JP2016184596A - フレキシブル配線基材と配線基板及び太陽電池モジュールとicカード - Google Patents
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Abstract
【課題】ハーフカット法によって金属配線パターンを絶縁性のベース基材上に敷設する場合に、ベース基材に大きなダメージを与えずに金属箔部分に位置精度の高いカット用細線を形成できるフレキシブル配線基材の層構成の提供を目的とした。【解決手段】金属箔2とベース基材4および両者を貼り合わせる一層以上の接着層3からなり、前記接着層3は、すべての接着層3のビッカース硬度がベース基材のビッカース硬度よりも低く、且つ、少なくとも1層のビッカース硬度が1以上であることを特徴とするフレキシブル配線基材1、及び前記基材をハーフカットし不要な金属箔部分2aを剥離して得られるフレキシブル配線基板10である。【選択図】図1
Description
本発明は、ハーフカット工法に好適なフレキシブル配線基材の接着層部分とベース基材の硬度と構成に関する。
プラスチックフィルム等絶縁性のベース基材と金属箔とをラミネートしたフレキシブル配線基材は、軽量・柔軟であることから様々な用途に広く利用されており、金属箔を所望のパターンにパターニングする手法としてエッチングによる腐食加工がある。エッチング法は、レジストのフォトリソグラフィーによるパターニング、金属箔のエッチング、レジスト剥離と、工数が多く、生産速度も比較的遅いためコスト高になる傾向がある。また、金属箔を腐食させるエッチング液を大量に使用するため対応設備の導入および環境対策のための設備設置とコスト負担が高くつき維持にも多大なコストが必要となる。
そこで、近年、エッチング法に代わるパターニング方法としてレーザー照射やルーター加工によるメカニカルパターニングが注目されている。特に、シール、ラベル等の製造方法として一般的に用いられているハーフカット法はパターニングによって除去した金属箔を再生して利用できることや、他のメカニカルパターニング方法と比較して加工速度が早いことから有望なパターニング方法と考えられる。金型の種類により、耐久性や形状精度、加工面積に差異があるが、金型の高精度化および大面積化により、数百μm程度の微細なパターン加工も可能となっている。
ハーフカット法は、カット対象となる金属箔を接着剤や粘着剤を用いてベース基材と貼り合わせ、金属箔と接着剤を同時に型抜きし、且つベース基材が破断しないようにする手法である。刃先は、理想的には接着剤部分を緩衝材として、緩衝材の厚みの範囲内で止まればベース基材の破断を防ぐことができる。しかし、通常緩衝材には柔軟性があり刃の圧力を吸収するため、確実にカット対象の金属箔をカットするにはベース基材に対して厚み方向に10〜40%程度刃を押し込むのが一般的である。また、緩衝材に粘着性があれば金属箔の移動が防げるので位置ズレが低減し高精度なパターンを形成することができる。
ハーフカット法で金属箔に裁断用の細線を入れた後、不要な部分は巻取り工程で端から連続的に引き剥がすことができるが、パターンエッジがベース基材端部に露呈していない浮きパターンについては取り除くのが困難である。この浮きパターンの除去方法については、ハーフカット時にカット部分の金属箔と緩衝材の間に隙間ができることを巧みに利用して除去する技術が特許文献1に開示されている。
このような利点を有するハーフカット法が適用できる配線基板には、フレキシブルプリント配線板、ICカードやICタグ用のアンテナ配線板、太陽電池モジュール用バックコンタクトシート等がある。バックコンタクトシートは、太陽電池セル同士を直列に接続する配線としての役割と、太陽電池モジュール内部を保護する保護シートとしての役割を持っている(特許文献2)。ハーフカット工程として見た場合、バックシート自体がベース基材としての役割を担うが、金属箔をハーフカットして配線用パターンを形成する際に、バックシートに大きな切り込みが入るとモジュール内部を保護する保護性能が著しく低下するという問題がある。
そこで本発明は、ハーフカット法によって金属配線パターンを絶縁性のベース基材上に敷設する場合に、ベース基材に大きなダメージを与えずに金属箔部分に位置精度の高いカット用細線を形成できるフレキシブル配線基材の層構成の提供を目的とした。
