レーザ援用微粒子ジェット法により樹脂基板に導線を平坦に埋込する技術の開発
仙台高等専門学校名取キャンパス教授

総合科学系理数科

鈴木 勝彦（平成 25 年度一般研究開発助成 AF－2013204）

キーワード：レーザ、微粒子、平坦溝

１．研究目的と背景

PALAP 技術の弱点である少量多品種対応に適した優れた

従来よりプリント基板の材料は、ジュール熱対策など技術であり、形成後の加熱・圧縮形成過程もない。しかし、から熱硬化性樹脂基板が使用されている。しかし、加熱すインクの飛散防止からジェット流速が限られるため、基板ると硬化するためリサイクルが困難なことから、最近では、への埋め込形成は不向きであり、この場合も基板表面に凸リサイクルが可能な熱可塑性樹脂を基板材料に使用する状に形成する方式で、多層化すると基板厚さ以上となる。

例が急速に増えてきている。

そこで、配線、素子を基板の表裏に埋込形成し、少量多この熱可塑性樹脂材料のリサイクル性を活かす技術と１）品種にも対応可能で応力ひずみを与えず、配線・素子を基を開発して板に埋込形成する技術として、PJD 法 3)を応用したレーザいる。配線は、従来通り基板上にメッキした銅膜に、レジ援用微粒子ジェット法 4,5,6,7）の開発を進めている。本技術

ストを塗布後エッチングして形成する。その後、受動素子により、Cu 配線において 60 Ω/cm2）より小さい値に形成として既製品のチップ抵抗、チッブ積層キャパシタ等と、可能なことが確認されている 8)。また、混合微粒子の混合能動素子においても既製品の IC、LSI を使用して、導電ペ比を変化させることにより、指数関数的に抵抗値を変えてーストの充填工程を経て、複数基板を加熱・圧縮して多層成膜できること（パーコレーション現象）も、確認してい基板にする技術であり、基板のコンパクト化に成功している 5)。更に、RC ローパスフィルター回路、増幅回路も基板る。この工法では加熱・圧縮工程があり、耐熱・応力ひずの表裏に形成し、理論値と同じ特性も得られている 9）。

して、(株)デンソーでは PALAP という技術

みの対策が必要とされる。また、受動素子において既製品

一方、主要素子の積層キャパシタは 6 層まで形成し、積を使用するので大量生産に適しているが、特注品などの少層数とキャパシタとの比例関係が確かめられている 6）が、量多品種基板への対応には不向きな技術である。また、規形成した素子の断面が半円状になるため、積層数が増加す定値の素子しか使用しないので、規定値以外の素子を使用ると比例関係が崩れる恐れがある。それを避けるためベーする場合には、使用素子数が増加させる必要がある。

スとなる矩形溝に電極導線膜を形成し、積層させる必要が一方、最近インクジェット法により、配線や素子を形成ある。

する技術の開発が盛んに行われている。有機溶剤に金属ナ今回、高価なフェムト秒やピコ秒レーザや方形ファイバノ微粒子を混合させたインクを使用するので配線は形成ーを使用しない安価な方法で、矩形溝形成技術・積層キャ後、熱処理が必要とされる。そこで、配線時に有機溶剤をパシタを形成する技術の開発を行った。

除去して成膜するレーザ援用インクジェット法 2)が、最近
産総研で研究開発されている。配線材料として、銀ナノ粒

2．実験方法子をインクに混入させて使用し、単位長さの抵抗値が、602.1

Ω/cm の良質の配線形成に成功している。この方法は、積層キャパシタ形成方法

レーザを用いて熱可塑性樹脂として環境にやさしい非石油系のポリアセタール（POM）の基板に、積層キャパシ

尚、両方式とも、Tectronix 社のデジタルオシロスコー

タのための溝を形成した後に、積層キャパシタを埋込形成プで観察しながら、NF 回路ブロック製の ZWF194 の発振器した。過去にレーザの照射において、強度がガウス分布様と(株)エコー電子社のピエゾ電源を用いて、バイモルフ圧の通常の照射方法と方形ファイバーを用いた照射方法は電素子を励起して振動させた。

