JP6602535B2 - 環境に配慮した回路基板構築方法 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は概して電子回路基板の分野に関し、より詳細には、導電素子の多数の層をプリントすることによる多層回路基板の生産方法に関する。

回路基板の製造は、化学的堆積、エッチング、及び機械的穿孔を伴う複雑なプロセスである。プロセスには有毒な化学物質が使用され、危険廃棄物が生産される。化学物質の使用及び廃棄物処理の安全性を図ると、生産コストが増大する。これらプロセスの使用を認められている製造者数は限られており且つ減少しつつある。誘電性ベース材料上に層をメッキ及びエッチングすることは、複雑な化学上の課題である。必要な電気特性を提供する、適合材料の適切な組み合わせを見出すことは、設計プロセスにおける時間枠を拡張してしまう。

したがって、化学物質の使用を最小限に抑え環境に配慮した方法を用いる、多層プリント回路基板製造プロセスの提供が望まれる。

本開示の実施形態は、回路基板の３Ｄモデルを含むコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データベースを用いた、回路基板作製システムを提供する。モールドは粒子状導電材料を受容し、モールドを横切り平行移動可能な金属融着プロセス素子はＣＡＤデータベースに応答して作動され、粒子状導電材料の選択された部分を融着して導電素子を形成する。分配ホッパは粒子状導電材料をモールド内の画定された層へ送達し、粒子状導電材料の選択された部分が導電素子へと融着される。

本開示の実施形態を使用した回路基板の作製方法は、層により画定された導電素子を伴う多層回路基板のＣＡＤモデルに依存する。第１の粒子状導電材料の層がモールド内に導入される。融着プロセス素子はモールドを横断し、第１の粒子状導電材料の層のうち、第１層導電素子を形成する選択された部分を融着する。追加の粒子状導電材料の層が、第１層の融着された被選択部分と第１層の未融着部分との上部に渡り、モールド内に導入される。次いで融着プロセス素子はモールドを横断し、追加の粒子状導電材料の層のうち、導電素子の追加層を形成する選択された部分を融着する。次いで未融着の粒子状導電材料は、融着済みの第１導電素子及び追加の導電層素子から洗浄される。次いで誘電材料が、融着済みの第１導電素子及び追加の導電層素子により形成される構造体に注入される。

本発明による実施形態及び方法を用いて作成された回路基板は、複数の融着された粒子状導電材料の層を提供し、これら層は、回路基板モデルに則って、導電経路の多重層と経路間の多数の導電体とを画定する構造体の形成を意図する。誘電材料は、多数の導電経路層の間及び導電体周囲に注入され、融着済みの材料層に対する支持を提供する。

上述の特徴、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態で独立に実現することが可能であり、又はさらなる別の実施形態で組み合わせることが可能であり、その詳細は以下の説明及び図面を参照することにより理解されよう。

導電トレース及びビアを示す、プリント回路基板構造の側面図である。 図１の回路基板構造の上面図である。 回路基板層作成のための、モールドにおける初期の材料堆積の断面を図示する。 固化された第１層を図示する。 回路基板層作成のための、ビアを伴う材料堆積を図示する。 固化されたビアを図示する。 追加の回路基板層を作成するための、初期の材料堆積を図示する。 固化された追加の回路基板層を図示する。 余剰材料が除去された層を図示する。 誘電材料が挿入された回路基板層を図示する。 誘電材料が挿入され且つ支持フレームとモールドとが除去された回路基板層を図示する。 本開示の実施形態による回路基板構築方法を表すフロー図である。

本開示の実施形態は、多層回路基板の導電面及びビアを築くための付加３Ｄプロセスを提供する。例示的な一実施形態では、この３次元構造体の完成時に、絶縁材料が構造体に流入される。固化されると、絶縁材料は構造的強度及び電気的絶縁を提供する。

図１及び図２を参照すると、異なる層の種々のトレースを接続するビア１２を伴う導電トレース１０を有する、単純化された回路基板構造の実施例が示される。本明細書で使用する「回路基板」の語は、コンポーネントのアレイが誘電性プレーン上で相互接続された標準的な回路と、回路基板を電気的モジュールシステムへ接続するために使用されるバックプレーンとの両方を包含する。単純化した例では３つの層及び限られた数のビアが示されるが、複雑な回路基板は多くの層及びビアを有し得る。

導電トレース、ビア、及び誘電性中間層の画定に、所望の多層回路基板のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）３次元モデルが用いられる。

