JP2021097124A - 伸縮性配線基板、及びデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
このような知見に基づきさらに鋭意研究したところ、未伸長時における配線の体積抵抗率をVR0、30%伸長時における配線の体積抵抗率をVR30としたとき、VR0およびVR30/VR0を指標とすることで、上記の配線状態や配線状態の変化について安定的に評価することができ、さらに、VR0を所定値以下とすることにより低ノイズ性を向上でき、VR30/VR0を所定値以下とするとこにより伸長耐久性を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。
絶縁性シリコーンゴムで構成される基板と、
前記基板上に設けられており、導電性シリコーンゴムで構成される配線と、
を備える伸縮性配線基板であって
未伸長時における前記配線の体積抵抗率をVR0とし、30%伸長時における前記配線の体積抵抗率をVR30としたとき、
VR0が、1.0×10−4Ω・cm以上1.0×10−3Ω・cm以下、及び
VR30/VR0が、1.1以上3.5以下である、
伸縮性配線基板が提供される。
上記の伸縮性配線基板を有する、デバイスが提供される。
この伸縮性配線基板は、未伸長時における配線の体積抵抗率をVR0とし、30%伸長時における配線の体積抵抗率をVR30としたとき、VR0が、1.0×10−4Ω・cm以上1.0×10−3Ω・cm以下、及びVR30/VR0が、1.1以上3.5以下を満たすものである。
さらに検討を進めた結果、VR0を上記上限値以下とすることで、伸長初期におけるノイズ発生を抑制することができ、VR30/VR0を上記上限値以下とすることで、高伸長時における破断を抑制することが可能である。
VR0の下限は、特に限定されないが、例えば、1.0×10−4Ω・cm以上、好ましくは1.2×10−4Ω・cm以上でもよい。下限は、用途に応じて適当に設定すればよい。
VR30/VR0の下限は、例えば、1.1以上、好ましくは1.2以上、より好ましくは1.3以上である。このような伸縮性配線基板は、例えば、センサー用途に好適に用いることができる。
VR70/VR0の下限は、例えば、2.0以上、好ましくは2.5以上、より好ましくは3.0以上でもよい。
VR70/VR30の下限は、例えば、1.5以上、好ましくは1.8以上、より好ましくは2.0以上でもよい。
VR30の下限は、特に限定されないが、例えば、1.1×10−4Ω・cm以上、好ましくは1.2×10−4Ω・cm以上でもよい。
基板の引裂強度の上限は、特に限定されないが、例えば、70N/mm以下としてもよく、60N/mm以下としてもよい。これにより、機械的強度や変形容易性などのバランスを図ることができる。
基板を用いて、JIS K6252(2001)に準拠して、クレセント形試験片を作製し、25℃で、得られたクレセント形試験片の引裂強度を測定する。
基板の引張強度の上限は、例えば、16MPa以下、好ましくは15MPa以下、より好ましくは14MPa以下である。これにより、伸縮性配線基板における変形容易性を高められる。
基板を用いて、JIS K6251(2004)に準拠して、ダンベル状3号形試験片を作製し、25℃で、得られたダンベル状3号形試験片の引張強度を測定する。
基板の硬度の下限は、特に限定されないが、例えば、10以上、好ましくは20以上、より好ましくは25以上でもよい。これにより、伸縮性配線基板全体の機械的強度を高められる。
基板を用いて、JIS K6253(1997)に準拠して、25℃で、タイプAデュロメータ硬さ(硬度)を測定する。
本明細書中、「〜」は、特に明示しない限り、上限値と下限値を含むことを表す。
本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)を含むことができる。
オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)は、直鎖構造を有する直鎖状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B1)と分岐構造を有する分岐状オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B2)とに分類され、これらのうちのいずれか一方または双方を含むことができる。
(Ha(R7)3−aSiO1/2)m(SiO4/2)n