過去実施したが、今回は、高価なフェムト秒やピコ秒レーザを用いないだけでなく、敢えて高価な方形ファイバーも用いない通常のレーザを使用する方法の開発を行った。
したがって、レーザは CW 型のグリーンレーザ（波長：532 nm）最大 2 W のものを使用し、光ファイバーは今回、通常のガウス分布様出射のものを使用した。微粒子ジェットのための Ar ガス噴射圧力を 0.9 MPa にして成膜し、微粒子は、電極用に平均粒径 5 µm、純度 99.7 %up のカーボン微粒子を使用し、誘電用には、平均粒径 1 µm、純度99 %up の BaTiO3 の微粒子を使用した。また、溝形成時
図2

は、レーザの出力は約 2 W で実施し、積層キャパシタ形レーザ・ノズル固定－基板振動方式

成時の出力は、約 1.6 W に落として行った。

2.32.2矩形溝形成方式

測定

試料の断面観察は、樹脂基板の端までレーザ援用微粒２つのタイプの矩形溝形成方式を試みた。１つ目は、図子ジェット法を適用させて観察し易くし、デジタルマイク

１に示す基板固定－レーザ・ノズル振動方式で、XY ステロスコープ（Dio－Lite）で観察した。また、基板固定－ージに基板を固定しておき、CW 型レーザの照射点と微粒レーザ・ノズル振動方式において、共振周波数で形成した子噴射点を一致させて、バイモルフ圧電素子で支点を中心

溝は、レーザ顕微鏡（オリンパス社製、OLS3100）によりに振り子のように振動させる方式で矩形溝形成を行った。

n 断面形状を計測した。さらに、形成した積層キャパシタの静電容量は、LCR メーター（NF 回路設計ブロック製の ZM－2371）を用いて、1 kHz の周波数で測定した。

3．研究成果3.1

基板固定－レーザ・ノズル振動方式

図１の示すように、樹脂基板を PC 制御する XY ステー
ジに固定し、ジェット噴射するノズルと光ファイバーを一振動板に固定して一体化して、その振動板の上部を、発生力の大きい特長を活かしてバイモルフ圧電素子を、支点中
図1

基板固定－レーザ・ノズル振動方式

心に振動させた。その際、微粒子噴射点とレーザ照射点を曲率半径の大きい円弧を描く形の運動になるように支点

2 つ目は図２に示すように、CW 型レーザの照射点と微粒子噴射点を一致させた上で固定し、基板をバイモルフ圧電素子で素子１と素子２の励起電圧の位相を逆位相にする事により上下振動させるレーザ・ノズル固定－基板振動方式で矩形溝形成を試みた。

を上部に設け、近似的に左右運動させる方式で基板への矩形溝形成を試みた。バイモルフ圧電素子をシステムの最大ピークピーク励起電圧値の 100 V で振動させ、レーザ出力の 1 W 近傍で照射しながら形成された溝幅を計測したと
ころ、図３の示すように、共振周波数が約 6.8 Hz となることが分かった。この時の溝幅は、傾向の測定のため精度できなくなる。また、この方式では、バイモルフ圧電素子の低いデジタルマイクロスコープで観察・計測した。

を大きな質量の振動板に設置させるので、共振周波数が大きくなってしまい、基板へのレーザの照射時間が小さくなるため、溝が深くできない。さらに、質量の大きな振動板に、硬くて脆いバイモルフ圧電素子を設置させるため、素子の設置が難しい。このように、この方式は多くの難点がある。

3.2
図3

溝幅の加振周波数依存性（基板固定－レーザ・ノズル振動方式）

レーザ・ノズル固定－基板振動方式

基板固定－レーザ・ノズル振動方式では、上述のように難点が判明したので、今回の限られたシステム条件で、素形成された溝の情報を詳しく調べるため、6.8 Hz でバ子の破損が少なく設置しやすく、しかも、共振周波数を低イモルフ圧電素子振動させながら溝を形成した基板表面くして溝を深く形成できれば矩形溝に近いものが形成でをレーザ顕微鏡で観測・計測した。その結果を図４に示す。

