JP2015088536A - フレキシブル回路基板およびフレキシブル回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブル性に優れるとともに回路パターンとしての導電膜の剥離強度に優れたフレキシブル回路基板およびこのフレキシブル回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】可撓性を有する基板２に導電性の回路パターンを形成してなるフレキシブル回路基板において、基板２として高分子有機化合物より形成されたナノファイバ１６ａを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜を用いる。これにより、回路パターンを構成する導電膜としての金属薄膜３＊や導電性の樹脂膜３０＊をナノファイバ膜の表層２ｃを構成するナノファイバ１６ａの繊維周面を包み込んで表層２ｃに接合された形態で形成することができ、回路形成面２ａに対する剥離強度が向上する。
【選択図】図５

Description

本発明は、可撓性を有するシートに導電性の回路パターンを形成してなるフレキシブル回路基板およびこのフレキシブル回路基板の製造方法に関するものである。

電子機器を構成する回路基板は、一般に樹脂基板に回路電極として機能する金属層を形成した構成となっている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１に示す先行技術では、ポリイミド樹脂のフィルムにメッキなどの金属析出によって金属層を形成するようにしており、また特許文献２に示す先行技術では、ポリイミド樹脂のフィルムに金属箔を熱圧着することによって金属層を形成するようにしている。

特開２００２−１７２７３３号公報 特開２００７−１６８１２３号公報

携帯端末機器など小型の電子機器では、制約されたサイズの筐体内に高実装密度の実装基板を配設することが求められる。このような用途には、曲げやねじりなどを許容する特性を有するフレキシブル回路基板が用いられ、狭いスペース内の形状に合わせた形態で配置される。しかしながら上述の特許文献例を含め、従来技術の回路基板には基板構成に起因して、必要とされるフレキシブル性や回路パターンとして機能する金属層の剥離強度の面で要求性能を満たすことが難しいという課題があった。すなわち従来技術では、メッキや熱圧着によって金属層を樹脂基板の表面に固着させる構成となっていたため、曲げやねじりが作用すると金属層の固着面が剥離しやすく、回路基板としての信頼性・耐久性に難があった。

そこで本発明は、フレキシブル性に優れるとともに回路パターンとしての導電膜の剥離強度に優れたフレキシブル回路基板およびこのフレキシブル回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のフレキシブル回路基板は、可撓性を有する基板に導電性の回路パターンを形成してなるフレキシブル回路基板であって、前記基板は高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜であり、前記回路パターンを構成する導電膜は、前記ナノファイバ膜の表層を構成するナノファイバの繊維周面を包み込んで前記表層に接合された形態で形成されている。

本発明のフレキシブル回路基板の製造方法は、可撓性を有する基板に導電性の回路パターンを形成してなるフレキシブル回路基板を製造するフレキシブル回路基板の製造方法であって、高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜を前記基板として形成する基板形成工程と、前記回路パターンを構成する導電膜を、前記ナノファイバ膜の表層を構成するナノファイバの繊維周面を包み込んで前記表層に接合された形態で形成する導電膜形成工程とを含む。

本発明によれば、可撓性を有する基板に導電性の回路パターンを形成してなるフレキシブル回路基板において、基板として高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜を用いることにより、回路パターンを構成する導電膜をナノファイバ膜の表層を構成するナノファイバの繊維周面を包み込んで表層に接合された形態で形成することができ、フレキシブル性に優れるとともに回路パターンとしての導電膜の剥離強度に優れたフレキシブル回路基板を実現することができる。

本発明の一実施の形態のフレキシブル回路基板の構成説明図 本発明の一実施の形態のフレキシブル回路基板に用いられるナノファイバ膜の製造過程の説明図 本発明の一実施の形態のフレキシブル回路基板の製造方法の工程説明図 本発明の一実施の形態のフレキシブル回路基板の製造方法の工程説明図 本発明の一実施の形態のフレキシブル回路基板の部分断面図 本発明の一実施の形態のフレキシブル回路基板の変形特性の説明図

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図１を参照して、フレキシブル回路基板１の構成を説明する。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、フレキシブル回路基板１は、可撓性を有する基板２の回路形成面２ａに導電性の回路パターンである導電膜３を形成した構成となっている。本実施の形態では、基板２の可撓性を極力向上させることを目的として、基板２の材質および厚みｔ１を適切に設定するようにしている。

図１（ｃ）に示すように、基板２は高分子有機化合物より形成されたナノファイバ１６ａ（図２参照）を不織布状に堆積して成るナノファイバ膜を材質としており、基板２にはナノファイバ１６ａ相互の間に形成された微細空隙Ｓが含まれている。基板２の内部において微細空隙Ｓは、厚み方向、幅・長さ方向のいずれの方向についても、少なくともある割合において連通しており、これらの微細空隙Ｓは気体の流動を許容する通気空隙部を形成している。

