JP2016517366A

JP2016517366A - 繊維強化フレキシブル電子複合材料

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Publication number: JP2016517366A
Application number: JP2016502265A
Authority: JP
Inventors: ローランド，ジョセフダウンズ，; クリストファー，マイケルアダムス，
Original assignee: DSM IP Assets BV
Current assignee: DSM IP Assets BV
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2016-06-16
Also published as: US20160037633A1; CA2906065A1; KR20150128874A; CN105073411A; EP2969547A1; WO2014160498A1

Abstract

本開示は、少なくとも１つの導電層と、少なくとも１つの強化層をさらに含む少なくとも１つのラミネート層とを含む複数層繊維強化電子複合材料を記載する。様々な実施形態において、導電層は、連続した金属層、エッチされた金属層、金属グランドプレーン、金属電源プレーン、または電子回路部品層である。様々な実施形態において、ラミネート層は、繊維−強化を提供する一方向性テープ副層と様々なフィルム層との配列を含む。本明細書における複合材料は、フレキシブル回路ボード、強化フレキシブル電子ディスプレイ、および柔軟性および強度を必要とするその他の組立体として用途がある。【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

［関連出願の相互参照］
[0001]本出願は、２０１３年３月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／７８０，８２９号明細書および２０１３年３月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／７８４，９６８号明細書に対する優先権を主張し、それらの内容をそれらの全体において参照により本明細書に援用する。

［本発明の分野］
[0002]本開示は一般的に、複数層電子複合体に関し、特に、繊維強化フレキシブル電子複合体および同複合体の製造方法に関する。

［発明の背景］
[0003]エレクトロニクスは、ミクロンレベルまでも要素の正確な位置および寸法許容差ならびに回路およびトレースなどの特徴に左右され、さらに小さなスケールに向かいつつある。現在のフレキシブル電子技術は、高い熱膨脹率（ＣＴＥ）、低い熱伝導率および高い吸湿とそれに伴う問題、湿気による膨潤のために寸法安定性がないことや、誘電特性の低下がある、低強度、低弾性率、非強化プラスチックフィルムに基づいている。このようなプラスチックフィルムは、適切な機能を実施するために比較的厚くなければならず、寸法安定性のため、低伸長基材を提供するための十分な機械的特性および十分な耐久性を提供するための十分な強度および引裂抵抗を有さなくてはならない。高い熱膨脹率（ＣＴＥ）は、温度の比較的小さな変化で不十分な寸法安定性をもたらし、低い熱伝導率は、電力を消費する回路要素によって発生した熱を散逸させることにより高温を生じさせる。したがって、熱安定性が無いことに加えて低湿気による膨潤特性は、製造プロセスに耐える寸法安定性が不十分であり熱歪がある基材をもたらし、最適な性能のために寸法安定性を必要とする電子的要素の耐久性および安定性をもたらさない。

[0004]最終結果は、フレキシブル基材上の印刷電子回路部品の解像度、耐久性および安定性は現在、基材の特性によって制限されるということである。理想的には、薄いフレキシブル基材は、熱流の平面方向性を制御するために十分に高い熱伝達係数を有するのがよい。基材の熱膨脹および熱的でない機械的変形は、電子回路に不安定性を生じて損傷を与え得る。防湿性は、電子回路を損傷から守り、ばらつきがなく最適な誘電特性をもたらすために重要である場合があり、電子導電材料の印刷および／または堆積を受容し易い平滑面を有することが電子構造物の形成に望ましい。

[0005]現在入手可能な薄いフィルム基材の不十分さと不安定性は、それらから作られる電子構造物の精度と大きさを制限する。それ故に、フレキシブル電子複合体のために使用可能な可撓性の、寸法安定性基材が必要とされている。層状複合構造の一方向性エンジニアリング繊維の配向層から構成される特定の複合体の配向可能性のために、このような複合体は、それらの中またはそれらの表面上に組み込まれる電子的要素の特性に適合するかまたは補完するように設計されたそれらの機械的および熱膨脹特性を有してもよい。さらに、熱伝導特性は同様に、熱伝達の用途に特定的な均一性または方向性について最適化され得る。複合基材の薄さは、フレキシブル電子的要素の、特に内面および外面上の曲げおよび屈曲による歪みを低減する。さらに複合体の複数層配置は、曲げまたは屈曲による変形を最小にするために歪みに敏感な電子的要素を曲げの中立軸の近くに配置することを可能にする。

