JP5729748B2 - 回路基板の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は導電性粒子を使った導電性回路基板の製造方法及び製造装置に関する。

回路基板の製造方法、特に導電性回路パターンの形成方法は種々提案され実用に供されている。
例えば、もっとも一般的な手法は全面に銅箔を張られた基板から、不要な部分を取り除いて回路を残す方法があげられる。これは配線として残したい部分に、シルクスクリーン印刷などで防蝕膜となるインクや塗料を塗布して覆い（マスキング）、金属腐食性のある薬品（銅箔の場合、一般的に塩化第二鉄溶液を用いる）で腐食（エッチング）させて必要な回路を残す方式である。印刷によるマスキングに代えて、フォトレジストを塗布した基板に回路パターン図を焼き込んだ銀塩写真フィルムのマスクを重ね紫外線露光して、露光部分のレジストを除去して前述のようにエッチングして用いることも実用している。

例えば、絶縁体基板に回路パターンを後から付け加える方法があげられる。銅パターンを形成したくない部分にレジスト（めっきレジスト）を形成し、レジストのない部分に電解または無電解めっきを施すことでパターンを形成する。
例えば、金属インクをインクジェットで基板上に直接描画してパターンを形成し、熱処理を施すことにより配線形成を行なう方法があげられる。
また、電子写真法を用いた導電性の粉体描画方法も提案されている。一つは特許文献１に示すように導電性粉体を樹脂でコートしたものを現像する方法である。
もう一つは特許文献２，３に示すように樹脂を含まない導電性粒子を静電潜像に現像する方法である。

防蝕膜を用いてエッチングする方法やレジストを形成してめっきによりパターンを形成する方法は現在一般に用いられる方法である。しかしこれらはシルクスクリーン用のマスクや、レジストを露光するためのフィルムマスクを準備する必要があり、導電性パターン作製条件が決定し、大量生産する場合には好ましいものであるが、条件設定段階や、少量生産の目的には必ずしも適していない。

一方、特許文献４に示されるように金属インクを用いてインクジェットでパターンを形成する方法は、コンピューター等でパターンを自由に設計し、一枚だけの作製も可能であるため、前記方法とは一線を画す方法である。しかし、金属インクを焼成した後にできる金属層を厚くできないため、パターンの抵抗を下げられず、大きな電流を流す用途には適していない。

金属層を厚くできないのは以下の理由による。
現在市場に流通している銀ナノインクを例にとって説明する。銀ナノインクは銀の微粒子（粒径数十nm以下）に界面活性剤等を付着させることにより、溶媒中で安定的に分散するようにしている。銀濃度を上げると分散性が悪化し、銀が凝集するため均一なインクにはならない。このため、特許文献５に示されるように銀ナノインク中の銀粒子の濃度は15体積%以下程度とならざるを得ない。
また銀ナノインクは粘度の低い液体であって重力の影響を受けて変形するため基材に塗布した際に、基材との接触面積に対して高さを大きくできない。
これらの結果、銀ナノインクを焼成した後の銀層の厚さは大きくても１μm程度でしかない。

電子写真法はマスクを用いずデジタルデータから直接描画できる点、厚さを大きく稼げる点、安価なニッケル粉等の導電性粉体を使用できる点で優れている。
しかし、特許文献１のように、導電性粉体を樹脂でコートした場合には、絶縁性の樹脂の混入により配線抵抗が大きくなる欠点がある。
また特許部員兼２，３のように樹脂を含有しない導電性粉体を使う場合、導電性粉体の粒径が比較的大きいことから、昇温（約３００℃以下）しても粒子同士が結合せず、十分な導電性が得られないばかりか、該粉体配線は非常にもろく、機械的強度に劣るという欠点があった。
特開昭６０−１６０６９０号公報 特開２００７−３３６２６号公報 特開２００８−１８５９８０号公報 特開２００２-４２５８５号公報 特開２００８−１９００２５号公報 特開平１１−１９１５５６号公報 特開２００６−２１６６７３号公報

デジタルデータから導電性パターンが直接描画可能であり、配線の厚みを自由に制御して、導電性高く、機械的強度に優れたニッケルなどの導電性粒子を使用した回路基板の製造を可能にすることは困難であった。

