進行し、上記実施例と同様の効果を得ることが可能となる。

＜変形例２＞
上記実施例および変形例とは異なり、電磁波吸収材を回路基板内に配置させ、その電磁波吸収材により銀ナノ粒子ペーストの塗膜を加熱してもよい。具体的には、電磁波吸収材を含む回路基板上に銀ナノ粒子ペーストの塗膜を形成し、その電磁波吸収材により塗膜を加熱する印刷装置を、変形例２の印刷装置９０として、図４に示す。なお、印刷装置９０は、回路基板を除いて、印刷装置１０と同様の構成であるため、印刷装置１０と同様の機能の構成要素については、同じ符号を用いて説明を省略あるいは簡略に行う。

変形例２の印刷装置９０では、図４に示すように、回路基板９２に電磁波吸収材９６が含有されている。そして、その回路基板９２の上に、銀ナノ粒子ペーストが、吐出ヘッド２２によって吐出されることで、銀ナノ粒子ペーストの塗膜９８が形成される。なお、この銀ナノ粒子ペーストには、銀ナノ粒子が分散されているが、電磁波吸収材は分散されていない。

回路基板９２の上に塗膜９８が形成されると、その塗膜９８に向かって、電磁波が、照射装置２４によって照射される。照射された電磁波は、回路基板９２に含まれる電磁波吸収材９６に吸収され、塗膜９８を下方から加熱する。これにより、塗膜９８でも、上記塗膜７０と同様に、溶剤の蒸発、分散剤の分解、および銀ナノ粒子の融着が、塗膜９８の下方から上方に向かって進行し、上記実施例と同様の効果を得ることが可能となる。

＜変形例３＞
上記実施例および変形例とは異なり、回路基板を保持する基板保持装置内に電磁波吸収材を配置させ、その電磁波吸収材により銀ナノ粒子ペーストの塗膜を加熱してもよい。具体的には、電磁波吸収材を含む基板保持装置によって回路基板を保持し、その回路基板上に形成された銀ナノ粒子ペーストの塗膜を、基板保持装置に含まれる電磁波吸収材により加熱する印刷装置を、変形例３の印刷装置１００として、図５に示す。なお、印刷装置１００は、基板保持装置を除いて、印刷装置１０と同様の構成であるため、印刷装置１０と同様の機能の構成要素については、同じ符号を用いて説明を省略あるいは簡略に行う。

変形例３の印刷装置１００では、図５に示すように、基板保持装置１０２に電磁波吸収材１０６が含有されており、その基板保持装置１０２によって回路基板１２が保持されている。そして、その回路基板１２の上に、銀ナノ粒子ペーストが、吐出ヘッド２２によって吐出されることで、銀ナノ粒子ペーストの塗膜１０８が形成される。なお、この銀ナノ粒子ペーストには、銀ナノ粒子が分散されているが、電磁波吸収材は分散されていない。

回路基板１２の上に塗膜１０８が形成されると、その塗膜１０８に向かって、電磁波が、照射装置２４によって照射される。照射された電磁波は、基板保持装置１０２に含まれる電磁波吸収材１０６に吸収され、回路基板１２を加熱する。そして、加熱された回路基板１２によって、塗膜１０８が回路基板１２に接している側の面から加熱される。つまり、塗膜１０８が、電磁波の照射により、回路基板１２を介して下方から加熱される。これにより、塗膜１０８でも、上記塗膜７０と同様に、溶剤の蒸発、分散剤の分解、および銀ナノ粒子の融着が、塗膜１０８の下方から上方に向かって進行し、上記実施例と同様の効果を得ることが可能となる。

ちなみに、上記実施例において、印刷装置１０は、印刷装置の一例である。回路基板１２，９２は、印刷媒体の一例である。吐出ヘッド２２は、吐出ヘッドの一例である。照射装置２４は、電磁波照射装置の一例である。移動装置２６は、移動装置の一例である。基板保持装置３２，１０２は、ステージの一例である。塗膜７０，８６，９８，１０８は、塗膜の一例である。電磁波吸収材７２，８２，９６，１０６は、電磁波吸収材の一例である。銀ナノ粒子ペーストは、粒子分散液の一例であり、銀ナノ粒子は、金属粒子の一例である。

また、上記実施例および変形例での銀ナノ粒子による金属膜の形成方法が、金属膜成形方法の一例である。吐出ヘッド２２によって銀ナノ粒子ペーストを回路基板１２，９２の上に吐出し、銀ナノ粒子ペーストの塗膜７０，８６，９８，１０８を形成する工程が、塗膜形成工程の一例である。塗膜７０内に沈降した電磁波吸収材７２、溶液８４に含まれる電磁波吸収材８２，回路基板９２に含まれる電磁波吸収材９６，基板保持装置１０２に含まれる電磁波吸収材１０６に電磁波を照射することで、塗膜７０，８６，９８，１０８を加熱する工程が、加熱工程の一例である。回路基板１２の上に溶液８４を塗布する工程が、塗布工程の一例である。

１０：印刷装置 １２：回路基板（印刷媒体） ２２：吐出ヘッド ２４：照射装置（電磁波照射装置） ２６：移動装置 ３２：基板保持装置（ステージ） ７０：塗膜 ７２：電磁波吸収材 ８２：電磁波吸収材 ８６：塗膜 ９２：回路基板（印刷媒体） ９６：電磁波吸収材 ９８：塗膜 １０２：基板保持装置（ステージ） １０６：電磁波吸収材 １０８：塗膜

Claims (3)

1. 回路基板を支持するステージと、
   金属粒子が溶剤中に分散された粒子分散液を、前記ステージに支持された前記回路基板に吐出する吐出ヘッドと
   を備えた印刷装置を用いて、前記回路基板上に金属膜を形成する金属膜形成方法において、
   当該金属膜形成方法が、
   前記ステージに支持された前記回路基板に、前記吐出ヘッドによって前記粒子分散液を吐出することで、前記粒子分散液の塗膜を形成する塗膜形成工程と、
   前記塗膜形成工程において形成された前記塗膜を加熱する加熱工程と
   を含み、
   前記加熱工程が、
   前記回路基板に含まれる電磁波吸収材に電磁波を照射することで、前記塗膜の前記回路基板に接する側の面から加熱する工程である金属膜形成方法。
2. 回路基板を支持するステージと、
   金属粒子が溶剤中に分散された粒子分散液を、前記ステージに支持された前記回路基板に吐出する吐出ヘッドと、
   その吐出ヘッドを前記ステージ上の任意の位置に移動させる移動装置と
   を備えた印刷装置において、
   前記吐出ヘッドが、
   前記ステージに支持された前記回路基板に、前記粒子分散液を吐出することで、前記粒子分散液の塗膜を形成し、
   当該印刷装置が、
   前記回路基板に含まれる電磁波吸収材に電磁波を照射することで、前記塗膜の前記回路基板に接する側の面から加熱する電磁波照射装置を備える印刷装置。
3. 前記電磁波照射装置が、
   前記吐出ヘッドに固定的に連結され、その吐出ヘッドと共に、前記移動装置によって任意の位置に移動可能とされた請求項２に記載の印刷装置。

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