［発明の概要］
[0006]本開示の様々な実施形態において、フレキシブル電子複合体システムは、少なくとも１つの導電層と、少なくとも１つの繊維強化ラミネート層とを含むフレキシブル電子複合材料を含む。導電層は、エッチされない銅フィルム、エッチされた銅フィルム、銅グランドプレーン、銅電源プレーン、電子回路部品等を備える。繊維強化ラミネート層は、例えば、様々なフィルム層を有する一方向性繊維強化テープのラミネートを含む。様々な実施形態において、繊維強化ラミネート層は非導電性層である。他の実施形態において、繊維強化ラミネート層は、例えば、繊維強化層内の、樹脂中、および／または繊維中の金属成分または他の導電材料例えば炭素ナノ粒子の存在によって、導電性である。

[0007]様々な実施形態において、本開示によるフレキシブル電子複合体システムは、付加的な電子ハードウェアおよび／またはソフトウェア、例えば、書かれたコードを有するコンピュータチップ、バッテリー、ＬＥＤディスプレイ、ブロードキャスト・コイル、感圧スイッチ等をさらに含んでもよい。このようなシステムは、市場性のある最終電子製品を含んでもよく、または例えば、ＲＦＩＤトラッキングを有するパレット、またはエンターテイメント、セイフティまたはトラッキング・エレクトロニクスを有する衣類などのエレクトロニクスを必要とする製品内の電子的要素としてさらに組み込まれてもよい。様々な実施形態において、フレキシブル電子複合体システムは、電子的特性を必要とする消費者用、産業用、企業用もしくは公共用製品の中または上に組み込まれるフレキシブル電子複合材料を含む。

[0008]様々な実施形態において、一方向性繊維強化層は、その上に電子回路部品をエッチまたは印刷するために適した薄い且つ平滑な基材を形成する。様々な実施形態において、本開示による複合材料は、その上に電子回路部品をエッチまたは印刷するために適した平滑面を提供する。

[0009]様々な実施形態において、本開示の電子複合体システムは、例えば、低い熱伝導率、高い基材重量、低い基材耐久性、熱的および熱的でない膨脹および収縮の不安定性および不均一性の他、基材および電子的要素の熱膨脹特性の間の不整合、防湿性が無いことや結果として生じる、誘電加熱安定性の不安定さ、ならびに電子的要素および導電材料の印刷および堆積のための十分な平滑性が無いことなど、電子基材の以前の欠陥の多くを克服する。

[0010]様々な実施形態において、本開示の複数層フレキシブル電子複合体は、複数層複合体を製造するために、要望通り、導電性層および／または非導電性層を繰り返し加えることによって製造され得る。様々な実施形態において、フレキシブル電子複合材料を製造する方法は、強化層を導電層上に加える工程と、任意選択により複合体を硬化する工程と、任意選択により導電層をエッチする工程と、任意選択によりさらなる導電性層および／または非導電性層をその上に加える工程とを含む。

[0011]添付した図面は、開示のさらなる理解をもたらすために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。開示の実施形態を図解し、記載内容と共に、開示の原理を説明するのに役立つ。

本開示による複合材料の実施形態の斜視図を示す。本開示による複合材料の実施形態の斜視図を示す。本開示による複合材料の実施形態の斜視図を示す。本開示による複合材料の実施形態の斜視図を示す。本開示による複合材料の実施形態の斜視図を示す。本開示による様々な複合材料内で使用可能な回路層の実施形態の正面平面図を示す。

［発明の詳細な説明］
[0018]以下の説明は、様々な典型的な実施形態にすぎず、本開示の範囲、適用可能性または構成を限定することを意図するものではない。むしろ、以下の説明は、最も良い形式を含めて様々な実施形態を実施するための便利な具体例を提供することが意図される。明らかになるように、本開示の原理から逸脱せずにこれらの実施形態において説明される要素の機能および配列に様々な変更を加えてもよい。

[0019]本明細書においてより詳細に説明されるように、本開示の様々な実施形態は一般的に、少なくとも１つの導電層と、少なくとも１つの繊維強化ラミネート層とを含む複数層フレキシブル電子複合体を含む。様々な実施形態において、少なくとも１つの繊維強化ラミネート層は、方向性をもって整列されたモノフィラメントを含む。様々な実施形態において、少なくとも１つの繊維強化ラミネート層が任意の数の一方向性テープを含み、このようなテープは、それらの間に繊維方向の任意の相対的な向きを有する。

[0020]表１は、本開示の様々な部分において使用されてもよい用語と定義の解説を提供する。

[0021]

