전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2016. 11. 특집 (2) (p63~72)

“기판 없이” 기기설계를 변혁
(회로)기판을 없애고 전자기능을 본체와 일체화

로봇과 자동차에서, 센서 및 작동장치와, 데이터 취득과 제어용 전자회로를 일체화 하고 싶다. 다른 사례에서는, 본체표면의 터치패널과 디스플레이를 본체와 일체형식으로 할 수 없는가? 전자기기업체가, 전자기능의 실장수단의 다양화를 모색하고 있다. 전자회로를 프린트 기판에 집약하고 본체를 덮는 현재의 방법은, 센서와 작동장치, 유저인터페이스를 통한 외부와의 접점을 가진 전자기능의 실장이, 꼭 최적이라고 말할 수 없게 되었기 때문이다.

그래서 주목을 받기 시작한 것이 “프린트 기판 없는” 방법이다. 프린트 기판이 가지고 있는 배선∙실장기능을 본체 등의 다른 부품이 갖추게 하거나, 배선을 무선화하거나 한다. 배선∙실장기능에 특화된 메인 기판을 줄일 수 있다. 그로 인해 요소기술도 잇따라 개발되기 시작했다.

“프린트 기판 없는”방법은, 스마트폰 등을 위한 고성능반도체의 흐름과도 일치한다. 메모리와 ASIC, 전원 주변의 회로 등이 프로세서의 IC 내부 혹은 패키지 내부에서 실현되도록 되어 있다. “언젠가는 프로세서의 외부단자는 전원만 남게 될 것이다”라는 소리마저 들린다. IC 간에, IC와 수동 부품과의 사이를 연결하는 프린트 기판의 역할은 축소되어 가고 있다.

“프린트 기판 없는”방법이 보급되면, 프린트 기판의 설계와 제조설비는 불필요해지고, IoT(Internet of Things)기능을 담고 싶어 하는 비전자기기업체에게 있어서, 전자기능도입의 장벽이 낮아진다. 한편, 전자기기업체 등은, 종래, 병렬로 진행할 수 있었던 본체 등의 기구설계와 배선설계를, 디자인부터 기구∙배선설계까지 함께 해야 할 필요가 생긴다.


Part 1. 개발사례
인쇄, 내장, 무선화, 기판배선의 대체제안이 잇따라 등장

프린트 배선기판을 사용하지 않고, 본체와 구조부품에 배선기능을 내장하는 것으로 부품끼리 연결한다. 「기판 없이」의 실현을 위한 방법이 잇따라 제안되고 있다. 수지부품의 사출성형 시에 함께 부품을 내장하여 고정하거나, 기판 없이 잉크젯인쇄로 배선을 형성하거나 하여, 공수를 늘리지 않고 기존수법과는 다른 실장을 실현한다.

사출성형수지에 IC 등의 전자품을 내장, 은(Ag) 나노잉크의 잉크젯인쇄로 배선∙접속한다. 산업기기업체의 오므론이 2016년 6월, 새로운 실장기술을 발표했다. 기존에 프린트기판이 하고 있던 역할을 본체와 구조부품 등이 겸하게 되는 「프린트 기판 없는」기술의 하나이다.

이 회사에서는, IoT센서와 웨어러블 디바이스의 자사제품에 응용하는 형태로, 2018년의 실용화를 목표로 한다. 제품의 소형∙경량화로 이어지며, 기판을 본체에 설치하는 공정을 줄이고, 인쇄로 인해 배선을 변경하기 쉽고 소량다품종 생산에 대응하기 쉬워지는 것 등을 이점으로 한다.

오므론의 발표를 보고, 잉크젯인쇄에 의한 기판리스 기술이 드디어 본격적으로 실용화에 들어가는 것에 많은 관계자가 높은 관심을 보인다. 산업기기에 더해, 전자부품, 차량기기, 사회시스템, 헬스케어 기기 등, 기판 없는 기술을 활용할 수 있는 분야의 사업을 전개하고 있는 오므론이, 자사제품에서의 실용화를 꾀하고 있기 때문이다.

