JP6502204B2 - 回路基板とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、結晶性樹脂からなる基板上に回路パターンを有している回路基板と、その製造方法に関する。

基板上に回路パターンが形成された回路基板が知られている。
特許文献１には、基板の主平面にビーム加工により形成された溝に導電材料を充填して回路パターンを形成する回路基板の製造方法の発明が記載されている。基板としてアルミナ基板が記載され（段落番号００３０）、ビーム加工として、レーザ光や電子ビームなどが例示され（段落番号００２１）、導電材料として導電ペーストを塗布することが記載されている（段落番号００３７）。

特許文献２には、基板上に溝パターンが形成され、溝パターン内に導体層が形成された導体パターンを有する回路基板の発明が記載されている。
基板としてフッ素樹脂などの樹脂基板を使用することが記載され、溝パターンがパルス幅１０ｐｓ以下のレーザー光を使用して形成することが記載され、導体層がめっきを使用することが記載されている（特許請求の範囲）。

特許文献３には、表面が絶縁層であるプリント基板上にレーザを照射して穴と溝を形成して、穴と溝に導電物質を充填して導体パターンを形成するプリント基板の製造方法の発明が記載されている（特許請求の範囲）。
表面が絶縁層であるプリント基板は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂で形成されていること（段落番号００１４）、導体パターンは電解銅めっきにより形成されることが記載されている（段落番号００１８）。

特開平９−２４６６９６号公報 特開２００７−８８２８８号公報 特開２００８−１４７２４２号公報

本発明は、結晶性樹脂からなる基板表面に回路パターンを有している回路基板と、その製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、基板表面に回路パターンを有している回路基板であって、
前記基板が結晶性樹脂からなる成形体であり、
前記回路パターンが、前記基板の表面に形成され、内部に黒色層を有している溝と、前記溝内部に充填された導体からなるものである、回路基板を提供する。

本発明は、上記の回路基板の製造方法であって、
結晶性樹脂からなる基板に波長２μm以上のレーザー光をパルス幅０．０５〜１．０μsecで照射して回路パターンとなる黒色層を有する溝を形成する工程、
前記溝内部に導体形成材料を充填する工程、
加熱して前記導体形成材料を硬化させることで回路パターンを形成する工程を有している、回路基板の製造方法を提供する。

本発明によれば、簡単な製造工程によって、基板と回路パターンの密着性の良い回路基板が得られる。

（ａ）は、本発明の一実施形態である回路基板の斜視図、（ｂ）は、（ａ）の一側面図であり、分かり易くするため、回路パターンは拡大して示している。 （ａ）は、本発明の別実施形態である回路基板の斜視図、（ｂ）は、（ａ）の一部断面図であり、分かり易くするため、回路パターンは拡大して示している。 （ａ）は、本発明の別実施形態である回路基板の斜視図、（ｂ）は、（ａ）の一部断面図であり、分かり易くするため、回路パターンは拡大して示している。 （ａ）〜（ｄ）は、図１（ａ）の回路基板の製造方法を説明するためのフロー図。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図４（ｂ）〜（ｄ）に対応する平面図。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図４（ｂ）〜（ｄ）に対応する幅方向断面図。 レーザー照射による溝の形成方法の一実施形態を示す斜視図。 溝内部に導体形成材料を充填する工程の一実施形態を示す正面図。 本発明の回路基板の製造方法を利用した電子回路基板の製造方法を説明するためのフロー図。 実施例１で得たレーザー照射後の基板の厚さ方向断面図の光学顕微鏡写真（５００倍）。

＜回路基板＞
図１（ａ）の回路基板１は、基板２上に回路パターン６を有している。
基板２は、結晶性樹脂からなるものである。
結晶性樹脂は、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）、芳香族ポリアミド（ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリアミドＭＸＤ６から選ばれるものを使用することができる。