本発明はデジタルデータから直接描画可能で、配線の厚みを自由に制御でき、導電性高く、機械的強度に優れたニッケルなどの導電性粒子を使用した回路基板の製造方法及び装置を提供するものである。

本発明の基本的構成を図１に従って説明する。
回転する静電潜像担持体１表面を帯電器２により均一に帯電する。次に、図示しないコンピュータによって作成された回路パターンに応じた信号に基づいて露光３を行い、潜像パターンを形成する。潜像パターンは公知の方法で導電性粒子５を内蔵した現像器４によって現像される。図示しない搬送手段により搬送された転写体６を静電潜像担持体と押圧力が印加された転写部材の間を通過させることによって転写を行う。現像器としては例えば特許文献３に開示されたものが使用可能である。

静電潜像担持体としては無機感光体、有機感光体、機能分離型感光体、単層感光体のいずれも用いることができる。
最終的に得る回路パターンの細密化、高精度化に対応するためには、高解像度の潜像形成が可能な表面励起型の感光体、上記例示した中では単層感光体がより好ましい。

露光手段としてはレーザー、ＬＥＤ、液晶シャッター、ＰＬＺＴシャッターアレイ等公知の手段が使用可能である。

導電性粒子は回路配線に使用可能な導電性を有する材料であれば無機物、有機物を問わず使用可能である。
その中でも、金、銀、銅、白金、パラジウム、イリジウム、タングステン、ニッケル、タンタル、鉛、インジウム、錫、亜鉛等の金属粒子が好適に用いられる。
導電性粒子の粒径は用途によって多少最適値が異なるが、０．１〜１００μｍが好ましく、０．３〜１０μｍであればより好ましい。
０．１μｍ以下では凝集が発生し取り扱いが困難であり、１００μｍ以上では機械的強度が弱く配線が脆くなるためである。

次に転写体６上に転写された導電性粒子パターン８上にインク塗布手段９からインク１０を塗布する。
このインク塗布手段はインクジェット、ディスペンサー等、どのようなものでも構わないが、導電性粒子パターン８上に確実かつ高速にインクを塗布できるインクジェットが好ましい。
インク１０は導電性粒子パターン８を形成している導電性粒子間の空隙に入り込み空隙を埋める。
塗布するインクの量は導電性粒子の形状に依存するが、パターンを形成した導電性粒子の空隙を含めた見かけの体積の１０〜８０体積％が好ましく、２０〜７０体積％であればより好ましい。
１０体積％より小さい場合は導電性粒子パターンを焼結した後の電気抵抗が十分に改善さず、８０体積％より多い場合には、インクが導電性粒子パターンよりはみ出し隣の配線とショートする可能性があるからである。
こうしてインク含浸導電性粒子パターン１１が形成される。

インクはいわゆる金属インクが好適に用いられる。
金属インク中にはコロイド状の金属微粒子が含まれるが、金属微粒子としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、イリジウム、タングステン、ニッケル、タンタル、鉛、インジウム、錫、亜鉛等が好適に用いられる。
当該金属微粒子の粒径は１〜１００ｎｍが焼結温度を低くできるため良く、１〜４０ｎｍであるとさらに良い。
また金属錯体を溶媒に溶かしたものも金属インクとして使用可能である。
錯体を構成する金属としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、イリジウム、タングステン、ニッケル、タンタル、鉛、インジウム、錫、亜鉛等が好適に用いられる。

具体的には、金属インクとしては現在、以下のものが入手可能であって使用可能である。
金属ナノ粒子を用いた銀ナノインクとしては、PChem社製、DOWA社製、アルバックマテリアル社製、ハリマ化成製NPS-J、NPS-J-HTBが、
金ナノインクとしては、ハリマ化成製NPG-Jが、
ITOナノインクとしては、DOWA社製の製品があげられる。
銀錯体を用いたものとして、インクテック社製のものがあげられる。

次に焼結手段１２により転写体６を加熱し、導電性粒子及びインクに含有する金属を焼結する。焼結温度は少なくともインク中の金属が溶融し膜化する温度以上であって、転写体が軟化、燃焼する温度以下である必要がある。
なお、常温で焼結可能な場合は、特に焼結手段を設ける必要はない。