上記課題を達成するための請求項1に記載の発明は、金属箔とベース基材および両者を貼り合わせる一層以上の接着層からなり、前記接着層は、すべての接着層のビッカース硬度がベース基材のビッカース硬度よりも低く、且つ、少なくとも1層のビッカース硬度が1以上であることを特徴とするフレキシブル配線基材としたものである。
また、請求項2に記載の発明は、前記接着層は、2層であることを特徴とする請求項1に記載のフレキシブル配線基材としたものである。
また、請求項3に記載の発明は、前記ベース基材は、厚みが25〜300μmの範囲のPETフィルムであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のフレキシブル配線基材としたものである。
また、請求項4に記載の発明は、前記金属箔は、厚みが12〜50μmの範囲の銅箔であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材としたものである。
また、請求項5に記載の発明は、前記金属箔は、厚みが25〜100μmの範囲のアルミ箔であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材としたものである。
また、請求項6に記載の発明は、前記金属箔の引っ張り破断伸度は8〜20%の範囲であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材としたものである。
また、請求項7に記載の発明は、前記接着層は、厚みが10〜200μmの範囲であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材としたものである。
また、請求項8に記載の発明は、前記金属箔とベース基材を、接着層を介してドライラミネートにより貼り合わせたことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材としたものである。
また、請求項9に記載の発明は、前記金属箔と前記ベース基材を、接着層を介してエクストルーダーラミネートにより貼り合わせることで得られる請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材としたものである。
また、請求項10に記載の発明は、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材をハーフカットし不要な金属箔部分を剥離して得られたことを特徴とするフレキシブル配線基板としたものである。
また、請求項11に記載の発明は、請求項10に記載のフレキシブル配線基板をバック
シートとして備えることを特徴とする太陽電池モジュールとしたものである。
シートとして備えることを特徴とする太陽電池モジュールとしたものである。
また、請求項12に記載の発明は、請求項10に記載のフレキシブル配線基板をアンテナシートとして備えることを特徴とするICカードとしたものである。
本発明になるフレキシブル配線基材は、ベース基材上に、ベース基材よりも十分に低い硬度の接着層を介して金属箔が強く接着されており、ハーフカット工法を適用しても、金属箔の位置ずれが少なく、且つベース基材に損傷が少ないという効果がある。
したがって得られるフレキシブル配線基板の配線パターンは高精度で基板自体も高い信頼性を有する。このフレキシブル配線基板を用いる応用製品、特に太陽電池モジュールとICタグ用アンテナ基板については長寿命が期待できる。
したがって得られるフレキシブル配線基板の配線パターンは高精度で基板自体も高い信頼性を有する。このフレキシブル配線基板を用いる応用製品、特に太陽電池モジュールとICタグ用アンテナ基板については長寿命が期待できる。
接着層がハーフカット時の刃の侵入に対するマージンになるのでベース基材の厚みを薄くすることができて軽くて薄いフレキシブル配線基板が得られる。
