WO2016129705A1 - 積層回路基板の形成方法及びこれにより形成された積層回路基板 - Google Patents

Abstract

各種プリンタブルデバイスの実用化研究が進んでおり、これらをフレキシブル基板上に集積したデバイスの実現が期待されている。しかし、複数のプリンタブルデバイスを同一基板上に単純に集積すると、集積デバイスの面積が大きくなるとともに歩留りが大幅に低下する問題がある。面積増大と歩留り低下の問題を解決する集積技術が切望されている。集積する個々の電子デバイスをそれぞれ独立の基板上に形成し、それらを所定の関係で重ね合せた後に所定の箇所にスルービアを形成し電気的に接続させることにより、集積デバイスとして機能させる。

Description

積層回路基板の形成方法及びこれにより形成された積層回路基板

　本発明は、回路が作りこまれたフレキシブル基板に関するものであり、特に積層した複数の回路基板上の回路を相互に接続させて機能させる積層回路基板。

　印刷技術を用いて電子デバイスを形成するプリンテッド・エレクトロニクス技術が開発され、新しい産業として立ち上がってきた。この技術は、印刷技術を中心とした低温プロセスにより配線材料や有機半導体材料及び絶縁材料を成膜することで、プラスティック・フィルム等の柔らかく軽いフレキシブル基板上に、回路やディスプレイ或はセンサー等の機能を有する電子デバイスを形成することを特徴とする。加えて製造時に真空装置や高温装置を必要としないため製造コストが低く抑えられという利点がある。軽くて柔らかいという機能性や低コストという点から、様々な分野での応用と市場拡大が期待されてきた。
　これまでプリンテッド・エレクトロニクスの要素技術としては、配線技術、有機ＥＬや電子ペーパー等の表示デバイス、有機ＥＬ照明、バッテリー技術、各種センサー、記憶素子等の様々な電子デバイス技術が開発され実用レベルに達している技術も多い。その一方で、これらの技術は単体での活用が一般的で、フレキシブル基板上で様々な電子デバイスを集積するという取組みはあまりなかった。主たる原因は半導体技術にあった。
　有機半導体はプリンテッド・エレクトロニクス技術における重要分野として注目されてきたが、その性能の低さと材料の不安定性からその実用化が進まないという状況が長く続いた。その中で、高性能且つ安定な有機半導体材料とその成膜技術が近年開発され、実用化に向けた研究開発も徐々に活発化してきた。
　以上の技術的な背景により、様々なプリンタブル電子デバイスをフレキシブル基板上に集積し、実用レベルで動作させることの実現性が高まってきた。今後、プリンタブル電子デバイスを効率的にフレキシブル基板上に集積する技術が望まれる。

特開２０００−２７７６８９号公報

　様々の機能を持つ電子デバイスを同一基板上に集積する場合、集積デバイスの面積が増大するとともに歩留りの大幅な低下をもたらす。本発明は複数の電子デバイスをフレキシブル基板上に集積する際に必要となる、生産性の高いプリンタブル電子デバイスの集積技術を提供するものである。

　本発明は、集積する個々の電子デバイスをそれぞれ独立の基板上に形成し、それらを所定の関係で重ね合せた後に電気的に接続させることにより、集積デバイスとして機能させることを可能にする。
　具体的には、電子デバイスが形成された少なくとも２つ以上の回路基板をそれぞれの一部或は全体を重ね、その重ねられた領域に前記複数の回路基板を貫通する１つ以上のスルーホールを形成する。さらにこのスルーホールに導電性材料を充填することにより、前記回路基板間を電気的に接続することを可能にするスルービアを形成する。一方で前記回路基板上の回路の一部を前記スルービアが形成される領域に至るように予めレイアウトしておくと、前記回路の一部が前記スルービアと電気的に接続させることが可能になる。従って、前記回路基板上の回路間で相互に接続させたい箇所どうしを前記スルービア中の同一のスルービアに接続するように予めレイアウトしておくことで、積層した回路基板上の回路を一つの集積デバイスとして機能させることを実現する。

　一つのフレキシブル基板上に複数の電子デバイスを順次作り込む場合は概ね個々の歩留りの掛け算で集積デバイスの歩留りが低下する。本発明によれば個々の電子デバイスの良品を選択して積層するため、集積デバイスの歩留まり低下の問題を回避することが可能になる。加えて、多数の電子デバイスを集積した場合の面積増加を防ぐことも可能である。

