JP6922177B2 - 配線構造体の積層造形工法における製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元積層造形技術に関し、特に、３Ｄプリンタを用いて配線構造体を造形する技術に関する。

３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データを層分割し、分割した層毎に層の上に層を積むように材料を付加しながら層間を付着させて、３次元構造体を数値表現から製造する方法は、国際規格でＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと定義されている。１９８０年代に発明されたこの製造方法は、一般的には３Ｄプリンタ（スリー ディー プリンタ）と呼ばれる。３Ｄプリンタは、３次元ＣＡＤデータがあれば、金型を使わずに複雑な形状を製造できることから、近年、新たなものづくり手法として注目されている。

３Ｄプリンタでは、切削による除去的な加工や、型に材料を流し込んで固める成形加工とは異なり、メッシュ形状やポーラス形状をはじめとする、かつては製造が難しかった形状を容易に正確に製造できる。更には、複数の種類の材料を同一の層内に自由に配置させた造形を可能とすることも期待されている。複数の材料を用いた造形により、それぞれの材料の特性を活かした新たな機能を付与した３次元構造体が実現できるからである。

例えば、導電材料と絶縁材料とを複合させることで、電子回路の機能を有する３次元構造体が実現する。また、硬質な材料と柔軟な材料とを複合させることで、強度と柔軟性の両立した機能を有する３次元構造体が実現する。そして、これらの機能は新規材料の開発をせずとも実現することができる。

特許文献１には、３Ｄプリンタで造形する多層配線板において、上下の導電層を接続する電気的導通路（ビアに相当）と導電層との接続不良を低減させる技術が開示されている。特許文献１によれば、絶縁層を挟んで上下に位置する導電層を、絶縁層を貫通する電気的導通路で接続する際に、上位の導電層と電気的導通路との接続が、電気的導通路を絶縁層表面よりも上に突出させ、電気的導通路の突出部を上位の導電層で包覆して接合する。

また、特許文献２には、電子回路の機能を有する３次元配線構造体の製造方法が開示されている。この方法によれば、セラミックグリーンシートを形成後、配線を形成するためのビアホールをパンチングやレーザ加工法等の方法で形成する。その後、ビアホールへ導電性ペーストを充填することによってビア電極を形成し、スクリーン印刷法によって電極などの配線パターンの印刷を行う。

特開２０１５−１３５９３３号公報 特開２００４−２７３４２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、以下の問題を有している。すなわち、多層配線の層数が多くなり積層方向での電気的導通路の接続が多くなると、接続抵抗が積算される結果、電気的導通路が高抵抗化してしまう。さらに、電気的導通路は層の平面に対して垂直方向に形成されるため、接続したい導電層同士の平面視での投影がずれている場合、最短距離での接続ができない。そのため、導通路を遠回りさせることで、配線が長くなり高抵抗化してしまう。

また、特許文献２に開示された技術では、ビアホールをパンチングやレーザ加工で形成するため、セラミックグリーンシート面に垂直方向のビアホールは形成することはできるが、斜め方向には形成することができない。そのため、配線の配置が制限され、特許文献１と同様に、配線が長くなり高抵抗化するという問題を生じている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、配線を配置する自由度が高く、配線抵抗の増大を抑制することのできる３次元配線構造体を提供することにある。

本発明の配線構造体は、絶縁性を有する第１の材料が開口部を有して積層され、前記開口部は上下に隣接する層の開口部と平面視で共通部分を有する積層部と、前記開口部を貫通し、貫通した端の前記開口部で先端が露出している導電性の一体構造を有する配線部と、を有する。

本発明の配線構造体の製造方法は、絶縁性を有する第１の材料を、開口部を有して、前記開口部は上下に隣接する層の開口部と平面視で共通部分を有して、積層し、導電性の一体構造を有する配線を前記開口部に貫通させ、貫通させた端の前記開口部で前記配線の先端を露出させる。

本発明によれば、配線を配置する自由度が高く、配線抵抗の増大を抑制することのできる３次元配線構造体が提供される。

本発明の第１の実施形態の配線構造体の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の別の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の別の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の別の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の別の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の別の製造工程を説明する断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の構成（配線部が垂直方向の場合）を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の構成（配線部が面内方向の場合）を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の構成（配線部が様々な方向の場合）を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態の配線構造体の変形例の構成を示す断面図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の配線構造体の構成を示す断面図である。本実施形態の配線構造体１は、絶縁性を有する第１の材料が開口部１４を有して積層され、前記開口部１４は上下に隣接する層の開口部１４と平面視で共通部分を有する積層部１１を有する。さらに、前記開口部１４を貫通し、貫通した端の前記開口部１４で先端が露出している導電性の一体構造を有する配線部１３を有する。