ここで、基板２として用いられるナノファイバ膜の構成および製造方法について図２を参照して説明する。図２（ａ）は、ナノファイバ膜の製造に用いられるナノファイバ膜製造装置１０を示している。ナノファイバ膜製造装置１０はエレクトロスピニング法によってナノファイバを生成する機能を有するものであり、原料液を射出してナノファイバを生成するナノファイバ生成部１１、生成されたナノファイバを堆積捕集する捕集部１２を備えている。ナノファイバ生成部１１は、金属板など導電性を有する平板状の移動プレート１１ａに、複数の溶液供給容器１３を列状に配置した構成となっている。

それぞれの溶液供給容器１３の下端部には、導電性の表面を有する吐出ノズル１４が、移動プレート１１ａの下面に突出して装着されており、溶液供給容器１３はエア供給部１５と接続されている。溶液供給容器１３の内部には、ナノファイバの原料となる高分子材料（ここではポリイミドを用いている）を溶媒に溶解させた原料液１６が貯留されている。エア供給部１５によって溶液供給容器１３に所定圧のエアを供給することにより、吐出ノズル１４から原料液１６が吐出される。

移動プレート１１ａは高電圧印加装置２０に電気的に接続されており、高電圧印加装置２０を作動させることにより、移動プレート１１ａには正側の高電圧（＋１０〜２０ＫＶ）が印加され、さらに導電性の表面を有する吐出ノズル１４を介して原料液１６に高電圧が付与される。これにより吐出ノズル１４から吐出される原料液１６は正電位に帯電しており、下方に噴射される過程において電荷相互に作用するクーロン力によって電気的に延伸され、ナノファイバ１６ａが生成される。

捕集部１２は、供給リール１８ａから繰り出される捕集シート１７を、シート送り駆動機構１９によって駆動される回収リール１８ｂによって巻き取ることにより所定方向（矢印ｂ）に送る構成となっている。捕集シート１７は、導電体を板状に成形した支持部材１２ａによって下方から支持された状態で送られる。捕集シート１７の上面１７ａは、ナノファイバ生成部１１の吐出ノズル１４と対向しており、吐出ノズル１４から吐出された原料液１６が電気的に延伸して生成されたナノファイバ１６ａは、タングステン膜などの導電膜より成る捕集シート１７の上面１７ａによって捕集される。捕集シート１７は支持部材１２ａを介して高電圧印加装置２０の負電圧側と導通しており、正の電荷を帯びたナノファイバ１６ａを捕集することにより帯電した捕集シート１７は、高電圧印加装置２０の負電圧によって徐電される。

捕集シート１７の送り方向におけるナノファイバ生成部１１の下流側には、捕集シート１７の上方の位置して加熱装置２１が配設されている。加熱装置２１は捕集シート１７に載置された対象物を加熱する機能を有しており、本実施の形態では、捕集シート１７の上面１７ａにナノファイバ１６ａが不織布状に堆積されたナノファイバ膜２＊を加熱焼成してグラファイト化した基板２を形成するために用いられる。

図２（ｂ）は、エレクトロスピニングにおけるナノファイバ１６ａの生成および成長過程を示している。すなわち吐出ノズル１４から吐出された帯電状態の原料液１６が捕集シート１７の上面１７ａに向かって降下する過程において、原料液１６中の溶媒が徐々に蒸発し、これにより原料液１６の体積は徐々に減少していくが、付与された電荷は原料液１６に貯まる。

この結果原料液１６においては溶媒が継続的に蒸発し続けて電荷密度がさらに高まり、原料液１６の内部に発生する反発方向のクーロン力が原料液１６の表面張力より勝った時点で、原料液１６が爆発的に線状に延伸される静電爆発が生じる。そしてこの静電爆発が、吐出ノズル１４と捕集シート１７との間の空間において、１次爆発１６ｂ、２次爆発１６ｃ、３次爆発１６ｄ・・と順次幾何級数的に発生することにより、直径がサブミクロンオーダーの微細繊維状の樹脂から成るナノファイバ１６ａが生成される。

このようにして生成されたナノファイバ１６ａは捕集シート１７上で不織布状に堆積されて、所定厚みのナノファイバ膜２＊となる。そしてこのナノファイバ膜２＊が加熱装置２１によって加熱焼成されることにより、グラファイト化されたナノファイバ１６ａより成るナノファイバ膜が、フレキシブル回路基板１に用いられる基板２として形成される（基板形成工程）。