図３は、本発明の方法により回路基板を形成する際の初期ステップを表す。後述される取り外し可能素子を有し得るモールド又は支持フレーム１４は、平行移動ホッパ１５を使用して、粒子状導電性材料１６の第１層によって部分的に満たされ、これにより回路基板の第１層上に導電トレースが形成される。第１トレース１８の初期レイアウトが破線で示される。粒子状導電性材料は銅又は他の合金などの金属粉であり得る。銀、アルミニウム、又は特定の実施形態ではシリカが光回路に用いられ得る。回路基板層のＣＡＤモデルに応答して、コンピュータシステム２２により制御される三次元プリントヘッドと同等の方式で、粒子状導電材料１６の部分を第１トレース１８へと融着させるために、金属融着プロセス素子２０が用いられる。金属融着プロセス素子は、レーザ焼結ヘッド、マイクロ波ホーン、金属スパッタリング素子超音波、又は、粒子状導電材料１６の部分を第１トレース１８へと融着するための類似の装置を用い、残った粒子状導電材料を未融着状態にしておくことができる。特定の実施形態では接着剤又は結着剤が用いられ得る。図４に示すように、未融着の粒子状導電材料１６はモールド１４内に残存し、既に融着された第１トレース１８はモールド内で支持されている。

特定の実施形態では、平行移動ホッパ１５と融着プロセス素子２０とが連結されて融着プロセス素子が平行移動ホッパに追従し、これらは共にコンピュータシステム２２の制御下でモールドエリアを横断し粒子状導電材料を分配及び融着し得る。

次いでプロセスは図５に示すように継続され、粒子状導電材料２４の第２層をモールド１４内に付加し、回路基板の第２層内に導電素子、一例として破線で示すビア２６を作成する。コンピュータシステム２２の制御下で、融着プロセス素子２０は粒子状導電材料２４の第２層の部分を融着し、回路基板の第２層のＣＡＤモデルに則った導電素子が生産される。図６に示すように、ビア２６は第２層が通過する間に融着され、ここで粒子状導電材料２４の第２層の残留部分及び粒子状導電材料１６の第１層は未融着のままである。

次いで図７に示すように、粒子状導電材料２８の第３層がモールドに導入されて回路基板の第３層に導電素子が作成される。導電トレース３０を一例として示す。コンピュータシステム２２の制御下で、融着プロセス素子２０は粒子状導電材料２８の第３層の部分を融着し、回路基板の第３層のＣＡＤモデルに則った導電素子が生産される。図７に示すように、トレース３０は第３層が通過する間に融着され、ここで粒子状導電材料２８の第３層の、粒子状導電材料２４の第２層の、及び粒子状導電材料１６の第１層の、残留部分は未融着のままである。図８に示すように、融着プロセス素子２０はトレース３０の形成中、粒子状導電材料２８の第３層において制御可能な融着深度を提供し、これにより、粒子状導電材料２４、１６の第１層又は第２層など下部材料のいかなる融着も防止される。レーザ焼結を用いる例示的なシステムでは、レーザのパワー制御及び層上部におけるヘッドの横断速度は、導電材料における加熱深度を限定するよう用いられる。熱焼結又は超音波では、ヘッド速度はシステムのパワー及び材料の溶解温度により決定される。例示の実施形態では３５ミリメートル毎秒の横断速度が用いられる。第１層及び第２層の粒子状導電材料は、第３層（及びさらなる任意の層）に対して均一な支持を提供し、層の及び導電トレースの正確な次元分離を提供する。

次いで、図３から８で概説されたプロセスは回路基板のＣＡＤモデルに存在する層の数だけ反復される。図９に示すように、融着プロセスが完了すると、モールドの一部分は除去されて未融着の導電材料が全ての層から除去され得る。未融着の導電材料の洗浄には空圧又は振動プロセスが用いられてもよく、材料はリサイクルし再利用され得る。代替的に、環境に安全な流体を用いた湿式洗浄プロセスを用いてもよく、導電材料粉の復帰にはふるい分け又は乾燥プロセスが用いられ得る。次いで図９に示すように、回路基板の導電素子であるトレース１８、ビア２６、及びトレース３０が現れる。次いでモールド１４は再び組み立てられ、図１０に示すように、導電素子を取り囲むよう誘電材料３２がモールド内に注入される。ＧＩポリイミド、シアン酸エステル、又はＦＲ４のようなガラス強化エポキシ積層など、回路基板の誘電体に用いられる任意の従来型の樹脂を使用することができる。複数の注入ポート３４を用いて誘電材料が導入され得る。次いで硬化プロセスが用いられ誘電材料３２が硬化される。次いで図１１に示すように、完成した回路基板３４はモールドから除去される。複雑な回路基板では、回路基板の構築が完了するまでの間に、粒子状導電材料の洗浄ステップ及び誘電体注入ステップが多数回用いられ得る。