[0022]上記の内容はここで図１を参照して記載され、本開示による複合材料の実施形態が示される。図１は、本開示の様々な実施形態による繊維強化フレキシブル電子複合材料１０２の図解を斜視図において示す。様々な実施形態において、複合材料１０２は導電性または非導電性であってもよい。複合材料１０２は、複数の層から構成され得る。様々な実施形態において、複合材料１０２は、例えば２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ以上、またはさらに多くの層を含む。例えば、複合材料１０２は、示されるように、少なくとも１つの前面層４０１、少なくとも１つの裏面層４０６および少なくとも１つの強化層、例えば強化層４０２、強化層４０３、強化層４０４、および強化層４０５を含むことができる。様々な実施形態において、前面層４０１および／または裏面層４０６のどちらかまたは両方が導電材料を印刷可能であり、あるいは他の方法で導電材料の堆積に適している。

[0023]前面層４０１および裏面層４０６などのフィルム層は、例えば、ポリイミド、ＰＥＮ、マイラー、ガラス、非晶質シリコーン、グラフェン、有機または無機半導体等々の電子材料を代表とする材料から製造されたコーティングまたはフィルムである。別の好ましいフィルムには、金属化フィルムまたは薄い金属層が含まれる。他の別の好ましい実施形態には、このようなフィルムの中間層が含まれる。その他の別の好ましい実施形態は、このようなフィルムを除く。

[0024]図１に示される強化層４０２、４０３、４０４および４０５などの強化層は、１つまたは任意の数の一方向性テープ（「ユニテープ」）副層を含んでもよい。一方向性テープは、薄く広げられた平行なモノフィラメントが樹脂によってコートされた繊維強化層である。様々な実施形態において、樹脂は、硬化性樹脂または任意のタイプの非硬化性樹脂であってもよい。様々な実施形態において、平行な繊維を有する各々のユニテープ副層は、特定の目的の方向において本質的に方向性を有するように方向付けされ、このような選択された方向において伸長を抑え、強度を提供する。様々な実施形態において、二方向ユニテープ構造は、実質的に（＋／−数度）０の向きに配置された第１のユニテープ副層と、実質的に９０の向きに配置された第２のユニテープ副層とを特徴としてもよい。同様にして、様々な一方向構成、二方向の組合せ、三方向の組合せ、四方向の組合せ、およびその他のユニテープの組合せを適用して、所望の方向性または非方向性の強化を有するラミネートを作ってもよい。例えば、様々な実施形態において、一方向性テープ副層の４層を、それらの繊維の相対的な向きが実質的に０°／＋４５°／＋９０°／＋１３５°において積層して、全体にわたりクロスハッチされた複数方向性の強化をもたらしてもよい。

[0025]様々な実施形態において、ユニテープ副層を強化するために適した繊維のタイプには、ＵＨＭＷＰＥ（商品名Ｓｐｅｃｔｒａ、Ｄｙｎｅｅｍａ）、Ｖｅｃｔｒａｎ、アラミド、ポリエステル、ナイロン、および他の繊維が含まれる。二次加工手順の温度要件、およびその他の問題に応じて、ＵＨＭＷＰＥではなく、２９０°Ｆ超で溶融する、Ｖｅｃｔｒａｎなどの高い溶融温度繊維を選択することが必要な場合がある。ＵＨＭＷＰＥは、高い強度、高い熱伝導率、およびすぐれた屈曲疲れ抵抗などのフレキシブルエレクトロニクスの利点を有する。

[0026]同じ重量の従来の織布と比べて、ユニテープ強化層はかなり薄く、平らで、より強く、そしてより引き裂き抵抗がある。しばしば、より耐久性がある回路材料が望ましいとき、より厚い基材フィルムが選択される。もっと正確にいえば、同様なまたはさらに改良された特性のために、本開示による薄い繊維強化ユニテープ層を備える基材を利用することができる。

[0027]様々な実施形態において、本開示の複合材料内の強化層が、モノフィラメントをその中に有する少なくとも１つの一方向性テープを含み、このようなモノフィラメントの全てがテープ内に予め決められた方向で存在し、そこでこのようなモノフィラメントが約６０ミクロン未満の直径を有し、強化のための隣接する多数のモノフィラメント内の単一モノフィラメント間の間隔が、モノフィラメント外径の約３００倍までの範囲の、接合および／または積層モノフィラメント間の間隙距離の範囲内である。様々な実施形態において、複合材料設計の強度および弾性率の問題に応じて、接合および／または積層モノフィラメントが、厚い１つまたは複数のモノフィラメント層である強化層を形成する。様々な実施形態において、接合および／または積層モノフィラメントは、有益であるが本発明のために必要とされない実質的に平らな強化層を製造する。

