以噴墨法形成金屬導線圖案的方法
2023-06-21 13:03:51 2
專利名稱：以噴墨法形成金屬導線圖案的方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬導線形成方法，尤其涉及一種以噴墨法形成金屬導線圖案的方法。
背景技術：
隨著電子產品走向「輕薄短小」的設計概念，印刷電路板(Printed CircuitBoard，PCB)也朝向小孔徑、高密度、多層數、細線路發展。一般印刷電路板，通常使用玻璃纖維布或軟性基材所組成的平面狀基板，利用接著劑與熱壓方式，貼附金屬層或銅箔再進行蝕刻以形成金屬導線。但是接著劑的配方中需加入含有滷素的難燃劑，而難以符合歐盟2004年電子產品全面禁用滷素的規定，將限制其未來發展。且接著劑中往往添加離子性不純物，使基板的介電及絕緣特性變差，以及在高溫下容易造成基板扭曲變形，這些都會降低基板的可靠度。因此應儘量在電路板中避免接著劑的使用。
因此，可藉由金屬沉積的方式在基板表面形成金屬層，再以光微影方式蝕刻出所需的金屬導線。無電鍍(electroless plating)或稱為化學鍍，是沉積金屬層的一種方式，在無須外加電壓的情形下，把溶液中的金屬離子通過自動催化(autocatalytic)的化學反應方式，將金屬沉積在固體表面上。這種反應程序與電鍍(electroplating)極為類似，不同的是反應發生時的電子傳遞不經由外部電路，而是藉由溶液中的物質在固體表面發生氧化還原反應時，在表面上直接進行傳遞而有別於外加電路的電鍍。為符合電路板的細線寬要求，因而增加了光罩製作和金屬層蝕刻的難度，並且不同種類和尺寸的金屬導線都需要利用不同光罩來製作，在製造成本上相對的增加。
因而藉由無電鍍的特性發展出直接在基板上形成金屬圖案以作為金屬導線的方法，由於無電鍍需要在經過活化或催化的表面才能進行，可以選擇性的在基板表面需要成長金屬導線之處形成催化層，然後再進行無電鍍。如美國第6521285號專利所述，揭露一種選擇性的無電鍍方法，預先刻出具有金屬導線圖案的印刷板，再將其印刷板沾上催化劑，以蓋印方式將印刷板對準壓在基板上，使基板表面預定形成金屬導線之處印上催化層之後，再以無電鍍方式在基板具有催化劑的表面成長導電金屬。此法同樣需要配合不同種類和尺寸的金屬導線的催化劑製作不同的印刷板，並且線路的線寬需取決於印刷板可達到的雕刻精密度。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於提供一種以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，是以微液滴噴塗方式在基板欲形成金屬導線之處噴塗催化劑，然後再進行無電鍍程序以形成金屬導線，避免了接著劑的使用。並且為使催化劑有效吸附於基板，並改善基板的表面性質，基板在進行微液滴噴塗的前需進行適當的表面改質處理。
為了實現上述目的，本發明提供了一種以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，步驟包含有提供一基板；以微液滴噴塗方式在該基板表面欲形成金屬導線之處噴塗一催化劑以形成一金屬催化圖案；及以無電鍍方式在該基板表面具有該金屬催化圖案之處沉積一金屬以形成一金屬導線。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，還包含一在該基板表面進行一改質處理的步驟，使該基板表面形成自組成薄膜接口，以使該催化劑能有效吸附於該基板表面。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，所述在該基板表面進行一改質處理的步驟，包含步驟a、將該基板浸泡於一陰離子型聚合電解質溶液；步驟b、將該基板浸泡於一陽離子型聚合電解質溶液；步驟c、重複一次以上的步驟a至步驟b；及步驟d、將該基板浸泡於該陰離子型聚合電解質溶液。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，該陰離子型聚合電解質溶液選自聚丙烯酸溶液、聚甲基丙烯酸和聚賽吩-3-醋酸。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，該陽離子型聚合電解質溶液選自聚丙烯胺氯化氫溶液、聚乙基吡唑、聚乙基吡咯酮和聚苯胺。