　図１Ａは本発明の第一の実施形態における積層集積デバイス１５０の斜視図である。積層集積デバイス１５０は、回路基板１１０，１２０，１３０，１４０を積層したものである。
　図１Ｂは積層集積デバイス１５０の上面図。回路基板１１０，１３０の一部と回路基板１４０の上面全体が示されている。回路基板１２０は回路基板１３０に隠れて見えない。図には各回路基板間の電気的な接続に使われるスルービア３０１も図示されている。
　図２Ａは本発明の第一の実施形態における積層プロセスフローの概略を示す図であり、積層する回路基板１１０，１２０，１３０，１４０を所定の位置関係に位置合せを行った状況を示す。
　図２Ｂは本発明の第一の実施形態における積層プロセスフローの概略を示す図であり、積層する回路基板１１０，１２０，１３０，１４０を貼り合せた直後の状態を示す。
　図２Ｃは本発明の第一の実施形態における積層プロセスフローの概略を示す図であり、貼り合せた回路基板の所定の位置に複数のスルーホール２０１を形成した状態を示す。
　図２Ｄは本発明の第一の実施形態における積層プロセスフローの概略を示す図であり、スルーホール２０１に導電性の材料を埋め込みスルービア３０１を形成した状態を示す。
　図３は本発明の第一の実施形態における積層集積デバイス１５０を示す図であり、以後の説明で参照する、積層集積デバイス１５０上の一領域である領域Ａと、領域Ａの断面を切り出す方向Ｂを示す。
　図４は本発明の第一の実施形態における積層プロセスにおいて、回路基板１１０，１２０，１３０，１４０を貼り合せた直後の領域Ａの上面（上図）と領域ＡをＢで切り出した断面（下図）を示す。図中、
１１１，１１２，１１３，１１４は回路基板１１０上の配線を、
１２１，１２２，１２３，１２４は回路基板１２０上の配線を、
１３１，１３２，１３３，１３４は回路基板１３０上の配線を、
１４１，１４２，１４３は回路基板１４０上の配線を示す。
　図５は本発明の第一の実施形態における積層プロセスにおいて、回路基板１１０，１２０，１３０，１４０を貼り合せた積層回路基板に、複数のスルーホール２０１を形成した直後を示す図であり、領域Ａの上面を上図に、領域ＡをＢで切り出した断面を下図に示す。
　図６は本発明の第一の実施形態における積層プロセスにおいて、スルーホール２０１に導電性の材料を埋め込み、スルービア３０１を形成した直後を示す図であり、領域Ａの上面を上図に、領域ＡをＢで切り出した断面を下図に示す。
　図７は本発明におけるスルービアを使用しない例を示した概要図。
　図８は本発明の第二の実施形態。

