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化学者のためのエレクトロニクス入門② ~電子回路の製造工程編~

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bergです。さて、前回は日々微細化を遂げる電子回路の歴史についてご紹介しました。二回目の今回は、半導体とプリント基板の2つの部位に分けてその製造工程を詳しく見ていきます。

半導体の仕組み

まずは電子機器の機能の要となる半導体集積回路について、その動作原理をおさらいしましょう。現在使われている半導体素子の多くは、シリコン(まれにゲルマニウム)にリンやヒ素をドープしたn型半導体と、ホウ素やアルミニウムをドープしたp型半導体とを接触させる(pn接合)ことで動作します(金属と半導体のShottky接合などを利用した例外もあります)。

最も単純な例がダイオードです。ダイオードはn型半導体とp型半導体を直接接合しただけの素子ですが、それぞれの電子と正孔が再結合する順方向(n側が負電圧)にしか電流を通さない整流作用を持ちます。再結合時のエネルギーを光として放出するのがLEDです。

diode

ダイオード:一方向にのみ電流を流します

演算を行う上で最も基礎となるのがトランジスタです。二つのn型[p型]半導体の間に極めて薄いp型[n型]半導体を挟んだ構造で、単に両端(図のE:エミッタとC:コレクタ)に電圧をかけただけでは電流は流れません。しかし、間のp型[n型]半導体にB:ベースがEに対して正[負]になるように電圧を加えると、Eから電子がBに流入し、大部分は勢い余ってそのままCまで流れます。すなわち、Cに流れる電流はB電流の関数であり、B電流でC電流を制御、あるいはB電流を増幅してC電流を得ることが可能となります。

transistor

トランジスタ:信号の増幅や制御ができます

このように半導体素子(能動素子)は、供給された電力の消費・蓄積・放出しかできない抵抗・コンデンサ・コイル(受動素子)とは本質的に異なります。このトランジスタ2つから1 bitの情報を保持するフリップフロップ回路を構築でき、これがCPUの論理演算の根幹をなします。

LSIの製造工程

半導体集積回路のことをIC、そのうち集積度の高いものをLSIと呼びます。まず、半導体の原料となる高純度のシリコンインゴットを薄い円盤状に加工して、ウエハを製造します。ウエハには99.999999999%(イレブンナイン)という極めて高い純度が要求されます。

wafer

シリコンウエハ(画像:flickr

続いて、ウエハ表面に高温で酸化膜(絶縁体)を成長させ、その上にパターンを形成します。微細なパターンを設計図(フォトマスク)通り精巧に転写する技術はリソグラフィと呼ばれ、ここで感光材料のフォトレジストが活躍します。

フォトレジストは後のエッチングに耐えてウエハ表面を保護する役割があり、紫外線や電子線の照射部位が不溶化するネガ型と、可溶化するポジ型に大別されます。ウエハを高速回転させながらフォトレジストで覆い(スピンコート)、パターンの原本であるフォトマスクを通して露光します。その後、現像液で処理することで不要なレジストは除かれ、ウエハ表面に所望のレジストパターンが形成されます。

spincoat

スピンコート(画像:wikipedia

続く工程のエッチングではレジストに保護されていない表面を溶かしてシリコンを露出されます。その後のイオン注入によって所定の不純物をドープすることで、n型、p型の半導体となります。

最後に配線と電極を形成します。フォトマスクと紫外線などを用いて酸化膜にコンタクトホールを設け、その空孔内にめっきにより金属を埋め込むことで、周囲との電気的接続を確保します。これらの工程を繰り返し行うことで、素子間の配線層を積み重ねてLSIとしての機能が完成します。ウエハから必要部分を切り出し(ダイ)、パッケージに封止されてチップとして出荷されます。

chip

半導体チップ(画像:pixabay

プリント基板の製造工程

プリント基板の製造においても微細加工が鍵となります。その手法には何通りかありますが、ここでは多層基板製造の代表的な工程を示します。

まず、大本となる銅張積層板はエポキシ樹脂などの絶縁体に銅箔を均一に貼り合わせたものです。これにドライフィルムを貼り付けます。ドライフィルムは半導体製造で使われたフォトレジストと同様に、紫外線照射で可溶化、または不溶化する性質があるため、パターンを正確に形成できます。

続いてエッチングにより不要な銅箔を溶かして配線を形成します(サブストラクティブ法の場合。近年ではドライフィルムのない部分に銅を埋め込むアディティブ法で高価な銅を節約するのが主流になりつつあります。)。その後不要となったフィルムは除かれます。

こうしてできた内層基板の両面に、外層となる銅張積層板を圧着し、同様にパターン形成します。これを所望の枚数分繰り返します。貼り付けにはプリプレグと呼ばれる半硬化状態の熱硬化樹脂が用いられます。

必要な層が完成すると、素子の端子を挿入するための貫通穴であるスルーホールや層間の導通を取るために金属を埋め込むビアなどを作るため、所定位置に微細な穴を開けます。その後、スルーホールの場合は穴の周囲(もしくは壁面)のみ、ビアの場合は穴の内部全体を銅めっきで埋めます。

この時点の基板は、表面の銅が露出しています。これを酸化や、後のはんだ付けから保護するために必要部分をソルダーレジストで覆います。ソルダーレジストは多くの場合緑に着色された膜で、ご覧になったことのある人も多いと思います。基本的な性質は先述のフォトレジストと類似していますが、高温のはんだに耐えるための耐熱性も兼ね備えています。

最後に、はんだ付け性や耐食性の向上を目的にはんだめっき金めっきフラックス塗布などを施し、素子の実装位置を示すマーク等を印刷して完成します。

PCB

完成した基板(画像:Pixabay

基板への素子の実装

こうして製造されたプリント基板上にLSIなどの素子を実装していきます。チップ状の素子は基板表面に載せ、リード線を持つ素子はスルーホールに挿入してはんだ付けを行いまいます。近年でははんだの代わりに異方性導電膜(ACFによる接着も普及しています。これは熱硬化樹脂に金属微粒子を分散させたもので、圧力を加えた方向にのみ導通する優れものです。他にも、金属端子を熱圧着するワイヤボンディングなども用いられています。

circuit

完成した回路(画像:Pixabay

このように、電子回路の製造プロセスは極めて複雑な工程を経ているのがお分かりいただけたかと思います。使用される材料や薬品も多岐にわたり、その中にはフォトレジストのように最終製品には残らない処理剤もあります。これらは高い技術力の結晶とも呼べるもので、一つの記事では細部まで紹介しきれないので今後別途シリーズ化するかもしれません。

というわけで今回も長くなりましたので、このあたりで区切ります。次回はエレクトロニクス産業の関連企業を製品別に、ざっくりと上流から下流にかけてご紹介する予定です。お楽しみに!

関連リンク

グローバルニッチトップ企業の5年後の現状と課題(令和元年6月 経済産業省製造産業局総務課)

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化学メーカー勤務。学生時代は有機をかじってました⌬
電気化学、表面処理、エレクトロニクスなど、勉強しながら執筆していく予定です

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