[0028]様々な実施形態において、図１に示される、例えば強化層４０２、４０３、４０４および４０５などの強化層内のモノフィラメントが押出される。様々な実施形態において、強化層が押出モノフィラメントをその中に各々有する少なくとも２つの一方向性テープを備え、このようなモノフィラメントの全てがテープ内に予め決められた方向で存在し、そこでこのようなモノフィラメントが約６０ミクロン未満の直径を有し、強化のための隣接する多数のモノフィラメント内の単一モノフィラメント間の間隔が、モノフィラメント外径の約３００倍までの範囲の、接合および／または積層モノフィラメント間の間隙距離の範囲内である。様々な実施形態において、複合材料設計の強度および弾性率の問題に応じて、接合および／または積層モノフィラメントが、（積層された）厚い１つまたは複数のモノフィラメント層である強化層を形成する。

[0029]様々な実施形態において、このような少なくとも２つの一方向性テープは、モノフィラメントをその中に有さないより大きな領域を備え、そしてそこでこのようなより大きな領域は、モノフィラメントを有さないより小さな領域を含む層状オーバーレイを含む。このようなより小さな領域は、例えば、ラミネート複合材料の様々な部分の間に異なった可撓性を提供するなどの、使用者によって意図された形態を含むことができる。様々な実施形態において、複合材料は、少なくとも２つの一方向性テープの第１のテープが、少なくとも２つの一方向性テープの第２のテープと異なった予め決められた方向で存在するモノフィラメントを含有する、強化ラミネート層を含んでもよい。

[0030]様々な実施形態において、図１に示される、例えば強化層４０２、４０３、４０４および４０５などの強化層は一方向性テープのラミネートを含み、そこでこのような少なくとも２つの一方向性テープの異なった予め決められた方向の組合せは、意図された方向性の剛性／可撓性を有するラミネート特性を達成するように使用者によって選択される。様々な実施形態において、複合材料は、例えば、エレクトロニクスのためにＰＣＢの折り曲げ可能な接合部を提供するなど、外周接合部に沿って付着された複数のラミネートセグメントを含む。例えば、複合材料は、少なくとも１つの非ラミネートセグメントを有する外周接合部に沿って付着された少なくとも１つのラミネートセグメントを含んでもよい。様々な実施形態において、複合材料は、接合部領域に沿って付着された複数のラミネートセグメントを含む。

[0031]様々な実施形態において、複合材料は、少なくとも１つの一方向性テープセグメントを有する接合部領域に沿って付着された少なくとも１つのラミネートセグメントを含む。さらに、様々な実施形態において、複合材料は、少なくとも１つのモノフィラメントセグメントを有する接合部領域に沿って付着された少なくとも１つのラミネートセグメントを有する。また、様々な実施形態において、複合材料は、少なくとも１つの剛性要素をさらに含む。

[0032]ここで図２を参照して、複合材料１０２の実施形態は、斜視図において図解される。複合材料１０２は、少なくとも１つの導電層、例えば製造業者、下請け業者または最終使用者によって後でエッチされるか、または複合材料１０２内に現状のまま残されてもよい、連続した銅層４１４を含む。様々な実施形態において、このような導電層は、例えば銅などの任意の金属化材料を含んでもよく、それをマスクしてエッチし、電気回路を形成してもよい。また、１つまたは複数の層の回路要素が、グラビア、フレキソ、アニロックス、スクリーン印刷、インクジェット印刷技術などの印刷方法を使用して、導電性銀または銀、金、銅、亜鉛、炭素系または半導体または有機電気活性インクまたはポリマーを使用して印刷されてもよい。これらのインクは、紫外線、室温触媒硬化または熱硬化を使用して硬化されてもよい。典型的な導電性印刷可能材料は、細線解像度、高い導電率および低い接触抵抗を必要とする用途において電流収集のための光電池用途のためにＤｕｐｏｎｔＳｏｌａｍｅｔＰＶ４１２銀をベースとしたもの、高い電導率を必要とするアンテナおよび一般的な印刷エレクトロニクスのスクリーン印刷においてＤｕｐｏｎｔ５０６４銀、Ｄｕｐｏｎｔ５８７４銀をベースとした材料および非常に安定な電極系のスクリーン印刷のための７１０５炭素をベースとした材料、導電性トラックの印刷のためのＤｕｐｏｎｔ５０６９銀および５０６７炭素フレキソ印刷およびＤｕｐｏｎｔ５０６４銀スクリーン印刷調合物である。フレキシブル発熱体は、自己調整ヒーター用途のためのＤｕｐｏｎｔ７２８２正の温度係数（ＰＴＣ）炭素抵抗器／銀を使用して印刷することができる。また、印刷フレキシブルバッテリーは、銀、炭素および亜鉛をベースとしたインクの様々な組合せを使用して製造することができる。ルミネッセントおよび発光（ｌｉｇｈｔｅｍｏｔｉｎｇ）用途のためにスクリーン印刷用のＤｕＰｏｎｔＬｕｘｐｒｉｎｔエレクトロルミネセントポリマーを用いてもよい。より耐久性があるまたは安定な電子トレースまたは要素を必要とする用途についてスクリーン、インクジェットフレキソおよびグラビア印刷のためのＮｏｖａｃｅｎｔｒｉｃｓＭｅｔａｌｏｎ−ＪＳシリーズの銀をベースとしたインクジェットインク、Ｍｅｔａｌｏｎ−ＩＣＩシリーズの酸化銅還元インクおよびスクリーン印刷用途のためのＭｅｔａｌｏｎＨＰＳシリーズの銀をベースとしたインクを印刷することができ、得られた印刷された要素は、ＮｏｖａｃｅｎｔｒｉｘＰｕｌｓｅＦｏｒｇｅフォトニック後処理を使用して乾燥、焼結およびアニールすることができる。