図１（ａ）に示す基板２は、段差面を含む合計で八面の平面からなるものであるが、平面のみからなるものでもよい。
図１（ａ）では、回路パターン６は、面３ａ、面３ｂ、面３ｃの三面にまたがって形成されているが、さらに他の面にも形成されていてもよい。
面３ａ、面３ｂ、面３ｃは、必要に応じて凹凸を有していてもよい。
面３ａと面３ｃは、いずれも厚さ方向に反対側の面４からの高さ（厚さ）が同一であり、かつ面４と平行になっている。
面３ｂは、面３ａと面３ｃの面４からの高さ（厚さ）の違いにより傾斜面（段差面）になっている。
面３ｂと面３ｃの間の角度（仰角）α１は特に制限されないが、例えば３０〜９０°の範囲になるようにすることができる。

図１（ｂ）に示すように、回路パターン６は、基板２の面３ａ、面３ｂ、面３ｃの三面にまたがって形成された溝７と、溝７内部に充填された導体８からなるものである。
溝７の内部の一部表面は黒色層７ａを有しており、黒色層７ａがある部分は、黒色層７ａの上に導体８が存在している。黒色層７ａは、光学顕微鏡による観察で黒色に見える層であり、基板２を構成する結晶性樹脂に由来する炭化物を含む層であると考えられる。

溝７の幅は、０．０５〜２ｍｍが好ましく、０．１〜１．５ｍｍが好ましい。
溝７の深さは、０．０５〜１ｍｍが好ましく、０．１〜０．５ｍｍがより好ましい。
溝７の内部の表面粗さ（Ｒａ）は１〜５０μmが好ましく、１〜２５μmがより好ましく、３〜１０μmがさらに好ましい。
表面粗さ（Ｒａ）は、溝７に黒色層７ａが形成されている部分は、黒色層７ａの表面粗さ（Ｒａ）である。
導体８は、銀、銀合金、金、金合金、はんだなどを使用することができる。

図２（ａ）の回路基板１１は、基板１２上に回路パターン１６を有している。
基板１２は、図１の回路基板１と同じ結晶性樹脂から選ばれるものを使用することができる。

基板１２は、立方体または直方体である。
図２（ａ）では、回路パターン１６は、隣接する面１３と面１４の二面にまたがって形成されているが、さらに他の面にも形成されていてもよい。
面１３と面１４は、必要に応じて凹凸を有していてもよい。

図２（ｂ）に示すように、回路パターン１６は、基板１２の面１３と面１４にまたがって形成された溝１７と、溝１７内部に充填された導体１８からなるものである。
溝１７の内部の一部表面は黒色層１７ａを有しており、黒色層１７ａがある部分は、黒色層１７ａの上に導体１８が存在している。黒色層１７ａは、光学顕微鏡による観察で黒色に見える層であり、基板２を構成する結晶性樹脂に由来する炭化物を含む層であると考えられる。

溝１７の幅は、０．０５〜２ｍｍが好ましく、０．１〜１．５ｍｍが好ましい。
溝１７の深さは、０．０５〜１ｍｍが好ましく、０．１〜０．５ｍｍがより好ましい。
溝１７の内部の表面粗さ（Ｒａ）は１〜５０μmが好ましく、１〜２５μmがより好ましく、３〜１０μmがさらに好ましい。
表面粗さ（Ｒａ）は、溝１７に黒色層１７ａが形成されている部分は、黒色層１７ａの表面粗さ（Ｒａ）である。
導体１８は、銀、銀合金、金、金合金、はんだなどを使用することができる。

図３（ａ）の回路基板２１は、基板２２上に回路パターン２６を有している。
基板２２は、図１の回路基板１と同じ結晶性樹脂から選ばれるものを使用することができる。

基板２２は、第１端面２２ａ側にある外径の大きな第１筒部２３と、第１端面２２ａとは軸方向反対側にある第２端面２２ｂ側の第１筒部２３よりも外径の小さな第２筒部２５と、第１筒部２３と第２筒部２５の間の中間筒部２４からなるものである。
第１端面２２ａから第２端面２２ｂまで貫通孔２８が形成されている。
中間筒部２４の外表面は、第１筒部２３と第２筒部２５の外径の差により傾斜面になっている。
図３（ａ）では、回路パターン２６は、第１端面２２ａ、第１筒部２３、中間筒部２４、第２筒部２５にまたがって形成されているが、さらに第２端面２２ｂにも形成されていてもよい。
第１筒部２３、中間筒部２４、第２筒部２５は、必要に応じて凹凸を有していてもよい。

