柔性电路板及柔性电路板的弯曲部结构
技术领域
本发明涉及在任意位置具有弯曲部而被使用的柔性电路板,以及柔性电路板的弯曲部结构,更详细地说,涉及对于弯曲具有耐久性、并且弯曲性优异的柔性电路板以及柔性电路板的弯曲部结构。
背景技术
由于具有树脂层及由金属箔构成的配线的柔性电路板(柔性印刷电路板)能够弯折使用,所以,在以硬盘内的可动部、便携式电话的铰接部或滑动件滑动部、打印机的打印头部、光拾取部、笔记本PC的可动部等为代表的各种电子、电气设备中被广泛地使用。并且,近年来,特别是,伴随着这些设备的小型化、薄型化、高性能化等,要求将柔性电路板折叠成很小容纳在有限的空间内,或者要求与端子电子设备等的各种各样的动作相对应的弯曲性。因此,为了能够对应于弯曲部的曲率半径变得更小的弯折或频繁地重复进行弯折动作,有必要进一步提高柔性电路板的强度等的机械特性。
一般地,对于反复弯折或曲率半径小的弯曲,由于强度差等而变差的主要原因,与其说是树脂层,不如说是配线,一旦不能经受这些,在配线的一部分上产生裂纹、断裂,导致不能作为电路板使用。因此,例如,为了减小对于铰接部的配线的弯曲应力,提出了对于转动轴倾斜地配线的柔性电路板(参照专利文献1),及在铰接部的转动方向上形成被螺旋一圈以上的螺旋部,通过增多圈数,减小由开闭动作引起的螺旋部的直径的变化以减少损伤的方法(参照专利文献2)等。但是,在这些方法中,柔性电路板的设计都会受到制约。
另一方面,报告称,在利用轧制铜箔的轧制面的X射线衍射(铜箔的厚度方向的X射线衍射)求出的(200)面的强度(I)相对于利用微粉末铜的X射线衍射求出的(200)面的强度(I0)为I/I0>20的情况下,弯曲性优异(参照专利文献3及4)。即,由于作为铜的再结晶集合组织的立方体方位越发达,铜箔的弯曲性能越提高,所以,已知以上述参数(I/I0)规定立方体集合组织的发达程度的适合于作为柔性电路板的配线材料铜箔。另外,有报告称,以固溶范围的浓度在铜中含有Fe、Ni、Al、Ag等元素、以规定的条件退火再结晶化获得的轧制铜箔,容易沿着滑移面剪切变形,弯曲性能优异(参照专利文献5)。
另外,在要求高弯曲特性的柔性电路板中,有时使用含有氧或银等杂质的铜箔,按纯度来讲,为99%~99.9质量%左右的铜箔。在本发明中,只要没有预先声明,其纯度用质量浓度表示。另外,在试验水平上,有作为电缆导体广泛使用的纯度99.5%左右的反射炉精炼铜或者不含有氧化物的无氧铜的例子(参照专利文献3、4)。反射炉精炼铜的杂质为几百ppm的氧(大多作为氧化铜而含有)、银、铁、硫磺、磷等。无氧铜,通常是纯度99.96~99.995%左右的铜,是将氧大幅度降低到10ppm以下的铜。在上述专利文献3、4中报导称,利用无氧铜制造的铜箔的弯曲疲劳特性,比反射炉精炼铜铜箔的优异,这与是否含有氧化铜有关。另外,进一步提高这些铜的纯度的情况有必要除去银、磷、硫磺等杂质。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2002-171033号公报
专利文献2:日本特开2002-300247号公报
专利文献3:日本特开2001-58203号公报
专利文献4:日本特许第3009383号公报
专利文献5:日本特开2007-107036号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在这种情况下,本发明人等为了获得对柔性电路板的设计没有制约,且对于反复的弯折或曲率半径小的弯曲具有耐久性的柔性电路板,进行了深入研究,结果,发现通过采用高度地取向并且具有其断裂伸长率大的面心立方晶系结构的金属箔,获得弯曲耐久性及弯曲性优异的柔性电路板,完成了本发明。
从而,本发明的目的是提供一种耐久性优异的柔性电路板,特别是,提供一种柔性电路板,所述柔性电路板对于便携式电话及小型电子设备等的铰接部或者滑动件的滑动部等伴随着曲率半径小的反复弯曲的过分严酷的使用条件,也显示出耐久性,并且弯曲性优异。
另外,本发明的另外的目的是,提供一种对于便携式电话及小型电子设备等的铰接或滑动件滑动部等特别是曲率半径小的反复弯曲部的过分严酷的条件具有耐久性,且弯曲性优异的柔性电路板的弯曲部结构。
解决课题的方案
本发明为了解决上述现有技术的技术问题,深入研究的结果,以下述结构为主旨。
(1)一种柔性电路板,所述柔性电路板配备有树脂层和由金属箔形成的配线,且在配线的至少一个部位处具有弯曲部而被使用,其特征在于,
金属箔由具有面心立方结构的金属构成,并且,面心立方结构的单位晶格的基本结晶轴<100>,相对于金属箔的厚度方向和存在于箔面内的某一个方向的两个正交轴,方位差分别在10°以内的优先取向区域以面积率计占50%以上,并且,从弯曲部中的棱线沿金属箔的厚度方向的剖开的配线的截面P的法线方向的金属箔的断裂伸长率在3.5%以上、20%以下。
(2)如第(1)项所述的柔性电路板,金属箔由纯度99.999质量%以上的铜箔构成。
(3)如第(1)或(2)所述的柔性电路板,金属箔是铜箔,从箔面法线方向观察时的结晶粒子直径在25μm以上。
(4)如第(1)~(3)项中任何一项所述的柔性电路板,金属箔的厚度在5μm以上、18μm以下。
(5)如第(1)~(4)项中任何一项所述的柔性电路板,配线的截面P在包含在以下范围内的任意的面成为主方位,所述范围为在以[001]作为晶带轴从(100)向(110)的旋转方向上的从(2010)到(1200)的范围。
(6)如第(5)项所述的柔性电路板,配线的截面P是位于利用在(100)标准投影图的立体三角形中表示(2010)的点和表示(110)的点连接而成的线段上的任意的面。
(7)如第(1)~(6)项中任何一项所述的柔性电路板,沿着相对于弯曲部处的棱线正交的方向形成配线。
(8)如第(1)~(7)项中任何一项所述的柔性电路板,树脂层由聚酰亚胺构成。
(9)如第(1)~(8)项中任何一项所述的柔性电路板,所述柔性电路板,以形成伴随着下述重复动作的弯曲部的方式进行使用,所述重复动作是从滑动弯曲、弯折弯曲、铰接弯曲及滑动弯曲构成的组中选择出来的任何一个的重复动作。
(10)一种电子设备,所述电子设备搭载上述第(1)~(9)项中任何一项所述的柔性电路板。
(11)一种柔性电路板的弯曲部结构,所述柔性电路板配备有树脂层和由金属箔形成的配线,且在配线的至少一个部位具有弯曲部而被使用,其特征在于,
金属箔由具有面心立方结构的金属构成,并且,面心立方结构的单位晶格的基本结晶轴<100>,相对于金属箔的厚度方向和存在于箔面内的某一个方向的两个正交轴,方位差分别在10°以内的优先取向区域以面积率计占50%以上,并且,从弯曲部处的棱线沿金属箔的厚度方向的剖开的配线的截面P的法线方向的金属箔的断裂伸长率在3.5%以上、20%以下。
发明的效果
根据本发明,在使柔性电路板弯曲时的弯曲部构成配线的金属箔,不容易产生金属疲劳,对于应力及应变具有优异的耐久性。因此,可以提供对于柔性电路板的设计不产生制约、具有能够耐受反复的弯折或曲率半径小的弯曲的强度、弯曲性优异的柔性电路板,能够实现以薄型便携式电话、薄型显示器、硬盘、打印机、DVD装置等为代表的耐久性高的电子设备。
附图说明
图1是表示立方晶系的结晶结构中的晶带轴和以晶带轴为中心旋转获得的面的关系的图示。
图2是(100)标准投影图的立体三角形。
图3是表示使柔性电路板弯曲的状态的截面说明图。
图4是表示柔性电路板中的配线和金属箔的结晶轴的关系的平面说明图,图4(a)及图4(b)表示根据本发明的柔性电路板,图4(c)及图4(d)表示现有技术的柔性电路板。
图5是单面贴铜层压板的透视说明图。
图6是表示在本发明的实施例中,由单面贴铜层压板获得的试验用柔性电路板的形式的平面说明图。
图7是MIT弯曲试验装置的说明图。
图8(a)是IPC弯曲试验装置的说明图,图8(b)是用于IPC弯曲试验的试验用柔性电路板的X-X’截面图。
具体实施方式
本发明的柔性电路板配备的配线,利用由具有面心立方晶系的结晶结构的金属构成的金属箔形成。作为具有面心立方晶系的结晶结构的金属,例如,已知有铜、铝、镍、银、铑、钯、铂、金等,它们当中的任何一种都可以,但是从作为金属铂的可利用性出发,铜、铝及镍是优选的,其中,作为柔性电路板的配线而主要使用的铜箔是最一般的。
