JP2014086664A - 配線基板、電子機器、および配線基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伸張が繰り返されても配線の導電性を維持することが可能な配線基板を提供する。
【解決手段】複数の配線が互いに離れて配列された基材１であって、複数の配線の配列方向に伸張可能な基材１と、複数の配線同士を電気的に接続する液体金属１８と、液体金属１８を封止し、基材１とともに配列方向に伸張可能な絶縁部材１３と、を有し、液体金属１８が、複数の配線に渡って接する配線接続部１８ａと、配線接続部１８ａの配線とは反対側に形成され、絶縁部材１３の伸張により押し潰されて配列方向に広がるように変形する山部１８ｂと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、柔軟性が求められる配線基板、電子機器、および配線基板の製造方法に関する。

近年、ヘルスケアの分野では、日常生活を送りながら生体情報を取得して健康管理に役立てるといったニーズが高まっている。このようなニーズに対応した電子機器には、日常生活における人の動作を制約しないように柔軟性が求められる。そのため、このような電子機器には、一般的に、柔軟性を備えた配線基板、いわゆるフレキシブル配線基板が用いられている。フレキシブル配線基板には、配線を断線しにくくするための手段として印刷工法で薄膜化した配線を形成する技術が知られている（特許文献１参照）。

図１１は、本発明に関連する配線基板の断面図である。

図１１に示す配線基板１００では、印刷工法で薄膜化された配線層１０２が基材１０１に形成されている。基材１０１は、方向Ｄ（図１１参照）に伸張可能である。配線層１０２は、その一部を除いて絶縁部材１０３で封止されている。その一部には、パッド１０４および導電バンプ１０５が形成されている。導電バンプ１０５には、電子部品１０６が実装されている。電子部品１０６は、上述した生体情報を検出可能なセンサ、そのセンサの駆動回路などで構成されている。

特開２００３−８６９０６号公報

上述した配線基板１００は、取り付け箇所によっては伸張が頻繁に繰り返される可能性がある。配線基板１００では、配線層１０２は、薄膜化されているものの一本の配線として構成されている。そのため、この配線が長いと、配線基板１００の伸張の繰り返しによって配線層１０２の断線が懸念される。

本発明は、伸張が繰り返されても配線の導電性を維持することが可能な配線基板、電子機器、配線基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の配線基板は、複数の配線が互いに離れて配列された基材であって、前記複数の配線の配列方向に伸張可能な基材と、前記複数の配線同士を電気的に接続する液体金属と、前記液体金属を封止し、前記基材とともに前記配列方向に伸張可能な絶縁部材と、を有し、前記液体金属が、前記複数の配線に渡って接する配線接続部と、前記配線接続部の前記配線とは反対側に形成され、前記絶縁部材の伸張により押し潰されて前記配列方向に広がるように変形する山部と、を有する。

上記目的を達成するために本発明の電子機器は、上記配線基板と、上記配線基板に実装される電子部品と、を有する。

上記目的を達成するために本発明の配線基板の製造方法は、伸張可能な基材に複数の配線を互いに離して配列する配線形成工程と、前記複数の配線同士を電気的に接続するように液体金属を塗布する配線接続工程と、前記基材とともに前記配列方向に伸張可能な絶縁部材で前記液体金属を封止する封止工程と、を有し、前記配線接続工程は、前記複数の配線に渡って接する配線接続部と、前記配線接続部の前記配線とは反対側に配置され、前記絶縁部材の伸張で押し潰されて前記配列方向に広がるように変形する山部と、を前記液体金属で形成する工程を含む。

