JP7145334B2 - 3次元積層造形による電子回路製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、3次元積層造形を用いて電子回路を製造する方法に関するものである。
従来、3次元積層造形に関し、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献1には、3次元積層造形により電子部品や電子回路を含んだ積層ユニットを形成する技術が開示されている。特許文献1に記載された積層ユニット形成装置は、紫外線硬化樹脂を基材の上に吐出して硬化することで絶縁層を形成する。また、積層ユニット形成装置は、導電性インクや金属ペーストを用いて、回路配線やスルーホールなどを接続した電子回路を形成している。
国際公開第WO/2019/102522号
上記特許文献1に係る技術のように、3次元積層造形により金属を含む流体を用いて絶縁層に電子回路を実装する場合、造形する電子回路は、その用途などに応じて要求される電気的性質や機械的性質が異なってくる。一方で、金属を含む流体についても、その種類に応じて特性が異なり、電子回路のどのような部分に用いるべきなのかが、造形後の電子回路の電気的性質及び機械的性質を決める上で極めて重要となる。
本開示は、上述した点を鑑みてなされたものであり、金属粒子を含む流体を使い分けることで、金属粒子を含む流体の特性を活かし、電気的性質及び機械的性質を向上した電子回路を製造できる3次元積層造形による電子回路製造方法を提供することを課題とする。
本明細書は、絶縁部材の上に、ナノサイズの金属ナノ粒子を含む流体を塗布し、塗布した前記金属ナノ粒子を含む流体を硬化させることで配線を形成する配線形成工程と、マイクロサイズの金属マイクロ粒子を含む流体を塗布し、塗布した前記金属マイクロ粒子を含む流体を硬化させることで前記配線に電気的に接続される接続端子を形成する接続端子形成工程と、を含み、前記接続端子形成工程は、前記絶縁部材に実装する電子部品の部品端子と接続される前記接続端子を形成し、前記配線形成工程は、前記接続端子に覆われる位置であって、前記部品端子の直下から引き出される前記配線を形成する、3次元積層造形による電子回路製造方法を開示する。
また、本明細書は、絶縁部材の上に、ナノサイズの金属ナノ粒子を含む流体を塗布し、塗布した前記金属ナノ粒子を含む流体を硬化させることで配線を形成する配線形成工程と、マイクロサイズの金属マイクロ粒子を含む流体を塗布し、塗布した前記金属マイクロ粒子を含む流体を硬化させることで前記配線に電気的に接続される接続端子を形成する接続端子形成工程と、を含み、前記接続端子形成工程は、前記接続端子として、前記絶縁部材に実装する電子部品と接続される第1接続端子、及び前記絶縁部材の電子回路と外部機器を接続する第2接続端子を形成し、前記第1接続端子及び前記第2接続端子の各々は、前記配線の一部を上から覆うように形成され、前記配線のうち前記第1接続端子に覆われる部分が、前記第1接続端子の全体に対して占める割合は、前記配線のうち前記第2接続端子に覆われる部分が、前記第2接続端子の全体に対して占める割合に比べて小さい、3次元積層造形による電子回路製造方法を開示する。
本開示によれば、接続端子の造形と、配線の造形とで、金属粒子を含む流体の種類を使い分ける。配線を形成する場合、金属ナノ粒子を含む流体を塗布し硬化させることで配線を形成する。これにより、ナノサイズの金属ナノ粒子が互いに接触又は融着等して硬化することで、低抵抗な配線を形成することができる。また、接続端子を形成する場合、金属マイクロ粒子を含む流体を塗布し硬化させることで接続端子を形成する。これにより、マイクロサイズの金属マイクロ粒子により一定の厚みを持った層を形成することができ、造形後の接続端子の引っ張り強度などの機械的性質を向上できる。従って、金属粒子を含む流体を使い分けることで、金属粒子を含む流体の特性を活かし、電気的性質及び機械的性質を向上した電子回路を製造できる。
積層ユニット形成装置を示す図である。 導電性インクと、導電性ペーストの特徴を示す表である。 制御装置を示すブロック図である。 制御装置を示すブロック図である。 3次元積層電子デバイスの製造工程の流れを示すフローチャートである。 第1積層ユニット、第2積層ユニット、第3積層ユニットを上下方向に積層して3次元積層電子デバイスを製造する状態を示す断面図である。 3次元積層電子デバイスを示す断面図である。 導電性インクと導電性ペーストの使用箇所を説明するための断面図である。 導電性インクと導電性ペーストの使用箇所を説明するための平面図である。 回路配線と接続端子の接続パターンを示す表である。 回路配線に接続端子を重ねた部分を模式的に示す図である。 別例の回路配線に接続端子を重ねた部分を模式的に示す図である。 別例の回路配線に接続端子を重ねた部分を模式的に示す図である。
以下、本開示の好適な実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
(1)積層ユニット形成装置の構成
図1に積層ユニット形成装置10を示す。積層ユニット形成装置10は、搬送装置20と、第1造形ユニット22と、第2造形ユニット24と、装着ユニット26と、第3造形ユニット200と、制御装置27(図3,図4参照)を備える。それら搬送装置20、第1造形ユニット22、第2造形ユニット24、装着ユニット26、第3造形ユニット200は、積層ユニット形成装置10のベース28の上に配置されている。ベース28は、平面視において概して長方形状をなしている。以下の説明では、ベース28の長手方向をX軸方向、ベース28の短手方向をY軸方向、X軸方向及びY軸方向の両方に直交する方向をZ軸方向と称して説明する。