きる方式を考えた。これは上述方式とは全く逆の、レーザ・ノズルを固定し、基板だけを振動させる方法である。図２から分かるように、質量はほぼ基板だけにする方式なので、共振周波数を小さくすることが可能で、バイモルフ圧電素子を破損させることを極力少なくして設置できる。

図4

レーザ加振・照射による溝形成結果

精度を落としてデジタルマイクロスコープで計測した
結果は、溝形成時に生じた基板の盛り上がり部分も含めた幅とほぼ一致していることが図から分かる。溝底辺部分を見ると、約 300 µm の溝幅が形成されたにも関わらず、基図5

溝幅の加振周波数依存性（レーザ・ノズル固定－基板振動方式）

板材料が熱可塑性樹脂のため、周辺の溶けた樹脂がその溝予測通り、図５に示すように共振周波数を約 2.6 Hz と周辺になだれ込み、結果として、平坦部分は元の 1/3 程度低くすることができた。しかも、溝幅もレーザ加振の場合の約 100 µm の幅に縮小されてしまったことが分かる。と比べて、約 2 倍近く制御できることが分かった。

また、矩形状態について、溝の傾斜を数値化すると、横前述の方式は、支点をなるべく高くして振れ幅を大きく約 240 µm に対して、縦約 35 µm となり、正接の値から計するように増幅させる工夫をしたが、振動板をアルミ製に算すると傾斜角度は約 8.3°となり、矩形溝とは程遠い溝して軽くしたものの重かったため溝幅がそれほど大きくとなっている。約 100 µm 幅に積層キャパシタを形成させならなかったものと考えられる。振動板を軽い材料するとることも可能ではあるが、形成された溝の 100/825 の割合

平坦溝もそれに応じて大きくでき、共振周波数も小さくでしかキャパシタとして機能させられない。大きな溝を形成きるかもしれない。しかし、やはりバイモルフ圧電素子のしても、積層キャパシタを埋込形成させる領域は限られる

設置がしづらく、素子の破損し易さを考えると、レーザ・ことになり、占有面積の割には小さな容量のものしか形成

ノズル固定－基板振動方式の方が有利である。

過去、レーザ、ノズル、基板を固定し、基板のみ XY ス

ファイバーの辺を一致させるため、基板を回転させる機構

テージを PC 制御させて積層キャパシタさせた場合の、積を付加させ、基板の回転に応じて、基板振動機構も回転可層数（4 層）の静電容量（１ kHz）の結果は、決定係数 0.9890

能にすれば、さらに高層の積層キャパシタ形成可能になる。

であったが、方形光ファイバーを使用することにより、6表１層にまで再現性良くに形成可能で、決定係数が 0.9990 に配置・振動関係試作した積層キャパシタの結果なる結果が得られている。参考のため、過去に形成した素方形ファイバー使用無し－子の断面結果を図７に示す。

ノズル・基板固定
方形ファイバー使用－ノズ
ル・基板固定レーザ・ノズル固定－基板振動

決定係数

試作最大層数0.9890

40.9990

60.99617共振周波数の 2.6 Hz で形成した溝の例を図８に示す。
図 6 方形ファイバーによる積層キャパシタ断面（3 層の断面 SEM 像）6)
図６から分かるように、3 層で既に円弧状態になってい図５と比べて幅が小さいのは、周波数変化測定の時と比べて、基板移動時間を早めたためレーザ照射時間がわずかに少ないためである。

ることが分かる。6 層まで決定係数の高い積層キャパシタが形成できるものの 3 層で既に円弧状態になっており、高層になるに従い、容量値の積層数との関係が比例関係からC [nF]ずれてきてしまうことは容易に予測できる。

図 8 デジタルマイクロスコープ断面写真（レーザ・ノズル固定－基板振動方式）
レーザ・ノズル振動方式の場合は傾斜角が約 8.3°であLayer Numbers
図 7 静電容量の積層数変化