[0033]この図解された実施形態において、複合材料１０２は、１つの導電層部分または複数の導電層部分を使用して作られてもよい。

[0034]様々な実施形態において例えば、銅層４１４などの導電層は、共通の隣接した共平面層に対して加圧されるかまたは付着された、平面配列の、連続したまたは不連続なセグメントまたは部分に配置されてもよい。図２に示されるように、複合材料１０２は、第１のフィルム層４１２ａ、ラミネートされた層４１０、第２のフィルム層４１２ｂ、および銅層４１４を含む。この特定の実施形態において、ラミネートされた層４１０はフィルム層４１２ａおよび４１２ｂの間に挟まれるが、様々な他の実施形態において、層の異なった配列が望ましい場合がある。様々な実施形態、例えば図２において、ラミネート層４１０は、前面層４０１、強化層４０２、強化層４０３、強化層４０４、強化層４０５、および裏面層４０６を含む（例えば図１に示されるような）複数層構造物を含み、そこで各々の強化層は任意の数および向きの一方向性テープを含んでもよく、各々の一方向性テープはモノフィラメントを含む。

[0035]様々な実施形態において、複合材料１０２を電気回路が印刷される基材として使用することができる。ここで複合材料１０２の様々な実施形態の機械的および熱的寸法安定性は、加工を容易にすることができる。繊維のタイプおよび含有量ならびに表面フィルムの選択は、特定のプロセスまたは適用のために熱膨脹を整合させる低い熱膨脹材料をもたらす。

[0036]ここで図３を参照して、複合材料１０２の実施形態が斜視図において図解される。複合材料１０２は、エッチされた銅層４２０の形態の導電性回路層を含む。エッチされた銅層４２０は、電子回路設計をトレースするエッチングを含んでもよい。様々な実施形態において、複合材料１０２は複数の層状部分から作られ、それによって回路がフィルム基材上に予備加工され、使用者は一方向性テープ強化層を望み通りに付加する。図３に示される実施形態において、複合材料１０２は、フィルム層４１２ａ、ラミネート層４１０、フィルム層４１２ｂ、エッチされた銅層４２０、およびフィルム層４１２ｃを含む。様々な他の実施形態において、導電性および非導電性層の異なった配列が望ましい場合がある。様々な実施形態において、フィルム層４１２ａおよび／またはフィルム層４１２ｃは、その上の金属材料の印刷または堆積に修正可能である場合がある。様々な実施形態、例えば図３において、ラミネート層４１０は、前面層４０１、強化層４０２、強化層４０３、強化層４０４、強化層４０５、および裏面層４０６を含む、（例えば図１に示されるような）複数層構造物を含み、そこで各々の強化層は、任意の数および向きの一方向性テープを含んでもよく、各々の一方向性テープはモノフィラメントを含む。

[0037]ここで図４を参照して、複合材料１０２の実施形態が斜視図において図解される。複合材料１０２は、付加的な導電層、すなわち、銅グランドプレーン層４３０を含む。図解される実施形態において、複合材料１０２は、フィルム層４１２ａ、銅グランドプレーン層４３０、ラミネート層４１０、フィルム層４１２ｂ、エッチされた銅層４２０、およびフィルム層４１２ｃを含む。様々な実施形態において、導電層は、エッチされない金属層、エッチされた金属層、金属グランドプレーン層、金属電源プレーン層、または電子回路部品層のうちの任意の層である。様々な実施形態、例えば図４において、ラミネート層４１０は、前面層４０１、強化層４０２、強化層４０３、強化層４０４、強化層４０５、および裏面層４０６を含む（例えば図１に示されるような）複数層構造物を含み、そこで各々の強化層は任意の数および向きの一方向性テープを含んでもよく、そして各々の一方向性テープはモノフィラメントを含む。