搬送装置20は、X軸スライド機構30と、Y軸スライド機構32とを備えている。そのX軸スライド機構30は、X軸スライドレール34と、X軸スライダ36とを有している。X軸スライドレール34は、X軸方向に延びるように、ベース28の上に配設されている。X軸スライダ36は、X軸スライドレール34によって、X軸方向にスライド可能に保持されている。さらに、X軸スライド機構30は、電磁モータ38(図3参照)を有しており、電磁モータ38の駆動により、X軸スライダ36をX軸方向の任意の位置に移動させる。また、Y軸スライド機構32は、Y軸スライドレール50と、ステージ52とを有している。Y軸スライドレール50は、Y軸方向に延びるように、ベース28の上に配設されている。Y軸スライドレール50の一端部は、X軸スライダ36に連結されている。そのため、Y軸スライドレール50は、X軸方向に移動可能とされている。ステージ52は、Y軸スライドレール50によって、Y軸方向にスライド可能に保持されている。Y軸スライド機構32は、電磁モータ56(図2参照)を有しており、電磁モータ56の駆動により、ステージ52をY軸方向の任意の位置に移動させる。これにより、ステージ52は、X軸スライド機構30及びY軸スライド機構32の駆動により、ベース28上の任意の位置に移動する。
ステージ52は、基台60と、保持装置62と、昇降装置64とを有している。基台60は、平板状に形成され、上面に基材70が載置される。保持装置62は、X軸方向における基台60の両側部に設けられている。保持装置62は、基台60に載置された基材70のX軸方向の両縁部を挟むことで、基台60に対して基材70を固定的に保持する。また、昇降装置64は、基台60の下方に配設されており、基台60をZ軸方向で昇降させる。
第1造形ユニット22は、ステージ52の基台60に載置された基材70の上に回路配線を造形するユニットであり、第1印刷部72と、焼成部74とを有している。第1印刷部72は、インクジェットヘッド76(図3参照)を有しており、基台60に載置された基材70の上に、導電性インクを線状に吐出する。導電性インクは、本開示の金属ナノ粒子を含む流体の一例である。図2は、導電性インクと、後述する導電性ペーストの特徴を示す表である。図2に示すように、導電性インクは、例えば、主成分としてナノメートルサイズの金属(銀など)の微粒子を溶媒中に分散させたものを含み、熱により焼成されることで硬化する。導電性インクは、例えば、数百ナノメートル以下のサイズの金属ナノ粒子を含んでいる。金属ナノ粒子の表面は、例えば、分散剤によりコーティングされており、溶媒中での凝集が抑制されている。
なお、インクジェットヘッド76は、例えば、圧電素子を用いたピエゾ方式によって複数のノズルから導電性インクを吐出する。また、導電性インク(金属ナノ粒子を含む流体)を吐出する装置としては、複数のノズルを備えるインクジェットヘッドに限らず、例えば、1つのノズルを備えたディスペンサーでも良い。また、導電性インクに含まれる金属ナノ粒子の種類は、銀に限らず、銅、金等でも良い。また、導電性インクに含まれる金属ナノ粒子の種類数は、1種類に限らず、複数種類でも良い。
焼成部74は、照射装置78(図3参照)を有している。照射装置78は、例えば、基材70の上に吐出された導電性インクを加熱する赤外線ヒータを備えている。導電性インクは、赤外線ヒータから熱を付与されることで焼成され、回路配線を形成する。ここでいう導電性インクの焼成とは、例えば、エネルギーを付与することによって、溶媒の気化や金属ナノ粒子の保護膜、つまり、分散剤の分解等が行われ、金属ナノ粒子が接触又は融着することで、導電率が高くなる現象である。そして、導電性インクを焼成することで、回路配線を形成することができる。なお、導電性インクを加熱する装置は、赤外線ヒータに限らない。例えば、積層ユニット形成装置10は、導電性インクを加熱する装置として、赤外線ランプ、レーザ光を導電性インクに照射するレーザ照射装置、あるいは導電性インクを吐出された基材70を炉内に入れて加熱する電気炉を備えても良い。また、導電性インクを加熱する温度は、例えば、導電性インクに含まれる金属の融点よりも低い焼成の温度に限らず、金属の融点よりも高い温度でも良い。
また、第2造形ユニット24は、基台60に載置された基材70の上に絶縁層(本開示の樹脂部材の一例)を造形するユニットであり、第2印刷部84と、硬化部86とを有している。第2印刷部84は、インクジェットヘッド88(図3参照)を有しており、基台60に載置された基材70の上に紫外線硬化樹脂を吐出する。紫外線硬化樹脂は、紫外線の照射により硬化する樹脂である。なお、インクジェットヘッド88が紫外線硬化樹脂を吐出する方式は、例えば、圧電素子を用いたピエゾ方式でもよく、樹脂を加熱して気泡を発生させ複数のノズルから吐出するサーマル方式でも良い。
硬化部86は、平坦化装置90(図3参照)と、照射装置92(図3参照)とを有している。平坦化装置90は、インクジェットヘッド88によって基材70の上に吐出された紫外線硬化樹脂の上面を平坦化するものである。平坦化装置90は、例えば、紫外線硬化樹脂の表面を均しながら余剰分の樹脂を、ローラもしくはブレードによって掻き取ることで、紫外線硬化樹脂の厚みを均一にさせる。また、照射装置92は、光源として水銀ランプもしくはLEDを備えており、基材70の上に吐出された紫外線硬化樹脂に紫外線を照射する。これにより、基材70の上に吐出された紫外線硬化樹脂が硬化し、絶縁層を形成することができる。
また、装着ユニット26は、基台60に載置された基材70の上に、電子部品やプローブピンを装着するユニットであり、供給部100と、装着部102とを有している。供給部100は、テーピング化された電子部品を1つずつ送り出すテープフィーダ110(図3参照)を複数有しており、各供給位置において、電子部品を供給する。さらに、供給部100は、プローブピンが立った状態で並べられたトレイ201(図3参照)を有しており、トレイ201からピックアップされることが可能な状態でプローブピンを供給する。電子部品は、例えば、温度センサ等のセンサ素子である。また、プローブピンとは、1つの積層ユニットの回路配線と、他の積層ユニットの回路配線とを電気的に接続する部材である。また、プローブピンには、外力を加えることで、軸方向にストローク可能なものを用いることが好ましい。なお、電子部品の供給は、テープフィーダ110による供給に限らず、トレイによる供給でも良い。また、プローブピンの供給は、トレイ201による供給に限らず、テープフィーダによる供給でも良い。また、電子部品とプローブピンの供給は、テープフィーダによる供給とトレイによる供給との両方、あるいはそれ以外の供給でも良い。