図３（ｂ）に示すように、回路パターン２６は、基板２２に形成された溝２７と、溝２７内部に充填された導体２８からなるものである。
溝２７の内部の一部表面は黒色層２７ａを有しており、黒色層２７ａがある部分は、黒色層２７ａの上に導体２８が存在している。黒色層２７ａは、光学顕微鏡による観察で黒色に見える層であり、基板２２を構成する結晶性樹脂に由来する炭化物を含む層であると考えられる。

溝２７の幅は、０．０５〜２ｍｍが好ましく、０．１〜１．５ｍｍが好ましい。
溝２７の深さは、０．０５〜１ｍｍが好ましく、０．１〜０．５ｍｍがより好ましい。
溝２７の内部の表面粗さ（Ｒａ）は１〜５０μmが好ましく、１〜２５μmがより好ましく、３〜１０μmがさらに好ましい。
表面粗さ（Ｒａ）は、溝２７に、黒色層２７ａが形成されている部分は、黒色層２７ａの表面粗さ（Ｒａ）である。
導体２８は、銀、銀合金、金、金合金、はんだなどを使用することができる。

図１〜図３は、基板の複数面にまたがって回路パターンが形成された実施形態であるが、本発明では、基板として平板を使用して、前記平板の一平面のみに回路パターンが形成された回路基板にすることもできる。
本発明の回路基板は、ＬＥＤ、抵抗、コネクタなどの各種部品を実装して電気回路を構成することで、電子回路基板として使用することができる。

＜回路基板の製造方法＞
図１の回路基板１の製造方法により説明する。
図４（ａ）の基板２は、図１（ａ）の基板２と同形状のものである（α１=60°）。
基板２は、平面３ａ、傾斜面３ｂ、平面３ｃを有している。

第１工程にて、図４（ａ）に示す基板２の平面３ａ、傾斜面面３ｂ、平面３ｃに対して、図４（ｂ）、図５（ａ）、図６（ａ）に示すとおり、波長２μm以上のレーザー光（パルス波レーザー光）を照射して回路パターンとなる溝７を形成する。
溝７の幅と深さは、図１の説明において記載されている数値範囲である。
第１工程のレーザー照射によって、溝７の内部に黒色層７ａが形成される。

溝７は、図４（ｂ）、図５（ａ）、図６（ａ）に示すとおり、独立した溝を複数本形成することができるが（図７（ａ））、図７（ｂ）、（ｃ）に示すとおり、複数本の溝が幅方向に重ね合うように形成することで、全体として幅の広い１本の溝を形成することもできる。
図７（ｂ）は、２本の溝７が幅方向に重なるように形成されて全体として一本の溝が形成されており、図７（ｃ）は、４本の溝７が幅方向に重なるように形成されて全体として一本の溝が形成されている。

溝７を形成するときのレーザー光の照射条件は、次の範囲から選択することができる。
出力（平均出力）は１０〜１００Ｗが好ましい。
波長は２μm以上であり、好ましくは２〜２０μmである。
１スキャンのパルス幅（１スキャンのレーザー光の照射時間）は、０．０５〜１．０μsecが好ましく、０．１〜０．５μsecがより好ましい。
周波数は３００〜７００Hzが好ましい。
パルスエナジーは５０〜２００ｍＪが好ましく、１００〜１６０ｍＪがより好ましい。
レーザー光は、平面３ａ、傾斜面面３ｂ、平面３ｃのそれぞれに対して垂直方向から照射する。

レーザーは、例えば、炭酸ガスレーザー、半導体レーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、キレートレーザー、色素レーザーを使用することができる。