刃の入りやすさはパターンの方向や密度の影響を強く受けるが、本発明により接着層の硬度を最適化することによって刃が深く入りやすい配線パターンと入りにくい配線パターンのカット状態の差を小さくして確実にカットすることが可能である。そのため、カットするパターンに対応して刃高や刃形状の異なる金型を準備する必要や、刃の押し込み量を逐次制御する等高度な手段が不要となる。また、打ち抜き用の刃自体も長寿命になる。
総じて安価なプロセスコストで安価で高品質なフレキシブル配線基板が提供できる。
総じて安価なプロセスコストで安価で高品質なフレキシブル配線基板が提供できる。
本発明に係るフレキシブル配線基材は、所定の厚みのベース基材上に接着層を介して金属箔が接着された未加工の基材である。フレキシブル配線基材の金属箔が、ハーフカット工法でパターン状に打ち抜かれて不要な金属箔部分が取り除かれた加工済みの配線基材がフレキシブル配線基板である。本発明は、配線基板の用途にも関係するが、金属箔パターンは、ベース基材と一体の配線基板としても、ベース基材から取り外した単なるパターン状金属箔としても用いることができる。
フレキシブル配線基材1は、図1に示すように、ベース基材4/接着層3/金属箔2の3層構成である。ベース基材4は厚みが20〜400μm程度のフレキシブルなフィルム基材である。材料としては、ポリイミド系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、PEN、PET、EVAなど使用目的に応じて選択できる。特に、厚みが25〜300μmの範囲のPETフィルムが、価格的、硬度的に好ましい。25μmよりも薄いと腰がなくハーフカット時に断裁用の刃にもっていかれる。300μm以上ではコストがかかり重くなるので好ましくない。
金属箔2としては、銅、アルミ、ニッケル及びこれらの合金等導電性があれば使用することができるが、厚みが12〜50μm範囲の銅箔又は厚みが25〜100μmの範囲のアルミ箔が特に好ましい。厚みの範囲が異なるのは銅箔とアルミ箔の導電率の差による。
また、これら金属箔の表面をソフトエッチング等の表面処理を施して、接着フィルムとの密着性を向上させることができる。
また、これら金属箔の表面をソフトエッチング等の表面処理を施して、接着フィルムとの密着性を向上させることができる。
ベース基材4と金属箔2は、接着層3を介したラミネート法により積層接着される。接着層3は、金属箔2にパターンを形成した後、不要な金属箔部分を剥離する必要があるので、接着性、粘着性だけではなく剥離性も考慮して適切な接着力と(後述の)硬さを有するものを選択する必要がある。金属接着に適した接着層としては接着性ポリオレフィンやスチレンゴム系の材料があげられる。接着層2が単層の場合のフレキシブル配線基材1の構成を図1(a)に、第一の接着層3aと第二の接着層3bからなる2層の構成を図1(b)に示した。いずれの場合も、接着層2部分の厚みは10〜200μmの範囲に設定する必要がある。加工上のばらつきを考慮すると35〜85μmの範囲に設定するのがより好ましい。接着層を多層化する場合には、硬度が高い順にベース基材側から積層するのが好ましい。なぜならば、ベース基材側の接着層は硬度が高いことによってベース基材を保護することが可能であり、一方、金属箔と接着するには接着層にある程度の柔軟性を要するためである。
ベース基材に金属箔を積層するには、たとえば、ロール・トゥ・ロール方式のラミネートプロセスを用いることができる。ラミネート法としては、ドライラミネート、押し出しラミネート(エクストルーダ)法のいずれでも使用できる。ドライラミネートは、接着剤を有機溶剤で適当な粘度に希釈してベース基材4に塗布し、乾燥後もう一方の金属箔と圧着して貼り合わせる方式である。エクストルーダラミネートは、溶融した接着剤を押し出しながら金属箔とベース基材を接着する方式である。
次に、上記のフレキシブル基材1表層の金属箔2に、図2に示すような金属箔パターン2bを形成してフレキシブル配線基板10を製造するハーフカット工法について説明する。ハーフカット工法とは、図3(a)に示すようにベース基材4が破断しない程度に金型の刃5を押し込むことにより金属箔2を型抜きする工法である。このとき、接着層には切れ込みが入っても良いし、入らなくても良い。太陽電池用のバックシートのベース基材については切れ込みが入るのは好ましくなく、従来よりも高精度の加工が必要である。金属箔2に所望の切れ込みが入れば、不要部分の金属箔2を接着層3から引き剥がす(デラミネーション)ことで、フレキシブル配線基板10を得ることができる。