本実施形態の配線構造体１の製造方法は、絶縁性を有する第１の材料を、開口部１４を有して、前記開口部１４は上下に隣接する層の開口部１４と平面視で共通部分を有して、積層する。さらに、導電性の一体構造を有する配線を前記開口部１４に貫通させ、貫通させた端の前記開口部１４で前記配線の先端を露出させる。

配線構造体１によれば、開口部１４を連続して接続させる方向によって、任意の方向に配線となる配線部１３を配置することができる。これにより、最短距離での配線が可能となる。さらに、配線部１３は一体構造で内部に接続箇所がないため、接続抵抗が生じない。以上の結果、配線構造体１によれば、配線抵抗を低減することができる。

以上のように、本実施形態によれば、配線を配置する自由度が高く、配線抵抗の増大を抑制することのできる３次元配線構造体が提供される。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態の配線構造体の構成を示す断面図である。本実施形態の配線構造体２は、絶縁性を有する第１の材料を有する積層部２１と、導電性を有する第２の材料を有する接続部２２と、導電性を有する第３の材料を有する配線部２３とを有する。

積層部２１は、第１の材料が開口部２４を有して積層されて、電子部品を実装している。開口部２４は上下に隣接する層の開口部２４と平面視で共通部分を有して連続している。接続部２２は、電子部品の電極に開口部２４で接続している。さらに、配線部２３は、開口部２４を貫通して設けられ、貫通した端の開口部２４で接続部２２に接続している。

第１の材料は、絶縁性を有する。この材料としてはプラスチックが代表的である。具体的にはＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）、ポリカーボネート、ポリ乳酸、アクリル、ポリエーテルイミド、ポリフェニルスルホン、ナイロン、ポリエチレン、シリコーン、エポキシ等が挙げられるが、これらには限定されない。

第１の材料の積層方法としては、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）がＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している方式を用いることができる。例えば、ノズルなどの開口部から押し出して、造形ステージ上に堆積させる材料押出方式（Ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）が挙げられる。また、他の方法としては、第１の材料の液滴を噴射し、選択的に硬化させる材料噴射方式（Ｍａｔｅｒｉａｌ ｊｅｔｔｉｎｇ）が挙げられる。

材料押出方式では、０．８ｍｍ程度の厚さの層を積層することが可能であるが、これには限定されない。また、材料噴射方式では、０．２ｍｍ程度の厚さの層を積層することが可能であるが、これには限定されない。

第１の材料の溶融、硬化については、熱可塑性樹脂であれば、溶融させた材料を所定の位置に所定量供給し、空冷によって硬化させることができる。また、熱硬化や光硬化性樹脂の場合、材料の液滴を噴射し、熱硬化性樹脂であれば加熱、光硬化性樹脂であれば紫外線等を照射することで、硬化させて積層することができる。

第２の材料は、導電性を有する。また、第２の材料の融点は、第１の材料の融点よりも低くすることが好ましい。第２の材料としては銀ナノペーストや銀ナノインクやはんだペーストが挙げられるが、これらには限定されない。第２の材料で電子部品の電極と配線部２３を接続させる際には、第２の材料を加熱溶融して流動性を増し、その後の冷却による固化によって、電極と配線部２３の密着を強めることができる。

第３の材料は、導電性を有する。この材料としては銅、銀、アルミニウムが挙げられるが、これらには限定されない。第３の材料の融点は第１の材料の融点よりも高くすることができるが、これには限定されない。第３の材料は、一体構造で内部に接続箇所がなく、また、柔軟性を有する細線形状やフィラー形状や板形状とすることができる。

第３の材料は配線部２３を構成し、配線構造体２を平面視したときの配線部２３の投影像の外周は、開口部２４の投影像の外周の内側に存在する。そのため、例えば、開口部２４の内径が０．４ｍｍである場合、配線部２３は内径が０．３ｍｍの細線とする等とすることができるが、これには限定されない。

配線構造体２は、以上の構成により電極を有する電子部品を実装している。電子部品は、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やコンデンサや各種表示素子や各種センサや小型モータやトランスなどの、任意の電子部品とすることができる。