本发明提供一种弯曲耐久性及弯曲性优异的柔性电路板,特别是,提供在曲率半径在2mm以下的高应变区域具有优异的疲劳特性的柔性电路板。为了达到该目的,在本发明中,如果缺少下述i)及ii)的其中之一,就不能成为本发明那样的对高弯曲时的疲劳破坏强度高的柔性电路板,其中,i)金属箔是高度地取向的,ii)在弯曲部,金属箔的主应力方向的断裂伸长率大。即,通过同时满足i)和ii)两者,获得对高弯曲时的疲劳破坏强度高的柔性电路板。具体地说,有必要:i)面心立方结构的单位晶格的基本结晶轴<100>相对于金属箔的厚度方向和存在于箔面内的某一个方向的两个正交轴,方位差分别在10°以内的优先取向区域以面积率计占50%以上,并且,ii)相对于从弯曲部处的棱线向金属箔的厚度方向的剖开的配线的截面P的法线方向的金属箔的断裂伸长率在3.5%以上、20%以下。
在金属箔为在一般的电解箔或轧制箔中看到的那样的多结晶体的情况,获得高的断裂伸长率,但是,对于在本发明中要求的高应变疲劳,不能成为疲劳特性高的柔性电路板。另一方面,即使集合组织发达并且配向度变大,而断裂伸长率变小的情况,同样地不能获得具有本发明要求的特性的柔性电路板。
本发明首先明确了以集合组织发达、取向度大的金属箔作为条件,将在特别地要求高的弯曲特性的柔性电路板内的金属箔的断裂伸长率为重要的因素。
金属箔可以是轧制箔或电解箔中的任何一种,但是,在获得高的取向性的方面,优选是轧制箔。在面心立方金属的情况下,通过对轧制条件和热处理条件采取措施,可以制造在轧制方向和箔面法线方向上分别具有<100>主方位的高度地取向的立方体集合组织的金属箔。
不限于柔性电路板的用途,具有强的立方体方位的金属箔的机械特性的特征,是断裂伸长率中具有各向异性。在进行向<100>方向的拉伸时,断裂伸长率取非常小的值。一般地,取向度越增大,或者,金属箔的厚度越变小,在<100>方向上进行拉伸试验时的断裂伸长率变得越小。在面心立方结构的单位晶格的基本结晶轴<100>,相对于金属箔的厚度方向(箔面法线方向)和存在于箔面内的某一个方向(其中之一是轧制方向)的两个正交轴,方位差分别在10°以内的优先取向区域以面积率计占95%以上、并且厚度在18μm以下的一般的轧制铜箔的情况下(下面,为了方便起见,称之为“现有技术的轧制铜箔”),向弯曲部中的主应力方向的断裂伸长率未达到3.5%。这里所谓的断裂伸长率,指的是使用宽度充分大于金属箔的厚度的、典型地宽度为5~15mm范围内的任意宽度的试验片,在相对于长度以10%/min的应变速度进行拉伸试验时达到断裂的伸长率。在本发明中指的是,利用下面的实施例所示的测定方法,求出金属箔的断裂伸长率,使之与树脂层叠层而获得柔性电路板之后的值。
在轧制铜箔的情况,再结晶集合组织的轧制方向,即金属箔的长度方向成为<100>方位。在通常的柔性电路板中,在将电路板拔出时,从提高成品率的观点出发,使电路的长度方向和铜箔的长度方向相一致。从而,在弯折电路的长度方向的通常的利用形态中,由于主应力方向与<100>方向相一致,所以,在现有技术的轧制铜箔中,对于反复的弯曲不能获得高的疲劳特性。
作为提高以这样的方向关系利用的柔性电路板的疲劳特性的方法,在本发明中,谋求所使用的金属箔的高纯度化。在到目前为止已知的用于高弯曲用途的柔性电路板中,使用有意地或者不可避免的含有氧或银等杂质的铜箔。例如,如专利文献5中所述,其目的是,使沿着滑移面的剪切变形容易,并抑制电阻的增加。但是这些杂质元素,使叠层缺陷能降低。本发明人等注意到了这一点。即,当叠层缺陷能降低时,位错变得容易扩张,不容易引起交叉滑移,特别是,在<100>方向上拉伸时,产生伸长率变得困难。
因此,在本发明中,在显示如下面所说明的那样的规定的优先取向性的同时,优选地,通过使用纯度在99.999%以上的金属箔(优选地,铜箔),可以将<100>方向的断裂伸长率增大到3.5%以上,其结果是,提高在高应变区域反复进行应变时的疲劳特性。金属箔的纯度高是理想的,但是,在制造成本的观点出发,最优选地使用纯度为99.999%至99.9999%的金属箔。另外,即使是纯度比99.999%低的铜箔,在氧浓度低的无氧铜箔中,如下述实施例所示,借助在严苛条件下的轧制和热处理条件,在面心立方结构的基本结晶轴<100>中的一个、例如[001]轴相对于金属箔的厚度方向(箔面法线方向)方位差在10°以内的区域在98%以上、99.8%以下的情况,存在着伸长率达到3.5%以上的区域,耐弯曲疲劳性变得良好。其原因目前尚无定论,但是,推测在通过热处理获得规定的集合组织的无氧铜箔中,由于对于以适度的大小、体积率分散的轧制方向相对于<212>方位的再结晶残留组织的存在,而加大了<100>方向的断裂伸长率。
在本发明的柔性电路板中,对于构成该电路的金属箔的试样坐标系,规定金属箔的三维结晶方位,该集合组织的集聚度在下面所述的范围内。即,使用这样的金属箔:该金属箔呈现在面心立方结构的基本结晶轴<100>中的一个、例如[001]轴相对于金属箔的厚度方向(箔面法线方向),方位差在10°以内的区域以面积比计占50%以上、优选75%以上、更优选98%以上的优先取向,并且在相对于金属箔的表面呈水平方向的箔面内,相对于其它的基本结晶轴、例如距离[100]轴方位差在10°以内的区域以面积比计占50%以上、优选85%以上、更优选99%以上的优选取向。在本发明中,至少在弯曲部,只要有如上所述的集合组织的集聚度即可,但是,如果是叠层到树脂层上的全部金属箔都恰当地具有如上所述的集合组织的集聚度的所谓单晶类的金属箔的话,在配线的设计中不受制约,是优选的。另外,由于将位于优先取向的中心的结晶方位称之为集合组织的主方位,所以,可以说,在本发明中使用的金属箔,金属箔的厚度方向具有<100>的主方位,同时,金属箔的箔面内具有<100>的主方位。
集合组织的优先取向的优先度,即,表示取向度或集聚度的指标有几个,可以采用根据X射线衍射强度及电子射线衍射获得的局部的三维方位数据的统计数据的客观的数据的指标。
例如,在金属箔是铜箔的情况,来自于利用X射线衍射求出的与上述晶带轴垂直的(002)的强度(I)(这里,根据X射线衍射中的一般的表述方法,作为(200)面的强度),相对于利用微细粉末铜的X射线衍射求出的(200)面的强度(I0),最好是利用I/I0≧25的铜箔形成具有规定的样式的配线,优选地,I/I0在33~150的范围内,更优选地,在50~150的范围内。这里,参数I/I0表示(100)和(110)晶带轴、即,共通轴[001]的取向度,是表示立方体集合组织的发达度的一个客观的指标。并且,在金属箔是轧制铜箔的情况,以在一定以上的轧制率对其进行强加工,之后,当加热使之再结晶时,以轧制箔面作为(001)主方位、箔面内轧制方向作为(100)主方位的再结晶立方体方位发达。作为铜的再结晶集合组织的立方体方位越发达,铜箔的弯曲疲劳寿命越提高。在本发明的柔性电路板中,当I/I0小于25时,不能期望配线的弯曲疲劳寿命充分提高,如果I/I0在33以上的话,弯曲疲劳寿命的提高变得很显著。另外,铜箔厚度方向的X射线衍射,用于确认在铜箔表面(轧制铜箔的情况为轧制面)上的取向性,(200)面的强度(I)表示用X射线衍射求出的(200)面的强度积分值。另外,强度(I0)表示微细粉末铜(关东化学社制的铜粉末试剂I级、325目)的(200)面的强度积分值。
为了使I/I0在25以上,只要获得铜箔再结晶集合组织即可,其方法没有特定的限制,但是,通过根据以中间退火条件及冷轧加工率作为对象的金属箔的种类及杂质浓度进行最佳化,可以获得晶粒是大的集合组织、并且I/I0≧25的轧制铜箔。另外,也可以在使树脂层和轧制铜箔叠层而获得铜粘贴层压板之后,通过使铜箔经受300~360℃的温度累计时间在5分钟以上的施加负荷的加热条件,获得铜箔的再结晶集合组织。