った時と比べて、基板振動方式の場合は図８から分かるよ
うに、約 70°であり、かなり矩形溝に近い溝が形成されていることが分かる。

（レーザ・ノズル固定－基板振動方式形成）
一方、今回、レーザ・ノズル固定－基板振動方式で、７層まで積層キャパシタを形成したところ、決定係数が、0.9961 になることが分かった（図７）。方形ファイバーの結果と比べて決定係数は僅か 0.0029 の差で、大きな値の結果が得られた。これらの結果をまとめた値を表１に示す。
表から分かるように、方形ファイバーの使用により、比例関係の良い積層キャパシタが形成できるので、基板の移動方向と積層キャパシタの形成方向を一致させるべく、方形

図9４層の積層キャパシタの断面写真

図９に、形成された４層の積層キャパシタの断面周波数を探索する必要がある。

写真を示す。写真からカーボン電極が矩形状に形成されているのが分かる。並列接続状に形成してある謝 辞

ので、５層の電極膜と４層の BaTiO3 膜の側面を観本研究の遂行にあたり、公益財団法人天田財団の一般察していることになる。奥側に存在するので、実際研究開発助成を賜りましたことに対して、深く感謝の意をの大きさより小さく観察されていることになる。

表します。

キャパシタの幅が小さく形成されているのは、矩形溝形成後、積層キャパシタの形成時は、基板を振動させないで形成したためである。断面の観察から

参考文献

積層キャパシタの形成できる矩形溝の平坦部分は、

1) H. Kamiya, T. Miyake, H. Kobayashi and K. Kondo:

約溝幅の約 1/４程度であり、基板固定方式の約 1/8

Int. Symp. Electronics Materials and Packing

程度より基板振動方式の方が明らかに矩形溝形成に(EMAP2005), p.183.

有利であると言える。

2) J. Akedo: Int. Conf. Electronics
Packaging (ICEP2009).

４．結び

3) N. Noji, M. S. S. Zahmaty, T. Shibuya, N. Yoshihara

本研究において、POM 基板にレーザを援用してand T. Kuriyagawa: Proc. 3rd. Int. Conf. Leading

微粒子をジェットして基板に矩形溝を形成する方法

Edge Manufacturing in 21st Century, 2005, p.833.

として、基板固定－レーザ・ノズル振動方式とレー

4) K. Suzuki, M. Miura, A. Konno, K. Miura, T. Yuzawa,

ザ・ノズル固定－基板振動方式を試みた。その結果

M. Watanabe and T. Kuriyagawa: Jpn. J. Appl. Phys.

を以下の３点にまとめることができる。

49 (2010) 06GN09-1~4.

１） レーザ・ノズル固定－基板振動方式の方がより

5) K. Suzuki, T. Saito, T. Sugai, S. Watanbe, S. Kameya,

矩形に近い溝（傾斜角約 70°）の形成が確認さK. Miura and T. Kuriyagawa: Jpn. J. Appl. Phys. 50

れ、断面が矩形に近い導線形成の基礎技術を得(2011) 06GM12-1~5.

ることができた。
２）基板・レーザ、ノズルを固定し積層キャパシタを形成した場合と比べて、基板振動方式で形成

6) K. Suzuki, S. Kameya, T. Sugai, T. Ohuchi, K. Miuraand T. Kuriyagawa: Jpn. J. Appl. Phys. 52 (2013)
06GL02_1~4.

した溝に、積層キャパシタ形成した方が、静電7) 鈴木勝彦：プラスチックス 4 月号、p.57～61.

容量に対する積層数変化の比例関係（決定係数8) Y. Kamei, K. Suzuki : private communication.

0.9961）が良く、高価な方形ファイバーを利用

9) K. Suzuki, T. Takahashi, D. Katoh,

したとほぼ同等のものが得られた。
３）共振周波数は小さい方が、より矩形に近い溝が形成できることが分かったが、今後、適切なR. Watanabe,K.Miura, T. Yuzawa, T. Kuriyagawa: 27th Int. Microprocesses and Nanotechnology Conf.
2014, 6P-7-97.