　以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

　図２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄに、回路基板１１０，１２０，１３０，１４０を積層し、所定の箇所に全ての基板を貫通するスルーホール２０１を形成し、このスルーホールに導電性の材料を埋め込むことで、各回路基板上に設けられた回路間を電気的に接続するためのスルービア３０１を形成するという本発明の概要を図示している。
　本実施例では積層するフレキシブル基板は４つであり、基板１１０は照度をモニタするための照度センサーをライン状に配置したもの、基板１４０は温度センサーを作りこんだもの、基板１２０及び１３０は照度センサーと温度センサーを制御する回路を２つの基板に分けて作りこんだものである。本発明の適用範囲としては、基板の枚数に制限はない。
　図４は４つの回路基板を貼り合せた直後の状態を、後の工程で形成されるスルービア列を横切る線（方向Ｂ）で切り出した断面の一部と、それを上面から見た図である。各回路基板上の配線は、この図で示す範囲においては、配線１１１と１２１が、配線１３１と１４１が、配線１１２，１２２及び１３２が、配線１１３，１２３，１３３及び１４２が、配線１１４，１２４，１３４及び１４３のそれぞれが相互に接続されるように予めレイアウトされている。
　図では省略しているが、それぞれの回路基板上の回路は複数の配線層からなっており、図ではその最上層の配線のみを示している。本発明の適用範囲としては、回路基板上の回路配線が１層のみの場合であっても構わないし、多層配線の中間層がスルービアと接続するようなレイアウト構成をとっても構わない。
　図５に、回路基板１１０，１２０，１３０，１４０を貼り合せた積層回路基板の所定の位置にスルーホール２０１を形成した直後の積層回路基板の断面と上面の一部（領域Ａ）の様子を示す。本実施例ではレーザーを用いてスルーホールを形成したが、本発明の適用範囲としてはスルーホールの形成手段は選ばない。また、図においては最下層の回路基板１１０もスルーホールを貫通させているが、必ずしも最下層の基板を貫通させる必要ない。
　図６に、先の工程で形成したスルーホール２０１に導電性の材料を埋め込んでスルービア３０１を形成した直後の積層回路基板の断面と上面の一部（領域Ａ）の様子を示す。スルービア３０１を形成することで、各回路基板１１０，１２０，１３０上の回路は必要な接点で相互に接続され、積層基板全体で集積デバイスとして機能する。
　本実施例においては無電解メッキ法で金を埋め込んでスルービアとしたが、本発明の適用範囲としては、他の方法で別の導電性材料を埋め込んでも構わない。また、スルーホールを導電材料で完全に充填することは必須な条件ではない。メッキ法等で導電材料層をスルービアの側壁にのみ形成するだけでも構わない。本特許の目的であるスルービア内の導電性材料にて各回路基板上の回路を必要な箇所で相互に接続させることが可能である。
　また、本実施例においては、スルーホール内に形成したスルービアにより、各回路基板上の回路を相互に接続させたが、各回路基板の周辺端にノッチや半円状の窪みを形成し、その窪みに沿って導電性材料を接触させることで、各回路基板上の回路を相互に接続させることも可能である。各回路基板上の回路と各回路基板間を接続させる導電性材料との接触面を広くとれる場合は、窪みを形成する必要もない。この接触面を広く取る方法として、各回路基板を少しずつずらして重ね合わせることも有効である。図７に、この様子の概要を示した斜視図を示す。

　前記第一の実施例においては４つの回路基板を積層した例を示したが、本発明の応用として、多数の回路基板を積層する際に、回路基板を幾つかのグループに分けて貼り合せ、それぞれの積層基板毎にスルーホールを形成した後にこれら積層基板を重ね合せてスルービアを形成することが可能である。さらには、グループ分けした積層基板毎に本発明を適用してスルービアまで形成し、それらグループ分けした積層基板をさらに積層することも考えられる。後者の場合、グループ分けして積層した各積層基板におけるスルービアの位置の全てが揃っている必要はなく、接続が必要なスルービア間のみが、全積層基板を張り合せた際に重なるように配置することで、集積したデバイス全体を機能させることが可能になる。この様子を図８を用いて説明する。
　本発明をそれぞれに適用した積層回路基板５００，６００，７００を予め形成する。図８の例においては、積層回路基板５００は２つ、積層回路基板６００は４つ、積層回路基板７００は５つの回路基板をそれぞれに積層したものである。積層基板５００には、スルービア５０１，５０２，５０３，５０４，５０５，５０６，５０７，５０８が、積層基板６００には、スルービア６０１，６０２，６０３，６０４，６０５，６０６，６０７，６０８，６０９，６１０が、積層基板７００にはスルービア７０１，７０２，７０３，７０４，７０５，７０６，７０７，７０８，７０９，７１０がそれぞれ形成されている。これらスルービアは以下の括弧で括る組合せで相互に接続されるように配置されている。
（５０１，６０１，７０１），（５０２，６０２，７０２），
（５０３，７０３），（５０４，７０４），（５０５，７０５），（５０６，７０６），（５０７，６０７），（５０８，６０８），（６０９，７０９），（６１０，７１０）これら３つの積層基板を積層したものが積層集積デバイス８００である。
　作用及び効果
　本実施例は照度センサーアレイ、温度センサー及び有機半導体回路の集積したものであるが、これを同一のフレキシブル基板に作りこむ場合は集積デバイスの面積が大きくなるため、歩留りが大幅に低下する。実験では２０％を超えることがなかった。本発明を適用すると、８０％程度の歩留りが得られることを確認した。

Claims (13)