另外,为了以三维的集聚度规定集合组织,也可以利用相对于集合组织的主方位进入10°以内的优先取向区域的面积率进行指定。即,对于金属箔的规定的面具有什么样的结晶方位,例如,可以利用EBSP(Electron Back Scattering Pattern:电子反向散射图样)法、ECP(Electron Channeling Pattern:电子通道花纹)法等电子衍射法或微型劳厄(Laue)法等X射线衍射法等加以确认。其中,ESBP法,是一种根据从将聚焦的电子束照射到作为测定对象的试样表面时产生的各个结晶面衍射的称之为拟菊池线的衍射像分析结晶、根据方位数据和测定点的位置信息测定作为测定对象的结晶方位分布的方法,可以利用X射线法分析微观区域的集合组织的结晶方位。例如,在各个微小的区域指定该结晶的方位,可以将它们接合起来进行测绘,将各个测绘点之间的面方位的倾角(方位差)在一定值以下的测定点用涂布相同的颜色加以区分,通过使基本上具有同一个面方位的区域(晶粒)的分布显露出来,可以获得方位测绘像。另外,含有相对于特定的面方位具有规定的角度以内的方位的方位面且规定为该方位,能够提取出以面积率表示的各个面方位的所占据的比例。在EBSP法中,为了从某一个特定的方位计算出处于特定角度以内的区域的面积率,有必要至少在比本发明的柔性电路板的电路弯曲区域大的区域,仔细地以计算出面积率所需的足够的点数扫描电子射线,获得其平均值的信息,但是,在本发明中,在作为对象的金属箔中,考虑到作为对象的电路的大小,在0.005mm2以上的区域中,为了计算出平均面积率,测定1000个点以上即可。
另外,本发明与专利文献3及4所记载的发明的组织上的不同之处在于,这些专利文献的发明的方位的规定,只是在利用X射线测定的箔法线方向上的规定,与此相对,本发明以三维的方式进行规定。为了获得对于弯曲获得高的疲劳特性,特别是,使之弯曲时的主应变,主应力方向,即,箔面内的<100>的集聚度是重要的。另外,在本发明中,再结晶晶粒的大小,即具有立方体方位的晶粒的大小,优选地,其平均值在25μm以上。
另外,在本发明中,在特别要求高弯曲性的情况中,形成柔性电路板的金属箔,最好使用厚度5~18μm的轧制铜箔,优选地,利用厚度9~12μm的轧制铜箔。当轧制铜箔的厚度比18μm厚时,难以获得在曲率半径在2mm以下的那样的高应变区域具有优异的疲劳特性的柔性电路板。另外,当厚度比5μm薄时,使金属箔和树脂层叠层时的处理困难,难以形成均匀的柔性电路板。
与上面所述的提高柔性电路板的疲劳特性的第一种策略不同,在本发明中,作为提高接近于高度地取向的单晶的面心立方金属箔的断裂伸长率用的第二种策略,不以断裂伸长率小的<100>方向成为主应力方向的方式,对柔性电路板的配线结构采取措施,具体地说,可以列举出下述方法。
如第一种策略所述,通过对轧制及再结晶条件采取措施,可以制造具有轧制方向和箔面法线方向同时具有<100>主方位的高度地取向的立方体集合体组织的金属箔。而且,作为配线,通过以将横贯电路的方向从轧制方向、即<100>方向错开规定的角度而倾斜地拔出电路,可以获得在使之弯曲时的主应力方向上断裂伸长率大的柔性电路板。借助这种方法,为了使相对于从弯曲部中的棱线沿着金属箔的厚度方向剖开的配线的截面P的法线方向(弯曲部的主应力方向)的金属箔的断裂伸长率变成3.5%以上,上述截面P,有必要以[001]作为晶带轴,在包含在从(2010)到(1200)的范围内的任何一个面上成为主方位。这里,图1表示晶带轴与面方位的关系。(2010)和(1200),具有以[001]作为共通轴、即晶带轴的关系,位于以[001]作为轴的从(100)到(110)〔从(100)到(010)〕的旋转面内。即,当将其表示在相对于截面P的法线方位的反极点图上时,(001)、(2010)、(110)各个面,变成如图2所示的样子。由于对称性,在反极点图上,(1200)被表示在和(2010)相同的位置上。本发明中的金属箔的金属是面心立方结构。其单位晶格的结晶轴,为[100]、[010]、[001],但是,在本发明中,在金属箔的厚度方向(相对于金属箔的表面垂直的方向)上具有<100>优先方位的情况下,将该轴[001]、即,将箔面方位表示为(001),但是,由于面心立方结构的对称性,即使改变这些轴,也是等价的,不言而喻,它们也包含在本发明中。
另外,从箔面内的主方位,相对于从弯曲部的主应变方向、即从弯曲部中的棱线起沿着厚度方向剖开配线的截面的法线方向(相对于对配线截面P的垂线),有必要具有2.9°~87.1°〔(2010)~(1200)〕的角度,优选地,具有5.7°~84.3°〔(1010)~(1100)〕的角度,更优选地,具有11.4°~78.6°〔(510)~(150)〕的角度,更加优选地,具有26.6°~63.4°〔(210)~(120)〕的角度,最合适的为30°或60°〔(40230)〕或〔(23400)〕。这里,〔〕内表示对应于各个角度的截面P的面方位。另外,由于结晶的对称性,相对于配线截面P的法线,可以描述为具有金属箔面内的基本结晶轴<100>和2.9~45°的角度。
这里,所谓从弯曲部中的棱线沿着厚度方向剖开时的配线的截面P,例如,如图3所示,指的是当使柔性电路板弯曲成U字形时,在其外侧形成棱线L,从该棱线L起沿着柔性电路板的厚度方向d剖开时获得的截面中的配线部分。另外,所谓棱线L,是在是柔性电路板弯曲的状态下,将沿着该弯折方向(图3中的粗箭头)观察柔性电路板的截面的情况下形成的顶点连接起来的线。另外,例如,也包括后面描述的滑动弯曲等棱线L在柔性电路板上移动时的情况。另外,在图3中,表示树脂层1是外侧、配线2向内侧弯曲状态(将具有曲率半径的圆内切的一侧作为内侧),但是不言而喻,配线2也可以是成为外侧的弯折的方式。
在各种各样的用途中,在受到某个曲率的强制位移时,金属箔主要受到拉伸或者压缩应力。在受到弯曲的柔性电路板中,哪个部分受到拉伸或者压缩,由金属箔和树脂的结构决定,但是,一般地,作为比拉伸和压缩的中性轴(或者中性面)更靠近弯曲的外侧的最远的部分,金属的破坏非常严苛,向从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面法线方向的拉伸应力,成为主应力。即,弯曲部的配线的主应力方向,是图3中用箭头21表示的方向,典型地,与从弯曲部中的棱线沿金属箔的厚度方向剖开的配线截面P的法线方向相等,是与沿金属箔的厚度方向取向的[001]轴垂直地交叉的方向。
在考虑到柔性电路板内的金属箔的机械特性时,沿着图3中的箭头21表示的主应力方向单纯地拉伸金属箔时的应力应变特性成为重要的特性。这里,如图4(c)及图4(d)所示,假定以形成相对于具有面心立方系的结晶结构的金属箔的[100]轴正交的棱线的方式使之弯曲的情况下,从弯曲部中的棱线沿着柔性电路板的厚度方向剖开的配线的截面成为(100)面,但是,如图1所示,如图从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开的配线的截面P,在包含以[001]作为晶带轴、在从(100)到(010)的旋转方向中的(20 1 0)至(1 20 0)的范围(图中的两个箭头)内的其中的任何一个面上构成主方位的话,可以提高断裂伸长率。另外,在图1中,表示了从(20 1 0)到(1 20 0)的范围,但是,在面心立方系的结晶结构中,存在着与包含在该范围内的面等价的面。因此,对于配线的截面包含在从(20 1 0)到(1 20 0)的范围内的面的标号不同的等价的面,也包含在本发明中。
在第二种策略中,通过从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面P,在从(20 1 0)到(1 20 0)之间的特定方位上具有主方位而优先取向,断裂伸长率提高的理由是,在截面P的法线方向上、即主应力方向上施加拉伸应力时,由于在具有面心立方结构的金属中,作为滑移面的8个{111}中,施密特(Schmidt)因子最大的主滑移面变成4个面,所以,剪切滑动变得良好,不容易引起局部的加工硬化。在通常的轧制铜箔中,金属箔的长度方向相当于轧制方向,如图4(c)及图4(d)所示,通常沿着其主方位<100>形成电路。例如,专利文献5的实施例,相当于图4(d)的形式。这样,当令从弯曲部中的棱线起向厚度方向剖开时的配线的截面方位为(100)时,在弯曲时,8个滑移面的施密特因子变成等价的,8个滑移系同时起作用,容易局部地蓄积位错。借助这种与现有技术的差异,采用第二种策略的柔性电路板的耐弯曲特性,与在电路的长度方向上弯折的通常采用的形式相比,是优异的。
关于柔性电路板的截面P,最优选的方位,是相对于弯曲部的主应变方向、即从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面法线方向30°或60°,这是因为应力方向与拉伸的稳定方位相一致。在考虑到上述机构时,至少,只要从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面P以[001]作为晶带轴,在(20 1 0)至(1 20 0)之间的特定方位上具有主方位、具有优先取向即可。