図１２に示すように、本明細書で開示する実施形態のプリント回路基板の作製方法は、層により画定される導電素子を伴う多層回路基板のＣＡＤモデルを準備することにより開始される（ステップ１２０２）。次いで第１の粒子状導電材料の層がモールド内に導入される（ステップ１２０４）。融着プロセス素子がモールドを横断し、第１の粒子状導電材料の層のうち、第１層導電素子を形成する選択された部分を融着する（ステップ１２０６）。次いで追加の粒子状導電材料の層が、未融着の及び融着済みの第１層の上部に渡りモールド内に導入される（ステップ１２０８）。融着プロセス素子はモールドを横断し、追加の粒子状導電材料の層のうち、追加層導電素子を形成する選択された部分を融着する（ステップ１２１０）。次いでステップ１２０８及び１２１０の反復がなされ、ＣＡＤモデルに画定されている全ての層が完成する。次いで未融着の粒子状導電材料は融着済みの導電素子から洗浄され（ステップ１２１２）、融着済みの導電素子により形成された構造体に誘電材料が注入される（ステップ１２１４）。次いで誘電材料が硬化され（ステップ１２１６）、回路基板が完成する。

本開示の一態様によれば、回路基板の作製方法が提供され、方法は、層により画定される導電素子を伴う多層回路基板のＣＡＤモデルを準備することと、第１の粒子状導電材料の層をモールド内に導入することと、融着プロセス素子にモールドを横断させて、第１の粒子状導電材料の層のうち、第１層のＣＡＤモデルによって画定されるように第１層導電素子を形成する、選択された部分を融着することと、追加の粒子状導電材料の層を、第１層のうち選択された融着済みの部分及び第１層のうち未融着部分の上部に渡り、モールド内に導入することと、融着プロセス素子にモールドを横断させて、追加の粒子状導電材料の層のうち、追加層のＣＡＤモデルによって画定されるように追加層導電素子を形成する、選択された部分を融着することと、未融着の粒子状導電材料を融着済みの第１層導電素子及び追加の導電層素子から洗浄することと、融着済みの第１導電素子及び追加の導電層素子によって形成される構造体に誘電材料を注入することと、を含む。

有利には、方法は誘電材料を硬化させることをさらに含む。

有利には、追加の粒子状導電材料の層を導入するステップと、融着プロセス素子にモールドを横断させて追加の粒子状導電材料の層のうち選択された部分を融着するステップとは、ＣＡＤモデルにより画定される全ての層が完成するまで反復される。

有利には、方法は融着プロセス素子を、レーザ焼結、マイクロ波照射、超音波又は接着剤の組から選択することをさらに含む。

有利には、未融着の粒子状導電材料を洗浄するステップは空圧洗浄を含む。

有利には、未融着の粒子状導電材料を洗浄するステップは振動洗浄を含む。

本開示のさらなる態様によれば、回路基板作製システムが提供される。システムは、回路基板の３Ｄモデルを含むコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データベースと、粒子状導電材料をするモールドと、モールドを横切って平行移動可能であり且つＣＡＤデータベースに応答して作動し粒子状導電材料のうち選択された部分を融着することにより導電素子が形成される、金属融着プロセス素子と、粒子状導電材料をモールド内の画定された層に送達する分配ホッパと、を含む。

有利には、金属融着プロセス素子はレーザ焼結ヘッドを含む。

有利には、金属融着プロセス素子はマイクロ波放射ホーンを含む。

有利には、システムはコンピュータシステムをさらに含み、前記金属融着プロセス素子はコンピュータシステムに応答して、各層のＣＡＤモデルに基づき、各層において、粒子状導電材料の前記選択された部分を融着する。

有利には、モールドの少なくとも一部分は取り外し可能であり、これにより未融着の粒子状導電材料は導電素子の間から洗浄され得る。好ましくはモールドは少なくとも１つの注入ポートを含み、誘電材料を導電素子の層間に導入する。

本発明のさらなる態様によれば回路基板が提供され、回路基板は、複数の融着された粒子状導電材料の層であって、回路基板モデルに則って導電経路の多重層と層間における複数の導電体とを画定する構造体の形成を意図する、層と、融着済みの材料層に支持を提供するために、多数の導電経路層の間及び層間の導電体の周囲に注入される、誘電材料と、を含む。