[0038]様々な実施形態において、銅グランドプレーン層４３０は、エッチされた銅層４２０に直接隣接して且つ共平面的に配置されるか、または必要に応じて、任意の数の介在フィルム層または他の非導電性または導電層によって隔てられてもよい。様々な実施形態において、例えば銅グランドプレーン層４２０などの導電層は、グランドプレーンではなく電源プレーンとして機能してもよい。様々な実施形態において、複合材料１０２は、任意の数のフィルム層、ラミネート層、または任意の他の導電性および／または非導電性層と、任意の配列で混ぜられた、任意の数のエッチされた銅層４２０と任意の数の銅グランドプレーンまたは電源プレーン層４３０とを含んで、複数層ＰＣＢを製造することができる。

[0039]ここで図５を参照して、複合材料１０２の実施形態が斜視図において図解される。複合材料１０２を製造する時に、１つまたは複数の積層工程が複数層フレキシブル複合体ＰＣＢを製造するために戻る複合材料の複数の層に回路を付加してもよい。複合材料１０２は、フィルム層４１２ａ、銅グランドプレーンまたは銅電源プレーン層４３０、ラミネート層４１０、フィルム層４１２ｂ、エッチされた銅層４２０、フィルム層４１２ｃ、回路部品層４１６、（図６を参照して以下により詳細に考察される）、およびフィルム層４１２ｄを含む。様々な実施形態、例えば図５において、ラミネート層４１０は、前面層４０１、強化層４０２、強化層４０３、強化層４０４、強化層４０５、および裏面層４０６を含む（例えば図１に示されるような）複数層構造物を含み、そこで各々の強化層は任意の数および向きの一方向性テープを含んでもよく、そして各々の一方向性テープはモノフィラメントを含む。様々な実施形態において、複合材料１０２は、任意の数のフィルム層、ラミネート層、または任意の他の導電性および／または非導電性層と、任意の配列で混ぜられた、任意の数のエッチされた銅層４２０、任意の数の回路部品層４１６、および任意の数の銅グランドプレーンまたは電源プレーン層４３０を含んで、複数層ＰＣＢを製造することができる。例えば、様々な実施形態において、回路部品層４１６は、複合材料１０２の最上層として現れてもよい。様々な他の実施形態において、回路部品層４１６は、例えば単一保護フィルム層によって覆われた、複合材料１０２内の上層から２番目の層として現れてもよく、様々なディスプレイ、アンテナ、および光電池要素が、保護フィルムを通してなお機能し、および／または可視的なままであるようにできる。

[0040]ここで図６を参照して、電子回路部品層４１６の実施形態の正面平面図が示される。このような回路部品層、または回路部品層の任意の考えうる実施形態を本開示の複合材料中で使用することができる。本明細書中で用いられるとき、回路部品層は、無被覆エッチング回路設計（上記の要素４２０を参照）とはっきり区別されることが意図される電子回路部品の集合を意味する。この特定の実施形態において、回路部品層４１６は、ディスプレイ６１３、アンテナ６１５、光電池要素６１７、印刷回路部品６１９およびディスクリート・センサー６２５を含むが、他の実施形態において、任意の他の構成部分および配列が本開示の範囲内である。

[0041]本開示による複合材料は典型的に、約１０ｇ／ｍ^２〜約１５０ｇ／ｍ^２の間の重量、例えば、約１２ｇ／ｍ^２〜約１３３ｇ／ｍ^２の間の重量である。さらに、本開示による複合材料は典型的に、引張強さにおいて約３５ｌｂ／ｉｎ（３５，０００ｐｓｉ）〜約５１５ｌｂ／ｉｎ（７３，０００ｐｓｉ）の間である。様々な実施形態において、複合材料は、約３％の伸び破損および約１２００ｌｂ／ｉｎ（１，２００，０００ｐｓｉ）〜１７，０００ｌｂ／ｉｎ（２，４００，０００ｐｓｉ）の間の弾性率を示す。様々な実施形態において、本開示による複合材料は典型的に、厚さにおいて約０．００１インチ〜約０．００７インチである。様々な実施形態において、本開示による複合材料は、約３００の繊維の直径の中心間の距離まで、並んだまたは積層された繊維またはフィラメントの積重ねを有する。