即,本发明的第二种策略,配备有这样的配线,所述配线,其金属箔具有面心立方结构,金属箔厚度方向具有<100>的主方位,同时,金属箔的箔面内具有<100>的主方位,并且,从弯曲部中的棱线沿厚度剖开时的配线的截面P的法线方向,在(20 1 0)至(1 20 0)之间的特定方位上具有主方位而优先取向。这时,截面P的法线方向,优选地在从(10 1 0)至(1 10 0)之间的特定方位上具有主方位而优先取向,更优选地,在(510)至(110)之间的特定方位上具有主方位地优先取向,更加优选地,在从(210)至(110)之间的特定方位上具有主方位地优先取向,最合适的是,在(40 23 0)附近具有中心方位地优先取向。在箔面以(001)作为主方位优先取向的金属箔的情况下,例如,箔面内的[001]和[110]是等价的,从本发明中的柔性电路板的弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面P的主方位,也可以描述为从(1 20 0)到(110)之间的特定方位,优选地,可以描述为在从(120)至(110)之间的特定方位上具有主方位地优先取向,最合适地是描述为在(23 40 0)附近具有主方位而优先取向。
另外,所谓金属箔的厚度方向具有<100>的主方位,同时,金属箔的箔面内具有<100>的主方位,并且,从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面P,在从(20 1 0)到(1 20 0)之间的特定方位上具有主方位,在图2所示的(100)标准投影图的立体三角形(stereotriangle)上用反极点表示时,从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面方位,也可以说成是位于将表示(20 1 0)点和表示(110)的点连接起来的线段上的任何一个面。进而,也可以说,第二种策略中的柔性电路板,由金属箔厚度方向为[001]轴的3(2)轴取向的材料形成配线,从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面法线,与箔面内的[100]轴之间具有2.9°至87.1°的范围的角度。
另外,根据该第二种策略,可以使弯曲部中的主应力方向的金属箔的断裂伸长率在3.5%以上,即使对于曲率半径2mm以下的反复的应变或应力,也难以引起金属疲劳,获得弯曲性高的柔性电路板。另外,在本发明中,通过将上述第一种策略和该第二种策略加以组合,能够更可靠地获得金属疲劳特性及弯曲特性优异的柔性电路板,可以使主应力方向的金属箔的断裂伸长率在3.5%以上,优选地在4%以上,更优选地在9%以上。另外,对于断裂伸长率的上限,作为面心立方结构的单位晶格的基本结晶轴<100>,相对于金属箔的厚度方向(箔面法线方向)和存在于箔面内的一个方向(其中的一个是轧制方向)两个正交轴,方位差分别在10°以内的优先取向区域,以面积率计为50%、并且厚度为18μm的在本发明的范围内取得的轧制箔的上限,可以规定为20%以下,但是在采取铜的单位晶格的基本结晶轴<100>相对于金属箔的厚度方向和存在于箔面内的一个方向两个正交轴,方位差分别在10°以内的优先取向区域以面积率计占95%以上、并且厚度为12μm以下的更优选的形式的情况下,断裂伸长率的上限在15%以下。
对于本发明中的柔性电路板的树脂层,形成树脂层的树脂的种类没有特定的限制,可以列举出通常的柔性电路板使用的树脂,例如,可以列举出聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、液晶聚合物、聚苯硫醚、聚醚醚酮等。其中,由于在作为电路板的情况下显示出良好的柔性,并且耐热性也优异,所以,聚酰亚胺及液晶聚合物是合适的。
树脂层的厚度,可以根据柔性电路板的用途、形状等适当地设定,但是,从柔性的观点出发,5~75μm的范围是优选的,9~50μm的范围是更优选的,10~30μm的范围是最优选的。如果树脂层的厚度不足5μm,存在着绝缘可靠性降低的危险,相反地,如果超过75μm,在向小型设备上搭载的情况下,存在着电路板的整个厚度变得过分厚的危险性,弯曲性也会降低。
另外,在将柔性电路板应用于便携式电话的滑动件滑动部等时,往往在由金属箔形成的配线上粘贴由覆层膜等构成的覆盖部件,但是,在这种情况下,最好是考虑到施加到配线上的应力的平衡而设计覆盖部件和树脂层的结构。根据本发明人等的见解,例如,可以列举出将在25℃时的拉伸弹性率为4~6GPa、同时厚度在14~17μm范围的聚酰亚胺作为树脂层,以具有由厚度8~17μm的热固化树脂构成的粘结层和厚度7~13μm的聚酰亚胺层两层、并且粘结层和聚酰亚胺层的整个的拉伸弹性率为2~4GPa的覆层膜作为覆盖部件的结构例,以及,以在25℃时拉伸弹性率为6~8GPa、同时厚度在12~15μm范围内的聚酰亚胺作为树脂层,以由具有厚度8~17μm的热固化树脂构成的粘结层和厚度为7~13μm的聚酰亚胺层两层、并且粘结层和聚酰亚胺层整个的拉伸特弹性率为2~4GPa的覆层膜作为覆盖部件的结构例。
对于将树脂层和金属箔叠层的方法,例如在树脂层由聚酰亚胺构成的情况下,可以将热塑性聚酰亚胺涂布或者夹入到聚酰亚胺薄膜上而将金属箔热层压(所谓的层压法)。作为在层压法中使用的聚酰亚胺薄膜,例如,可以列举出“カプトン”(东レ·デュポン(杜邦)株式会社),“アピカル”(钟渊化学株式会社),“ユ-ピレックス”(宇部兴产株式会社)等。在加热压接聚酰亚胺薄膜和金属箔时,最好是在它们之间夹入显示热塑性的热塑性聚酰亚胺。另外,从容易抑制树脂层的厚度及弯折特性的观点出发,也可以在金属箔上涂布聚酰亚胺的前驱体溶液(也称之为聚酰亚胺酸溶液)之后,使之干燥、硬化,获得叠层体(所谓铸塑法)。
树脂层,也可以使多个树脂叠层而形成,例如,可以将线膨胀系数等不同的两种以上的聚酰亚胺叠层,但是,这时,从确保耐热性及弯曲性的观点出发,优选地,不使用环氧树脂等作为粘结剂,而是全部树脂层实质上由聚酰亚胺形成。包括由单独的聚酰亚胺构成的情况及由多个聚酰亚胺构成的情况在内,树脂层的拉伸弹性率最好是4~10GPa,优选地为5~8GPa。
在本发明的柔性电路板中,优选地,树脂层的线膨胀系数在10~30ppm/℃的范围内。在树脂层由多个树脂构成的情况中,令树脂层的整体的线膨胀系数在该范围内即可。为了满足这样的条件,例如,在由线膨胀系数在25ppm/℃以下、优选地5~20ppm/℃的低线膨胀性的聚酰亚胺层和线膨胀系数在26ppm/℃以上、优选地30~80ppm/℃的高线膨胀性的聚酰亚胺层构成的树脂层中,通过调整它们的厚度比,可以制成10~30ppm/℃的树脂层。优选的低线膨胀性聚酰亚胺层和高线膨胀性聚酰亚胺层的厚度之比,在70:30~95:5的范围内。另外,优选地,以低线膨胀性聚酰亚胺层成为以树脂层为主的树脂层、高线膨胀性聚酰亚胺层与金属箔接触的方式设置。另外,以酰亚胺化反应充分结束的聚酰亚胺作为试样,在利用热机械分析仪(TMA)升温到250℃之后,以10℃/分钟的速度冷却,可以从240~100℃的范围内的平均的线膨胀系数求出线膨胀系数。
另外,本发明的柔性电路板,具有树脂层和由金属箔形成的配线,在任意位置上都具有弯曲部而被使用。即,在以硬盘内的可动部、便携式电话的铰接部或滑动件滑动部、打印机的头部、光拾取部、笔记本PC的可动部等为代表的各种电子、电气设备等中广泛地使用,电路板本身弯折或者扭曲,或者根据所搭载的设备的动作变形,在任意位置上都形成弯曲部。特别是,由于本发明的柔性电路板具有弯曲耐久性优异的弯曲部结构,所以,在伴随着滑动弯曲、弯折弯曲、铰接弯曲、滑动弯曲等的反复动作的频繁地弯折的情况下,或者,为了能够对应于搭载的设备的小型化,曲率半径在弯折举动中为0.38~2.0mm,在滑动弯曲中为1.25~2.0mm,在铰接弯曲中为3.0~5.0mm,滑动弯曲为0.3~2.0mm的严苛的使用条件的情况下是合适的,在以0.3~1mm的窄的间隙、弯曲性能的要求严格的滑动用途中特别有效。