次に、配線構造体２の製造方法を説明する。図３Ａから図３Ｈは、本実施形態の配線構造体２の製造工程を説明する断面図である。本製造工程では、第１の材料による積層部２１を３Ｄプリンタで形成する。

図３Ａでは、３Ｄプリンタによりステージ上に第１の材料の層が積層され、第１の材料の層上に電子部品が所定の位置に配置される。電子部品は直接ステージ上に配置されてもよい。

図３Ｂでは、３Ｄプリンタにより、電子部品の電極表面が積層面の表面と同程度の高さになるまで、第１の材料の層が積層される。

図３Ｃでは、電極の表面に接する所定の位置に、接続部２２を構成する第２の材料が塗布される。第２の材料の塗布は、３Ｄプリンタを用いてもその他の塗布装置を用いてもよい。なお、第２の材料の塗布は、後述する図３Ｄでの開口部２４が連続することで形成される孔２５が形成された後に、この孔２５を通して行われてもよい。この場合は、孔２５にパイプなどを通し、パイプを通して流動性の第２の材料を接続部２２の表面に流し込んで塗布する、などの方法が可能である。

図３Ｄでは、３Ｄプリンタにより、接続部２２から連続する開口部２４を有して第１の材料が積層され、接続部２２から積層表面まで貫通する孔２５が形成される。ここで図３Ｄのように、開口部２４を斜めに連続させるとき、図中のＡの部分のように下層の端部からはみ出す部分を形成する必要がある。この場合は、第１の材料が粘性を有することで、積層時にＡの部分を形成することが可能となる。第１の材料は、Ａの部分を有して積層された後、硬化される。

図３Ｅでは、第３の材料を有する配線部２３を孔２５に挿入し、配線部２３の端部を接続部２２に接続する。接続に際しては、ステージを加熱して接続部２２を溶融し、その後、冷却固化することができる。これにより電極と配線部２３との電気的な接続を良くすることができる。

図３Ｆでは、開口部２４で、配線部２３のもう一方の端部に接続部２２を塗布する。第２の材料の塗布は、３Ｄプリンタを用いてもその他の塗布装置を用いてもよい。

図３Ｇでは、接続部２２に電極を接続して別の電子部品を実装する。接続に際しては、ステージを加熱して接続部２２を溶融し、その後、冷却固化することができる。これにより電極と配線部２３との電気的な接続を良くすることができる。

図３Ｈでは、３Ｄプリンタにより、電子部品の表面が積層面の表面と同程度の高さになるまで、第１の材料の層が積層される。なお、積層面の表面は電子部品の表面と同程度でなくてもよく、任意の位置に設定することができる。

以上のように、本実施形態の配線構造体１の製造方法は、絶縁性を有する第１の材料を、開口部２４を有して、前記開口部２４は上下に隣接する層の開口部２４と平面視で共通部分を有して、積層する。さらに、挿入した端の開口部２４で電子部品の電極に接続することができるように、導電性の一体構造を有する配線を開口部２４に挿入する。さらに、導電性を有する第２の材料を、配線を挿入した端の開口部２４で配線に接続させる。

なお、配線部２３は、以上のように予め一体構造の細線形状などに加工された金属を、開口部２４を連続させて形成した孔２５に挿入して形成されることには、限定されない。配線部２３は、融点が積層部２１の熱変形温度よりも低い、例えば、接続部２２に使用される第２の材料を溶融して前記の孔２５に流し込み、その後冷却固化して形成されてもよい。この方法によっても、一体構造で内部に接続箇所がない配線部２３の形成が可能である。

次に、配線構造体２の別の製造方法を説明する。図４Ａから図４Ｅは、本実施形態の配線構造体２の別の製造工程を説明する断面図である。本製造工程では、第１の材料による積層部２１を３Ｄプリンタで形成する。

図４Ａでは、３Ｄプリンタによりステージ上に第１の材料の層が積層され、電子部品が所定の位置に配置されるよう構成された積層部２１が形成される。開口部２４を規定する断面図中央の積層部は、宙に浮いているように見えているが、紙面の手前方向や奥行方向の開口部２４から外れた部分では、断面図左右の積層部に各層ごとに連続している。なお、図中のＢの部分の形成の際にはＣのような基材を設置しておき、積層部２１を形成した後に、積層部２１をステージから取り外す際に、Ｃの基材を取り外すようにしてもよい。