1. 　電子デバイスが形成された少なくとも２つ以上の回路基板をそれぞれの一部或は全体を重ね、その重ねられた領域に前記複数の回路基板を貫通する１つ以上のスルーホールを形成した上で導電性材料を埋め込むことにより、前記回路基板間を電気的に接続することを可能にするスルービアを形成することと、
   前記回路基板上の回路配線の一部を前記スルービアと電気的に接続させるために、前記回路配線の一部を前記スルービアが形成される領域に至るように予めレイアウトすることにより、前記複数の回路基板上の回路を相互に接続することを特徴とする積層回路基板の形成方法。
2. 　請求項第１項における積層回路基板の形成方法において、前記回路基板の少なくとも一つがフレキシブルなフィルム上に回路を形成した基板であることを特徴とする積層回路基板の形成方法。
3. 　請求項第２項における積層回路基板の形成方法において、形成される前記スルービアが前記回路基板の周辺のうち一辺にのみ配置されるように形成することを特徴とする積層回路基板の形成方法。
4. 　請求項第２項における積層回路基板の形成方法において、積層する複数の前記回路基板に形成される前記スルービアの開口部の大きさが、上層に位置するものほど大きくなるように形成することにより、前記各回路基板上の回路配線の一部で前記スルーホールに埋め込む前記導電性材料との接触が必要な箇所における接触面積を大きくすることを特徴とする積層回路基板の形成方法。
5. 　請求項第２項における積層回路基板の形成方法において、前記複数の回路基板を貫通するスルーホールを形成した後に、積層した複数の回路基板の各々を、下層に位置する回路基板に対して、形成した前記スルーホールの長辺或は長径以下の長さ分だけずらすように再配置することにより、前記各回路基板上の回路配線の一部で前記スルーホールに埋め込む前記導電性材料との接触が必要な箇所における接触面積を大きくすることを特徴とする積層回路基板の形成方法。
6. 　請求項第１項における積層回路基板の形成方法において、前記スルーホールを前記複数の回路基板の各々を形成する過程において予め形成することを特徴とする積層回路基板の形成方法。
7. 　請求項第６項における積層回路基板の形成方法において、前記回路基板の少なくとも一つがフレキシブルなフィルム上に回路を形成した基板であることを特徴とする積層回路基板の形成方法。
8. 　請求項第７項における積層回路基板の形成方法において、形成される前記スルービアが前記回路基板の周辺のうち一辺にのみ配置されるように形成することを特徴とする積層回路基板の形成方法。
9. 　請求項第７項における積層回路基板の形成方法において、積層する複数の前記回路基板に形成される前記スルービアの開口部の大きさを、上層に位置するものほど大きくなるように形成することにより、前記各回路基板上の回路配線の一部で前記スルーホールに埋め込む前記導電性材料との接触が必要な箇所における接触面積を大きくすることを特徴とする積層回路基板の形成方法。
10. 　請求項第７項における積層回路基板の形成方法において、積層する前記複数の回路基板を重ね合わせた結果、下層に位置する回路基板に対して形成した前記スルーホールの長辺或は長径以下の長さ分だけずれるような位置関係になるように、各々の前記回路基板に形成する前記スルービアを配置するか、前記回路基板を重ねる際に相互の位置決めをすることで、前記各回路基板上の回路配線の一部で前記スルーホールに埋め込む前記導電性材料との接触が必要な箇所における接触面積を大きくすることを特徴とする積層回路基板の形成方法。
11. 　請求項第１，２，３，４，６，７，８，９項における積層回路基板の形成方法において、前記スルービアの代替として、前記回路基板の周辺端部に形成するノッチ状或は半円状の窪みを形成し、そこに沿って前記導電性材料を接触させることを特徴とする積層回路基板の形成方法。
12. 　請求項第１１項における積層回路基板の形成方法において、積層する前記複数の回路基板を重ね合わせた結果、下層に位置する回路基板に対して一定の長さ分だけずれるような位置関係になるように、前記回路基板を重ねる際に相互の位置決めをすることで、前記各回路基板上の回路配線の一部で前記スルーホールに埋め込む前記導電性材料との接触が必要な箇所における接触面積を大きくすることを特徴とする積層回路基板の形成方法。
13. 　請求項第１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２の何れかの方法で形成されたことを特徴とする積層回路基板。

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