对于本发明中的柔性电路板的制造方法,作为其中之一,i)获得呈[001]轴最终沿着箔面法线(相对于金属箔的表面的垂线)取向的立方体集合组织的轧制金属箔和树脂层在金属箔表面上粘合的复合体,以令设计上的弯曲的主应力方向、即从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面法线方向相对于金属箔面内的[100]主方位具有2.9°~87.1°的角度、形成弯曲部中的棱线的方式进行配线,或者,ii)令构成配线的金属箔的纯度在99.999%以上,或者,iii)也可以同时采用i)和ii)的方法。
这时,金属箔没有必要从一开始就呈立方体集合组织,也可以通过热处理形成立方体集合组织,例如,可以在柔性电路板的制造过程中,具体地说,在树脂层的形成过程中进行热处理,形成立方体集合组织。即,可以通过热处理,以从<100>轴起方位差在10°以内的区域,以面积比计占50%以上的方式,使单位晶格的基本结晶轴<100>之一沿着金属箔的厚度方向优先取向,同时,以从<100>轴起方位差在10°以内的区域以面积比计占50%以上的方式,相对于基本结晶轴<100>的另外一个相对于金属箔的表面沿着水平方向优先取向。轧制铜箔的再结晶集合组织,通常,作为轧制面方位为{100}轧制方向为<100>。从而,作为轧制面方位,形成(001)主方位。另外,在使用纯度99.999%以上的金属箔的情况,即使以任何一个方位形成电路进行配线,断裂伸长率都可以确保3.5%以上,可以形成设计上适用范围广的柔性电路板。
更详细地说,对于采用第二种策略时的情况,如图3所示,例如,当使柔性电路板弯曲成U字形时,在其外侧(与形成具有曲率半径的内接圆的一侧的相反侧)形成棱线L,但是,该棱线L,只要是能够具有从与形成配线的金属箔的[100]轴正交的状态在α=2.9~87.1(°)范围内的倾角即可。这种状态的例子示于图4的(a)及图4(b)。顺便提及,图4的(c)及图4(d),是棱线L相对于[100]轴正交的状态(α=0)。这里,当α不足2.9°时,在弯曲性中,未确认明确的效果。如果α=11.4~78.6(°)的话,弯曲部结构的弯曲耐久性进一步提高。另外,在本发明中,在上述α=2.9°的情况,从棱线沿厚度方向d剖开时的配线的截面P,相当于(2010)面,在α=45°的情况,截面P相当于(110)面,在α=87.1°的情况,截面P相当于(1200)面。另外,在面心立方结构中,由于[100]和[010]等价,所以,如图4(a)及图4(b)所示的[100]的箔面内正交轴与棱线构成的角α的角度范围,与[100]和截面P的法线构成的角度范围以及[100]与棱线构成的角度范围相一致。
另外,配线的宽度、形状、图案等,没有特别的限制,可以根据柔性电路板的用途、搭载的电子设备等适当地设计,但是,本发明的弯曲部结构,由于弯曲耐久性优异,所以,即使在采用第二种策略的情况下,例如,为了缩小相对于配线的弯曲应力,也没有必要相对于铰接部的转动轴沿着倾斜的方向进行配线,能够沿着与弯曲部中的棱线正交的方向进行配线,即,能够以必要的最小限度的最短距离进行配线。图4(a)及图4(b),例如表示用于便携式电话的铰接部等的柔性电路板,是具有树脂层1和由金属箔形成的配线2和连接器端子3的例子。图4(a)及图4(b)的每一个,在中央附近表示弯曲部中的棱线L的位置,该棱线L,相对于形成配线2的金属箔的[100]轴方向,具有(90+α)°的角度。这里,图4(a)是在两端的连接器端子的途中、棱线L的附近倾斜低形成配线的例子,但是,如图4(b)所示,在连接器端子3之间,能够以最短的距离进行配线。另外,除了像折叠式便携式电话等这样的弯曲部棱线的位置被固定的情况之外,也可以是像滑动式便携式电话等那样的弯曲部中的棱线L移动的滑动件滑动弯曲(图4(b)所示的粗箭头方向)。另外,本发明的柔性电路板,至少在树脂层的一个面上配备有由金属箔构成的配线,但是,根据需要,也可以在树脂层的两个面上配备金属箔。
如上所述,在使柔性电路板弯曲时的弯曲部中,通过使构成配线的金属箔构成为高度地取向、同时向主应力及主应变方向的断裂伸长率大的金属箔,借助即使在进行反复的曲率半径小的高弯曲的反复弯曲时,也难以引起由于结晶的各向异性导致的局部的应力集中,并且,难以引起位错集聚两个效果,可以提供弯曲性优异的柔性电路板,所述柔性电路板不容易产生金属疲劳,对于应力及应变具有优异的耐久性,对柔性电路板的设定不会产生制约,能够耐受具有反复的弯折及曲率半径小的弯曲的强度。
实施例
下面,根据实施例及比较例,对本发明进行更具体的说明。另外,在实施例等中用的铜箔的种类及聚酰亚胺酸溶液的合成,如下面所述。
[铜箔A]
市售轧制铜箔,纯度99.9%,厚度9μm。
[铜箔B]
市售电解铜箔,纯度99.9%,厚度9μm。
[铜箔C]
无氧铜箔,纯度99.99%,厚度9μm,加工条件A。
杂质(mass ppm)氧:2,银:18,磷:2.1,硫磺:4,铁:1.5
[铜箔D]
精制铜箔,纯度99.999%,厚度9μm,加工条件A。
杂质(mass ppm)氧:2,银:5,磷:0.01,硫磺:0.01,铁:0.002
[铜箔E]
精制铜箔,纯度99.9999%,厚度9μm,加工条件A。
杂质(mass ppm)氧:<1,银:0.18,磷:<0.005,硫磺:<0.005,铁:0.002
[铜箔F]
精制铜箔,纯度99.9999%,厚度9μm,加工条件B。
杂质(mass ppm)氧:<1,银:0.18,磷:<0.005,硫磺:<0.005,铁:0.002
[铜箔G]
精制铜箔,纯度99.9999%,厚度9μm,加工条件C。
杂质(mass ppm)氧:<1,银:0.18,磷:<0.005,硫磺:<0.005,铁:0.002
[铜箔H]
市售轧制铜箔,纯度:99.9%,厚度12μm。
[铜箔的制造方法]
铜箔A和铜箔H,是市售的轧制铜箔,铜箔B是利用硫酸铜浴制造的市售的电解铜箔。它们都是作为高弯曲用品市售的铜箔,作为市售制品,99.9%的纯度是高纯度的。铜箔C~铜箔G,是本发明人加工的铜箔,是在石墨铸型内铸造凝固规定的纯度的铜原料,轧制加工、制成规定的厚度的铜箔。铸造坯料的厚度为10mm,在利用冷轧将厚度降低到1mm之后,对于铜箔C、铜箔D及铜箔E,实施300℃、30分钟的中间退火后,实施冷轧直到厚度为9μm(加工条件A)。另外,铜箔F,是不进行中间退火,实施冷轧直到厚度为9μm(加工条件B)的铜箔。进而,铜箔G是在800℃进行中间退火,实施冷轧,一直到厚度达到9μm(加工条件C)。
[聚酰亚胺酸溶液的合成]
(合成例1)
在配备有热电偶及搅拌机的同时能够导入氮气的反应容器中,加入N,N-二甲基乙酰胺。在该反应容器内,使2,2-双[(4-(4氨基苯氧基)苯基)]丙烷(BAPP)在容器中边搅拌边溶解。其次,加入均苯四酸酐(PMDA)。以单体的投入总量为15wt%的方式投入。之后,继续搅拌3小时,获得聚酰亚胺酸a的树脂溶液。该聚酰亚胺酸a的树脂溶液的溶液粘度为3,000cps。
(合成例2)
在配备有热电偶及搅拌机的同时能够导入氮气的反应容器中,加入N,N-二甲基乙酰胺。在该反应容器内,投入2,2’-二甲基-4,4’-二氨基联苯(m-TB)。其次,加入3,3’,4,4’-联苯四酸酐(BPDA)及均苯四酸酐(PMDA)。以单体的投入总量为15wt%,各个酸酐的摩尔(mol)比(BPDA:PMDA)为20:80的方式投入。之后,连续搅拌3小时,获得聚酰亚胺b的树脂溶液。该聚酰亚胺酸b的树脂溶液的溶液粘度为20,000cps。
[实施例1]
在从铜箔A到铜箔G的7种铜箔上涂布上述准备好的聚酰亚胺酸溶液a,使之干燥(硬化后,形成膜厚2μm的热塑性的聚酰亚胺),在其上涂布聚酰亚胺酸b,使之干燥(硬化后形成膜厚9μm的低热膨胀性聚酰亚胺)进而,在其上涂布聚酰亚胺酸a使之干燥(硬化后,形成膜厚2μm的热塑性聚酰亚胺),经过300~360℃的温度、累计时间5分钟以上的负荷的加热条件,形成由三层结构构成的聚酰亚胺层。其次,切割出沿着铜箔的轧制方向(MD方向)长度为250mm、相对于轧制方向正交的方向(TD)方向宽度为150mm的长方形,如图5所示,获得具有厚度为13μm的聚酰亚胺层(树脂层)1和厚度为9μm的铜箔2的单面粘贴层压板4。这时的树脂层整个的拉伸弹性率为7.5GPa。