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，該基板選自玻璃基板、聚酯基板、有機玻璃纖維基板、可撓性有機玻璃纖維基板和聚亞醯胺基板。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，所述在該基板表面進行一改質處理的步驟，包含步驟a、將該基板浸泡於一陽離子型聚合電解質溶液；步驟b、將該基板浸泡於一陰離子型聚合電解質溶液；步驟c、重複一次以上的步驟a至步驟b；及步驟d、將該基板浸泡於該陰離子型聚合電解質溶液。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，該陰離子型聚合電解質溶液選自聚丙烯酸溶液、聚甲基丙烯酸和聚賽吩-3-醋酸。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，該陽離子型聚合電解質溶液選自聚丙烯胺氯化氫溶液、聚乙基吡唑、聚乙基吡咯酮和聚苯胺。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，還包含一提供一波動至該基板的步驟，以平坦化該基板表面的該金屬催化圖案。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，該金屬的主成分材料為銅。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，該催化劑選自四氯鈀酸鈉溶液和四氨二氯化鈀溶液。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，還包含下列步驟以噴墨方式在該第一金屬導線表面噴塗另一層金屬催化圖案；及進行無電鍍在該金屬導線表面沉積另一層金屬以形成另一金屬導線。
上述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特點在於，該兩種金屬的主成分材料不同。
通過使基板表面形成自組成薄膜(Self-Assembled Monolayer，SAM)接口來進行表面改質，基板表面處理的後所形成的自組成薄膜接口，利用原子彼此間的化學動力學差異，引發自組成(self-assembly)而形成特殊的納米接口結構，此納米接口結構具有納米尺寸的厚度。自組成薄膜的成膜機理可藉由固液接口間的化學吸附，在基板上形成具有化學鍵連接的原子緊密排列的二維有序單分子層。重複控制形成此自組成薄膜可形成納米級的多層膜接口結構，並且可藉由此薄膜接口的成分、結構、物理和化學性質來改變基板的表面性質，並使基板表面對於某些物質具有選擇性的吸附能力，藉此可使基板有效吸附催化劑。
通過在基板欲形成金屬導線之處噴塗催化劑，可以有效降低並穩定控制後續無電鍍所形成的金屬導線線寬，基於無電鍍的特性，更可輕易控制金屬導線的厚度以及降低金屬導線的電阻。配合微液滴噴塗和無電鍍方法相較於現有的光微影和蝕刻工藝可以快速完成金屬導線的製作，提高產率。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
圖1為本發明以噴墨法形成金屬導線圖案的方法的流程圖；圖2本發明以噴墨法噴塗金屬催化圖案的裝置示意圖；圖3為本發明第一實施例的電路板剖面示意圖；及圖4為本發明第二實施例的電路板剖面示意圖。
具體實施例方式
請參考圖1，其為以噴墨法形成金屬導線圖案的方法的流程圖，首先，步驟110，清潔基板，進行10分鐘的紫外光臭氧(UV-ozone)處理。步驟120，將基板浸泡於陰離子型聚合電解質溶液中，陰離子型聚合電解質溶液為10毫摩爾濃度(M)的聚丙烯酸(poly(acrylic acid)，PAA)。步驟130，以去離子水清洗基板。步驟140，將基板浸泡於陽離子型聚合電解質溶液中，陽離子型聚合電解質溶液為10毫摩爾濃度(M)的聚丙烯胺氯化氫(poly(allylamine hydrochloride)，PAH)。步驟150，再將基板浸泡於陰離子型聚合電解質溶液中。步驟160，以微液滴噴塗方式在基板欲形成金屬導線之處噴塗催化劑，催化劑為10毫莫耳濃度(M)的sodium tetrachloropalladate(Na2PdCl4)溶液。步驟170，以去離子水清洗基板。再將基板浸泡於pH值2.5至3之間的氯化氫溶液30秒；然後，步驟180，進行無電鍍金屬。最後，步驟190，再以去離子水清洗基板。