図２は金属含有インクの塗布効果を示したものである。
金属含有インクを塗布しない場合（図２-１）は導電性粒子同士が点接触しかしないため配線の電気抵抗は比較的高いものになる。また導電性粒子同士の接着強度は極めて弱いため、外力により配線は簡単に壊れる。
一方、金属含有インクを塗布した場合（図２-２）は導電性粒子と導電性粒子の間にインク中に含まれる金属ナノ粒子が入り込み、焼結により（図２-３）導電性粒子間の金属ナノ粒子が溶融して導電性粒子と面接触で密着するようになるため、配線の電気抵抗は極めて小さいものとなる。また導電性粒子同士の接着強度が強くなるため、外力により配線は壊れにくくなる。

図３は現像器の一例を示したものである。
導電性粒子供給手段４１により導電性粒子５を供給する。現像器４内にあらかじめ入れられている磁性粒子１６と導電性粒子５はパドル４２により撹拌され導電性粒子５は磁性粒子１６の表面に付着する。導電性粒子５の付着した磁性粒子１６はパドル４２により導電性非磁性スリーブ４３表面に運ばれる。導電性非磁性スリーブ４３の内部には磁性集合体４４が内蔵されており図示した方向に回転する。すると磁性粒子１６が回転し磁性集合体４４の回転方向と逆方向に移動する。磁性粒子１６は規制ブレード４５によりすり抜け量が調整され、一部の磁性粒子１６のみ矢印で示される下流側に運ばれる。

導電性非磁性スリーブ４３と現像ローラ４６の間には補助電源４９と現像バイアス電源５０の電圧値に応じた電界によって磁性粒子１６に付着した導電性粒子５のみが現像ローラ４６側に移行する。現像ローラに回転により導電性粒子５は下流側に運ばれ静電潜像担持体１との間の電界によって導電性粒子５は飛翔する。静電潜像担持体上に形成された静電潜像のパターンに導電性粒子が付着して導電性粒子パターンが形成される。
導電性非磁性スリーブ４３と現像ローラ４６の間には数百ボルトの電圧が印加される。このとき交番電界を重畳すると導電性粒子５の導電性非磁性スリーブ４３から現像ローラ４６への移行量が増えるため好ましい。
また、現像ローラ４６と静電潜像担持体１の間には数百ボルトの電圧が印加される。このとき交番電界を重畳すると導電性粒子５の現像ローラ４６から静電潜像担持体１への移行量、すなわち現像量が増えるため好ましい。

静電潜像担持体上の導電性粒子を効率よく転写体へ転写するのは一般に困難である。
電子写真技術におけるトナーと異なり導電性粒子の転写が困難なのは以下の理由による。
静電潜像担持体上に現像された導電性粒子を静電的に転写するために、配線用基材の裏面からバイアスを印加することが行われる。しかしこの場合、粒子自体が帯電している必要があるが、導電性粒子では静電潜像担持体表面に電荷がリークし粒子自体は電荷をもたなくなるため、電界で導電性粒子を転写することができない。

図４は導電性粒子の転写体への転写効率を改善した転写体の構成を表したものである。
転写体６は基材６１と粘着層６２からなる。基材６１としてはハンダ処理温度に耐えうる耐熱性を有している必要がある。また、回路基板として必要な電気抵抗を有している必要がある。例えばフェノ−ル樹脂板やエポキシ樹脂板と紙の積層板、ガラス繊維入りエポキシ樹脂板、ポリイミド系樹脂板が好適に用いられる。その他には耐熱性フィルム、例えばポリイミドフィルムを使用することも可能である。さらには、ガラスやセラミック等も適用可能で、用途に応じて適宜選択することができる。

粘着層６２は導電性粒子を付着でき、しかし静電潜像担持体とは強く付着しない材料であって、ハンダ処理時の熱に耐えられなくてはならない。具体的にはエポキシ樹脂をベースに硬化剤として有機酸および熱硬化型粘着付与剤を配合して溶剤に溶かしたものを絶縁基板に塗布し乾燥後も粘着性を有する粘着層を用いるのが良い。