对于上述获得的单面粘贴层压板4,相对于从铜箔A至铜箔G的各个铜箔2的轧制面2a,使用胶态氧化硅,进行机械、化学的研磨之后,利用EBSP装置进行范围分析。使用的装置,是日立制作所制造的FE-SEM(S-4100),TSL社制造的EBSP装置,以及软件(OIMAnalysis5.2)。测定区域大致是800μm×1600μm的区域,测定时的加速电压20kV,测定间隔4μm。取向性的评价,利用<100>相对于箔的厚度及箔的轧制方向而言在10°以内的测定点相对于全部测定点的比例来表示。测定数,对于各个品种的个体不同的5个试样实施,将百分率的小数点以下,进行四舍五入。另外,利用获得的数据,以相邻的晶粒的方位差在15°以上的晶粒作为晶界进行晶粒的粒子直径的评价,对于多结晶体,求出平均粒子直径。其结果表示在表1。
[表1]
用各种铜箔构成的柔性电路板的铜箔的集合组织的集聚度MIT弯曲试验结果、拉伸试验结果
可以看出,除了铜箔B之外,轧制铜箔都形成立方体集合组织,铜箔面方位、轧制反复都具有{001}<100>的主方位。这是因为,轧制加工的铜箔,借助聚酰亚胺的硬化时的热再结晶,形成再结晶集合组织。但是,形成再结晶集合组织的程度,因品种的不同而异,对于铜箔A、C、D及E的立方体方位的取向性极高。立方体方位取向度,在纯度99.9以上的铜箔主,与其纯度无关,对于铜箔的加工方法依存性大。这些铜箔,在800×1600μm的视野中,整个视野由具有立方体方位的粒子构成,变成在其内部方位不同的5μm以下的晶粒分散成岛屿状的组织。由于岛屿状组织的面积率小到2%以下,所以,具有立方体方位的再结晶晶粒,具有相同的方位,并一体化,再结晶晶粒的大小,在厚度方向上和箔的厚度相同为9μm,在箔面内,在800μm以上。另外,铜箔F、铜箔G的具有立方体方位的再结晶晶粒,由于面积率不高,所以,相互独立地存在,箔面内的平均粒子直径,分别为25μm、20μm。另一方面,电解铜箔B,是平均粒子直径1μm的多晶体,几乎看不出取向性。
其次,在上述获得的单面粘贴层压板4的铜箔的两侧,被覆规定的掩模,利用氯化铁/氯化铜系溶液进行蚀刻,如图6所示(其中,配线方向H和MD方向构成的角度为0°),以形成线宽度(I)为150μm的直线状的配线2的配线方向H(H方向)与MD方向(<100>轴)平行的方式、并且间隔宽度(s)为250μm的方式,形成配线图形。并且,以兼作后面描述的耐弯曲试验用的样品的方式,获得以JIS6471作为基准,沿着电路板的配线方向H、长度为150mm、在与配线方向H正交的方向上,宽度为15mm的试验用柔性电路板5。
利用上述获得的试验用柔性电路板,以JIS C5016为基准,进行弯曲试验。图7表示试验的模式图。装置使用东洋精机制作所制的装置(STROGRAPH-R1),将试验用柔性电路板5的长度方向的一端,固定到弯曲试验装置的卡盘夹具上,利用砝码将另一端固定,一面以卡盘部为中心,在振动速度150次/分钟的条件下使之左右交互地每次旋转135±5度,以曲率半径成为0.8mm的方式使之弯曲,将电路板5的配线2的导通被切断为止的次数作为弯曲次数求出。
在这种试验条件下,由于形成在弯曲部上的棱线受到相对于试验用柔性电路板5的配线2的配线方向H正交的弯曲,所以,外加到铜电路上的主应力、主应变,变成与轧制方向平行的拉伸张力,拉伸应变。弯曲试验之后,当从铜箔的厚度方向观察电路时,在弯曲部中的棱线附近,确认基本上与轧制方向垂直地发生裂纹,形成断续线。表1表示弯曲寿命的结果。表1的弯曲寿命,是对于每一种铜箔分别准备5个试验用柔性电路板的结果的平均。
从表1所示的结果可以看出,弯曲疲劳寿命依存于立方体集合组织的集聚度,但是,利用相同的加工方法制作、取向度也基本上同等的铜箔C、铜箔D、铜箔E的弯曲疲劳寿命有大的差异。
其次,为了研究弯曲寿命的支配因素,进行与弯曲主应力、主应变方向,即轧制方向平行的拉伸试验。为了研究铜箔单体的特性,从蚀刻之前的单面铜粘贴层压板4上将树脂层溶解掉,进行铜箔单体的拉伸试验。在溶解聚酰亚胺的过程中,确认铜箔的组织中没有变化。
拉伸试验,使用切割成在铜箔的轧制方向(MD方向)长度为150mm、在箔面内与该轧制方向正交的方向上的宽度为10mm的试样,在长度方向上,以100mm的计测标点距离、10mm/min的拉伸速度进行测定。在测定中,对于每一种铜箔,分别准备7个试样,对它们进行测定求出的断裂应力(抗断强度)、及断裂拉伸率的平均值在表1表示。
其结果是,可以看出,在集合组织发达的铜箔中,不仅抗断强度,而且断裂拉伸率都与弯曲疲劳寿命相关。另外,铜箔B、强度、断裂拉伸率都大,但是,这反映了它是晶粒微细的多晶体。从而,铜箔B,由于集合组织不发达,所以,其结果是,疲劳寿命差。另外,当比较立方体集合组织的集聚度同等的纯度99.99%的铜箔C和纯度为99.999%的铜箔D时,得到铜箔D对于弯曲的疲劳特性大的优异结果。由于这两个铜箔的氧浓度相同,内部的氧化铜的分散量也小,是同等的,所以断裂拉伸率的差异不是由氧化铜引起的差异,而是由于纯度的不同引起的断裂拉伸率的差异。
上面,根据实施例1所示的结果,可以看出,为了获得比一般的高弯曲用铜箔更好的特性,下面的条件是必要的,即,基本晶轴<100>相对于和金属箔的厚度方向及存在于箔面内的某一个方向的两个正交轴,以方位差分别在10°以内的优先取向区域,以面积率计占50%以上的方式,具有主方位,并且,相对于从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开的配线的截面P的法线方向的金属箔的断裂拉伸率在3.5%以上。另外,可以看出,通过99.999%以上的极高的纯度,并且使立方体方位发达,成为断裂拉伸率提高,对于在该方向上外加主应力、主应变这样的反复的弯曲,疲劳寿命长的柔性电路板。
[实施例2]
其次,如图6所示,对于利用和实施例1相同的方法制作的铜箔A和铜箔E的单面铜粘贴层压板,以线宽度(I)150μm的直线状的配线2的配线方向H(H方向)相对于MD方向([100]轴)具有30°及45°的角度、并且具有250μm的间隙宽度(s)的方式,形成配线图形。并且,以兼作后面描述的耐弯曲试验用的样品的方式,获得以JIS6471为基准,在沿着电路板的配线方向H的长度方向上具有150mm的长度,在与配线方向H正交的方向上具有15mm宽度的试验用柔性电路板5。图6是以试验用柔性电路板5的配线方向H与MD方向的夹角为45°的方式切割出来时的例子。
对于上述获得的试验用柔性电路板5,以和实施例1相同的条件,实施反复的弯曲疲劳试验。另外,利用150mm×10mm的试样,进行和实施例1同样的拉伸试验,所述试样是以试验用柔性电路板5的配线方向H和MD方向构成的夹角相同的方式,从蚀刻之前的单面铜粘贴层压板4上将树脂层溶解掉,以长度方向相对于轧制方向具有30°及45°的角度的方式切割出来的。即,在铜箔的疲劳试验中的主应力、主应变方向,与拉伸试验的拉伸方向一致,由于铜箔A和铜箔E,都是立方体集合组织高度发达的,所以,在疲劳试验和拉伸试验中,在相同的结晶方位上受到主应变和主应力。疲劳试验、拉伸试验的结果在表2表示。
[表2]由各种铜箔构成的柔性电路板的MIT试验结果和拉伸试验结果
从表2所示的结果可以看出,通过令主应力、主应变避开<100>方位,可以获得高的疲劳特性。这些方位上,断裂拉伸率也显著比<100>方位大,特别是,在30°的情况下,疲劳寿命也和断裂拉伸率一起变长。
从上述实施例2的结果可以看出,在对于高应变的反复弯曲而言的柔性电路板的疲劳寿命和构成配线的铜箔的断裂拉伸率之间,铜箔高度地取向的情况,具有高的相关性。如在实施例1中看到的,在多晶体中,获得更高的强度和延展性,但是,在高弯曲用途中,是无效的。从而,这种疲劳寿命与具有高度地集聚的集合组织的条件的断裂拉伸率的关系,滑移系负担重要的作用,不仅限于铜,只要是具有滑移系的面心立方方位金属就可以成立,如果是叠层缺陷能量不同的金属,预计断裂拉伸率也更大,可以期待疲劳寿命变大。
[实施例3]
在纯度为99.9mass%、厚度12μm的轧制铜箔H上,涂布利用与合成例1相同的方法准备的聚酰亚胺酸溶液a而使之干燥(硬化后形成膜后2μm的热塑性聚酰亚胺),在其上,涂布聚酰亚胺酸b,使之干燥(硬化后形成膜后8μm的低热膨胀性聚酰亚胺),进而,在其上通过聚酰亚胺酸a,使之干燥硬化后形成膜后2μm的热塑性聚酰亚胺),如下面的条件a~d所示,经过最高温度180~240℃的温度累计时间10分钟的加热条件,形成聚酰亚胺层(树脂层)。