本発明によれば、伸張が繰り返されても配線の導電性を維持することが可能となる。

実施形態１に係る電子機器の要部の断面図である。 図１に示す配線基板が伸張した状態を示す断面図である。 図１に示す電子機器の平面図である。 図３に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。 配線接続部と配線層との電気的な接続形態の一例を示す断面図である。 配線接続部と配線層との電気的な接続形態の一例を示す断面図である。 配線接続部と配線層との電気的な接続形態の一例を示す断面図である。 実施形態１の配線基板の製造工程を説明するための断面図である。 実施形態２に係る電子機器の要部の断面図である。 図９に示す配線基板が伸張した状態を示す断面図である。 本発明に関連する配線基板の断面図である。

（実施形態１）
本発明の実施形態１について説明する。図１は、実施形態１に係る電子機器の要部の断面図である。本実施形態の電子機器１は、配線基板１０と、配線基板１０に実装された電子部品１７と、を有する。図２は、図１に示す配線基板１０が伸張した状態を示す断面図である。図３は、図１に示す電子機器の平面図である。図４は、図３に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。

配線基板１０では、複数の配線層１２が基材１１に形成されている（図３参照）。各配線層１２は、配列方向Ｄに互いに離れて配列された複数の配線１２ａ〜１２ｅで構成されている（図１参照）。配線層１２には、電気抵抗が低く、後述する液体金属１８を溶融させない材料を用いることが望ましい。配線層１２の形状としては、高い生産性、携帯性、柔軟性を確保するために薄膜化することが望ましい。これらのことを考慮すると配線層１２は、金属ナノ粒子を印刷した印刷配線であることが望ましい。金属ナノ粒子の素材は、特殊な環境、大型設備を必要とせず、取り扱いが可能な金、銀、または銅であることが望ましい。

配線１２ａ〜１２ｅ同士は、液体金属１８で電気的に接続されている。液体金属１８は、配線接続部１８ａと山部１８ｂとで構成されている。配線接続部１８ａは、配線１２ａ〜１２ｅに渡って接している部分である。山部１８ｂは、配線接続部１８ａの配線１２ａ〜１２ｅとは反対側に形成された部分である。液体金属１８の素材としては、ガリウムとインジウムの合金、ビスマス、錫、鉛、カドミウムの合金、水銀などが挙げられる。特にガリウムの含有量が７５．５％であり、かつインジウムの含有量が２４．５％の合金は、融点が低く（約１５℃）、液体金属１８に最適である。ガリウムとインジウムの合金は、大気中で酸化膜を形成し形状を保持することができる。そのため、山部１８ｂの形状が安定しやすくなる。

本実施形態では、図４に示すように、配線接続部１８ａは、配線層１２の表面全体を覆っている。しかし、本発明では、配線接続部１８ａと配線層１２との電気的な接続形態は、図４に示す形態に限定されない。例えば、図５に示すように、配線接続部１８ａは、配線層１２の幅方向の両面のみを覆う形態であってもよい。この接続形態の場合、配線層１２の上面を覆わない分液体金属１８の使用量を減らすことができる。

また、図６に示すように、基材１１における配線層１２に対向する位置に形成された凹部１１ａに配線接続部１４ａが充填され、この配線接続部１４ａに配線層１２が積層された接続形態であってもよい。この接続形態の場合、凹部１１ａによって配線接続部１４ａの形状が安定するので、配線接続部１４ａと配線層１２との電気的な接続の信頼性が向上する。

また、図７に示すように、図６に示す凹部１１ａに配線層１２が収容されるとともに配線接続部１４ａが充填された接続形態であってもよい。この接続形態の場合、配線層１２が凹部１１ａに収容されるので、配線基板１０の薄型化が可能となる。

さらに、本発明では、液体金属１８と配線接続部１８ａとの電気的な接続をより強固にするために、液体金属１８に導電性ファイバーが含まれていてもよい。導電性ファイバーの素材には、例えば、カーボン、金、銀、銅などが挙げられる。

液体金属１８は、絶縁部材１３で封止されている（図１参照）。絶縁部材１３は、部品接続部１４に接している。部品接続部１４は、配線１２ａの表面に形成されたパッド１４ａと、パッド１４ａに積層された導電バンプ１４ｂとで構成されている。導電バンプ１４ｂには、電子部品１７が実装されている。

