［研究報告］【投稿論文再掲】本論文は許可を得て、「天田財団助成研究成果報告書 2022」から転載しました。

超短パルスレーザによる表面加工と選択めっきを用いた配線パターニング技術の開発
地方独立行政法人岩手県工業技術センター 機能材料技術部上席専門研究員 目黒和幸(2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019206-B2)
キーワード : 三次元成形回路部品(3D-MID)、表面改質、無電解めっき

1. 研究の背景と目的湿式処理による選択的な無電解めっきで配線パターンをスマートフォンなどの携帯型情報通信機器や自動車お形成するアディティブ工法である。表面改質用のレーザ光よび車載機器において、CMOS イメージセンサ、加速度・源として超短パルスレーザを用いることで、可視域で透明傾斜センサ、各種 LED などの実装部品点数が増加傾向にな PC(ポリカーボネート )樹脂や難めっき材料であるある。これらの機器では限られた空間内に効率的に電子回PPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂等への微細配線路基板を配置したいというニーズが高まっており、三次元パターン形成を行うことができる[3, 4]。しかしながら、樹成 形 回 路 部 品 (3D-Molded Interconnect Device ; 3D-

脂表面をレーザ加工するため、現状の SKW-L2 工法ではMID)[1] が解決策の一つとして期待されている。3D-MID

少なからず表面が粗化されており(典型的には Ra 2～5は、樹脂成形体表面に金属膜で三次元的な電子回路を形成μm)、金属めっき膜の密着メカニズムは樹脂の表面粗さにした機械的機能と電気的機能を兼ね備えた高機能部品でよるアンカー効果が支配的であるとされている。これからあり、一般的なプリント配線板と比較して、省スペース化・の携帯端末や車載機器では次世代移動通信システム軽量化、自由度の高い設計、部品点数および組立工数の削(Beyond 5G / 6G)への対応が不可欠であり、3D-MID にお減など、様々なメリットがある。3D-MID の製造方法は各いても高周波伝送に対応するべく低誘電率・低誘電正接のメーカーから様々な工法が提案されているが、三共化成樹脂材料への適用と、導体損失を低減させるための平滑界(株)と筆者らのグループで開発を進めてきた SKW-L2 工面を持つめっき配線技術が求められる。

法[2]は、樹脂材料へ特殊な添加物の混練あるいは樹脂成形

本研究では、短波長化した超短パルスレーザによる樹脂体表面への事前処理を必要とせず、市販されている様々な表面改質における照射パワーおよびビーム走査速度など種類やグレードの樹脂に適用可能なユニークな工法であの加工パラメータの最適化を検討し、SKW-L2 工法の樹る。SKW-L2 工法は、図 1 に示すように樹脂成形体表面脂表面粗さの低減の可能性を調査した。に局所的にレーザ光を照射して表面改質を行い、その後の2. 実

験

実験には、図 2 に示す PPS 樹脂の板材(厚み 2 mm, 東レプラスチック精工 無充填グレード PPS-2000)を用いた。
PPS 樹脂は耐熱性・寸法安定性・耐薬品性に優れ、電気自動車関連で 3D-MID 化のニーズが高い。PPS 樹脂試料は中性洗剤、純水、エタノールで脱脂洗浄を行った後、十分に乾図1

SKW-L2 工法の工程(左)と 3D-MID 製作例(右)図211PPS 樹脂の分子構造(左)と試料の写真(右)岩手県工業技術センター研究報告第 25 号（2022）

光状態を整えた後、BBO 結晶(Eksma Optics, BBO-655H)燥させてから使用した。
SKW-L2 工法の光源の超短パルスレーザには、Lightを用いて SH 光を発生させた。基本波 4 W の入射に対しConversion 社の PHAROS-4W を使用した。このレーザて発生した SH 光強度は約 860 mW、変換効率は約 21.5 %は、最大出力 4 W、中心波長 1,030 nm の Yb:KGW レーであった。現状の基本波のビーム径は約 2.5 mm であり、ザである。fs 発振したレーザ光をチャープパルス増幅するビームをさらに小さな径にコリメートしてから波長変換際、再生増幅部で繰返し周波数を 1～200 kHz、パルス圧すれば効率は向上するが、光学定盤の空間的制限によりコ縮器でパルス幅を 260 fs～10 ps の範囲で調整できる。可リメータを設置できなかった。発生した SH 光はダイクロ変アッテネータによるパワー調整と空間フィルターによイックミラーを使って基本波と分離し、f = 100 mm の平るビーム整形を行った基本波に対して第二次高調波(SH,凸レンズを用いて試料表面へ照射する。試料表面での SH

