【PI 研究進捗】3D プリントポリイミド材料

著者: Fan Zhang および Yinfeng He。

マテリアルジェッティング (MJ) は、積層造形分野における主流の 3D 印刷技術の 1 つです。プリント回路基板 (PCB) における MJ 技術の発展により、トランジスタ、コンデンサ、電気センサー、フレキシブル回路基板など、さまざまな種類の印刷電子デバイスが開発されました。これらの研究はすべて片面基板設計に基づいています。ただし、片面基板では回路設計の自由度と回路密度が制限されます。短絡障害を回避するために、導電トラックの経路に交差があってはなりません。両面 PCB 回路は工業製造で一般的に使用されており、よりコンパクトな構造を実現し、回路基板の密度を高めるために、通常は基板の両面に導電性トレースが配置されます。高い回路密度を実現するには、回路の絶縁ブリッジを作成するために、交差点に絶縁材料を選択的に堆積させる必要があります。ポリイミド (PI) は、高性能な層間誘電体材料として、マイクロエレクトロニクスの分野で重要な用途があり、集積回路の製造やマイクロ電気機械システムデバイスにおいて重要な保護の役割を果たします。

PAA 合成の概略図とインクジェット印刷の印刷パラメータ

最近、研究者らはPIのインクジェット印刷法を開発し、無水マレイン酸（MA）を導入して、MJに使用できる高性能PI前駆体インクを合成しました。リアルタイム熱イミドおよび反応射出成形技術に基づき、PI前駆体インクを印刷して、制御可能なサイズ、均一性、密度を備えたPIフィルムを形成できるため、ひび割れなどの欠陥を回避し、形態を大幅に改善できます。PAAインクを使用して、複雑な回路基板が製造されました。

（a）異なる基板温度（120、150、180℃）および層数（1層、3層、6層）
(b) インクジェット印刷、(c) 鋳造。
印刷されたPIフィルムの表面形態とSEM写真印刷されたPIフィルムの表面粗さ

FTIR 分析の結果、印刷された PAA 液滴は、印刷プロセス中に 180 °C で 15 分以上加熱することで PI に変換され、印刷が連続プロセスになることがわかりました。異なる基板温度が PAA サンプルの核形成と表面形態に与える影響を研究しました。これまで報告された製品と比較すると、印刷された PI インクには明らかなコーヒーリング効果は見られません。結果は、基板温度が上昇すると、フィルムの直径は減少しますが、表面の高さが増加し、フィルムの表面粗さが減少して、鋭いエッジが形成されることを示しています。研究によると、印刷された PI フィルムの誘電率は 3.41±0.09、熱劣化温度は約 500°C であり、どちらも市販の PI フィルム製品と同等です。

印刷されたPIフィルムの調製と特性評価

この PI システムを使用すると、複雑な回路基板構造を生成し、導電性銀線と PI 誘電体絶縁層の共印刷を実現できます。研究者らは、200×200μmから500×500μmまでのサイズのPI絶縁膜を印刷し、それらを使用して2本の交差する導電線を絶縁しました。つまり、2つの回路パターンの交差点に厚さ約4μmの絶縁層を選択的に堆積させたのです。

PAAインクジェットで複雑な回路基板を作製するプロセスの概略図

導電回路と準備された回路を分けるためにPIフィルムを印刷する

結果は、このタイプの連続 PI 印刷プロセスが、複雑な単層回路を準備するためのより汎用的で効率的な方法を提供し、よりコンパクトで高性能な PCB 構造を実現するためのより大きな設計自由度をユーザーに提供できることを示しています。

研究成果は国際学術誌Additive Manufacturing（2019, 25: 477-484）に掲載された。筆頭著者および責任著者は英国ノッティンガム大学のFan Zhang氏とYinfeng He氏である。

出典: ポリイミドテクノロジー

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