(式(c)において、R7は一価の有機基、aは1〜3の範囲の整数、mはHa(R7)3−aSiO1/2単位の数、nはSiO4/2単位の数である)
エラストマー組成物の含有量を上記下限値以上とすることにより、導電性ペーストを用いて形成された配線が適度な柔軟性を持つことができる。また、エラストマー組成物の含有量を上記上限値以下とすることにより、配線の機械的強度の向上を図ることができる。
本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、必要に応じ、シリカ粒子(C)を含むことができる。これにより、シリコーンゴム系硬化性組成物から形成されるエラストマーの硬さや機械的強度の向上を図ることができる。
シリカ粒子(C)の含有量を上記下限値以上とすることにより、導電性ペーストを使用して作製された配線のエラストマーが適度な機械的強度を持つことができる。また、シリカ粒子(C)の含有量を上記上限値以下とすることにより、配線のエラストマーが適度な導電特性を持つことができる。
本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、シランカップリング剤(D)を含むことができる。
シランカップリング剤(D)は、加水分解性基を有することができる。加水分解基が水により加水分解されて水酸基になり、この水酸基がシリカ粒子(C)表面の水酸基と脱水縮合反応することで、シリカ粒子(C)の表面改質を行うことができる。
上記式(4)中、nは1〜3の整数を表わす。Yは、疎水性基、親水性基またはビニル基を有するもののうちのいずれかの官能基を表わし、nが1の時は疎水性基であり、nが2または3の時はその少なくとも1つが疎水性基である。Xは、加水分解性基を表わす。
シランカップリング剤(D)の含有量を上記下限値以上とすることにより、導電性ペーストを用いて形成された導電性樹脂膜が基板との適度な密着性を持ち、また、シリカ粒子(C)を用いる場合においては、配線と基板全体としての機械的強度の向上に資することができる。また、シランカップリング剤(D)の含有量を上記上限値以下とすることにより、導電性樹脂膜が適度な機械特性を持つことができる。
本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、白金または白金化合物(E)を含むことができる。
白金または白金化合物(E)は、硬化の際の触媒として作用する触媒成分である。白金または白金化合物(E)の添加量は触媒量である。
白金または白金化合物(E)の含有量を上記下限値以上とすることにより、導電性ペーストが適切な速度で硬化することが可能となる。また、白金または白金化合物(E)の含有量を上記上限値以下とすることにより、導電性ペーストを作製する際のコストの削減に資することができる。
また、本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物には、上記成分(A)〜(E)以外に、水(F)が含まれていてもよい。
さらに、本実施形態のシリコーンゴム系硬化性組成物は、上記(A)〜(F)成分以外に、他の成分をさらに含むことができる。この他の成分としては、例えば、珪藻土、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化バリウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸亜鉛、ガラスウール、マイカ等のシリカ粒子(C)以外の無機充填材、反応阻害剤、分散剤、顔料、染料、帯電防止剤、酸化防止剤、難燃剤、熱伝導性向上剤等の添加剤が挙げられる。
本実施形態の導電性ペーストは、導電性フィラーを含む。この導電性フィラーとしては、公知の導電材料を用いてもよいが、金属粉(G)を含むことができる。
これらのうち、金属粉(G)としては、導電性の高さや入手容易性の高さから、銀または銅を含むこと、すなわち、銀粉または銅粉を含むことが好ましい。
なお、これらの金属粉(G)は他種金属でコートしたものも使用できる。
平均粒径D50をこのような範囲に設定することで、導電性ペーストのエラストマーとして適度な導電性を発揮することができる。
なお、金属粉(G)の粒径は、たとえば、導電性ペーストあるいはこのエラストマーについて透過型電子顕微鏡等で観察の上、画像解析を行い、任意に選んだ金属粉200個の平均値として定義することができる。
本実施形態の導電性ペーストは、溶剤を含むものである。この溶剤としては、公知の各種溶剤を用いることができるが、例えば、高沸点溶剤を含むことができる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