図４Ｂでは、積層部２１がステージから取り外された後に、開口部２４に配線部２３が挿入される。

図４Ｃでは、配線部２３の両端部の開口部２４に、配線部２３の両端部に接して、接続部２２を構成する第２の材料が塗布される。第２の材料の塗布は、３Ｄプリンタを用いてもその他の塗布装置を用いてもよい。なお、接続部２２を構成する第２の材料は、後述する図４Ｄでの電子部品の電極に塗布されるようにしてもよい。

図４Ｄと図４Ｅでは、積層部２１に設けられた電子部品を実装する位置に、電子部品を位置合わせして実装する。このとき、電子部品の電極は、接続部２２を介して配線部２３に接続する。接続に際しては、ステージを加熱して接続部２２を溶融し、その後、冷却固化することができる。これにより電極と配線部２３との電気的な接続を良くすることができる。

以上のように、本実施形態の配線構造体１の製造方法は、絶縁性を有する第１の材料を、開口部２４を有して、前記開口部２４は上下に隣接する層の開口部２４と平面視で共通部分を有して、積層する。さらに、挿入した端の開口部２４で電子部品の電極に接続することができるように、導電性の一体構造を有する配線を開口部２４に挿入する。さらに、導電性を有する第２の材料を、配線を挿入した端の開口部２４で配線に接続させる。

図５は、本実施形態の配線構造体の構成において、配線部が積層部の面内方向に対して垂直方向に形成されている場合を示す断面図である。配線構造体３では、接続部３２上に設けられる積層部３１の開口部３４を、垂直方向に連続させることによって、面内に対して垂直方向の配線部３３を形成することができる。

図６は、本実施形態の配線構造体の構成において、配線部が積層部の面内方向に形成されている場合を示す断面図である。配線構造体４では、接続部４２上に設けられる積層部４１の開口部４４を、面内方向に延伸させることによって、面内方向の配線部４３を形成することができる。このとき、配線部４３は、積層部４１の面内に設けられた開口部４４に沿って、直線部や曲線部を組み合わせることで電極同士を繋ぐことができる。配線部４３は、柔軟性を有する細線形状などであるので、これが可能である。

図７は、本実施形態の配線構造体の構成において、配線部が様々な方向の場合を示す模式図である。配線構造体５では、積層部５１の開口部の連続する方向を任意に設定できるので、様々な方向の配線部５３を複数設けることができる。その結果、積層部５１に実装される複数の電子部品の位置や向きも、任意に設定することが可能である。これにより、複雑な配線構造体や小型な配線構造体を構成することができる。

なお、配線部５３は、電子部品の電極に接続することには限定されない。配線部５３は、積層部５１の内部や表面に設けられている回路などの電極にも、接続することができる。

図８は、本実施形態の配線構造体の変形例の構成を示す断面図である。配線構造体６は、開口部６４の配線部６３を除く空間に充填材６５を有することを特徴とする。

充填材６５は接着剤とすることができる。接着剤としては、例えば、溶融状態での粘度が低い熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂が挙げられる。エポキシ樹脂は粘度が低いため、毛細管現象により細部まで注入することが可能である。

エポキシ樹脂は、冷凍保管されたものが使用され、常温で自然解凍する。自然解凍したエポキシ樹脂は、ディスペンサ等で空気による圧力を加えられながら、配線部６３が挿入された開口部６４に注入される。エポキシ樹脂の注入は常温でも可能であるが、充填性を増すために、樹脂の温度を上げてもよい。また、エポキシ樹脂に長さが１０μｍ程度のシリカフィラーを配合することで剛性を上げることもできる。

注入の後、開口部６４に充填したエポキシ樹脂を硬化する工程では、積層部６１を構成する第１の材料の熱変形を防ぐために、第１の材料の熱変形温度以下で硬化することが望ましい。例えば、第１の材料として熱変形温度が２０３℃程度のポリエーテルサルホン樹脂を用いた場合、２０３℃以下で硬化させることができる。

エポキシ樹脂は、引っ張り強度や曲げ強さや曲げ弾性率やアイゾット衝撃強度などの機械的強度や接着性に優れている。そのため、積層部６１と接続部６２と配線部６３との密着性を強め、配線構造体６の全体の機械的強度を増す効果を有する。