第２工程にて、図４（ｃ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示すとおり、溝７の内部（溝７の黒色層７ａ上）に導体形成材料８ａを充填する。
導体形成材料としては、導体となる金属、溶剤および樹脂などを含むインクを使用することができる。
導体形成材料のインクとしては、（株）ダイセル製の銀ナノインク「Picosil（登録商標）」のHight Viscosity-Type（銀濃度６５〜９０質量％）、Low Viscosity-Type（銀濃度３０〜５０質量％）、大研化学工業（株）製の加熱硬化型AgペーストCA-6178Bなどを使用することができる。
導体形成材料として前記インクを使用するときは、ディスペンサー、インクジェット、スクリーン印刷、オフセット印刷などの方法により溝７内部に充填することができるが、図４（ａ）に示すような段差面のある基板２を使用するときは、ディスペンサー、インクジェットが好ましい。

第３工程にて、図４（ｄ）、図５（ｃ）、図６（ｃ）に示すとおり、加熱して導体形成材料８ａを硬化させて導体８にすることで、回路パターン６を形成する。
第３工程の加熱は、前記インク中の溶剤を蒸発され、樹脂を揮発除去させるための処理である。
加熱条件は、基板２の材質（耐熱性）、インクに使用している溶剤や樹脂の種類により調整することができる。
第３工程の加熱処理によって、溝７内部の導体形成材料（インク）中の導体となる金属が残り、導体８からなる回路パターン６が形成される。
溝７内部に黒色層７ａが形成されている部分は、黒色層７ａを導体８が覆った状態になっている。

図２の回路基板１１を製造するときも、上記第１工程〜第３工程と同様に実施することができる。
なお、第２工程において基板１２の溝１７内部（黒色層１７ａ上）に導体形成材料（上記インク）を充填するときは、図８に示すように、保持具５０を使用して、辺１３ａを上にして基板１２を保持した状態にて、面１３と面１４にインクを充填する方法を適用することが好ましい。
図８の状態にすることで、面１３と面１４の水平面に対する角度α１が４５°に維持できるため、インク充填時の液だれが防止できるので好ましい。

図３の回路基板２１を製造するときも、上記第１工程〜第３工程と同様に実施することができる。
なお、図３の基板２２に対して第１工程および第２工程を実施するときは、貫通孔２８内に支持棒を差し込んだ状態にて、回転させながら実施する方法を適用することができる。

次に、図９（ａ）〜（ｄ）により本発明の回路基板の製造方法を適用した電気回路基板100の製造方法を説明する。
図９（ａ）は、結晶性樹脂からなる基板102の平面図であり、部品装着用の穴103、凹部104a、104bを有している。
図９（ｂ）では、所定波長のパルス波のレーザー光を照射して、溝107が形成されている。
図９（ｃ）では、部品用の穴103にLED、凹部104aに抵抗114a、凹部104bにコネクタ114bが実装されている。
図９（ｄ）では、溝107（溝内部の黒色層上）に導体形成材料であるインクが充填されている。その後、加熱処理することで導体108が形成されている。

実施例１
ＰＰＳ樹脂製の基板（平板）（縦40mm、横120mm、厚さ4mm）を使用して、一面（40×120mm）のみに図７（ｃ）のようにＣＯ₂レーザー照射することで、幅０．５ｍｍの溝を合計で２０本形成して、１０ｍｍ×１０ｍｍの溝７を形成した。
図１０（ａ）に基板の厚さ方向断面の光学顕微鏡写真（５００倍）を示し、図１０（ｂ）に（ａ）をもとに作成した図面（矢印はレーザー光の照射方向）を示す。溝内部の底面部分には、黒色層７ａが形成されていることが確認できた。
また溝内部の黒色層７ａとＰＰＳ基板２の間には、透明層（但し、光の加減により緑色に着色して見える層）７ｂが存在していた。透明層７ｂは、それだけを切り出すことで透明であること（すなわち、結晶化していないこと）を確認した。
黒色層７ａは、結晶化しているＰＰＳ樹脂、結晶化度の低いＰＰＳ樹脂、ＰＰＳ樹脂が炭化したものなどが混合されている層と考えられる。
溝７の表面粗さは、レーザー変位計（キーエンス ブルーレーザフォーカス変位計 LT-9500V）により測定した。