λ = 515 nm)を発生させ、自動 XY ステージを用いた加工

光スポット径は約 35 μm であった。
試料位置は、3 軸自動ステージ(シグマ光機, SGSP20-85システムを構築して樹脂の表面改質実験を行った。
レーザにより表面改質された試料は、表 1 に示す工程および SGSP40-5ZF)をパソコンおよび PLC を用いて制で無電解 Cu めっきを行い、局所めっきの可否について評御を行うことができる。試料移動量は XY ±42.5 mm、Z価を行った。

±2.5 mm、試料移動速度は最大 20 mm/s である。なお、試料は真空吸着板で固定する。

表 1 無電解 Cu めっき工程
アルカリ脱脂2分

コンディショニング

2分

触媒付与

2分

活性化

1分

無電解 Cu めっき(初期)15 分

無電解 Cu めっき(厚付)60 分 (約 3 μm)

3.2

SH 光を用いた SKW-L2 工法の評価

表 2 に示す SH 光照射条件のとおり照射パワーを 7 水準、走査速度を 6 水準の条件で振って試料の表面改質を行った。繰返し周波数 は 100 kHz に固定、SH 光のパルス幅については未測定であるが、基本波に対して PHAROS-3. 実験結果
3.1

表2

SH 光加工システムの構築新設した SH 光加工システムの光路図と写真を図 3 に示す。本研究で用いた超短パルスレーザは、普段は超短パルスレーザ微細加工機として機器開放貸出利用しているため、その性能に影響を与えないように基本波光路上にフリップミラーを設置して必要時のみ SH 光加工システム

SH 光照射条件

波長515 nm

レーザパワー10, 20, 30, 40, 60, 80, 100 mW

走査速度0.2, 1, 2, 5, 10, 20 mm/s

繰返し周波数100 kHz

パルス幅260 fs (基本波での値)

照射ピッチ20 μmを使用できる構成とした。基本波を λ/2 波長板を通して偏図 3 新設した SH 光加工システムの光路図(左)と写真(右)12超短パルスレーザによる表面加工と選択めっきを用いた配線パターニング技術の開発

図4

SH 光照射による表面改質を行った結果

図 5 表面改質後に無電解 Cu めっきを行った結果

4W の最短値である 260 fs に設定した。レーザ表面改質

図 5 に SH 光で表面改質を行った試料に無電解 Cu めっする領域は、X 方向(横線)に 3 mm のライン描画を Y 方向きを行った結果を示す。照射パワー30 mW 以下の照射条に 20 μm ピッチで繰返して 3 mm×3 mm の領域を表面件では走査速度に関わらず全くめっきが析出していない。

改質した。SH 光で PPS 樹脂に表面改質を行った結果を一方、40 mW 以上では走査速度 2 mm/s 以下の条件でめ

図 4 に示す。照射パワーと走査速度の条件に対して視認しっきが析出しないことが確認された。表面改質条件の内、やすいようにマトリックス状に表面改質を行った。図中の60 mW 以上・10 mm/s 以上の領域でめっきの選択析出性左上から右下に向かうに従って、試料表面の 1 点当たりにが確認できるが、概ね走査速度が速い方が良好な様に見え照射されるエネルギーの量が増加する。10 mW・20 ~ 2る。より詳しくこの差について調査するために、各表面処mm/s の領域では試料表面に変色が生じていないのに対理後およびめっき後の樹脂表面についてレーザ顕微鏡にして、80 mW・1 ~ 0.5 mm/s の領域では加工領域の溶融より観察した結果を図 6 に示す。未処理の PPS 樹脂表面や加工範囲外への変色の広がりが見られた。40 mW・20は Ra 0.25 μm で、直径数 μm 程度の穴が無数に空いてい~ 5 mm/s で顕著に観測されているように、加工領域の左る。30 mW・2 mm/s の条件の場合、横線の加工痕は確認

右の端のみ加工される現象がみられるが、これは自動ステできるが溝は浅く、Ra 0.64 μm であった。しかし、このージ走査の加減速領域で中央部より SH 光照射量が増加

条件の改質箇所は親水性が向上せず、めっきは析出しない。

することによるものである。

60 mW・20 mm/s および 80 mW・20 mm/s の条件では未処理

30 mW
2 mm/s60 mW
20 mm/s

80 mW
20 mm/s

80 mW
1 mm/s(参考) 基本波での最適条件

Ra 0.25 μm

Ra 0.64 μm

Ra 1.36 μm

Ra 1.38 μm

Ra 14.68 μm

Ra 3.4 μm×××( 撥水 )( 撥水 )( 撥水 )