[0042]様々な実施形態において、フレキシブル複合材料を製造するための方法は、少なくとも１つの強化層を少なくとも１つの導電層に加えることによって複数層複合体を形成する工程と、任意選択により、圧力、真空および／または熱によって複数層複合体を硬化させる工程とを含む。様々な実施形態において、方法はさらに、前記導電層をエッチする工程を含む。様々な実施形態において、方法はさらに、前記任意選択の硬化の前または後のどちらかに付加的な導電性および／または非導電性層を複数層複合体に加える工程を含む。様々な実施形態において、非導電性フィルム層は、前記任意選択の硬化の前および／または後に、例えば任意の導電性および／または非導電性層の間に、または複数層複合体の外面の一方または両方の上に絶縁または保護外層として複数層複合体に加えられる。

[0043]様々な実施形態において、複数層複合材料中の層は、積層された層を１組の加熱ニップロール、加熱プレス、加熱真空プレス、加熱ベルトプレス内に通すことによるか、または層の積層体を真空積層機内に置いて積層体を熱に暴露することによるかどちらかで、圧力および温度を使用して組み合わせられて一緒に硬化され得る。真空積層機を減圧バックで覆うことができ、圧力を提供するために適用される真空によって積層機に封止することができる。さらに、オートクレーブ内で得られるような外圧を、ここで、複合材料の様々な実施形態の製造において使用することができ、これを使用して層上に加えられる圧力を増加させてもよい。オートクレーブが提供する圧力と真空との組合せは、平らな、薄い、そして十分に圧密された材料をもたらす。適切な状況下で、設計優先性、使用者優先性、市場の優先性、コスト、構造要件、利用可能な材料、技術的進歩等の問題を考慮すると、任意の他の考えうる積層方法が十分である場合がある。

[0044]本開示による複合材料は、従来のモノリシック回路基材よりも、以下の利点の少なくとも１つまたは複数を有する：高い強度対重量および強度対厚さ、リップストップ、低いまたは整合された熱膨脹、調整された誘電特性の他、調整された用途特定的な熱伝達特性を提供する設計された面内および横、面外方向性の熱伝導率。さらに、熱および応力がエンジニアリング繊維中の配向ポリマー鎖に沿って移動する優先性のために、繊維強化材のタイプ、量、および向きを用いて熱流および方向性強度を制御し、調整することができる。

[0045]本開示の複合材料の用途には、強固に組み立てられた電子回路部品パッケージ、使用中に屈曲が必要とされる電気接続、およびより重いワイヤー・ハーネスに取って代わる電気接続などが含まれるがそれらに限定されない。このような製品形態には、フレキシブルディスプレイ、フレキシブル太陽電池、およびフレキシブルアンテナ等が含まれる。

[0046]システムの実施形態には、以下のものが含まれるがそれらに限定されない：
[0047]単一層の実施形態：使用者によってエッチされてもよい連続した銅層などの少なくとも１つの伝導層を含む複合材料、
[0048]複数層の実施形態：製造業者、下請け業者または使用者がそれによりユニテープ強化層およびフィルム層を加えるフィルム基材上で予備加工された回路、
[0049]逐次積層加工される実施形態：１つまたは複数の積層工程が複数層フレキシブル複合体を製造するために戻る単一層材料に回路が加えられる。