接着層の硬度が低すぎるなどカット条件が適切でないと、図3(b)に模式的に示すように刃5が金属箔2に当たっても単に下側に凸変形するだけカットできないことになる。
突出する刃5以外の金型部分(図示せず)は、フレキシブル基材1全体で受け止められるが、通常はストッパー機構を用いてある深さ以上に刃5が進入しないようにしている。しかしながら、ベース基材4(PET)は、接着層3の厚みを考慮しても25μm以上の膜厚であることが望ましい。ベース基材4が25μmより薄いと、型抜き時の金型平坦部の圧力でベース基材4が若干変形して刃5が接着層を貫通するおそれやベース基材4がやわすぎて基材4から刃5が離れずもっていかれる可能性が否定できない。
また、金属箔2の金型による打ち抜きでは、金属箔2の膜厚は、金属の硬度によって異なるが概ね10μm以上1mm以下であることが望ましい。10μm未満では金属箔のハンドリングが困難となり、1mm以上では打ち抜き自体が困難となる。さらに、金型の耐久性を考えると、金属箔2の膜厚は200μm以下、好ましくは厚みが12〜50μmの範囲の銅箔、アルミ箔であれば25〜100μmの範囲である。
金型の刃部を金属箔に押し当てると、金属箔が変形後切断されるが、この時、金属箔は金属箔の表面に対して垂直に切断されることは無く、図3(b)に示すように金属箔は刃
部5により徐々に変形し、断裂する形で切断される。刃部の先端の形状と刃部と金属箔との角度により断裂形状は変化するが、接着層側に数μmから数十μm程度の金属のバリが形成されることがある。一般的に、こうしたバリが形成された金属箔パターンは不良として扱われるため、バリが形成されない型抜き条件が必要である。
部5により徐々に変形し、断裂する形で切断される。刃部の先端の形状と刃部と金属箔との角度により断裂形状は変化するが、接着層側に数μmから数十μm程度の金属のバリが形成されることがある。一般的に、こうしたバリが形成された金属箔パターンは不良として扱われるため、バリが形成されない型抜き条件が必要である。
バリ他が生じない条件として、下側に押されて伸張変形してから断裂するので引っ張り破断伸度は、8〜20%の範囲が好ましく、12〜20%の範囲であればより好ましい。金属箔2の伸びが20%以上であると金属箔2の不要部分を剥離する剥離工程で、伸びすぎて剥離が難しくなり、金属パターン間でショートが生じるおそれもある。8%以下では剥離工程で金属箔2bの狭い幅の部分が切れる可能性がある。
金型は腐食金型、切削金型等を使用することができるが、金型材料には、プリハ−ドン鋼、焼入焼戻鋼、析出硬化鋼、タングステン・カーバイドとコバルトとの合金、その他の超硬度合金等を使用することができる。金属箔を高精度に型抜きする場合、刃部の先端の角度αを鋭角に形成することが望ましい。角度αを小さくするほど、切断時に金属箔に形成されるバリ等が小さくなるが、刃部5の耐久性が低下する。一般的には、角度αは40°から60°程度とすることが望ましい。
また、ハーフカット工法において、刃部5の先端が接着層3の中間部に達すると、押し当てた刃部3先端により規定される基準線を中心として金属箔2が所定の範囲で接着層3から剥離して隙間7が生じる(図3(a)の破線部分)。この隙間7を連結することで金属箔の不要部分を剥離することができる。これをつかって、孤立した不要部分も剥離できる(特許文献3)。
一般に、刃が押し込まれることで金属箔が伸びて最終的に断裁されて(打ち抜き性)、同時に隙間ができるかどうかは、ベース基材4と接着層3の材質(硬度)や接着層3の粘着力等の仕様、金属箔2の材質や厚さ等の仕様、刃部の材質や形状等の仕様、および、刃部の先端が達する深さなどで一義的に定まると推察される。
そこで、以下では、関係部材の硬度に焦点をあて、硬度以外の上記条件を詳細は省略するが適切な条件に設定した上で、硬度とハーフカット時の打ち抜き性との相関を調べた結果について述べる。
そこで、以下では、関係部材の硬度に焦点をあて、硬度以外の上記条件を詳細は省略するが適切な条件に設定した上で、硬度とハーフカット時の打ち抜き性との相関を調べた結果について述べる。