装着部102は、装着ヘッド112(図3参照)と、移動装置114(図3参照)とを有している。装着ヘッド112は、電子部品、又はプローブピンを吸着保持するための吸着ノズルを有している。吸着ノズルは、正負圧供給装置(図示省略)から負圧が供給されることで、エアの吸引により電子部品等を吸着保持する。そして、正負圧供給装置から僅かな正圧が供給されることで、電子部品等を離脱する。また、移動装置114は、テープフィーダ110の供給位置又はトレイ201と、基台60に載置された基材70との間で、装着ヘッド112を移動させる。これにより、装着部102は、吸着ノズルにより電子部品等を保持し、吸着ノズルによって保持した電子部品等を、基材70の上に配置する。
また、第3造形ユニット200は、基台60に載置された基材70の上に、導電ペーストを塗布するユニットである。導電性ペーストは、本開示の金属マイクロ粒子を含む流体の一例である。図2に示すように、導電性ペーストは、例えば、マイクロサイズの金属粒子(マイクロフィラなど)を、樹脂製の接着剤に含めた粘性流体である。マイクロサイズの金属マイクロ粒子は、例えば、フレーク状態の金属(銀など)である。金属マイクロ粒子は、銀に限らず、金、銅などや複数種類の金属でも良い。接着剤は、例えば、エポキシ系の樹脂を主成分として含んでいる。導電性ペーストは、加熱により硬化し、例えば、回路配線に接続される接続端子の形成に使用される。接続端子とは、後述するように、電子部品の部品端子に接続する接続端子(バンプ)、外部機器などに接続する電極パッド(露出パッドなど)、プローブピンの接触箇所に設けられるピン端子、積層方向に回路配線を導通させるスルーホールなどの形成に使用される。
また、第3造形ユニット200は、導電性ペーストを吐出(塗布)する装置としてディスペンサー202を有する。尚、図2に示すように、導電性ペーストを塗布する装置は、ディスペンサーに限らず、スクリーン印刷装置やグラビア印刷装置でも良い。また、本開示における「塗布」とは、流体をノズルなどから吐出する動作や、スクリーン印刷やグラビア印刷によって対象物の上に流体を付着させる動作を含む概念である。
ディスペンサー202は、絶縁層の貫通孔内や絶縁層の表面等に導電性ペーストを吐出する。貫通孔に充填された導電性ペーストは、例えば、第1造形ユニット22の焼成部74によって加熱され硬化することで接続端子やスルーホールを形成する。また、絶縁層の表面に塗布された導電性ペーストは、例えば、焼成部74によって加熱され硬化することで、接続端子等を形成する。
図2に示すように、導電性ペーストは、例えば、数十マイクロメートル以下のサイズの金属マイクロ粒子を含んでいる。導電性ペーストは、加熱されることで接着剤(樹脂など)が硬化し、フレーク状の金属同士が接触した状態で硬化する。導電性ペーストを硬化する方法は、加熱による方法に限らず、接着剤として紫外線硬化樹脂を用いて紫外線により硬化する方法でも良い。
上記したように導電性インクは、例えば、加熱によって金属ナノ粒子同士が融着することで一体化した金属となり、金属ナノ粒子同士が接触しているだけの状態に比べて導電率が高くなる。一方、導電性ペーストは、例えば、接着剤の硬化によってマイクロサイズの金属マイクロ粒子を互いに接触させて硬化する。このため、導電性インクを硬化して形成した配線の抵抗(電気抵抗率)は、例えば、数~数十マイクロΩ・cmと極めて小さく、導電性ペーストを硬化した配線の抵抗(数十~数千マイクロΩ・cm)に比べて小さい。従って、導電性インクは、低抵抗の回路配線など、低い抵抗値を要求される造形物の造形に適している。
一方で、導電性ペーストは、硬化時に接着剤を硬化させることで、他の部材との接着性を高めることができ、導電性インクに比べて他の部材との密着性に優れている。ここでいう他の部材とは、導電性ペーストを吐出等して付着させる部材であり、例えば、絶縁層、回路配線、電子部品の部品端子などである。従って、導電性ペーストは、電子部品を絶縁層に固定する接続端子など、機械的強度(引っ張り強度など)が要求される造形物の造形に適している。
また、導電性インクは、金属ナノ粒子を溶媒中に分散させたものであり、接着剤中に金属マイクロ粒子を混入させた導電性ペーストに比べて粘性が低くなる(流動性が高くなる)。このため、比較的粘度の低い導電性インクを用いた3次元積層造形では、比較的粘度の高い導電性ペーストを用いた3次元積層造形に場合に比べて、微細なインクジェット印刷が可能となり、微細な形状の回路配線を形成することができる。一方で、導電性ペーストは、導電性インクに比べて粘性が高いため、吐出された後に流動し難く、マイクロサイズの金属マイクロ粒子を含んでいるため、比較的厚い膜を形成することができる。本実施形態の積層ユニット形成装置10では、このような導電性インクと導電性ペーストを使い分けて、特性を活かすことで、電気的性質及び機械的性質を向上した電子回路を製造できる。
また、制御装置27は、図3及び図4に示すように、コントローラ120と、複数の駆動回路122と、記憶装置124とを備えている。複数の駆動回路122は、図3に示すように、上記電磁モータ38,56、保持装置62、昇降装置64、インクジェットヘッド76、照射装置78、インクジェットヘッド88、平坦化装置90、照射装置92、テープフィーダ110、装着ヘッド112、移動装置114に接続されている。さらに、駆動回路122は、図4に示すように、第3造形ユニット200に接続されている。コントローラ120は、CPU,ROM,RAM等を備え、コンピュータを主体とするものであり、複数の駆動回路122に接続されている。記憶装置124は、RAM、ROM、ハードディスク等を備えており、積層ユニット形成装置10の制御を行う制御プログラム126が記憶されている。コントローラ120は、制御プログラム126をCPUで実行することで、搬送装置20、第1造形ユニット22、第2造形ユニット24、装着ユニット26、第3造形ユニット200等の動作を制御可能となっている。以下の説明では、コントローラ120が、制御プログラム126を実行して各装置を制御することを、単に「装置が」と記載する場合がある。例えば、「コントローラ120がステージ52を移動させる」とは、「コントローラ120が、制御プログラム126を実行し、駆動回路122を介して搬送装置20の動作を制御して、搬送装置20の動作によってステージ52を移動させる」ことを意味している。
(2)3次元積層電子デバイスの製造方法