有利には、融着される粒子状導電材料に隣接する粒子状導電材料は、誘電材料の注入前に洗浄される。

有利には、融着される粒子状導電材料は、レーザ焼結により融着される。有利には、融着される粒子状導電材料は、超音波溶接により融着される。

有利には、融着される粒子状導電材料は、マイクロ波放射により融着される。有利には、回路基板モデルは、前記導電経路の層の各々と層間の複数の導電体とに対する、ＣＡＤモデルを含む。

本発明の様々な実施形態を特許法で要求されるよう詳説してきたが、当業者であれば、本明細書に開示された特定の実施形態への変形例及び代替例を認識するであろう。それら変形例は、下記の請求項に定義される本開示の範囲及び目的に含まれるものである。

１０ トレース
１２ ビア
１４ モールド
１５ ホッパ
１６ 粒子状導電材料
１８ 第１トレース
２０ 融着プロセス素子
２２ コンピュータシステム
２４ 粒子状導電材料
２６ ビア
２８ 粒子状導電材料
３０ トレース
３２ 誘電材料
３４ 注入ポート、回路基板

Claims (10)

1. 回路基板の作製方法であって、
   層により画定される導電素子を伴う多層回路基板のＣＡＤモデルを準備することと、
   第１の粒子状導電材料の層（１６）をモールド（１４）内に導入することと、
   融着プロセス素子（２０）に前記モールド（１４）を横断させ、前記第１の粒子状導電材料の層（１６）のうち、第１層の前記ＣＡＤモデルにより画定されるように第１層導電素子を形成する、選択された部分を融着させることと、
   追加の粒子状導電材料の層（２４）を、前記第１層の融着された被選択部分と前記第１層の未融着部分との上部に渡り、前記モールド（１４）内に導入することと、
   前記融着プロセス素子（２０）に前記モールド（１４）を横断させ、前記追加の粒子状導電材料の層（２４）のうち、追加層の前記ＣＡＤモデルにより画定されるように追加層導電素子を形成する、選択された部分を融着させることと、
   前記モールド（１４）の少なくとも一部を取り外し、未融着の粒子状導電材料（１６、２４）を、融着済みの前記第１層導電素子及び前記追加層導電素子から洗浄することと、
   前記モールド（１４）を再び組み立て、誘電材料（３２）を、前記モールド（１４）に設けられた少なくとも１つの注入ポート（３４）を通して、融着済みの前記第１層導電素子及び前記追加層導電素子により形成される構造体に注入することと
   を含む、方法。
2. 前記誘電材料（３２）を硬化させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記追加の粒子状導電材料の層（２４）を導入するステップと、前記融着プロセス素子（２０）に前記モールド（１４）を横断させて前記追加の粒子状導電材料の層（２４）のうち選択された部分を融着させるステップとは、前記ＣＡＤモデルにより画定される全ての層が完成するまで反復される、請求項１に記載の方法。
4. 前記融着プロセス素子を、レーザ焼結及びマイクロ波照射の組から選択することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記未融着の粒子状導電材料（１６）を洗浄するステップは空圧洗浄を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記未融着の粒子状導電材料（１６）を洗浄するステップは振動洗浄を含む、請求項１に記載の方法。
7. 回路基板作製システムであって、
   回路基板のＣＡＤモデルを含むコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）データベースと、
   粒子状導電材料（１６）を受容するモールド（１４）と、
   前記モールド（１４）を横切り平行移動可能であり、且つ、前記ＣＡＤデータベースに応答して作動し前記粒子状導電材料（１６）の選択された部分を融着して導電素子を形成する、金属融着プロセス素子（２０）と、
   前記粒子状導電材料（１６、２４）を前記モールド（１４）内の画定された層へ送達する分配ホッパ（１５）と
   を含み、
   前記モールド（１４）の少なくとも一部分は取り外し可能であり、前記取り外しにより、未融着の前記粒子状導電材料（１６、２４）は前記導電素子間から洗浄され得、
   前記モールド（１４）は、誘電材料（３２）を前記導電素子の層間に導入するための少なくとも１つの注入ポート（３４）を含む、システム。
8. 前記金属融着プロセス素子（２０）はレーザ焼結ヘッドを含む、請求項７に記載の回路基板作製システム。
9. 前記金属融着プロセス素子（２０）はマイクロ波放射ホーンを含む、請求項７に記載の回路基板作製システム。
10. コンピュータシステム（２２）をさらに含むシステムであって、前記金属融着プロセス素子（２０）は前記コンピュータシステム（２２）に応答して、各層の前記ＣＡＤモデルに基づき、前記各層において、前記粒子状導電材料（１６、２４）の前記選択された部分を融着する、請求項７に記載の回路基板作製システム。