其中，本發明步驟120至步驟140是用來進行基板的表面改質處理，通過使基板表面形成自組成薄膜接口來進行表面改質，配合不同材料的基板其浸泡陽離子與陰離子聚合電解質溶液的順序也可能相反。基板經過兩種不同電性的聚合電解質溶液的浸泡處理，可在其表面形成自組成薄膜接口。在上述工藝中，為有效改變其表面性質，還可重複步驟120至步驟140在基板表面堆棧多次PAH/PAA雙層結構(bilayers)，然後再進行步驟150以形成納米級的多層自組成膜接口。可基於不同材料基板的性質選擇自組成薄膜接口的結構，上述的PAH/PAA bilayers可適用的基板材料可為玻璃基板、聚酯(PET)基板、有機玻璃纖維(FR-4)基板、可撓性有機玻璃纖維基板(Flexible FR-4)和聚亞醯胺基板(Polyimide)。此外，其陽離子型聚合電解質溶液可選自聚丙烯胺氯化氫溶液(PAH)、聚乙基吡唑(PVI+)、聚乙基吡咯酮(PVP+)和聚苯胺(PAN)；所搭配使用的陰離子型聚合電解質溶液可選自聚丙烯酸溶液(PAA)、聚甲基丙烯酸(PMA)和聚賽吩-3-醋酸(PTAA)。
本發明是以噴墨列印方法在基板欲形成金屬導線之處噴塗催化劑，由於催化劑一般為鹽類，可幾乎完全溶解於水形成均勻溶液，因此具有良好的噴墨穩定性。由於後續的無電鍍所形成的金屬導線系取決於噴墨解析度，而目前的噴墨技術可達高解析度，因此本發明可用以製作高密度、細線寬的金屬導線。此外，為增加噴塗的催化劑液滴的平坦性，在噴墨進行中可提供適當頻率和振幅的波動來破壞附著於基板的微液滴的表面張力，而得到較平坦的薄膜均勻性。
請參考圖2，為以噴墨法噴塗金屬催化圖案的裝置示意圖。包含有噴墨頭模塊10、運動承載平臺20、支撐架21以及波動產生模塊30，噴墨頭模塊10具有一個以上的噴孔11，並固定於一噴頭調整機構12以對基板40進行催化劑液滴13噴塗。運動承載平臺20是承載基板40並可調整其位置以供噴墨頭模塊10噴塗催化劑液滴13，且具有支撐架21供基板設置，使基板40和運動承載平臺20保持一段距離。而波動產生模塊30為壓電組件，貼附於基板40下方，波動產生模塊30沒有與運動承載平臺20接觸，可避免不必要的能量衰減。波動產生模塊30作動產生適當頻率的波動，當噴孔11將多個催化劑液滴13噴塗於基板40以形成金屬催化圖案時，待催化劑液滴的溶劑揮發之後可得到平坦化的金屬催化圖案。上述工藝是以四氯鈀酸鈉(Na2PdCl4)溶液或四氨二氯化鈀(Pd(NH3)4Cl2)溶液作為催化劑，通過析出鈀來進行無電鍍銅等金屬的催化。
無電鍍又稱為化學鍍(chemical plating)或自身催化電鍍(autocatalyticplating)。無電鍍是指在水溶液中的金屬離子被在控制的鍍液環境下，予以化學還原而在基板形成鍍層。一般的無電鍍液成分主要需包含有作為鍍層金屬的來源的金屬離子(metal ions)；將金屬離子還原成金屬還原劑(reducing agent)；使基材表面具有催化性的催化劑(catalyst)。其次為了維持鍍液的穩定性，還需包含錯合劑(complexing agent)以防止氫氧化物沉澱、調節析出速率、防止鍍液分解，使鍍液安定；吸著微粒雜質防止鍍液自然分解，以延長鍍液壽命的安定劑(stabilizer)；以及用以控制pH值在操作範圍內的緩衝劑(buffer)。以及為了增加鍍層特性，需添加使表面作用良好的潤溼劑(wetting agent)；使鍍層具有良好光澤性的光澤劑(brightener)。
無電鍍液需安定，在未使用時需不起作用，只有在催化性的表面接觸時才開始作用析出金屬鍍層。本發明是先在基板進行表面改質處理，再在基板欲形成金屬導線之處噴塗催化劑，然後，進行無電鍍可選擇性僅在具有催化劑的表面沉積金屬以形成金屬導線。請參考圖3，其為本發明第一實施例的電路板剖面示意圖。在基板200表面是經過表面改質而具有PAA層211和PAH層212所組成的多層自組成薄膜接口210，金屬催化圖案220是經過噴塗附著於多層自組成薄膜接口210，第一金屬導線230則形成於金屬催化圖案220上。
由於無電鍍經過一段時間之後，其金屬析出沉積的速度會下降，因此，應用本發明方法，如圖4所示，其為本發明第二實施例的電路板剖面示意圖。可在第一金屬導線上方再噴塗另一層金屬催化圖案221，並再次進行第二次無電鍍以形成第二金屬導線231。同時除了使用相同的催化劑和無電鍍浴來增加金屬導線圖案的厚度，更可選擇不同的催化劑和無電鍍液，使第一金屬導線和第二金屬導線可為相同或不同的金屬材料所形成。