本実施形態の積層ユニット形成装置10は、上記した構成によって、回路配線、接続端子及び電子部品を含んだ積層ユニットを複数造形し、複数の積層ユニットを組み立てることで3次元積層電子デバイスを製造する。詳述すると、図5は、3次元積層電子デバイスの製造工程の流れを示すフローチャートである。図6は、第1積層ユニット218A、第2積層ユニット218B、第3積層ユニット218Cを上下方向に積層して3次元積層電子デバイス246を製造する状態を示す断面図である。図7は、3次元積層電子デバイス246を示す断面図である。尚、図5~図7に示す製造工程や3次元積層電子デバイス246(積層ユニットの数や構造)は、一例である。
図5に示すように、3次元積層造形による3次元積層電子デバイス246の製造工程130は、ユニット形成工程P10と、ユニット積層工程P12とを含んでいる。ユニット形成工程P10では、上記した積層ユニット形成装置10によって、基材70の上に、第1~第3積層ユニット218A,218B,218Cを形成する。これに対して、ユニット積層工程P12では、第1~第3積層ユニット218A,218B,218Cを上下方向に積層することによって、3次元積層電子デバイス246(図7参照)を製造する。なお、以下の説明において、第1~第3積層ユニット218A~218Cを区別せずに総称する場合は、積層ユニット218と表記する。
コントローラ120は、制御プログラム126を実行し積層ユニット形成装置10の各装置を制御することで、ユニット形成工程P10を実行する。ユニット形成工程P10は、絶縁層形成処理S10と、回路配線形成処理S20と、接続端子形成処理S30と、実装処理S40とを有している。なお、上記の各処理S10,S20,S30,S40の実行順序は、3次元積層電子デバイス246(つまり、第1~第3積層ユニット218A~218C)の積層構造等によって決定される。そのため、上記の各処理S10,S20,S30,S40は、それらの表記順で繰り返されるものでない。
例えば、ユーザが、ステージ52の基台60に基材70をセットし、積層ユニット形成装置10に対して図5に示す製造工程130の開始を指示する。尚、基材70のセットは、積層ユニット形成装置10が自動で実行しても良い。コントローラ120は、絶縁層形成処理S10を実行する場合、基材70がセットされたステージ52を第2造形ユニット24の下方に移動させる。コントローラ120は、第2造形ユニット24を制御し、インクジェットヘッド88から紫外線硬化樹脂を基材70の上に吐出して、平坦化装置90で平坦化し、照射装置92で硬化させる。コントローラ120は、紫外線硬化樹脂の吐出、平坦化、硬化を繰り返して絶縁層220(図6参照)を形成する。また、コントローラ120は、絶縁層形成処理S10において、電子部品96やプローブピン99を収容する収容部222を形成する。
また、コントローラ120は、回路配線形成処理S20を実行する場合、ステージ52を第1造形ユニット22の下方に移動させる。コントローラ120は、第1造形ユニット22を制御し、インクジェットヘッド76から導電性インクを絶縁層220の上面などに吐出し、吐出した導電性インクを照射装置78で加熱することで、回路配線225(図6参照)を形成する。
また、コントローラ120は、接続端子形成処理S30を実行する場合、ステージ52を第3造形ユニット200の下方に移動させる。コントローラ120は、第3造形ユニット200を制御して、ディスペンサー202から導電性ペーストを、絶縁層220の上面、回路配線225の上面、収容部222の底部などに吐出する。コントローラ120は、吐出した導電性ペーストを、第1造形ユニット22の照射装置78で加熱することで、接続端子227(図6参照)を形成する。例えば、図6に示すように、コントローラ120は、接続端子227として、部品接続端子227A、ピン端子227B、電極パッド227Cを形成する。部品接続端子227Aは、例えば、電子部品96の部品端子96Aと接続される接続端子227である。また、ピン端子227Bは、例えば、プローブピン99の下端と接続される接続端子227である。電極パッド227Cは、例えば、各積層ユニット218の電子回路をプローブピン99の上端に電気的に接続するためや、3次元積層電子デバイス246を外部機器と接続するための接続端子227である。各接続端子227は、回路配線225によって電気的に接続され、電子回路を構成している。
コントローラ120は、上記した絶縁層形成処理S10で形成する絶縁層220、回路配線形成処理S20で形成する回路配線225、接続端子形成処理S30で形成する接続端子227のそれぞれの形状、位置、数等を適宜変更して各積層ユニット218を造形する。また、コントローラ120は、積層ユニット218を造形する過程で、実装処理S40を適宜実行する。コントローラ120は、装着ユニット26によって電子部品96やプローブピン99を実装する。
例えば、制御プログラム126には、3次元積層電子デバイス246(各積層ユニット218)をスライスした各層の三次元のデータが設定されている。コントローラ120は、制御プログラム126のデータに基づいて、回路配線形成処理S20等の各製造工程を実行し積層ユニット218を形成する。また、コントローラ120は、制御プログラム126のデータに基づいて、電子部品96やプローブピン99を配置する層や位置等の情報を検出し、検出した情報に基づいて電子部品96やプローブピン99を積層ユニット218に配置する。コントローラ120は、例えば、第3造形ユニット200を制御して導電性ペーストを吐出した後、装着ユニット26を制御して電子部品96の部品端子96Aが導電性ペーストに接触するように、電子部品96を収容部222等に配置する。コントローラ120は、電子部品96を配置した後、導電性ペーストを硬化することで部品接続端子227Aと部品端子96Aを接続し、絶縁層220に対して電子部品96を固定する。尚、コントローラ120は、電子部品96を配置した後に、電子部品96の部品端子96Aの上に導電性ペーストを吐出して硬化しても良い。
また、コントローラ120は、例えば、第3造形ユニット200を制御して、プローブピン99を収容する収容部222の底部に導電性ペーストを吐出する。コントローラ120は、第1造形ユニット22の照射装置78により導電性ペーストを硬化することで、収容部222の底部にピン端子227Bを形成する。コントローラ120は、装着ユニット26を制御し、プローブピン99の下端が硬化したピン端子227Bに接触するように、プローブピン99を収容部222内に配置する。このようにして所望の構造の積層ユニット218を3次元積層造形により造形することができる。