電子部品１７は、生体情報を検出可能なセンサ、そのセンサの駆動回路などで構成されている。ここでいう生体情報には、脈拍、心拍、心電、血糖、体温、汗、血圧、血流、血液の粘調度などが含まれる。

以下、図８を参照して本実施形態の配線基板の製造方法について説明する。図８は、実施形態１の配線基板の製造工程を説明するための断面図である。

まず、図８（ａ）に示すように、ウェハー１５の上に基材１１が形成される。基材１１の表面は、アルコールなどの溶剤で洗浄された後、プラズマ処理などによる表面処理が施される。本発明では、ウェハー１５の代わりに平坦性、剥離性を有したフィルム部材を用いてもよい。

続いて、図８（ｂ）に示すように、基材１１の上に配線層１２が形成される。具体的には、溶剤で溶かしたペースト状の金属ナノ粒子を、予め設定された配線パターンに沿って基材１１上に印刷する。その後、熱処理を行い、金属ナノ粒子同士を焼結させることで配線層１２が完成する。ペースト状の金属ナノ粒子の印刷方法には、スクリーン印刷、スピンコートなどの方法がある。その他、インクジェットなどのマスクレスで塗布する方法、配線パターンが形成されたスタンプを用いて転写する方法などがある。

続いて図８（ｃ）に示すように、配線層１２にパッド１４ａが形成される。パッド１４ａには、電極が形成されていてもよい。電極を形成する場合、配線層１２におけるパッド１４ａの形成領域にプラズマ処理などによる表面処理を行ってもよい。電極形成の手段としては、マスクを用いて導電ペーストを印刷する方法や、蒸着、スパッタリングなどの気層成長法などの方法が可能である。電極の材料には、金、銀、白金、銅、アルミニウム、ロジウムなどが挙げられる。特に、金は、酸化の影響が少なく製造歩留まりを向上させ、接触抵抗を小さくしやすいという点で最適である。

続いて図８（ｄ）に示すように、液体金属１８が形成される。本実施形態では、ディスペンサ１６を用いて液体金属１８を塗布する。

続いて図８（ｅ）に示すように、絶縁部材１３で液体金属１８を封止する。その後、図８（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィー法でパッド１４ａを露出させる。パッド１４ａを露出させる方法には、フォトリソグラフィー法の他にレーザ加工による方法もある。

露出されたパッド１４ａには、導通バンプ１４ｂが形成される（図１参照）。導通バンプ１４ｂには電子部品１７が実装される（図１参照）。

上述した工程を経て製造された電子機器１において、基材１１が伸張すると、図２に示すよう絶縁部材１３は、配列方向Ｄに伸張するとともに配線層１２の厚さ方向に圧縮させられる。絶縁部材１３の圧縮に伴って液体金属１８の山部１８ｂが押し潰される。これにより、山部１８ｂは配列方向Ｄに広がるように変形する。山部１８ｂの変形によって、配線接続部１８ａに液体金属が供給（補充）される。そのため、基材１１の伸張によって配線間の隙間が広がっても、山部１８ｂによって配線層１２の導電性は維持される。

基材１１が伸張前の状態（図１参照）に戻ると、配線間の隙間が狭まるとともに絶縁部材１３の圧縮が解除される。その結果、液体金属の一部が、配線接続部１８ａから山部１８ｂに引き戻される。