粘着剤は熱硬化型であることが望ましい。ハンダ処理時の温度で軟化する材料では、ハンダ処理が困難になり、UV硬化型では熱変形温度が低いためハンダ処理時の温度（200℃〜300℃）で熱軟化し粘着力の低下が起こりニッケルなどの導電性粒子層が転写体から剥離してしまう。しかし、熱硬化型では室温で粘着性が発現し転写が容易であり、高温で硬化するためハンダ処理が容易となり、粘着性が失われるためその後の取り扱いが容易となる。

粘着層の厚みは1〜100μmとするのが好ましく、3〜30μmとするとさらに良い。１μｍより薄い場合には粘着性が十分ではなく導電性粉体の転写効率が低く、１００μｍより厚い場合には導電性粉体の粘着剤への埋没が発生し、ハンダ処理が困難となるからである。

粘着剤は熱硬化型エポキシ樹脂と熱硬化型可塑剤とするのが望ましい。これは最終的に加熱硬化され、回路基板と導電性粒子層を固定する接着剤の働きをする。ハンダ処理のため200℃〜300℃の熱が加えられる時、導電性粒子層を回路基板に接着している粘着剤が耐熱性を有することにより、導電性粒子層が回路基板から剥離することが避けられる。

粘着剤中の熱硬化型可塑剤の添加量は1〜40重量％とするのが望ましい。熱硬化型可塑剤の添加量が1重量%以下では粘着力が小さすぎて銅粉を十分転写することが困難となる。一方40重量%以上では粘着層の凝集力が弱くなり、粘着剤が静電潜像担持体に移行する恐れが発生する。

なお、導電性粒子として例えば銅粉を用いた場合は空気中に放置しているだけでも酸化により電気抵抗が高くなるため、転写体上の酸化銅粉パターンを還元するのが望ましい。
還元方法として公知の方法が使用できる。例えば特許文献６に示される水素プラズマを照射する方法、例えば特許文献７に示される酸素減圧環境下で焼成する方法を用いることができる。
空気中で酸化しない材料や酸化しても導電性を発現できる材料については、この還元作業は不要である。

デジタルデータから直接描画可能で、配線パターンの厚みを自由に制御でき、導電性高く、機械的強度に優れたニッケルなどの導電性粒子を使用した回路基板が製造可能になる。

本発明の基本構成の説明図 本発明の金属インクを用いる効果を説明する図 本発明に使用できる現像器の一例を説明する図 本発明の転写体の説明図

本発明の実施の形態として、静電潜像担持体、帯電器、導電性粒子を内蔵した現像器、転写部材からなる導電性粒子パターン形成部１０１、インクを内蔵したインク塗布手段からなるインク塗布部１０２、焼結手段からなる焼結部１０３、からなる回路基板の製造装置（図１）を作製して以下の実験を行った。

図１に示す装置にて、静電潜像担持体として単層構成の正帯電感光体を用い初期帯電電位を８００Ｖに帯電した後、６００ｄｐｉかつ波長７２０ｎｍのＬＥＤヘッドで露光を行い、露光部の表面電位を５０Ｖとした。
次に図３に示す現像器を用いて２．３μｍのニッケル粉（ニッコーシ株式会社Ni255）を現像バイアスＤＣ８００ＶにＡＣ５００Ｖを重畳して静電潜像担持体上に反転現像した。
転写体として厚さ１２５μmのポリイミド樹脂フィルム基板の上に粘着性を有するエポキシ樹脂を１０μｍ塗布したものを用い、ポリイミド樹脂フィルム基板の裏面からローラ状の転写部材を線圧３００ｇｆ／ｃｍで静電潜像担持体側に押圧して静電潜像担持体上のニッケル粉を転写した。

次にインク塗布手段としてインクジェットを用い、金属インクとして銀ナノインク（ハリマ化成製NPS-J）を１４ｐｌ（ピコリットル）単位で吐出させ、ニッケル粉のパターン上に塗布した。
最後に焼結手段で１８０℃１時間加熱し、ニッケルと銀からなる配線パターンを形成した。
得られた配線パターンの高さは約１５μｍであり、極めてよい導電性を示し、かつ、機械的強度も十分であった。