ここで用いられる溶媒は、上記の導電性ペースト中の組成成分を均一に溶解ないし分散させることのできる溶媒の中から適宜選択すればよい。
以下、本実施形態に係る導電性ペーストの製造方法について説明する。
なお、金属粉(G)を加えないことによって、絶縁性ペーストを得ることができる。
図2は、本実施形態における電子装置100の製造工程の概略を示す断面図である。
以上により、図2(f)に示す電子装置100を得ることができる。
(A1−1):第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン:下記の合成スキーム1により合成したビニル基含有ジメチルポリシロキサン(上記式(1−1)で表わされる構造)
(A1−2):第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン:下記の合成スキーム2により合成したビニル基含有ジメチルポリシロキサン(上記式(1−1)で表わされる構造でR1およびR2がビニル基である構造)
(B−1):オルガノハイドロジェンポリシロキサン:モメンティブ社製、「TC−25D」
(C):シリカ微粒子(粒径7nm、比表面積300m2/g)、日本アエロジル社製、「AEROSIL300」
(D−1):ヘキサメチルジシラザン(HMDZ)、Gelest社製、「HEXAMETHYLDISILAZANE(SIH6110.1)」
(D−2)ジビニルテトラメチルジシラザン、Gelest社製、「1,3−DIVINYLTETRAMETHYLDISILAZANE(SID4612.0)」
(E−1):白金化合物 (モメンティブ社製、商品名「TC―25A」)
(F):純水
(G1):銀粉、徳力化学研究所社製、商品名「TC−101」、メジアン径d50:8.0μm、アスペクト比16.4、平均長径4.6μm
[合成スキーム1:第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1−1)の合成]
下記式(5)にしたがって、第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1−1)を合成した。
すなわち、Arガス置換した、冷却管および攪拌翼を有する300mLセパラブルフラスコに、オクタメチルシクロテトラシロキサン74.7g(252mmol)、カリウムシリコネート0.1gを入れ、昇温し、120℃で30分間攪拌した。なお、この際、粘度の上昇が確認できた。
その後、155℃まで昇温し、3時間攪拌を続けた。そして、3時間後、1,3−ジビニルテトラメチルジシロキサン0.1g(0.6mmol)を添加し、さらに、155℃で4時間攪拌した。
さらに、4時間後、トルエン250mLで希釈した後、水で3回洗浄した。洗浄後の有機層をメタノール1.5Lで数回洗浄することで、再沈精製し、オリゴマーとポリマーを分離した。得られたポリマーを60℃で一晩減圧乾燥し、第1のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1−1)を得た(Mn=2,2×105、Mw=4,8×105)。また、H−NMRスペクトル測定により算出したビニル基含有量は0.04モル%であった。
上記(A1−1)の合成工程において、オクタメチルシクロテトラシロキサン74.7g(252mmol)に加えて2,4,6,8−テトラメチル2,4,6,8−テトラビニルシクロテトラシロキサン0.86g(2.5mmol)を用いたこと以外は、(A1−1)の合成工程と同様にすることで、下記式(6)のように、第2のビニル基含有直鎖状オルガノポリシロキサン(A1−2)を合成した。また、H−NMRスペクトル測定により算出したビニル基含有量は0.92モル%であった。
次のようにしてシリコーンゴム系硬化性組成物1を調整した。
まず、下記の表1に示す割合で、90%のビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)、シランカップリング剤(D)および水(F)の混合物を予め混練し、その後、混合物にシリカ粒子(C)を加えてさらに混練し、混練物(シリコーンゴムコンパウンド)を得た。
ここで、シリカ粒子(C)添加後の混練は、カップリング反応のために窒素雰囲気下、60〜90℃の条件下で1時間混練する第1ステップと、副生成物(アンモニア)の除去のために減圧雰囲気下、160〜180℃の条件下で2時間混練する第2ステップとを経ることで行い、その後、冷却し、残り10%のビニル基含有オルガノポリシロキサン(A)を2回に分けて添加し、20分間混練した。