次に、コントローラ120は、ユニット積層工程P12において、上記した積層ユニット218の組み立てを行なう。基材70の上には、例えば、熱によって剥離する剥離フィルム(図示略)が貼り付けられており、その剥離フィルムの上に各積層ユニット218が形成される。そして、剥離フィルムを加熱することで、各積層ユニット218を基材70から剥離することができる。尚、基材70と積層ユニット218の分離方法は、上記した方法に限らない。例えば、基材70と積層ユニット218との間に、熱によって溶ける部材(サポート材など)を配置し、溶かして分離しても良い。また、基材70と、積層ユニット218との分離は、積層ユニット形成装置10が自動で(ロボットアーム等で)実施しても良く、人が手作業で行なっても良い。
そして、図6及び図7に示すように、ユニット積層工程P12において、複数の積層ユニット218を積層することで、所望の構造の3次元積層電子デバイス246を製造することができる。なお、複数の積層ユニット218を互いに固定する方法は、特に限定されないが、ネジ、ボルト、ナット等を用いる方法や、接着剤を用いる方法を採用できる。また、複数の積層ユニット218を組み立てる作業は、積層ユニット形成装置10が自動で実行しても良い。例えば、積層ユニット形成装置10は、複数の積層ユニット218を組み立てて互いに固定するロボットアームを備えても良い。あるいは、複数の積層ユニット218を組み立てる作業は、ユーザが手作業で行なっても良い。また、本実施形態では、プローブピン99として軸方向にストローク可能なものを用いる。積層ユニット218を積層する際に、プローブピン99は、下方のピン端子227Bと、上方の電極パッド227Cとで上下方向に挟まれる。この際に、プローブピン99は、上の積層ユニット218と、下の積層ユニット218との間の距離に応じてストローク量を変動させ収縮する。これにより、3次元積層造形による積層ユニット218の厚みの誤差などを、プローブピン99のストローク量で吸収することができる。
(3)導電性インクと導電性ペーストの使い分けについて
図8は、導電性インクと導電性ペーストの使用箇所を説明するための断面図である。図9は、導電性インクと導電性ペーストの使用箇所を説明するための平面図である。図8及び図9は、3次元積層電子デバイス246の構成を模式的に示しいている。尚、図8、図9と、後述する図11~図13は、図面が複雑となるのを避けるため、電子部品96を、絶縁層220の表面に実装している。しかしながら、以下に説明する導電性インクと導電性ペーストを使い分ける製造方法については、図7に示す収容部222に配置する電子部品96についても、同様に実施できる。
図8及び図9に斜線のハッチングを付して示すように、本実施形態の積層ユニット形成装置10は、例えば、回路配線225などの低抵抗が要求される箇所について、導電性インクを用いた造形を行なう。一方、図8及び図9にドットのハッチングを付して示すように、積層ユニット形成装置10は、接続端子227のような他の部材と接合、接触等するため、引っ張り強度などの機械的な強度が要求される箇所について、導電性ペーストを用いた造形を行なう。
このように、本実施形態では、導電性ペーストとして、金属マイクロ粒子を含む流体、例えば、金属マイクロ粒子を、樹脂製の接着剤に含めた粘性流体を用いる。図5に示す接続端子227を形成する接続端子形成処理S30(本開示の接続端子形成工程の一例)では、コントローラ120は、導電性ペーストに含まれる接着剤を硬化させることで、複数の金属マイクロ粒子を互いに接触させて硬化する。また、図5に示す回路配線225(配線の一例)を形成する回路配線形成処理S20(本開示の配線形成工程の一例)では、コントローラ120は、金属ナノ粒子を含む流体を加熱することで、複数の金属ナノ粒子を互いに融着して硬化させる。これによれば、接続端子形成処理S30において、複数の金属マイクロ粒子を、接着剤を硬化することで互いに接触させた状態で硬化させ、例えば、接着剤の接着により機械的性質(引っ張り強度など)を向上した接続端子227を形成できる。また、回路配線形成処理S20において、複数の金属ナノ粒子を加熱して互いに融着させることで、電気的性質を向上した(抵抗値の低減、高周波特性の改善)回路配線225を形成できる。
また、本実施形態では、接続端子形成処理S30において、コントローラ120は、接続端子227として、絶縁層220に実装する電子部品96と接続する部品接続端子227A、絶縁層220の電子回路と外部機器を接続する電極パッド227C、複数の積層ユニット218の電子回路を互いに接続するプローブピン99を積層ユニット218の電子回路に接続するピン端子227Bのうち、少なくとも1つの接続端子227を形成する。これによれば、3次元積層電子デバイス246に実装する電子回路のうち、機械的強度が要求される部分に、金属マイクロ粒子を含む流体を用いることで、機械的性質を向上した電子回路を製造できる。
また、上記したように、本実施形態の導電性インクは、電気的性質において優れており、導電性ペーストは、機械的性質において優れている。このため、導電性インクにより形成した回路配線225と、導電性ペーストにより形成した接続端子227とを重ねる場合、導電性インクの割合を大きくすれば、抵抗値の低減等を図ることができる。逆に、導電性ペーストの割合を大きくすれば、引っ張り強度の向上などを図ることができる。
図10は、回路配線225と接続端子227の接続パターンを示す表である。図11は、回路配線225に接続端子227を重ねた部分を模式的に示す図である。図10には、PT11~PT34までの12個の接続パターンPT11~PT34の一例が図示されている。図10は、回路配線225と接続端子227の重なった部分を平面視した模式図を接続パターンPT11~PT34で示している。
ここでいう重なった部分とは、例えば、図11に示す電子部品96の部品端子96Aと接続される部品接続端子227Aが、回路配線225の端部を覆う部分である。部品接続端子227Aは、部品端子96Aを回路配線225に電気的に接続するとともに、部品端子96Aを絶縁層220に対して固定している。この場合、部品接続端子227Aは、電子部品96が3次元積層電子デバイス246から脱落等しないように、引っ張り強度が要求される。
