樹脂の新規環境調和型ダイレクトめっき技術

樹脂の新規環境調和型
ダイレクトめっき技術
甲南大学
フロンティアサイエンス学部生命化学科
教授赤松謙祐
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電子回路基板における社会ニーズ
携帯電話、自動車
デジタル家電
衛星、医療機器
大量生産・消費時代の終焉
↓
少量・他品種への要求
↓
電子機器のさらなる高機能化
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産業・市場ニーズ
小型・軽量化の観点から：
サブミクロンスケール配線の回路基板
環境・エネルギー・資源の観点から：
廃棄物を最小にし、かつ工程数の少ない配線描画技術
顧客ニーズの観点から：
小ロット、短納期生産に対応する汎用プロセス
3
従来技術とその問題点
従来製造技術（一例）
基板
レジスト形成
マスク露光紫外線
現像
エッチング
課題①：
廃液・レジストの廃棄コスト（環境負
荷）大
課題②：
微細化に対応する密着性確保の
手段がない
レジスト剥離
4
課題解決に向けた取り組み
課題①：廃棄物による環境負荷が大きい
課題②：微細化に対応する密着性確保の手段がない
レジストや薬液を使用しない新技術の開発
（課題①の解決）
無粗化接合を可能にする新原理の提案
（課題②の解決）
5
低環境負荷型めっきプロセスの開発
化学的アプローチによる樹脂の導電化処理
（ダイレクトめっき）
Cu
ダイレクトめっき法の提案、回路の直接描画
（J. Am. Chem. Soc. 2004他）
(特開2005-045236他)
界面構造制御、回路形成手法の開発
（Adv. Funct. Mater. 2007、Langmuir 2010他)
(特開2008-218459他)
6
新技術：ダイレクトめっき
イオンを含む樹脂を前駆体とし、化学的
還元によりめっきを行う新技術
Cu2+
Cu2+
Cu2+
Cu2+
Cu2+
金属イオンを樹脂
内部に導入
Cu
表面に金属皮膜を
形成
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新技術の特徴
①レジストやエッチングの必要なし
（工程数、廃液の大幅削減が可能）
②ナノ構造界面による無粗化接合
（サブミクロン配線へ対応）
低環境負荷、微細化および密着性確保を実現しう
る革新的手法
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ポリイミドフィルムへの応用
樹脂の加水分解を利用したイオン交換基の導入
＜未処理のポリイミド樹脂＞
＜表面改質処理後のポリイミド樹脂＞
KOH処理
イミド環のアルカリ加水分解
K+ K+ K+ K+
+
+
K+ K K+ K+ K+ K
・アミド結合形成
・カルボキシル基形成
↑
カチオン交換基として作用
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ポリイミドフィルムの表面改質
表面改質層厚さのKOH処理時間依存性
K
0.3 mm
0.5 min
0.6 mm
1 min
(5 M KOH at 50 ℃)
3.0 mm
5 min
Figure. Effect of initial 5 M KOH treatment time
at 50 ℃ on the amount of incorporated ions.
表面改質層
L
未改質ポリイミド
L∝t
L : 改質層厚さ
t : KOH 処理時間
10
ポリイミドフィルムへの応用
Cu2+ Cu2+
Cu2+ Cu2+ Cu2+
Cu
DMABによる還元処理
(0.5 M, 50 ℃, 5 min)
ポリイミドフィルム
還元処理後
還元前
(Cu2+ イオン導入後)
11
ポリイミドフィルムへの応用
12
めっきプロセスの解析
断面構造
銅イオンの拡散に基づく薄膜形
成プロセス
Cu
Polyimide
1 mm
Figure. SEM images of the fractured section of
copper thin film formed on the surface-modified
polyimide.
Figure. GD-OES depth profiles of the copper iondoped films after NaBH4-induced reduction for various
time.