（レーザー照射条件）
波長：１０．６μm
パルス幅：０．２μsec
パルスエナジー：１３０ｍＪ
周波数：５００Ｈｚ
平均出力：６５Ｗ
（溝７）
幅：５８０μm
深さ：３６０μm
表面粗さ（Ｒａ）：６μm

次に、武蔵エンジニアリング（株）製の非接触式ディスペンサー「AeroJet 350PCsmart，SHOT MASTER 300DS-s」（ノズルの内径0.15mm）を使用して、銀インク（（株）ダイセルのPicosil Hight Viscosity-Type）を溝７内部に２５mm／secの移動速度で充填した。
次に、オーブン中にて１５０℃で３０分間加熱処理して、回路基板を得た。
回路基板の導体の３ｃｍの範囲の抵抗値をデジタルマルチメーター（三和電気計器製CD770）で測定したところ、４Ω／ｃｍ未満であった。
１０ｍｍ×１０ｍｍの溝を２×２ｍｍの格子状（計２５）にカットして、セロテープ（登録商標）（ニチバン（株））を貼り付けた。貼り付けた前記テープを剥がしたところ全く剥離しなかった。

比較例１
レーザー照射しないほかは同様にして、基板表面に導体（１０×１０mm）を形成した。
同様にして剥離試験をしたところ、２５個中１６個が剥がれた。

本発明の回路基板は、ＬＥＤ、抵抗、コネクタなどの各種部品を実装して電気回路を構成することで、電子回路基板として使用することができる。

１ 回路基板
２、１２、２２ 基板
７、１７、２７ 溝
７ａ、１７ａ、２７ａ 黒色層
８、１８、２８ 導体
６、１６、２６ 回路パターン

Claims (5)

1. 基板表面に回路パターンを有している回路基板であって、
   前記基板が結晶性樹脂からなる成形体であり、
   前記回路パターンが、前記基板の表面に形成され、内部に黒色層を有している溝と、前記溝内部に充填された導体からなるものであり、
   前記溝の幅が０．１〜１．５ｍｍ、前記溝の深さが０．１〜０．５ｍｍであり、前記溝内部の黒色層を含む表面粗さ（Ｒａ）が６〜１０μmであり、
   前記黒色層が、結晶化した結晶性樹脂、結晶化度の低い結晶性樹脂、結晶性樹脂に由来する炭化物を含む混合物である、回路基板。
2. 前記基板が結晶性樹脂からなる、複数の平面、または平面と曲面からなる複数面を有している成形体であり、
   前記回路パターンが、前記基板の複数面にまたがって形成されているものであり、
   前記複数面の隣接する面同士の間の角度が２０°〜９０°の範囲である、請求項１記載の回路基板。
3. 前記結晶性樹脂が、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、熱可塑性ポリイミド（ＴＰＩ）、芳香族ポリアミド（ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリアミドＭＸＤ６から選ばれるものである、請求項１または２に記載の回路基板。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板の製造方法であって、
   結晶性樹脂からなる基板に波長２μm以上のレーザー光を、出力（平均出力）１０〜１００Ｗ、周波数３００〜７００Hz、パルスエナジー５０〜２００ｍＪ、パルス幅０．０５〜１．０μsecで照射して回路パターンとなる黒色層を有する溝を形成する工程、
   前記溝内部に導体形成材料を充填する工程、
   加熱して前記導体形成材料を硬化させることで回路パターンを形成する工程を有している、回路基板の製造方法。
5. 前記溝内部に導体形成材料を充填する工程が、導体形成材料として、導体、溶剤および樹脂を含むインクを使用する、請求項４記載の回路基板の製造方法。