上述したように、本実施形態の電子機器１では、配線層１２が、配列方向Ｄに互いに離れた複数の配線１２ａ〜１２ｅで構成され、配線同士は、液体金属１８によって電気的に接続されている。液体金属１８は、基材１１の伸張時に基材１１の伸張方向に広がるように変形する山部１８ｂを有する。山部１８ｂの変形によって、山部１８ｂに蓄えられた液体金属が配線接続部１８に供給されるようになる、そのため、基板の伸張が繰り返されても配線の導電性を維持することが可能となる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について実施形態１と異なる点を中心に説明する。図９は、実施形態２に係る電子機器の要部の断面図である。図１０は、図９に示す配線基板が伸張した状態を示す断面図である。以下、実施形態１で説明した電子機器１と同様の構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施形態の電子機器１ａでは、絶縁部材１３が、第１の絶縁部材１３ａと、第１の絶縁部材１３ａよりも配列方向Ｄの伸張量が少ない第２の絶縁部材１３ｂとで構成されている。第１の絶縁部材１３ａの素材には、シリコーンゴム、ポリブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴムなどのゴム部材が挙げられる。第２の絶縁部材１３ｂには、例えば、ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)樹脂、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、アラミド樹脂などの樹脂が挙げられる。第２の絶縁層１３ｂは、電気的な絶縁性を有することが必要であるものの、必ずしも単一の有機材料で形成されている必要はない。例えば、有機材料に無機フィラーや無機ファイバーが含まれていてもよい。

第２の絶縁部材１３ｂは、配列方向Ｄの最も端に位置する配線１２ａに接する液体金属１８を封止している。一方、第１の絶縁部材１３ａは、残りの配線１２ｂ〜配線１２ｅに接している液体金属１８を封止している。第１の絶縁部材１３ａと第２の絶縁部材１３ｂとの境界部には山部１８ｂが配置されている。

以下、上述した実施形態２の配線基板１０の製造方法について説明する。

ポリジメチルシロキサン（ダウコーニング社製Sylgard184）と硬化剤を１０：１の重量比で混合し、メカニカルスターラーを用いて混錬する。混錬された液体は、離型処理済みの直径６インチのシリコンウェハー上にスピンコートされる。これにより基材１１が形成される。基材１１は、エタノールで脱脂洗浄され、酸素プラズマによる表面処理が施される。

続いて、基材１１上にスクリーン印刷工法を用いてペースト状の金属ナノ粒子（ハリマ化成製、NPS-HB）を印刷し、焼結処理を行う。これにより、配線層１２が形成される。

続いて酸化による接続不良を防ぐため、マスクを位置あわせした後、蒸着法により金を蒸着させた。これによりパッド１４ａが形成される。

続いて、ガリウム（含有率７５．５％）とインジウム（含有率２４．５％）の合金をディスペンス装置（武蔵エンジニアリング製）により印刷した。これにより液体金属１８が形成される。このとき、山部１８ｂは、その高さが配線接続部１８ａの厚みの５倍以上になるように配線接続部１８ａ上に形成される。

続いて山部１８ａの一部およびバンプ１４ａを覆うようにエポキシ樹脂を塗布し、その後、塗布した樹脂を加熱する。これにより、第２の絶縁部材１３ｂが形成される。山部１８ａの残りの部分および配線接続部１８ａはゴム部材で封止する。その後、フォトリソグラフィー法でパッド１４ａを露出させる。露出されたパッド１４ａには、導通バンプ１４ｂが形成される（図９参照）。導通バンプ１４ｂには電子部品１７が実装される（図９参照）。

上述した工程を経て製造された本実施形態の配線基板１０と、図１１に示す配線基板１００とについて、伸張の繰り返し試験を行った。具体的には、配線基板１０、１００を１．５倍の長さに伸張した後に元の状態に戻す動作を１サイクルとし、サイクル毎の配線の抵抗変動を測定した。その結果、配線基板１００については数サイクルで配線層１０２に亀裂が生じて導電不良となる場合があった。一方、本実施形態の配線基板１０については１００サイクル以上になっても１０％以内の抵抗変動に抑えられた。したがって、本実施形態の配線基板１０によれば、伸張が繰り返されても配線層１２の導電性を維持することが可能となる。