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めっきメカニズム
最表面
銅イオンの拡散に基づく薄膜形成メカニズム
Cu0
Cu0
Cu0
Cu0
Cu0
Cu0
Cu2+ Cu2+ Cu2+
Cu2+ Cu2+ Cu2+
Cu2+ Cu2+ Cu2+
H+
H+
Cu2+ Cu2+
Cu2+ Cu2+
H+
Cu2+ Cu2+
Cu2+
H+
Cu2+
H+ Cu2+ Cu2+
Cu2+ Cu2+ H+
＜還元前＞
・均一に銅イオンが吸着している。
＜還元後①＞
・表層部の銅イオンから還元され、Cu2+
→ Cu0の反応に伴い、（銅イオンが解離
して生じた）カルボキシルアニオンには
H+が吸着する。
＜還元後②＞
・H+とCu2+の濃度勾配を駆動力として、
イオン交換反応により樹脂深部の銅イオ
ンが樹脂表層へと拡散移動してくる。
・表層部の銅イオンが還元される。
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めっきメカニズム
Figure. Schematic representation of the metallization process and cross-sectional TEM images of metalpolyimide interface after DMAB reduction (A, C).
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ナノ界面構造評価
DMAB還元処理後
無電解めっき贈膜後
Figure. Cross-sectional TEM images of metal-polyimide interface after DMAB reduction (A) and subsequent
electroless Cu deposition (B). (C, D) Enlarged image of A and B, respectively.
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密着性評価
断面構造
シート抵抗およびピール強度
210 nmol cm-2
400
300
1
0.8
200
0.6
0.4
100
0.2
-1
Sheet resistance /  sq
1.2
Peel strength / kgf cm
-1
1.4
0
0
200
500 nm
200 nm
420 nmol cm-2
640 nmol cm-2
400 600 800 1000 1200
2+
-2
Cu ion loading / nmol cm
Figure. Effect of Cu2+ ion loading on sheet resistance of
as-metallized film surface and peel strength of copper film
which is electrodeposited onto as-metallized film.
Figure. Effect of Cu2+ ion loading on
surface morphology and interfacial
micro structure of as-metallized film.
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密着性評価
断面構造
ピール強度
25 °C
50 °C
Peel strength / kgf cm
-1
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
25
Figure. Cross-sectional TEM images of the
copper ion-doped precursor polyimide films after
DMAB-induced reduction at 25 °C for 20 min (A,
B) and at 50 °C for 5 min (C, D). Scale bar =
200 nm.
30
35
40
45
Temperature / °C
50
Figure. Plots of peel strength between
electrochemically deposited copper film and
surface-modified polyimide substrate as a function
of DMAB-induced reduction temperature.
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回路形成プロセス
光触媒還元
インプリンティング
インクジェット
改質層
光還元
Mn+
Mn+
Mn+
Mn+
Mn+
Mn+
Mn+
Mn+
Mn+
電気化学還元
Mn+
樹脂
Mn+: 金属イオン
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技術的優位性
■新発想に基づくダイレクトめっき
レジストを使用せず、廃液のでないフル・
アディティブ法
課題①を解決（低環境負荷）
■ナノ構造界面の創製
金属ナノ粒子連結体によるナノスケールインター
ロッキング
課題②を解決（微細化に対応）
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想定される用途
次世代回路基板
■サブミクロン幅の微細回路
■平滑・高密着性の金属配線
電子回路基板の微細化、
製造プロセスの低環境負
荷、高効率化を実現
■銅張積層版製造（接着剤なし）
■FPC一般（樹脂の構造設計により可能）
■その他回路基板（エポキシ、ポリエステル、PC他）
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実用化に向けた課題
■残存金属イオンの除去
■熱処理に伴う密着力の低下
■RF遅延等の物性値評価、構造最適化
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称：装飾皮膜
• 出願番号：特願2012-49369
• 出願人
：トヨタ自動車（株）
学校法人甲南
• 発明者
：吉永文隆、赤松謙祐
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お問い合わせ先
甲南大学フロンティア研究推進機構
産学連携コーディネーター小林信義
ＴＥＬ 078－435－ 2754
ＦＡＸ 078－435－ 2324
e-mail [email protected]
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