図１に示す装置にて、静電潜像担持体として単層構成の正帯電感光体を用い初期帯電電位を６００Ｖに帯電した後、６００ｄｐｉかつ波長７２０ｎｍのＬＥＤヘッドで露光を行い、露光部の表面電位を５０Ｖとした。
次に図３に示す現像器を用いて１．５μｍの銅粉（福田金属箔粉工業株式会社Cu-HWQ1.5μm）を現像バイアスＤＣ６００ＶにＡＣ５００Ｖを重畳して静電潜像担持体上に反転現像した。
転写体として厚さ５０μmのポリイミド樹脂フィルム基板の上に粘着性を有するエポキシ樹脂を５μｍ塗布したものを用い、ポリイミド樹脂フィルム基板の裏面からローラ状の転写部材を線圧１００ｇｆ／ｃｍで静電潜像担持体側に押圧して静電潜像担持体上の銅粉を転写した。

次にインク塗布手段としてインクジェットを用い、金属インクとして銀錯体を用いた金属インク（インクテック社製）を２０ｐｌ（ピコリットル）単位で吐出させ、銅粉のパターン上に塗布した。
最後に焼結手段で２００℃１時間加熱し、銅と銀からなる配線パターンを形成した。
得られた配線パターンの高さは約１０μｍであり、機械的強度は十分であった。
また、当該配線パターンは公知の還元手段で十分な導電性が発現できるものである。

上記実施例の導電性粒子材料、インク材料、転写体材料等の諸条件は代表例であって、本発明を制限するものではない。

１・・・・・静電潜像担持体
２・・・・・帯電器
３・・・・・露光
４・・・・・現像器
５・・・・・導電性粒子
６・・・・・転写体
７・・・・・転写部材
８・・・・・導電性粒子パターン
９・・・・・インク塗布手段
１０・・・・・インク
１１・・・・・インク含浸導電性粒子パターン
１２・・・・・焼結手段
１３・・・・・焼結された導電性パターン
１４・・・・・金属ナノ粒子
１６・・・・・磁性粒子
４１・・・・・導電性粒子供給装置
４２・・・・・パドル
４３・・・・・導電性非磁性スリーブ
４４・・・・・磁性集合体
４５・・・・・規制ブレード
４６・・・・・現像ローラ
４８・・・・・スクレーパー
４９・・・・・補助電源
５０・・・・・現像バイアス電源
６１・・・・・基材
６２・・・・・粘着層
１０１・・・・・導電性粒子パターン形成部
１０２・・・・・インク塗布部
１０３・・・・・焼結部

Claims (2)

1. 粒子径が０．１〜１００μｍの導電性粒子による回路パターンを形成する装置において、少なくとも、静電潜像担持体と、当該静電潜像担持体に形成した静電潜像に静電的に、実質的にバインダー樹脂を含有しない導電性粒子を現像する現像手段と、当該静電潜像担持体に形成された前記導電性粒子のパターンを前記導電性粒子の転写時において粘着性を有する熱硬化型の粘着剤の厚みが１〜１００μｍに形成された接着層を有する転写体に転写する転写手段と、当該転写体上の前記導電性粒子による回路パターン上にインクジェットにより金属微粒子径が１〜１００ｎｍの金属インクを前記導電性粒子の空隙を含めた見かけ体積の１０〜８０体積％のインク量を塗布するインク塗布手段を有する導電性回路形成装置。
2. 粒子径が０．１〜１００μｍの導電性粒子による回路パターンを形成して回路基板を製造する回路基板の製造方法において、少なくとも、静電潜像担持体上に静電潜像パターンを形成する工程、当該静電潜像に、実質的にバインダー樹脂を含有しない導電性粒子を静電的に現像させて前記導電性粒子のパターンを形成する工程、当該静電潜像上の前記導電性粒子のパターンを前記導電性粒子の転写時において粘着性を有する熱硬化型の粘着剤の厚みが１〜１００μｍに形成された接着層を有する転写体に転写する工程、当該転写体上の前記導電性粒子の上からインクジェットにより金属微粒子径が１〜１００ｎｍの金属インクを前記導電性粒子の空隙を含めた見かけ体積の１０〜８０体積％のインク量を塗布する工程を有する導電性回路基板の製造方法。