なお、充填材６５は、エポキシ樹脂には限定されず、フェノール樹脂やシリコン樹脂やアクリル樹脂などその他の材料とすることができる。これらの材料を用いた場合も、各々の材料の特性に応じて、積層部６１と接続部６２と配線部６３との密着性を強め、配線構造体６の全体の機械的強度を増すことができる。以上のように、密着性を強め機械的強度を増すことによって、例えば、長期使用時や振動時などでの、配線部と接続部との切断などのトラブルの発生を抑制し、信頼性を向上させることができる。

本実施形態の配線構造体によれば、開口部を連続して接続させる方向によって、任意の方向に配線となる配線部を配置することができる。これにより、最短距離での配線が可能となる。さらに、配線部は一体構造で内部に接続箇所がないため、接続抵抗が生じない。以上の結果、本実施形態の配線構造体によれば、配線抵抗を低減することができる。

以上のように、本実施形態によれば、配線を配置する自由度が高く、配線抵抗の増大を抑制することのできる３次元配線構造体が提供される。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
絶縁性を有する第１の材料が開口部を有して積層され、前記開口部は上下に隣接する層の開口部と平面視で共通部分を有する積層部と、
前記開口部を貫通し、貫通した端の前記開口部で先端が露出している導電性の一体構造を有する配線部と、を有する配線構造体。
（付記２）
導電性を有する第２の材料を有し、前記配線部が貫通した端の前記開口部で前記配線部に接続する接続部を有する、付記１記載の配線構造体。
（付記３）
前記接続部は、前記第２の材料が溶融固化して前記配線部に接続する、付記２記載の配線構造体。
（付記４）
前記第２の材料は、前記第１の材料よりも融点が低い、付記２または３記載の配線構造体。
（付記５）
前記第２の材料は流動性を有する、付記２から４の内の１項記載の配線構造体。
（付記６）
前記配線部は、細線形状もしくはピラー形状もしくは板形状を有する、付記１から５の内の１項記載の配線構造体。
（付記７）
前記開口部の前記配線部を除く空間に充填材を有する、付記１から６の内の１項記載の配線構造体。
（付記８）
前記充填材は前記積層部と前記配線部とを接着する、付記７記載の配線構造体。
（付記９）
絶縁性を有する第１の材料を、開口部を有して、前記開口部は上下に隣接する層の開口部と平面視で共通部分を有して、積層し、
導電性の一体構造を有する配線を前記開口部に貫通させ、貫通させた端の前記開口部で前記配線の先端を露出させる、配線構造体の製造方法。
（付記１０）
導電性を有する第２の材料を、前記配線を貫通させた端の前記開口部で前記配線に接続させる、付記９記載の配線構造体の製造方法。
（付記１１）
前記第２の材料を溶融固化して前記配線部に接続させる、付記１０記載の配線構造体の製造方法。
（付記１２）
前記第２の材料は、前記第１の材料よりも融点が低い、付記１０または１１記載の配線構造体の製造方法。
（付記１３）
前記第２の材料は流動性を有する、付記１０から１２の内の１項記載の配線構造体の製造方法。
（付記１４）
前記配線は、細線形状もしくはピラー形状もしくは板形状を有する、付記９から１３の内の１項記載の配線構造体の製造方法。
（付記１５）
前記開口部の前記配線を除く空間に充填材を挿入する、付記９から１４の内の１項記載の配線構造体の製造方法。
（付記１６）
前記充填材で前記第１の材料と前記配線とを接着する、付記１５記載の配線構造体の製造方法。

１、２、３、４、５、６ 配線構造体
１１、２１、３１、４１、５１、６１ 積層部
２２、３２、４２、６２ 接続部
１３、２３、３３、４３、５３、６３ 配線部
１４、２４、３４、４４、６４ 開口部
２５ 孔
６５ 充填材

Claims (2)

1. 絶縁性を有する第１の材料を、開口部を有して、前記開口部は上下に隣接する層の開口部と平面視で共通部分を有して、前記第１の材料の積層方向に対して前記開口部が斜めになるように積層し、
   導電性の一体構造および柔軟性を有する配線を前記開口部に貫通させ、貫通させた端の前記開口部で前記配線の先端を露出させる、配線構造体の積層造形工法における製造方法。
2. 導電性を有する第２の材料を、前記配線を貫通させた端の前記開口部で前記配線に接続させる、請求項１記載の配線構造体の積層造形工法における製造方法。

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