そのために、材料の潰れやすさの指標としてビッカース硬度(単位HV)を採用し、硬度がある程度容易に制御できる材料系を選択した。そこで金属箔およびPETフィルムに接着性を示す樹脂A(HV<1.0)と、樹脂Aよりも成膜したときのビッカース硬度が高い樹脂B(HV>1.0)を選択しブレンドすることとした。エクストルーダーラミネートにより電解銅箔(三井金属(株)製「TP(III)M」35μm厚)とPETフィルム(250μm厚、東レ(株)製「S10」)とをブレンド材料を介して貼り合わせた。
次に、ラミネートサンプルから銅箔を剥離し、PETフィルム上に残った接着層(樹脂A,Bのブレンド物)のビッカース硬度を測定した。測定はFisher製のFisherScopeHM2000を用い、測定条件は測定荷重5mN,荷重アプリケーション時間10sec,クリープ時間1secとした。結果を図4に示したが、想定されるとおり樹脂A配合比が低いほど高いビッカース硬度となった。配合比は重量比である。
また、接着層の中央で刃の先端が停止するように刃高さを調整した金型を用いてラミネートサンプルをハーフカットし、断面形状を観察した。その結果、ビッカース硬度と断面形状には相関があり、ビッカース硬度1.0以上では図3(a)に示すように銅箔2が切れるが、1.0未満では図3(b)に示すように接着層3の変形により銅箔2が切れない現象が確認された。
この評価で接着性樹脂Aを高硬度樹脂Bとブレンドすることにより銅箔と接着層の密着力が低下する傾向が見られたため、PETフィルム/高硬度樹脂B/接着性樹脂A/銅箔という層構造でラミネートしたサンプルの評価を実施した。その結果、ハーフカットにより銅箔が切れ、かつ、銅箔と接着層に高い密着性が確認された。以上により、高硬度樹脂と接着性樹脂の2層構造をとることによって、銅箔の打ち抜き性と銅箔/接着層の密着性の両立が可能となった。これは、1層の接着層で打ち抜き性と密着性を両立させるよりも材料設計の自由度が高いといえる。ハーフカットの打ち抜き性については後述する。
次に、ベース基材として厚みが250μmのPETフィルム(東レ(株)製「S10」)を用い、裏面にデュポン社製のポリフッ化ビニル(PVF)樹脂(製品名「PV2400」)を25μmの厚みでグラビア印刷にてコーティングすることでPVF付PETフィルムを得た。これは太陽電池用のバックシートとして使える。貼り合わせる銅箔として三井金属(株)製の厚みが35μmの電解銅箔「TP(III)M」を準備した。
次に、タンデム仕様のエクストルーダーラミネート機によりPVF付PETフィルムと電界銅箔を貼り合わせた。まず、第一給紙からPVF付PETフィルムを繰り出し、第一押し出し部よりバックシートの表面側のPETフィルム上に第一の接着層として東ソー(株)製「09S54C」を押し出した。次に、第二押し出し部より第二の接着層として三井化学製のアドマー「NE827」を押し出し、第二押し出し部の第二給紙より電解銅箔を繰り出して貼り合わせ加工を行いフレキシブル配線基材を得た。
このとき、第一の接着層の厚みは60μm、第二の接着層の厚みは25μmであった。また、各状態でのビッカース硬度を前述の条件で測定したところ下記の結果となった。
PVF/PET(測定面): ビッカース硬度50
PVF/PET/09S54C(測定面): ビッカース硬度3.5
PVF/PET/09S54C/NE827(測定面): ビッカース硬度0.7
次にハーフカット法により銅箔のパターニングを行った。このとき、ハーフカットに用いる刃の高さは接着層の中央に刃の先端がくる高さとした。
PVF/PET(測定面): ビッカース硬度50
PVF/PET/09S54C(測定面): ビッカース硬度3.5
PVF/PET/09S54C/NE827(測定面): ビッカース硬度0.7
次にハーフカット法により銅箔のパターニングを行った。このとき、ハーフカットに用いる刃の高さは接着層の中央に刃の先端がくる高さとした。
ハーフカット後に不要部分を剥離したところ、パターン全面についてカット不良無く不要部分のみを剥離することができフレキシブル配線基板を得ることができた。また、基材断面の観察によりバークシートのPETにハーフカットの刃による切り込みがなかったが、断面観察からは接着剤の厚み中央部より下側に切れ込みが見られることがあった。刃高の加工精度と加工時の振動を考慮すると接着層は少なくとも35μm以上の厚さが必要である。結果は表1に実施例1として記載してある。