そこで、図11に示すように、コントローラ120は、回路配線形成処理S20において、例えば、部品接続端子227Aに覆われる位置であって、部品端子96Aの直下となる位置PT1から離れた位置PT2を起点として回路配線225を引き出すように形成する。これによれば、回路配線225を引き出す位置PT2を、部品端子96Aから離すことで、部品接続端子227Aで覆われる部分における回路配線225の割合を低くし、換言すれば、部品端子96Aを絶縁層220に固定する箇所において導電性ペーストの割合を高くし、機械的強度を向上できる。これにより、部品接続端子227Aを介して絶縁層220に電子部品96をより強固に固定でき、大型の電子部品96などであっても、電子部品96の脱落や剥離を抑制できる。
例えば、図10に示す最も左側の列(接続パターンPT11,PT21,PT31)では、接続端子227の外側(端部側)を起点として回路配線225を引き出している。この場合、回路配線225のうち接続端子227に覆われる部分が、接続端子227の全体に対して占める割合は、小さくなる。接続端子227で接合する電子部品96等に対する機械的性質を向上できる。
また、図11に示す電極パッド227Cは、外部機器の端子である外部機器端子233を接続されている。この外部機器は、例えば、3次元積層電子デバイス246に常に固定されている訳ではなく、必要な場合に接続される機器である。この場合、外部機器端子233を、電極パッド227Cで絶縁層220に固定する必要がない。このような電極パッド227Cを形成する場合、コントローラ120は、回路配線形成処理S20において、例えば、電極パッド227Cに覆われる位置であって、外部機器端子233の直下となる位置PT3から引き出すように回路配線225を形成する。位置PT3は、例えば、3次元積層電子デバイス246と外部機器とが正常に通信できるように、外部機器端子233と電極パッド227Cを電気的に接続した場合に、外部機器端子233全体における電極パッド227Cと接触している部分の中央位置(平面視における中央となる位置)である。これによれば、外部機器端子233の直下となる位置PT3を起点として回路配線225を引き出すことで、外部機器端子233と回路配線225の引き出し位置をより近づけることができる。外部機器端子233と回路配線225との間に電極パッド227C(導電性ペースト)が介在する量(割合)を少なくし、外部機器と回路配線225(3次元積層電子デバイス246)との電気的接続における抵抗値をより小さくすることができる。これにより、低抵抗な接続を要求する外部機器などを電極パッド227Cに接続でした場合、外部機器を正常に動作させることができる。
例えば、図10に示す右から2列目(接続パターンPT13,PT23,PT33)では、回路配線225の延びる方向(図10の左右方向)で見た場合、接続端子227の中点(接続パターンPT13では中央の位置)から回路配線225を引き出している。この場合、回路配線225の引き出し位置(起点)と、接続端子227に接続される端子(外部機器端子233など)との間の距離をできだけ近づけることができ、回路配線225と外部機器端子233とを接続する電子回路における抵抗値を低くすることができる。
従って、本実施形態のコントローラ120は、接続端子形成処理S30において、絶縁層220(絶縁部材の一例)に実装する電子部品96と接続される部品接続端子227A(第1接続端子の一例)、及び絶縁層220の電子回路と外部機器を接続する電極パッド227C(第2接続端子の一例)を形成する。部品接続端子227A及び電極パッド227Cの各々は、回路配線225の一部を上から覆うように形成される。そして、回路配線225のうち部品接続端子227Aに覆われる部分が、部品接続端子227Aの全体に対して占める割合は、回路配線225のうち電極パッド227Cに覆われる部分が、電極パッド227Cの全体に対して占める割合に比べて小さい(図11参照)。これによれば、外部機器と接続する電極パッド227Cについては、回路配線225が電極パッド227C全体に占める割合を相対的に増やすことで、電気的抵抗の減少(電気的性質の向上)を図ることができる。また、電子部品96を接続するバンプのような部品接続端子227Aについては、回路配線225が部品接続端子227A全体に占める割合を相対的に減らすことで、機械的強度の向上(機械的性質の向上)を図ることができる。
同様に、例えば、図6に示すピン端子227Bのような、プローブピン99を物理的に固定する訳ではなく、プローブピン99と接触して電気的に接続されているような部分では、上記した図11に示す電極パッド227Cのように、プローブピン99の直下となる位置から回路配線225を引き出して、回路配線225とプローブピン99の接続抵抗を低減しても良い。あるいは、上記した図11に示す部品接続端子227Aのように、プローブピン99の直下から離れた位置を起点として回路配線225を引き出すことで、ピン端子227Bを絶縁層220により強固に固定しても良い。ピン端子227Bは、上記したように、積層ユニット218を積層した際に、プローブピン99を上下から挟み、ストローク量に応じた応力を付加される。このため、機械的強度がピン端子227Bに必要な場合、導電性ペーストの割合を高くして、機械的性質の向上を図れる。
尚、図12に示すように、部品端子96Aの直下となる位置PT1から回路配線225を引き出し、部品端子96Aと回路配線225との間の距離を短くして接続抵抗を減らしても良い。例えば、小型で小さい接続抵抗を要求するような電子部品96については、位置PT1から回路配線225を引き出し、接続抵抗の低減を図れる。また、図11に示すように、電極パッド227Cから回路配線225を引き出す位置PT3を、電極パッド227Cの外側(端部側)となる位置にしても良い。例えば、外部機器端子233との接触(接続)が頻繁に繰り返されるような電極パッド227Cなどについては、回路配線225の引き出し位置PT3を外側にし、電極パッド227Cの引っ張り強度を高くして、電極パッド227Cの剥離を抑制できる。