當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，步驟包含有提供一基板；以微液滴噴塗方式在該基板表面欲形成金屬導線之處噴塗一催化劑以形成一金屬催化圖案；及以無電鍍方式在該基板表面具有該金屬催化圖案之處沉積一金屬以形成一金屬導線。
2.根據權利要求1所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，還包含一在該基板表面進行一改質處理的步驟，使該基板表面形成自組成薄膜接口，以使該催化劑能有效吸附於該基板表面。
3.根據權利要求2所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，所述在該基板表面進行一改質處理的步驟，包含步驟a、將該基板浸泡於一陰離子型聚合電解質溶液；步驟b、將該基板浸泡於一陽離子型聚合電解質溶液；步驟c、重複一次以上的步驟a至步驟b；及步驟d、將該基板浸泡於該陰離子型聚合電解質溶液。
4.根據權利要求3所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，該陰離子型聚合電解質溶液選自聚丙烯酸溶液、聚甲基丙烯酸和聚賽吩-3-醋酸。
5.根據權利要求3所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，該陽離子型聚合電解質溶液選自聚丙烯胺氯化氫溶液、聚乙基吡唑、聚乙基吡咯酮和聚苯胺。
6.根據權利要求3所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，該基板選自玻璃基板、聚酯基板、有機玻璃纖維基板、可撓性有機玻璃纖維基板和聚亞醯胺基板。
7.根據權利要求2所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，所述在該基板表面進行一改質處理的步驟，包含步驟a、將該基板浸泡於一陽離子型聚合電解質溶液；步驟b、將該基板浸泡於一陰離子型聚合電解質溶液；步驟c、重複一次以上的步驟a至步驟b；及步驟d、將該基板浸泡於該陰離子型聚合電解質溶液。
8.根據權利要求7所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，該陰離子型聚合電解質溶液選自聚丙烯酸溶液、聚甲基丙烯酸和聚賽吩-3-醋酸。
9.根據權利要求7所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，該陽離子型聚合電解質溶液選自聚丙烯胺氯化氫溶液、聚乙基吡唑、聚乙基吡咯酮和聚苯胺。
10.根據權利要求1所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，還包含一提供一波動至該基板的步驟，以平坦化該基板表面的該金屬催化圖案。
11.根據權利要求1所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，該金屬的主成分材料為銅。
12.根據權利要求1所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，該催化劑選自四氯鈀酸鈉溶液和四氨二氯化鈀溶液。
13.根據權利要求1所述的以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，其特徵在於，還包含下列步驟以噴墨方式在該第一金屬導線表面噴塗另一層金屬催化圖案；及進行無電鍍在該金屬導線表面沉積另一層金屬以形成另一金屬導線。
14.根據權利要求13所述的以噴墨法形成金屬催化圖案的無電鍍方法，其特徵在於，該兩種金屬的主成分材料不同。
全文摘要
本發明涉及一種以噴墨法形成金屬導線圖案的方法，是以微液滴噴塗方式在基板欲形成金屬導線之處噴塗催化劑，然後再進行無電鍍程序以形成金屬導線，並且為使催化劑有效吸附於基板，並改善基板的表面性質，基板在進行微液滴噴塗的前需進行適當的表面改質處理。
文檔編號C23C18/18GK1630458SQ20031012182
公開日2005年6月22日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者鄭兆凱, 楊明桓, 邱琬雯, 張惠珍 申請人:財團法人工業技術研究院