表面
改質
後

めっき後

図6

SH 光照射による表面改質後およびめっき後の表面状態と粗さ

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第 25 号（2022）

岩手県工業技術センター研究報告

Ra 1.3 ~ 1.4 μm 程度と加工痕が明確になり親水性が向上

4. まとめし、無電解めっきの析出性も良好である。照射パワー80

耐熱性や耐薬品性が高く電気自動車関連で 3D-MID 化のmW の条件では点状にめっき未析出箇所が確認できるが、ニーズが高い PPS 樹脂に対して、超短パルスレーザの第二60 mW の条件では表面改質時に形成された筋状の模様に次高調波による SKW-L2 工法における樹脂－めっき界面沿って一様にめっきが析出している様子が観察され、点状粗さの低減の可能性について調査を行った。準備段階とし欠陥も無く均一な無電解めっきが行えている。80 mW・1て、超短パルスレーザ微細加工機としての性能に影響を与mm/s の条件では、Ra 14 μm 以上の表面粗さがあり、まえないように新規に SH 光発生ラインを組上げ、自動ステた SH 光照射部は光沢を示していた。これは SH 光の過剰ージ制御で試料を操作できる SH 光システムを構築した。

照射により表面の樹脂が変形・溶融を経たことが示唆され照射パワーと走査速度を複数の条件で振って表面改質のる。この条件についても改質箇所は撥水性を示しているこ

最適条件の評価を行い、照射パワー60 ~ 80 mW、走査速とから、めっきは析出していない。比較として基本波(λ =度 20 mm/s 程度の照射条件の時に樹脂表面粗さ Ra 1.3 ~1,030 nm)による最適条件で表面改質を行った PPS 樹脂

1.4 μm で無電解 Cu めっきに対して良好な選択析出性をの表面状態を示した[5]。基本波の場合には、ガルバノスキ確認することができた。これにより従来の基本波による表ャナと f-θ レンズを用いて高速に描画することが可能であ面改質条件よりも表面粗さを低減させることができた。しり、最適条件の照射パワー 500 mW、走査速度 100 mm/s

かし、表面改質部分へ析出しためっき膜は 90°剥離強度試のとき表面粗さは Ra 3.4 μm であった。基本波の最適条

験で 0.4 N/cm 程度であり、樹脂表面と十分な密着強度を件と SH 光の照射結果を比較すると、表面改質部の表面粗有していないことが明らかとなった。今後は、表面改質箇さを低減させる効果があることが明らかとなった。これは所への別な化学的修飾手法との併用も検討してめっき密PPS 樹脂の近赤外領域と可視域での吸光度および反射率着強度を向上させる試みを行い、高品質な 3D-MID の開が影響したものと考えられる。

発を継続していく予定である。

次に、現時点における SH 光の最適条件(60 mW・20mm/s)でめっきの密着強度について評価を行った。上述の謝辞

無電解 Cu めっき後に硫酸銅浴による電気めっき(膜厚 25

本研究は公益財団法人天田財団 2019 年度一般研究開発μm)を行い、90°剥離強度試験を行った。幅 10 mm のパタ助成(AF-2019206-B2)を受けて行われたものです。ここにーンを形成した無電解めっき試料と、90°剥離強度試験後感謝の意を表します。の写真を図 7 に示す。めっきの剥離強度は非常に弱く 0.4N/cm であり、さらにめっき剥離面には電気めっきの際に参考文献液の浸透あるいはエッチングされた痕跡が見られた。60[1] 中川威雄, 湯本哲男, 川崎徹,「MID (射出成形回路部mW・20 mm/s の SH 光改質条件は親水性の向上によりめ品)」，シーエムシー，(1997).
[2] 目黒和幸, 村上総一郎, 吉澤徳夫, プラスチックスっき析出はするものの、樹脂表面へめっき金属を強固に結65(4), (2014) 67-70.

合させるための化学種や物理的アンカー構造を有してい[3] 目黒和幸, 日本 MID 協会第 14 回定期講演会 (2016).

ないことが示唆される。

[4] 目黒和幸, 村上総一郎, 吉澤徳夫, 菅野信, 第 84 回レーザ加工学会講演論文集, (2016) 216.
[5] 目黒和幸, 村上総一郎, 山本角洋, 渡辺浩聡, 吉澤徳夫, 第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会
図 7 無電解めっき後(左)、90°剥離強度試験後(右)講演論文集 (2017).

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