続いて、下記の表2に示す割合で、得られた混練物(シリコーンゴムコンパウンド)100重量部に、オルガノハイドロジェンポリシロキサン(B)、白金または白金化合物(E)を加えて、ロールで混練し、シリコーンゴム系硬化性組成物1を得た。
得られた13.7重量部のシリコーンゴム系硬化性組成物1を、31.8重量部のテトラデカン(溶剤)に浸漬し、続いて自転・公転ミキサーで撹拌し、54.5重量部の金属粉(G1)を加えた後に三本ロールで混練することで、導電性ペーストAを得た。
SYLGARD184のシリコーンエラストマー主剤18重量部、硬化剤2重量部を自転・公転ミキサーで撹拌し、80重量部の金属粉(G1)を加えた後に三本ロールで混練することで、導電性ペーストBを得た。
ARバインダGS(松井色素化学工業所)20重量部と80重量部の金属粉(G1)を自転・公転ミキサーで撹拌し、三本ロールで混練することで、導電性ペーストCを得た。
得られたシリコーンゴム系硬化性組成物1を170℃、10MPaで10分間プレスし、厚み:0.5mmのシート状に成形すると共に、1次硬化した。続いて、200℃、4時間で二次硬化して、シート状シリコーンゴム(シリコーンゴム系硬化性組成物の硬化物)を得た。それを幅:2cm×長さ:5cmに切り出し、「基板A」を作製した。
ウレタンゴム(エクシール社製、商品名ハイパーゲルシート硬度50)を用いて、厚み:1mm×幅:2cm×長さ:5cmに切り出し、「基板B」を作製した。
得られた厚さ1mmの基板(シート状エラストマー)を6枚積層し、6mmの試験片を作製し、JIS K6253(1997)に準拠して、25℃で、タイプAデュロメータ硬さを測定した。
得られた厚さ1mmの基板(シート状エラストマー)を用いて、JIS K6252(2001)に準拠して、クレセント形試験片を作製し、25℃で、得られたクレセント形試験片の引裂強度を測定した。単位は、N/mmである。
得られた厚さ1mmの基板(シート状エラストマー)を用いて、JIS K6251(2004)に準拠して、ダンベル状3号形試験片を作製し、25℃で、得られたダンベル状3号形試験片の引張強度を測定した。単位はMPaである。
(実施例1,2、比較例1,2)
表2に示す導電性ペーストを用いて、表2に示す基板上に、配線パターンを描き、これを170℃、120分の条件で硬化し、幅500μm×高さ50μm×長さ35mmの「配線パターン」を有する伸縮性配線基板(試験片)を作製した。
得られた試験片の配線について、25℃において、(株)エーディーシー製直流電圧・電流源/モニタ(6241A)を用いて、抵抗を測定しながら配線の長さ方向に、9秒で30%伸長させ10秒間保持し、12秒で70%伸長させ10秒間保持した。このとき抵抗値(Ω)の変化は常にモニタリングを行い、この試験中における変化についての解析を行った。伸長前の初期抵抗値、30%伸長時の抵抗値、70%伸長時の抵抗値は、3つのサンプルで行い、3つの平均値を測定値とした。体積抵抗率は、抵抗値の平均値×(配線パターンの面積/配線パターンの長さ)から求めた。単位は、Ω・cm。
得られた試験片の配線について、30秒で100%伸長させ10秒間保持する伸長操作を10回繰り返し行った。破断が見られなかったものを○、破断が見られたものを×と評価した。
比較例1の試験片は1回目の伸長操作時に、配線に破断が生じる結果を示した。
表2に示すペーストを用い、表2に示す基板上に、0.2mm、長さ100mm、厚み0.05mmの配線を形成して、試験片を作製した。この試験片を用いて、配線の長さ方向に10%伸長させたとき、25℃において、(株)エーディーシー製直流電圧・電流源/モニタ(6241A)を用いて、抵抗値(Ω)の変化を常にモニタリングを行った。
モニタリング中、抵抗値にスパイクノイズがないか、ノイズが比較的小さい場合を○、抵抗値にスパイクノイズが発生する場合を×とした。
比較例2の試験片は、スパイクノイズが大きく、初期伸長時における安定的な抵抗値の測定が難しい結果を示した。
12 表面
20 基板
30 カバー材
50 配線基板
60 電子部品
100 電子装置
110 作業台
120 支持体
130 絶縁性ペースト
132 絶縁層
140 スキージ
150 導電性ペースト
152 導電層
160 マスク
170 絶縁性ペースト
172 絶縁層
Claims (18)
- 絶縁性シリコーンゴムで構成される基板と、
前記基板上に設けられており、導電性シリコーンゴムで構成される配線と、