次に、接着層の硬度制御の可能性を探るために用いた接着性樹脂Aと高硬度接着性Bの組成比を変えたブレンド物について前記記載のバックシートと銅箔を用いてフレキシブル配線基材を作成し打ち抜き性の評価を行った。結果を実施例2〜4、及び比較例1〜3として表1に示した。表中の実施例4と比較例3については接着層として感光性樹脂を用いた。
接着層のビッカース硬度がベース基材のビッカース硬度よりも低く、且つ、少なくとも1層のビッカース硬度が1以上である場合に限って打ち抜き性が良好であった。ベース基材の硬度に比べて、接着層の硬度が1/50以下であると柔らかすぎて打ち抜き性が低下することを示している。接着層を厚くすれば改善されるが好ましくない。
ICカードもしくはICタグに通信用のアンテナが必要で、通常は金属箔を所望のパターンに打ち抜いて支持基材に貼り付けるか、支持基材上でエッチングするか、導電性インキを印刷して形成される。実施例は、太陽電池モジュール用のバックシートを例に記載したが、アンテナ基板についても適用できることは明らかである。
1、フレキシブル配線基材
2、金属箔
2a、不要部分
2b、金属箔パターン
3、接着層
3a、第一の接着層
3b、第二の接着層
4、ベース基材
5、型抜き用の刃
6、断裁部
7、隙間
10、フレキシブル配線基板
2、金属箔
2a、不要部分
2b、金属箔パターン
3、接着層
3a、第一の接着層
3b、第二の接着層
4、ベース基材
5、型抜き用の刃
6、断裁部
7、隙間
10、フレキシブル配線基板
Claims (12)
- 金属箔とベース基材および両者を貼り合わせる一層以上の接着層からなり、前記接着層は、すべての接着層のビッカース硬度がベース基材のビッカース硬度よりも低く、且つ、少なくとも1層のビッカース硬度が1以上であることを特徴とするフレキシブル配線基材。
- 前記接着層は、2層であることを特徴とする請求項1に記載のフレキシブル配線基材。
- 前記ベース基材は、厚みが25〜300μmの範囲のPETフィルムであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のフレキシブル配線基材。
- 前記金属箔は、厚みが12〜50μmの範囲の銅箔であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材。
- 前記金属箔は、厚みが25〜100μmの範囲のアルミ箔であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材。
- 前記金属箔の引っ張り破断伸度は8〜20%の範囲であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材。
- 前記接着層は、厚みが10〜200μmの範囲であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材。
- 前記金属箔とベース基材を、接着層を介してドライラミネートにより貼り合わせたことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材。
- 前記金属箔と前記ベース基材を、接着層を介してエクストルーダーラミネートにより貼り合わせることで得られる請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材。
- 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のフレキシブル配線基材をハーフカットし不要な金属箔部分を剥離して得られたことを特徴とするフレキシブル配線基板。
- 請求項10に記載のフレキシブル配線基板をバックシートとして備えることを特徴とする太陽電池モジュール。
- 請求項10に記載のフレキシブル配線基板をアンテナシートとして備えることを特徴とするICカード。
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