더욱이, 이런 본체에 배선을 내장하는 기판 없는 기술이, 최근 잇따라 제안되고 있다. 예를 들어, 스마트폰 등의 안테나형성기술 「MID(Molded Interconnect Device)」은, 부품을 실장 가능한 입체배선으로 선전을 강화하고 있다. MID는 스마트폰의 본체부품과 구조부품에 안테나를 내장하는 것으로 소형화를 실현 가능하게 하는 기술로, 단숨에 채용이 확대되었다. 그 결과, 전용수지의 사출성형품에 레이저와 도금에 의해 배선을 성형하는 「LDS(Laser Direct Structuring)」공법이 보급되고, 독일LPKF Laser&Electronics사의 전용 레이저 가공기의 도입이 중국을 중심으로 폭발적으로 확산되었다. 레이저가공이 필수적이기 때문에 원리적으로는 생산성이 낮지만, 장치의 보급으로 대형 사출성형부품에 배선을 내장하는 사례도 등장했다.

게다가, 반도체패키지의 밀봉장치에 LDS로 안테나를 내장하는 것도 제안되고 있다. 패키지 안에 인터페이스 회로로 무선 칩과 부품을 넣고, 패키지로부터의 입출력신호 선을 무선화하면, 기판 상에는 신호배선조차 불필요해질 가능성도 있다.

-- 목표는 종합적인 3D프린트 기술 --
배선을 나중에 설치하는 것으로 자유롭게 형성하려는 기술도 개발되고 있다. 야마가타대학 유기일렉트로닉스연구센터의 토키토 센터장은, 은(Ag)나노 잉크를 사용하여 어떠한 단차나 곡면에도 배선이 인쇄 가능한 3D잉크젯인쇄기 등을 개발했다. 목표하는 것은 「3D프린트로 본체를 만들고, 배선과 센서를 3D잉크젯인쇄로 형성하고, 3차원 표면실장기로 부품을 실장하는, 종합적인 3D프린팅 기술」(토키토 센터장) 이다.

“예를 들어, 자동차에서는 플라스틱몸체에 케이블 하네스를 조립하는 수작업은, 오랜 기간 진화되고 있지 않다. 그래서 몸체를 만드는 것과 동시에 배선을 내장하고 싶다는 요구가 나왔다. 실제로, 3D 잉크젯인쇄의 연구개발을 처음으로 내후년에 실용화하고 싶다고 하는 기업이 있고, 아직 그 정도까지는 개발되어 있지 않다 라고 거절했다.” (토키토 센터장)

자동차와 가전에서는, 곡면디자인의 제품이 잇따라 개발되고 있다. 평평한 상태의 프린트기판을 줄이는 것이 가능하다면, 공간을 줄일 수 있고 디자인에 있어서도 많은 제약이 줄어든다. 실제로, 평평한 상태의 프린트기판을 사용하지 않고 자유로운 형상을 실현하는 기기도 나왔다. 예를 들어, 후지츠연구소가 개발한 비콘은, 실리콘고무시트에 은 나노 잉크로 스크린 인쇄한 배선을 형성한다. 두께 3mm로 무게가 3g로 가볍고, 구부리거나 늘릴 수 있다. 전력은 박막태양전지를 사용하는 조명 등에서 얻기 때문에, 전지교환의 필요가 없다. 형광등에 감으면 설치가능 하고, 종래의 비콘과 비교하여 설치자유도가 현저히 높다고 하는 특징을 실현했다.

얇은 PET소재에 은 나노 잉크의 잉크젯인쇄로 배선을 그리고, 벽면과 가구 등을 덮어 버리는 방법을 제안하는 것은, Printed Electronics 기술개발의 벤처기업인 AgIC이다. “자동차의 내장은, 사출 성형한 수지에 필름을 붙인다. 이 필름에 배선을 인쇄하는 방법으로 시도하고 있다.” 라고 AgIC의 시미즈 CEO는 말한다. 때문에, 필름에 열을 가해 곡면을 늘려서 붙일 필요가 있고, 늘려도 끊어지지 않는 배선을 만드는 기술을 개발 중이라고 한다.