其次,切割出沿着铜箔的轧制方向(MD方向)长度为250mm、相对于轧制方向正交的方向(TD方向)宽度150mm的长方形,获得具有厚度12μm的聚酰亚胺层(树脂层)1和厚度12μm的铜箔2的实施例3的单面铜粘贴层压板4。
在上述获得的单面铜粘贴层压板4的铜箔侧,被覆规定的掩模,利用氯化铁/氯化铜系溶液进行蚀刻,根据IPC规格,形成具有线宽150μm及间隔宽度250μm的直线状的配线的低速IPC试验用的配线2。在这种制造过程中,聚酰亚胺层的形成时的加热条件的最高温度,以180℃(条件a)、200℃(条件b)、220℃(条件c)及240℃(条件d)作为4个水准,另外,以直线状的配线2的配线方向(H方向)相对于轧制方向(MD方向),具有下述22个水准的角度的方式,分别形成配线图形,其中,所述22个水准的角度分别为:0°、2°、2.9°、5.7°、9.5°、11.4°、14°、18.4°、25°、26.6°、30°、40°、45°、55°、60°、63.4°、78.6°、80°、82.9°、87.1°、88°、及90°。
其次,如图8(b)所示,在各个配线图形侧的面上,利用环氧树脂系粘结剂,层压覆盖部件7(有泽制作所制CVK-0515KA:厚度12.5μm)。由粘结剂构成的粘结层6的厚度,在没有铜箔的部分为15μm。在存在铜箔电路的部分为6μm。另外,以沿着配线方向(H方向)长度为15cm、在与配线正交的方向上宽度为8mm的方式进行切割,获得作为IPC试验样品用的试验用柔性电路板。
另一方面,为了研究铜箔单体的特性,如下面所述,进行拉伸试验。以上述试验用柔性电路板5的配线方向H和MD方向构成的夹角的关系,变成同样的22个水准的方式,从蚀刻前的单面铜粘贴层压板4上将树脂层溶解掉,作为铜箔单体,准备长度方向相对于轧制方向具有上述22个水准的角度的方式切割出的长度150mm×宽度10mm的矩形试样。这时,在溶解聚酰亚胺的过程中,确认铜箔的组织没有变化。拉伸试验,以在长度方向上计测标点之间的距离为100mm、10mm/min的拉伸速度进行测定。
另外,作为利用EBSP进行组织分析用的试样,对于在条件a~d的热处理条件下制作的单面铜粘贴层压板,共计制作20个以相对于轧制方向为0°、2.9°、30°、63.4°、及78.6°的5个角度切割出的没有配线图形的试样。为了使热履历与IPC试验样品一致,在和电路形成蚀刻相同的条件下进行模拟的热处理,进而,在相同的条件叠层覆盖部件。但是,后来判明,这些对于铜箔组织的影响是轻微的,铜箔组织由聚酰亚胺形成时的条件a~d的热处理条件决定。
并且,对于如上所述制作的EBSP测定用的具有四个水准的热处理条件及5个水准的角度条件的20个铜箔H,在电路板厚度方向上进行研磨,以具有与研磨之前的箔面水平的面的方式,使铜箔H的箔面露出。进而,利用胶态氧化硅进行精抛光,利用EBSP评价铜箔H的组织。测定区域为0.8mm×1.6mm,测定间隔为4μm。即,一个区域的测定点数为80000点。可以看出,其结果是,以条件a至条件d的热处理条件热处理的试样,都形成立方体集合组织,铜箔面方位、在轧制方向上,具有{001}<100>的主方位。并且,根据所获得的结果,对于单位晶格轴<001>相对于铜箔的厚度方向和轧制方向而言在10°以内的点的数目进行计数,计算其相对于全部点数的比例,求出平均值。其结果表示在表3中。在相同的加热条件下试样间的偏差在1%以内,可以说,在相同的热处理条件下,整个铜箔面具有表3所示的集聚度。可以看出,最高热处理温度越高、热履历越大,越进行再结晶,立方体再结晶集合组织的集聚度变得越高。另外,进行箔面内的方位分析的结果,以相对于轧制方向以0°、2.9°、30°、63.4°、及78.6°的5个角度切割出的试样的切割方向的主方位,具有[100]、[20 1 0]、[40 23 0]、[120]、[150],基本上如规定的那样。另一方面,利用获得的EBSP数据,将相邻的结晶晶粒的方位差在15°以上的作为晶界进行分析,进行在从箔面法线方向观察时的结晶粒子直径的评价,对于多晶体,求出其平均粒子直径。其结果表示在表3。
[表3]
铜箔厚度方向和轧制方向的<001>集聚度、及结晶粒子直径
加热条件 |
箔的厚度方向 |
轧制方向 |
再结晶晶粒的粒子直径(μm) |
条件a |
46% |
49% |
20 |
条件b |
50% |
50% |
25 |
条件c |
75% |
85% |
200 |
条件d |
98% |
99% |
>800 |
IPC试验,在图8中表示其模式图,是模拟用于便携式电话等的弯曲形式之一的滑动弯曲的试验。如图8所示,IPC试验,是以规定的间隙长度8设置弯曲部,用固定部9将一侧固定,使相反侧的滑动动作部10如图10所示地反复地往复运动的试验。从而,在对应于往复运动的部分的行程量的区域,电路板受到反复的弯曲。在本实施例中,令聚酰亚胺层(树脂层)1作为外侧,进行令间隙的长度为1mm,即,弯曲半径为0.5mm,行程为38mm的反复滑动的试验。在试验中,进行试验用柔性电路板的电路的电阻的测定,监测由于电阻的增加,铜箔电路的疲劳裂纹的进展程度。在本实施例中,将电路电阻达到初始值的2倍的行程次数作为电路的断裂寿命。
对于上述条件a~条件d的4个热处理条件,对于形成具有22个水准的角度的配线图形的共计88个水准,进行试验。在各个试验水准中,对于4个试验片进行测定,求出电路断裂行程次数的平均值。当对于电路断裂寿命之后的铜箔,以与滑动方向正交的方式,利用扫描型电子显微镜观察沿厚度方向将铜箔剖开的截面时,虽然在程度上有差别,但是观察到在树脂层侧即覆盖部件侧的各个铜箔表面上发生裂纹,特别是,在作为弯曲部的外侧的树脂层侧的铜箔表面上引入多个裂纹。
各个水准的电路断裂寿命的平均值,以及在拉伸试验中的断裂拉伸率表示在表4。在表4的角度栏里,对于电路长度方向(配线方向),即从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面P,只表示出在变成低指数的情况下时的晶面指数。
[表4]
IPC试验中的疲劳寿命和断裂拉伸率
可以看出,IPC试验中的断裂寿命(疲劳寿命),在很大程度上依存于电路长度方向(H方向)和轧制方向(MD方向)构成的角度,即,从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的法线方向与[100]构成的角度。在条件b、条件c、及条件d中发现这种依存性,立方体方位的集聚度越高,对于反复弯曲的疲劳寿命越大,并且,方位依存性越大,另外,已经确认,在下面所述的情况下,发现该方位依存性,所述情况为:以相对于金属箔的厚度方向,铜的[001]处于方位差10°以内的区域,在利用EBSP法进行的评价中以面积比计占50%以上的方式,<001>主方位在金属箔的厚度方向上优先取向,同时,以位于距离铜的[100]轴方位差10°以内的区域,在利用EBSP法进行的评价中,以面积比计占50%以上的方式,[100]主方位在金属箔面内优先取向。特别是,可以看出,在厚度方向及轧制方向以面积比计分别显示出75%以上及85%以上、立方体方位的集聚度高的条件c的情况下,疲劳寿命大,另外,方位依存性的效果变大,在厚度方向及轧制方向以面积比计占分别显示出98%以上及99%以上、立方体方位集聚度极高的条件d的情况下,疲劳寿命更大,并且,方位依存性的效果更大。
当详细研究条件b、条件c、条件d的结果时,发现从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线截面P的法线方向,即主应力方向偏离铜箔的<100>主方位时,电路对于弯曲的疲劳寿命高。在本实施例的IPC试验中,能够看出效果的情况是,相对于弯曲部的主应变方向,即,相对于从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面法线方向,具有2.9°~87.1°的角度时的情况。当利用晶面指数表示这种情况时,是从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面P,位于以[001]作为晶带轴从(20 1 0)通过(110)到(1 20 0)的范围内时的情况。其中,效果大的情况是,相对于弯曲部的主应变方向,即,相对于从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面法线方向,具有11.4°~78.6°的角度时的情况。当利用晶面指数表示这种情况时,是从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面P,位于以[001]作为晶带轴从(510)通过(110)到(150)的范围内时的情况。在相对于弯曲部的主应变方向、即相对于从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面法线方向具有26.6°~63.4°的情况下,弯曲特性变得更高,最优异的情况是,在30°和60°时的情况。当利用晶面指数表示这种情况时,是截面P以[001]作为晶带轴,从(210)通过(110)到(120)的范围内时的情况,最优异的情况是,在(40 23 0)及(23 400)附近时。