さらに、本実施形態の配線基板１０では、基材１１が伸張しても、図１０に示すように第１の絶縁部材１３ａよりも伸張量が小さい第２の絶縁部材１３ｂは、ほとんど伸張しない。そのため、第２の絶縁部材１３ｂに接している部品接続部１４には、引っ張り応力がほとんど生じない。これにより、部品接続部１４に実装された電子部品１７と配線層１２との電気的な接続の信頼性が、実施形態１に比べて向上する。なお、本実施形態では、基材１１は、第１の絶縁部材１３ａおよび第２の絶縁部材１３ｂの各々に対応づけて硬化度の異なる２種類のＰＤＭＳを用いた構造であってもよい。この構造によれば、基材１１において第２の絶縁部材１３ｂに対応する部分がほとんど伸張しない。そのため部品接続部１４と電子部品１７との電気的な信頼性がより一層向上する。

１ 電子機器
１０ 配線基板
１１ 基材
１１ａ 凹部
１２ 配線層
１２ａ〜１２ｅ 配線
１３ 絶縁部材
１４ 部品接続部
１４ａ パッド
１４ｂ 導通バンプ
１５ ウェハー
１６ ディスペンサ
１７ 電子部品
１８ 液体金属
１８ａ 配線接続部
１８ｂ 山部
１００ 配線基板
１０１ 基材
１０２ 配線
１０３ 絶縁部材
１０４ パッド
１０５ 導電バンプ
１０６ 電子部品

Claims (10)

1. 複数の配線が互いに離れて配列された基材であって、前記複数の配線の配列方向に伸張可能な基材と、
   前記複数の配線同士を電気的に接続する液体金属と、
   前記液体金属を封止し、前記基材とともに前記配列方向に伸張可能な絶縁部材と、を有し、
   前記液体金属が、前記複数の配線に渡って接する配線接続部と、前記配線接続部の前記配線とは反対側に形成され、前記絶縁部材の伸張により押し潰されて前記配列方向に広がるように変形する山部と、を有する配線基板。
2. 前記複数の配線の中で前記配列方向の最も端に位置する配線に形成され、電子部品が実装される部品接続部をさらに有し、
   前記絶縁部材は、第１の絶縁部材と、前記第１の絶縁部材に前記配列方向で隣接し、前記第１の絶縁部材よりも前記配列方向の伸張量が少ない第２の絶縁部材と、を有し、前記第２の絶縁部材は、前記部品接続部に接している、請求項１に記載の配線基板。
3. 前記山部が、前記第１の絶縁部材と前記第２の絶縁部材の境界部に形成されている、請求項２に記載の配線基板。
4. 前記基材において前記各配線に対向する位置に凹部が形成され、前記凹部に前記液体金属が充填されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の配線基板。
5. 前記基材に、前記各配線が収容されるとともに前記液体金属が充填された凹部が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の配線基板。
6. 前記配線接続部が、各配線の幅方向の両面のみに接している、請求項１から３のいずれか１項に記載の配線基板。
7. 前記液体金属に導電性ファイバーが含まれている、請求項１から６のいずれか１項に記載の配線基板。
8. 前記液体金属が、ガリウムとインジウムの合金である、請求項１から７のいずれか１項に記載の配線基板。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の配線基板と、
   前記配線基板に実装される電子部品と、
   を有する電子機器。
10. 伸張可能な基材に複数の配線を互いに離して配列する配線形成工程と、
    前記複数の配線同士を電気的に接続するように液体金属を塗布する配線接続工程と、
    前記基材とともに前記配列方向に伸張可能な絶縁部材で前記液体金属を封止する封止工程と、を有し、
    前記配線接続工程は、前記複数の配線に渡って接する配線接続部と、前記配線接続部の前記配線とは反対側に配置され、前記絶縁部材の伸張で押し潰されて前記配列方向に広がるように変形する山部と、を前記液体金属で形成する工程を含む、配線基板の製造方法。

Images