上記した導電性インクと導電性ペーストとを使い分ける方法については、特に限定されない。例えば、制御プログラム126の三次元のデータに、使用する材料、接続端子227を形成する位置、回路配線225の引き出し位置等を設定することで使い分けを実現しても良い。これにより、コントローラ120は、制御プログラム126に基づいて3次元積層造形を実行し、上記した使い分けに応じた造形を実施することで、電気的性質及び機械的性質の向上を図った3次元積層電子デバイス246を製造できる。あるいは、コントローラ120は、電子部品96に要求される接続抵抗の値、接続端子227を造形する位置、接続端子227を接続する対象物などに基づいて、使用する材料や回路配線225の引き出し位置等を自動で変更しても良い。
また、コントローラ120は、例えば、制御プログラム126に基づいて、図10に示す接続パターンPT11~PT34を使い分けることができる。例えば、コントローラ120は、機械的性質を向上しつつ、接続端子227から2つの回路配線225を引き出したい場合、接続パターンPT12,PT22,PT32を使用する。また、例えば、コントローラ120は、電気的性質を向上しつつ、接続端子227から2つの回路配線225を引き出したい場合、接続パターンPT14,PT24,PT34を使用する。
また、コントローラ120は、回路配線225を退避したい場合、図10の2行目に示すオフセットした位置から回路配線225を形成する。ここでいう退避したい場合とは、例えば、部品端子96Aが部品接続端子227Aに比べて相対的に大きく、回路配線225と部品端子96Aとが干渉するような場合である。また、コントローラ120は、回路配線225を退避する必要がない場合、図10の1行目に示す中央の位置から回路配線225を引き出すことで、部品端子96A等と回路配線225との間の距離を近づけることができる。
また、コントローラ120は、電気的抵抗をより低減したい場合、図10の3行目に示す面接点による回路配線225を形成する。この面接点による回路配線225の形成では、コントローラ120は、例えば、回路配線225の配線幅Wを、接続端子227の幅と同一以上にする。これにより、回路配線225と接続端子227の接触面積を増やし、接続抵抗をより低減することができる。また、面接点を用いる程の低抵抗が要求されない場合、コントローラ120は、図10の1行目に示す中央の位置から回路配線225を引き出し、配線幅Wを狭くすることで、回路配線225の小型化や、使用する導電性インクの量を削減できる。
また、図13に示すように、コントローラ120は、部品接続端子227Aの数を増やして、回路配線225の引き出し位置を部品端子96Aからより離しても良い。これにより、電子部品96の直下から回路配線225をなくし、部品接続端子227Aによる電子部品96を固定する力をより強くし、電子部品96を絶縁層220に強固に固定できる。また、部品接続端子227Aを複数個形成せずに、例えば、図9に示すように、絶縁層220の平面方向に沿って部品接続端子227Aを大きくする、あるいは長くするなどして電子部品96と、回路配線225とを離しても良い。
また、図11~図13に示すように、本実施形態のコントローラ120は、回路配線225を上から覆うように、接続端子227を形成している。図2に示すように、本実施形態の導電性インクは、粘性が低く、流動性が高い。このため、先に導電性ペーストを吐出して接続端子227を形成した後に、接続端子227の表面に導電性インクを吐出しても、接続端子227の表面から導電性インクが流れ落ちる可能性がある。一方で、導電性ペーストは、粘性が高く、対象物に対して付着し易い。そこで、コントローラ120は、回路配線225と接続端子227を接続する場合、回路配線225を先に形成し、形成した回路配線225の上に接続端子227を形成する。
従って、本実施形態のコントローラ120は、回路配線225と接続端子227を接続する場合、回路配線形成処理S20を実行して回路配線225を形成した後、形成した回路配線225に金属マイクロ粒子を含む流体を塗布し、塗布した金属マイクロ粒子を含む流体を硬化させて接続端子227を形成する。上記したように、3次元積層造形法では、接続端子227のような凹凸のある部材の上に、金属ナノ粒子を含む流体、即ち、流動性の高い流体を塗布しても、対象物上に流体を均一に残留させることが難しく、均一な厚みの回路配線225を形成することが困難となる。そこで、金属ナノ粒子により回路配線225を先に形成することで、均一な厚みの回路配線225を形成できる。そして、先に形成した回路配線225の上に、比較的粘性の高い金属マイクロ粒子を含む流体を塗布することで、回路配線225の上に接続端子227を好適に形成できる。尚、導電性インクを、接続端子227に付着等できる場合、接続端子227を形成した後に、接続端子227の上に導電性インクを吐出して回路配線225を接続端子227の表面に形成しても良い。あるいは、例えば、絶縁層220に形成した穴に導電性ペーストを吐出してスルーホールを形成するような場合、コントローラ120は、先に導電性ペーストを吐出してスルーホールを形成した後に、スルーホールの上に導電性インクを吐出して回路配線225を形成しても良い。
(4)まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の3次元積層造形による電子回路製造方法は、絶縁層220の上に、ナノサイズの金属ナノ粒子を含む導電性インクを塗布し、塗布した導電性インクを硬化させることで回路配線225を形成する回路配線形成処理S20を含む。また、3次元積層造形による電子回路製造方法は、マイクロサイズの金属マイクロ粒子を含む導電性ペーストを塗布し、塗布した導電性ペーストを硬化させることで回路配線225に電気的に接続される接続端子227を形成する接続端子形成処理S30を含む。
これによれば、接続端子227の造形と、回路配線225の造形とで、金属粒子を含む流体の種類を使い分ける。回路配線225を形成する場合、導電性インクを塗布し硬化させることで回路配線225を形成する。これにより、ナノサイズの金属ナノ粒子が互いに接触又は融着等して硬化することで、低抵抗な回路配線225を形成することができる。また、接続端子227を形成する場合、導電性ペーストを塗布し硬化させることで接続端子227を形成する。これにより、マイクロサイズの金属マイクロ粒子により一定の厚みを持った層を形成することができ、造形後の接続端子227の引っ張り強度などの機械的性質を向上できる。従って、金属粒子を含む流体を使い分けることで、金属粒子を含む流体の特性を活かし、電気的性質及び機械的性質を向上した電子回路を製造できる。