-- 기존기술에서도 3차원 실장 --
「자유로운 형태로 회로를 실장하고 싶다」라고 하는 요망은 미래의 요구가 아니다. 기존기술을 사용하면서 실현하는 사례가 늘어나고 있다. 소니의 스마트워치 「wena wrist」는, 시계의 문자판 부분에 회로를 실장하는 것이 아닌, 밴드의 버클과 틈 부분에 담는 것으로 전자기능의 존재감을 지웠다.

포인트가 된 것은, 플렉시블 기판을 활용한 메인 기판과 2차전지를 연결하는 「분산배치기술」이다. 두께 38.5㎛의 초 박형 플렉시블 기판을 연구하는 것으로, 일반적인 시계의 밴드 폭과 나사를 사용하면서 배선을 담았다. 자유로운 형태로 실장을 위해서, 기판업체도 본체의 작은 측면에까지 부품을 배치할 수 있는 리지드 플렉시블 기판과, 복잡한 형상의 다층 플렉시블 기판, 입체형상의 리지드 기판 등을 제안한다.

-- 역할이 변화하는 프린트 기판 --
프린트기판이 변화하고 있는 배경에는, 그 역할의 변화가 있다. 전자기기의 다양화를 담당하고, CPU와 메모리 사이의 고속전송을 담당하는 기존의 역할은, 모듈과 패키지에게 빼앗기고 있다. 그 현상이 뚜렷한 것이 통신회로와 전원회로이다. 전원IC업체의 트렉스세미컨덕터는, 코일을 일체화한 소형 DC-DC 컨버터모듈 「XCL 시리즈」에 대해서 “매출은 매년 1.5~2배로 순조롭게 증가하고 있다.” 라고 트렉스의 관계자는 말한다. 모듈 쪽이 성능을 향상할 수 있는 경우가 많고, 기기업체 등에서는 프린트기판 상의 아날로그회로를 설계 가능한 인재가 줄고 있기 때문에라고 동 사는 추측한다.


Part 2. 요소기술
배선저항을 한번에 낮추다. 전원∙아날로그∙RF에도 전류를 보낼 수 있다.

“기판 없는”을 지원하는 배선기술의 큰 과제는 저항치에 있다. 대 전류의 전원라인과 신호노화를 피하고 싶은 아날로그∙고주파(RF) 신호를 다룰 수 없는 것이 원인이다. 지금에 와서 저 저항화 기술이 잇따라 제안되기 시작했다. 실용화로 인해 기판리스 기술의 응용범위는 확대될 전망이다. 기판리스 용 저 저항화 기술을 소개하려 한다.

기판리스 기술을 담당하는 새로운 배선기술에서는, 특히 (1) 저항이 크다, (2) 접속신뢰성이 낮다, 라고 하는 두 가지가 문제시 되고 있다. (1)의 주 원인은, 은 나노 잉크 등의 배선재료에 포함되는 전도성금속 이외의 용제이다. 금속단위와 비교해서 저항이 크다. 은 나노 잉크를 연성하면 저항은 1/100~1/10으로 낮아지지만, 공극이 남는 등의 이유로 내려가지 않는다. 배선 층을 두껍게 하는 것이 어려운 것 등도 원인이 된다.

배선저항이 크면, 수 A라고 하는 전류를 보낼 수 없고 전원배선에 사용하기 힘들다. 아날로그신호와 고주파신호도 통하기 어려워진다. 배선의 저 저항화 기술의 제안이 잇따르고 있다. 그 중 한가지가, 두꺼운 배선의 실현이다. 기존의 플렉시블 기판의 배선에는 12~18㎛의 Cu박막을 사용하는 일이 많다. 그에 반해 은 나노잉크의 인쇄에는 한번의 인쇄에 의한 배선두께가 1㎛ 미만 등으로, 얇아지는 경우가 많았다.