ここで、ナノファイバ１６ａを構成する高分子有機化合物の種類は、本実施の形態に示すポリイミドには限定されず、以下に例示するような各種の高分子有機化合物を用いることができる。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−ｍ−フェニレンテレフタレート、ポリ−ｐ−フェニレンイソフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリアミド、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等およびこれらの共重合体等の高分子有機化合物を例示できる。使用に際しては上記より一種類を選択して用いてもよく、また複数種類が混在しても差し支えない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記樹脂に限定されるものではない。

原料液１６に使用される溶媒としては、揮発性のある有機溶剤などを例示することができる。具体的に例示すると、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、１，３−ジオキソラン、１，４−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−ｎ−ヘキシルケトン、メチル−ｎ−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、ｏ−クロロトルエン、ｐ−クロロトルエン、クロロホルム、四塩化炭素、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、ｏ−キシレン、ｐ−キシレン、ｍ−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を挙示することができる。

使用に際しては上述より一種類を選択して用いてもよく、また、複数種類が混在しても差し支えない。なお上記は例示であり、本願発明に用いられる原料液１６は上記溶媒を採用することに限定されるものではない。さらに、原料液１６に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができるが、耐熱性、加工性などの観点から酸化物を用いることが好ましい。

次に、図３，図４を参照して、このようにして形成された基板２の回路形成面２ａに、回路パターンを構成する導電膜３を形成する導電膜形成工程について説明する。図３は、メッキまたはスパッタリングにより導電膜３としての銅や銀などの金属薄膜３＊を形成する実施例を示している。まず図３（ａ）に示すように、基板２の回路形成面２ａにおいて回路パターンに応じて設定されたパターン形成範囲２ｂに、導電膜３となる金属薄膜３＊の組成成分である導電粒子３ａを付着堆積させる。

導電粒子３ａを付着させる方法としてメッキを用いる場合には、無電解メッキによって所望のパターンを形成した後、電解メッキによってパターンを増厚して所定膜厚の金属薄膜３＊を形成する。またスパッタリングを用いる場合には、処理チャンバ内にて銅や銀などのターゲットに対してアルゴンなどの不活性ガスのイオンを衝突させ、ターゲットから弾き出された導電粒子３ａをパターン形成範囲２ｂに付着させて所望厚さに堆積させる。

これにより、図３（ｂ）に示すように、基板２の回路形成面２ａには所定の膜厚ｔ２の金属薄膜３＊が形成される。ここで膜厚ｔ２は、回路電極として機能するのに必要な厚み（例えば１０μｍ程度）に設定される。この金属薄膜３＊の形成において、基板２の内部には微細空隙Ｓ（図１（ｃ）参照）が存在することから、導電膜３の下部は基板２の表面から幾分入り込んだ表層２ｃまで浸入した状態となる。

また図４は、印刷またはインクジェットにより導電粒子を含むナノペーストを塗布して導電膜３としての樹脂膜３０＊を形成する実施例を示している。この場合にはまず図４（ａ）に示すように、基板２の回路形成面２ａにおいて回路パターンに応じて設定されたパターン形成範囲２ｂに、ナノペースト３０がスクリーン印刷またはインクジェットによって塗布される。図４（ｂ）の拡大部Ａに示すように、ナノペースト３０はエポキシ樹脂などの樹脂成分３０ａに、銅や銀などの導電粒子３０ｂを含有させたものである。このナノペースト３０の塗布において、基板２の内部には微細空隙Ｓ（図１（ｃ）参照）が存在することから、ナノペースト３０の下部は基板２の表面から幾分入り込んだ表層２ｃまで浸入した状態となる。

次いでナノペースト３０が塗布された後の基板２はキュア装置に送られ、ここで所定温度に加熱するキュア処理を行うことにより樹脂成分３０ａが硬化する。これにより、図４（ｃ）に示すように、回路形成面２ａのパターン形成範囲２ｂには導電粒子３０ｂを含有した所定の膜厚ｔ２の導電膜３としての樹脂膜３０＊が形成される。この例においても、樹脂膜３０＊は、下部が基板２の表面から幾分入り込んだ表層２ｃまで浸入した状態で硬化する。

すなわち本実施の形態における導電膜形成工程では、メッキまたはスパッタリングにより導電膜３としての金属薄膜３＊を形成もしくは印刷またはインクジェットにより導電粒子３０ｂを含むナノペースト３０を塗布して導電膜３としての樹脂膜３０＊を形成する形態となっている。