在比较这些结果和断裂拉伸率时,可以看出,在面心立方结构的单位晶格的基本结晶轴<100>相对于金属箔的厚度方向和存在于箔面内的某一个方向的两个正交轴,分别在方位差10°以内的优先取向区域以面积率占据50%以上的方式,具有主方位的情况,如果相对于从弯曲部中的棱线沿金属箔厚度方向剖开的配线的截面P的法线方向的金属箔的断裂拉伸率在3.5%以上的话,相对于在该方位上发生主应力、主应变的弯曲,具有良好的弯曲疲劳特性。另一方面,在<100>优先取向区域的面积率在49%以下的情况,即使该方向的断裂拉伸率也显示出3.5%以上的值,也不能获得良好的弯曲疲劳特性。
[实施例4]
对于纯度99.99%的铜箔C,在Ar气流中以180℃~400℃的5个水准的温度,施加30分钟的热处理(预备热处理),利用和实施例相同的方法,涂布聚酰亚胺酸溶液a,使之干燥(硬化后形成膜厚2μm的热塑性聚酰亚胺),在其上涂布聚酰亚胺酸溶液b,使之干燥(硬化后形成膜厚9μm的低热膨胀性聚酰亚胺),再在其上涂布聚酰亚胺酸溶液a,使之干燥(硬化后形成膜厚2μm的热塑性聚酰亚胺),经过300~360℃温度、累计时间5分钟以上的负荷加热条件,形成由3层结构形成的聚酰亚胺层。接着,沿着铜箔轧制方向(MD)方向切割出长度250mm、沿着相对于轧制方向正交的方向(TD方向)宽度为150mm的长方形,如图5所示,获得具有厚度13μm的聚酰亚胺层(树脂层)1和厚度9μm的铜箔2的单面铜粘贴层压板4。这时的树脂层的全体的拉伸弹性率为7.5GPa。
对于上述获得的单面铜粘贴层压板4,在对铜箔2的轧制面2a使用胶态氧化硅进行机械的、化学的研磨之后,利用EBSP装置进行方位分析。使用的装置,是日立制作所制造的FE-SEM(S-4100),TSL社制造的EBSP装置,以及软件(OLM Analysis5.2)。测定区域大致是800μm×1600μm的区域,测定时的加速电压20kV,测定间隔4μm。取向性的评价,利用<100>相对于箔的厚度及箔的轧制方向而言在10°以内的测定点相对于全部测定点的比例表示。测定数,对于各个品种的个体不同的5个试样实施,将百分率的小数点后第二位四舍五入。另外,利用获得的数据,以相邻的结晶的方位差在15°以上的作为结晶晶界,进行结晶粒子直径的评价,求出对于多晶体的平均粒子直径。其结果表示在表5中。
[表5]
利用各种铜箔构成的柔性电路板的铜箔的集合组织的集聚度MIT弯曲试验结果、拉伸试验结果
可以看出,铜箔C都形成立方体集合组织,铜箔面方位、轧制方向都具有{001}<100>的主方位。这是因为,被轧制加工的铜箔,借助预备热处理和聚酰亚胺的硬化时的热再结晶,形成再结晶集合组织。这里,预备热处理温度越高,{001}<100>的取向度变得越大。另外,利用和上面同样的EBSP装置确认了<100>方位之外的方位,相对于轧制方向,具有<212>的方位,相当于圆的直径在5μm以下的再结晶残留方位分散成岛屿状。但是,在以400℃进行预备热处理的铜箔中,几乎没有看到这种岛屿状的组织。另外,由于确认的岛屿状组织的面积率小到2%以下,所以,具有立方体方位的再结晶的晶粒,具有相同的方位并一体化。另外,再结晶晶粒的大小,在厚度方向上与箔厚相同,为9μm,在箔面内在800μm以上。
其次,在上述获得的单面粘贴层压板4的铜箔的两侧,被覆规定的掩模,利用氯化铁/氯化铜系溶液进行蚀刻,如图6所示(其中,配线方向H和MD方向构成的角度为0°),以形成线宽度(I)为150μm的直线状的配线2的配线方向H(H方向)与MD方向(<100>轴)平行的方式、并且间隔宽度(s)为250μm的方式,形成配线图形。并且,以兼作后面描述的耐弯曲试验用的样品的方式,获得以JIS6471作为基准,沿着电路板的配线方向H具有长度为150mm、在与配线方向H正交的方向上具有宽度为15mm的试验用柔性电路板5。
利用上述获得的试验用柔性电路板,以JIS C5016为基准,进行弯曲试验。试验的模式图表示在图7。装置使用东洋精机制作所制的装置(STROGRAPH-R1),将试验用柔性电路板5的长度方向的一端,固定到弯曲试验装置的卡盘夹具上,利用砝码将另一端固定,一面以卡盘部为中心,在振动速度150次/分钟的条件下使之左右交互地每次旋转135±5度,以曲率半径成为0.8mm的方式使之弯曲,将电路板5的配线2的导通被切断为止的次数作为弯曲次数求出。
在这种试验条件下,由于形成在弯曲部上的棱线受到相对于试验用柔性电路板5的配线2的配线方向H正交地弯曲,所以,外加到铜电路上的主应力、主应变,变成与轧制方向平行的拉伸张力,拉伸应变。弯曲试验之后,当从铜箔的厚度方向观察电路时,在弯曲部中的棱线附近,确认基本上与轧制方向垂直地发生裂纹,形成断续线。弯曲寿命的结果示于表5。表5的弯曲寿命,是对于每一个铜箔的预备热处理温度,分别准备5个试验用柔性电路板的结果的平均。从表5所示的结果可以看出,弯曲疲劳寿命在立方体集合组织的集聚度在98.0%以上、99.8%时变得特别大。
其次,为了研究弯曲寿命的支配因素,进行与弯曲主应力、主应变方向,即轧制方向平行的拉伸试验。为了研究预备热处理温度引起的铜箔单体的特性,从蚀刻之前的单面铜粘贴层压板4上将树脂层溶解掉,进行铜箔单体的拉伸试验。在溶解聚酰亚胺的过程中,确认铜箔的组织中没有变化。
拉伸试验,使用切割成在铜箔的轧制方向(MD方向)长度为150mm、在箔面内与该轧制方向正交的方向上的宽度为10mm的试样,在长度方向上,以100mm的计测标点距离、10mm/min的拉伸速度进行测定。在测定中,对于铜箔的每一个预备处理温度,分别准备7个试样,对它们进行测定求出的断裂应力(抗断强度)、及断裂拉伸率的平均值在表5表示。
与此前的结果相反,在<100>集聚度(%)在98.0%以上、99.8%以下的区域,每次集聚度增加,断裂拉伸率变大。另一方面,在岛屿状组织消失的铜箔中,断裂拉伸率变小。这可以推测为与滑移面有关系。从上面所述,确认断裂拉伸率和弯曲疲劳寿命具有强的相关性。即,可以看出,在<100>集聚度(%)在98.0%以上、99.8%以下,集合组织高度发达,并且,断裂拉伸率在3.5%以上的情况下,弯曲疲劳寿命变大。
另一方面,在相同的条件下,利用含有0.035质量%的氧的纯度99.9%的反射炉精炼铜制作铜箔,在相同的条件下实施试验时,即使<100>集聚度(%)在98.0%以上,断裂拉伸率随着集聚度变大而减少,不能获得3.5%以上的铜箔,不能获得1000次以上的疲劳寿命。
工业上的利用可能性
根据本发明的柔性电路板,可以在各种电子、电气设备中广泛使用,适合于电路板本身弯折、扭曲、或者根据搭载的设备的动作发生变形,在任意位置具有弯曲部而进行使用。特别是,本发明的柔性电路板,由于具有弯曲耐久性优异的弯曲部结构,所以,在伴随着滑动(摺動)弯曲、弯折弯曲、铰接弯曲、滑动(スライド)弯曲等的反复动作的频繁地弯折的情况下,或者在为了应对搭载的设备的小型化,要求曲率半径变得极小的弯曲部的情况下,本发明的电路板是适合的。因此,可以很好地用于以要求耐久性的薄型的便携式电话、薄型的显示器、硬盘、打印机、DVD装置为代表的各种电子设备。
符号说明
1:树脂层
2:配线(金属箔)
2a:轧制面
2b:侧面
3:连接器端子
4:单面铜粘贴层压板
5:试验用柔性电路板
6:粘结层
7:覆盖部件8:间隙长度
9:固定部
10:滑动动作部
21:截面P的法线方向
L:棱线
P:从弯曲部中的棱线沿厚度方向剖开时的配线的截面