因みに、本実施形態において、絶縁層220は、樹脂部材の一例である。回路配線225は、配線の一例である。部品接続端子227Aは、第1接続端子の一例である。電極パッド227Cは、第2接続端子の一例である。回路配線形成処理S20は、配線形成工程の一例である。接続端子形成処理S30は、接続端子形成工程の一例である。
(5)変更例
なお、本開示は上記実施形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、積層ユニット形成装置10は、導電性ペーストを用いて部品接続端子227A、ピン端子227B、電極パッド227Cを形成したが、3つの接続端子227のうち、少なくとも1つを形成する構成でも良い。
また、本願の導電性インクに用いる金属ナノ粒子や溶剤の種類は、特に限定されない。
また、本願の導電性ペーストに用いる金属マイクロ粒子や接着剤の種類は、特に限定されない。
また、絶縁層220を構成する樹脂は、紫外線硬化樹脂に限らず、例えば、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂でも良い。
また、上記実施形態では、積層ユニット形成装置10は、本開示の樹脂材料として、紫外線硬化樹脂を硬化した絶縁層220を、3次元積層造形により形成した。しかしながら、積層ユニット形成装置10は、3次元積層造形以外の方法(射出成形など)で形成した樹脂材料の上に回路配線225や接続端子227を形成しても良い。
上記した積層ユニット形成装置10の構成は一例であり、適宜変更可能である。例えば、積層ユニット形成装置10は、電子部品を装着するための装着ユニット26を備えなくとも良い。
また、本開示の3次元積層造形法としては、インクジェット法以外に、例えば、光造形法、熱溶解積層法などを採用できる。
10 積層ユニット形成装置
S20 回路配線形成処理(配線形成工程)
S30 接続端子形成処理(接続端子形成工程)
96 電子部品
99 プローブピン
218 積層ユニット(絶縁部材)
220 絶縁層(絶縁部材)
225 回路配線(配線)
227 接続端子
227A 部品接続端子(第1接続端子)
227B ピン端子
227C 電極パッド(第2接続端子)
246 3次元積層電子デバイス

Claims (6)

  1. 絶縁部材の上に、ナノサイズの金属ナノ粒子を含む流体を塗布し、塗布した前記金属ナノ粒子を含む流体を硬化させることで配線を形成する配線形成工程と、
    マイクロサイズの金属マイクロ粒子を含む流体を塗布し、塗布した前記金属マイクロ粒子を含む流体を硬化させることで前記配線に電気的に接続される接続端子を形成する接続端子形成工程と、
    を含み、
    前記接続端子形成工程は、
    前記絶縁部材に実装する電子部品の部品端子と接続される前記接続端子を形成し、
    前記配線形成工程は、
    前記接続端子に覆われる位置であって、前記部品端子の直下から引き出される前記配線を形成する、3次元積層造形による電子回路製造方法。
  2. 絶縁部材の上に、ナノサイズの金属ナノ粒子を含む流体を塗布し、塗布した前記金属ナノ粒子を含む流体を硬化させることで配線を形成する配線形成工程と、
    マイクロサイズの金属マイクロ粒子を含む流体を塗布し、塗布した前記金属マイクロ粒子を含む流体を硬化させることで前記配線に電気的に接続される接続端子を形成する接続端子形成工程と、
    を含み、
    前記接続端子形成工程は、
    前記接続端子として、前記絶縁部材に実装する電子部品と接続される第1接続端子、及び前記絶縁部材の電子回路と外部機器を接続する第2接続端子を形成し、
    前記第1接続端子及び前記第2接続端子の各々は、
    前記配線の一部を上から覆うように形成され、
    前記配線のうち前記第1接続端子に覆われる部分が、前記第1接続端子の全体に対して占める割合は、前記配線のうち前記第2接続端子に覆われる部分が、前記第2接続端子の全体に対して占める割合に比べて小さい、3次元積層造形による電子回路製造方法。
  3. 前記接続端子形成工程は、
    前記絶縁部材に実装する電子部品の部品端子と接続される前記接続端子を形成し、
    前記配線形成工程は、
    前記接続端子に覆われる位置であって、前記部品端子の直下から離れた位置を起点として引き出される前記配線を形成する、請求項2に記載の3次元積層造形による電子回路製造方法。
  4. 前記金属マイクロ粒子を含む流体は、
    前記金属マイクロ粒子を、樹脂製の接着剤に含めた粘性流体であり、
    前記接続端子形成工程は、
    前記接着剤を硬化させることで、複数の前記金属マイクロ粒子を互いに接触させて硬化し、
    前記配線形成工程は、
    前記金属ナノ粒子を含む流体を加熱することで、複数の前記金属ナノ粒子を互いに融着して硬化させる、請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の3次元積層造形による電子回路製造方法。
  5. 前記接続端子形成工程は、
    前記接続端子として、前記絶縁部材に実装する電子部品と接続する前記接続端子、前記絶縁部材の電子回路と外部機器を接続する前記接続端子、複数の前記絶縁部材の電子回路を互いに接続するプローブピンを前記絶縁部材の電子回路に接続する前記接続端子のうち、少なくとも1つの前記接続端子を形成する、請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の3次元積層造形による電子回路製造方法。
  6. 前記配線形成工程を実行して前記配線を形成した後、形成した前記配線に前記金属マイクロ粒子を含む流体を塗布し、塗布した前記金属マイクロ粒子を含む流体を硬化させて前記接続端子を形成する、請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の3次元積層造形による電子回路製造方法。
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