-- 그라비어 옵셋 인쇄로 두껍게 --
8㎛두께의 배선을 그라비어 오프셋 인쇄기로 곡면에 인쇄한 것은, 야마가타대학 유기일렉트로닉스연구센터의 토키토 센터장이다. 통상의 그라비어 옵셋 인쇄에서는, 위치가 어긋나는 것을 피하기 위해, 일단 잉크를 전사한 담요에 2mm 정도로 얇고 딱딱한 실리콘고무를 이용한다. 토키토 센터장은, 곡면에 전사를 실현하기 위해서, 스폰지 상태로 유연성이 있는 15mm두께의 디메틸폴리실록산실 실리콘고무를 채용했다. 이 소재는 중량 대비 약 112%의 잉크를 흡착하기 때문에, 기판의 구멍을 깊이 파서 잉크 량을 많게 하고, 누르는 깊이를 크게 하는 것으로 두꺼운 배선을 실현했다.

또한 토키토 센터장은, 개발한 6축다관절 로봇 팔에서 임의의 방향으로 잉크를 분출 가능한 3D잉크젯인쇄기에 대해서, 인쇄의 반복에 의해 두꺼운 배선화를 시도했다. 50회의 인쇄로 단면적 0.038㎟의 배선을 형성하고, 5A의 전지를 30분간 흘려 보내는 실험을 하고 있다.

기존의 플렉시블 기판에 사용되는 Cu박막배선과 동등의 「저 저항 그레이드」를 2017년 2월까지 실용화한다. 이렇게 선언한 것은, Printed Electronics 기술개발 벤처기업인 AgIC이다. 이 회사도 여러 번 인쇄하는 것으로 두꺼운 배선을 실현한다. PET필름의 잉크가 튀기는 것을 억제하는 물리화학적인 처리와, 잉크의 금속함유 율의 향상, 은 결정 막을 만들기 위한 열 프로파일의 연구 등의 수법을 조합했다. PET필름과 상성이 좋은 잉크를 사용할 수 있도록, 잉크젯프린트도 내제하고 있다.

-- 한번의 인쇄로 다양한 두께로 --
오므론은, 사출성형수지에 부품을 내장하고, 그 위에 배선을 잉크젯인쇄로 배선을 형성하는 기술을 개발했다. 한번의 인쇄로 다양한 두께의 배선을 형성한다. 배선영역에 표면처리를 가한 잉크가 튀기는 것과 번지는 것을 막고 실현했다. 예를 들어 배선 두께 3~5㎛, 배선 폭 200~400㎛의 경우, 수 십 mA를 연속통전 가능한 것을 확인하고 있다. 양산단계에서는, 일반적인 은 단위의 2배정도의 저항을 목표로 한다.

독일LPKF Laser & Electronics의 MID(Molded Interconnect Device)는, 전용수지를 사용한 사출성형부품에 배선을 형성하는 방법으로, 기판은 불필요하다. 배선은, 레이저 묘화 한 부분에 도금으로 형성하기 때문에, 배선재료의 저항은 적지만, 배선 폭에 대해서 배선 두께를 늘리는 것이 어렵다. 최대 두께는 3㎛정도 이다.

-- 열팽창의 차이를 수지내장으로 억제 --
(2)의 접속신뢰성을 유지하기 위해서는, 오므론이 앞서 말한 수지내장기술로 해결을 꾀하고 있다. 기판 없는 기술에서는, 리지드 기판에 사용되는 FR-4와 플렉시블 기판에 사용되는 폴리  아미드 수지와 비교해서, 열팽창계수가 큰 수지를 기판 대신 사용하는 경우가 많다. 이 경우, 전자부품과의 열팽창계수의 차이를 도전성수지로 흡수해야 한다.

오므론의 기술에서는, 수지의 사출성형 시에 금형에 부품을 배치하고 수지에 부품을 고 정밀로 내장하여 고정하기 떄문에, 접합부에 집중하는 응력을 완화할 수 있다고 한다. 위치 정도는 XY방향이 ±50㎛, Z방향은 수지와 전극면의 단차를 ±9㎛ 이내로 억제한다. 전기적 접속은 잉크젯인쇄로 실현한다.

오므론에서는 시험회로로 -40℃, +25℃, +85℃로 각 30분, 1000사이클의 시험으로 접점을 포함한 회로의 저항 치에 변화가 없는 것을 확인했다고 한다. 변형이 적은 유리섬유가 들어간 수지가 사용 가능 한 것도 확인하고 있다.

      -- 끝 --