を備える伸縮性配線基板であって
未伸長時における前記配線の体積抵抗率をVR0とし、30%伸長時における前記配線の体積抵抗率をVR30としたとき、
VR0が、1.0×10−4Ω・cm以上1.0×10−3Ω・cm以下、及び
VR30/VR0が、1.1以上3.5以下である、
伸縮性配線基板。 - 請求項1に記載の伸縮性配線基であって、
70%伸長時における前記配線の体積抵抗率をVR70としたとき、
VR70/VR0が、2.0以上8.0以下である、伸縮性配線基板。 - 請求項2に記載の伸縮性配線基板であって、
VR70/VR30が、1.5以上5.0以下である、伸縮性配線基板。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
VR30が、1.1×10−4Ω・cm以上3.5×10−3Ω・cm以下である、伸縮性配線基板。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
前記配線の延在方向に対して100%伸長可能に構成される、伸縮性配線基板。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
前記導電性シリコーンゴムが、導電性フィラーを含む、伸縮性配線基板。 - 請求項6に記載の伸縮性配線基板であって、
前記導電性シリコーンゴムが、シリカ粒子(C)を含む、伸縮性配線基板。 - 請求項7に記載の伸縮性配線基板であって、
前記配線中の前記シリカ粒子(C)含有量は、前記シリカ粒子(C)および前記導電性フィラーの合計100質量%に対して、1質量%以上20質量%以下である、伸縮性配線基板。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
前記絶縁性シリコーンゴムが、無機充填材を含む、伸縮性配線基板。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
以下の手順で測定される前記基板の引裂強度が、25N/mm以上である伸縮性配線基板。
(手順)
前記基板を用いて、JIS K6252(2001)に準拠して、クレセント形試験片を作製し、25℃で、得られたクレセント形試験片の引裂強度を測定する。 - 請求項1〜10のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
以下の手順で測定される前記基板の引張強度が、5.0MPa以上である、伸縮性配線基板。
(手順)
前記基板を用いて、JIS K6251(2004)に準拠して、ダンベル状3号形試験片を作製し、25℃で、得られたダンベル状3号形試験片の引張強度を測定する。 - 請求項1〜11のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
以下の手順で測定される前記基板の硬度が、20以上80以下である、伸縮性配線基板。
(手順)
前記基板を用いて、JIS K6253(1997)に準拠して、25℃で、タイプAデュロメータ硬さ(硬度)を測定する。 - 請求項1〜12のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
前記配線の厚み/前記基板の厚みが、0.01以上1以下である、伸縮性配線基板。 - 請求項1〜13のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
前記配線上に設けられたカバー部材をさらに備え、
前記カバー部材が絶縁性シリコーンゴムで構成される、伸縮性配線基板。 - 請求項1〜14のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
前記配線が、末端に外部接続用の電極部を有しており、前記電極部の少なくとも一部が露出するように構成される、伸縮性配線基板。 - 請求項1〜15のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板であって、
ウェアラブルデバイスの一部を構成するために用いられる、伸縮性配線基板。 - 請求項1〜16のいずれか一項に記載の伸縮性配線基板を有する、デバイス。
- 請求項17に記載のデバイスであって、
前記伸縮性配線基板中の配線に接続された電子部品と、
前記電子部品を封止する封止部と、を備え、
前記封止部が、絶縁性シリコーンゴムで構成される、デバイス。
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