図５は、上述の金属薄膜３＊、樹脂膜３０＊が基板２の回路形成面２ａに接合された形態を示している。前述のように金属薄膜３＊、樹脂膜３０＊は、図５（ａ）に示すように、下部が基板２の表面から幾分入り込んだ表層２ｃまで浸入した状態で接合される。

図５（ｂ）は、基板２の表層２ｃ近傍における断面を示しており、表層２ｃの範囲内では、金属薄膜３＊、樹脂膜３０＊はナノファイバ１６ａ相互の間に形成された微細空隙Ｓ内に浸入している。このように微細空隙Ｓ内に浸入した金属薄膜３＊、樹脂膜３０＊は、ナノファイバ１６ａの繊維表面を包み込んで表層２ｃに接合された形態となる。このため、導電膜３としての金属薄膜３＊、樹脂膜３０＊は、従来技術における圧着による固着方式と比較して回路形成面２ａにより強固に固着されており、基板２からの剥離が生じにくくなっている。

このような特性により、本実施の形態に示すフレキシブル回路基板１は、小型の筐体内部など立体変形を伴う基板配置において極めて優れた適応性を有している。すなわちこのような基板配置では、図６（ａ）に示すように、基板２を直線状の方向線Ｌ１に対して反り変形させる曲げ変形や、図６（ｂ）に示すように、基板２を曲線状の変形線Ｌ２廻りに変形させる捻り変形が適用される。

このような曲げや捻りを伴う形態で基板２を変形させると、回路形成面２ａと導電膜３との接合界面を分離させるような剥離力が作用する。このような場合にあっても、導電膜３はナノファイバ１６ａの繊維表面を包み込んで表層２ｃに接合された形態となっていることから、導電膜３は基板２に追従して変形し、回路形成面２ａからの剥離が生じない。したがって、小型の筐体内部などの狭隘スペースでの基板配置やペーパ型端末装置への適用など、フレキシブル回路基板１を曲げや捻りを伴って配置する場合にあっても、高い信頼性を確保することができる。

上記説明したように、本実施の形態では、可撓性を有する基板２に導電性の回路パターンを形成してなるフレキシブル回路基板１において、基板２として高分子有機化合物より形成されたナノファイバ１６ａを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜２＊を用いるようにしている。これにより、回路パターンを構成する導電膜３をナノファイバ膜２＊の表層２ｃを構成するナノファイバ１６ａの繊維周面を包み込んで表層に接合された形態で形成することができ、フレキシブル性に優れるとともに回路パターンとしての導電膜３の剥離強度に優れたフレキシブル回路基板１を実現することができる。

本発明のフレキシブル回路基板およびフレキシブル回路基板の製造方法は、フレキシブル性に優れるとともに回路パターンとしての導電膜の剥離強度に優れるという効果を有し、可撓性を有するシートに導電性の回路パターンを形成したフレキシブル回路基板において有用である。

１ フレキシブル回路基板
２ 基板
２＊ ナノファイバ膜
２ａ 回路形成面
２ｃ 表層
３ 導電膜
３＊ 金属薄膜
１６ 原料液
１６ａ ナノファイバ
３０ ナノペースト
３０＊ 樹脂膜

Claims (4)

1. 可撓性を有する基板に導電性の回路パターンを形成してなるフレキシブル回路基板であって、
   前記基板は高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜であり、
   前記回路パターンを構成する導電膜は、前記ナノファイバ膜の表層を構成するナノファイバの繊維周面を包み込んで前記表層に接合された形態で形成されていることを特徴とするフレキシブル回路基板。
2. 前記導電膜は、メッキまたはスパッタリングにより形成された金属薄膜もしくは印刷またはインクジェットにより導電粒子を含むナノペーストを塗布して形成された樹脂膜のいずれかであることを特徴とする請求項１記載のフレキシブル回路基板。
3. 可撓性を有する基板に導電性の回路パターンを形成してなるフレキシブル回路基板を製造するフレキシブル回路基板の製造方法であって、
   高分子有機化合物より形成されたナノファイバを不織布状に堆積して成るナノファイバ膜を前記基板として形成する基板形成工程と、
   前記回路パターンを構成する導電膜を、前記ナノファイバ膜の表層を構成するナノファイバの繊維周面を包み込んで前記表層に接合された形態で形成する導電膜形成工程とを含むことを特徴とするフレキシブル回路基板の製造方法。
4. 前記導電膜形成工程において、メッキまたはスパッタリングにより前記導電膜としての金属薄膜を形成もしくは印刷またはインクジェットにより導電粒子を含むナノペーストを塗布して前記導電膜としての樹脂膜を形成することを特徴とする請求項３に記載のフレキシブル回路基板の製造方法。

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