[0050]本開示による複合材料は、以下の特性の１つ以上を示す場合がある：
[0051]強度、
[0052]低伸長、
[0053]必要とされる設計に適合するように設計され得る強度特性、
[0054]エレクトロニクス、新たな技術、およびナノテクノロジーにおいて使用される多くの材料のＣＴＥによく適合する低いＣＴＥ、
[0055]均一な、予測可能な、そして歪みが整合された熱膨脹のために等方性であり得る熱膨脹。このような特性は、小さな、微細スケールの回路および電子的要素が細かい解像度で正確な許容差に製造されることを可能にすると共に、その空間の向きを互いに対して広い温度変化にわたって維持することを可能にし、したがって回路要素は全ての方向および面内の設計性能の許容度を維持する、および／または
[0056]機械負荷による低い平面内機械的伸長をもたらす、高い等方性または設計された異方性平面内弾性率、これは、上述のＣＴＥ均一性に似た機械的特性を可能にする。低伸長は、回路要素が寸法を変化させず、および／または特徴間の距離が負荷のために変化しないことを意味する。高い弾性率と設計された方向性特性とによって提供される寸法安定性は、電子的要素およびデバイスの解像度と位置合せを改良し、それは、より小さな回路設計と、より小さくより密なトランジスタ、デバイスまたは回路要素の導入とを可能にし、フレキシブルエレクトロニクスのためのより高密度電子設計および集積化を可能にする。回路の性能および信頼性はデバイス内の電極または要素間の横方向距離の特別解像度によって決まるので、屈曲、曲げまたは熱サイクル下でそれらの解像度を維持でき、異なった回路またはデバイスパターンまたは層間のオーバーレイ精度および位置合せ、機械負荷下での低伸長、寸法安定性基材、曲げまたは熱歪のために屈曲を維持できることは、性能およびデバイスの安定性を改良する。フレキシブルディスプレイについて寸法安定性は画像解像度および鮮明度を改良する。低伸長強化は、すぐれた耐環境安定度および耐崩壊性、すぐれた誘電特性安定性、酸素および湿気に対するバリヤー性または湿気または酸素暴露に対する感度、紫外線露光に対する耐崩壊性、または他の望ましい特性を有するが、モノリシックな非強化基材としてのそれらの使用を妨げる不十分な機械的特性を有するポリマー材料の使用を可能にする。これらを取り入れることができることによって、フレキシブル電子用途の既存の基材に存在している耐環境安定度、有効寿命、および耐久性／信頼性の主な制限条件を解決する。

[0057]薄い基材の形状因子は、デバイスの可撓性を改良し、操作上信頼性が高いフレキシブル電子的要素を維持しながら最適な可撓性、曲げ適性およびロール能力のためのよりきつい曲げ半径を可能にする。回路、デバイス、または要素上の曲げ歪は、中立軸からその回路、デバイス、または要素が離れている距離に比例し、フレキシブル基材が薄くなればなるほど、中立軸からの距離は小さくなる。様々な実施形態において、本開示による複合材料は全体的に薄く、中立軸の近くに回路、デバイス、または他の要素の位置を修正可能であり、その結果、曲率、ゆがみ、変形、曲げ、または縮れによる歪みおよび変形は最小にされる。したがって、本開示の複合材料上の回路、デバイス、または要素の有効寿命は、様々な実施形態において増加される。上記の形態は、高解像度電子デバイス、要素、回路、アンテナ、ＲＦデバイス、およびＬＥＤを本明細書において開示された複合材料中に／上に組み込むことを可能にする。

[0058]本開示の複合材料の構造特徴は回路の特徴を安定化し、したがって繰り返される熱サイクルおよび負荷／振動サイクルによる回路内の要素の疲労および解体（ｄｉｓｂａｎｄｉｎｇ）は最小である。多くの電子的要素の間の制御されないＣＴＥ不整合は要素と基材との間の大きな界面応力の原因となり、それは基材からの要素の損傷および破断の原因となり、デバイスの破損をもたらす。

[0059]本開示による複合材料は、特性および厚さにおいて同じく薄くて平滑且つ均一である平滑、均一なラミネートを製造し得る薄くて均質、均一なユニテープから製造され得る。上記の形態は、個々のユニテープ層内のモノフィラメントの均一な分布による。ユニテープは、ラミネートが全ての方向において均一な特性を有するか、または特性がデバイス、回路、または他の要件に適合するように調整されるように単層の角度が方向付けされ得る。

[0060]一方向層の向きおよび平らな、平滑な表面を有する均質な、低伸長、低ＣＴＥ複合材料を製造できることによって、様々な電子材料の複数の薄い層の精密な製造、堆積、印刷、レーザーアブレーション、微細機械加工、エッチング、ドーピング、蒸着、コーティング、３Ｄ印刷、適用の他、平らなまたは均一な材料を必要とする広範囲の他の一般的なプロセスが可能になる。

[0061]本開示の複合材料の用途には、他の用途のなかでもとりわけ、アンテナとセンサーとを組み込んだ衣類、レーダーとアンテナに適合する用途、ＥＭＩ、ＲＦおよび静電保護、太陽電池、ラミネートに埋め込まれたワイヤートレース、およびオンボード平面エネルギー貯蔵装置を組み込んだ構造膜、パッケージトラッキングのための低コスト統合ＲＦＩＤシステム、フレキシブル回路ボード、ラギダイズフレキシブルディスプレイ、およびフレキシブル照明などがあるがそれらに限定されない。

[0062]様々な実施形態において、導電性または非導電性添加剤が、複合材料の静電放電（ＥＳＤ）または誘電（ＤＥ）特性を変えるためにユニテープ層の接着剤／樹脂中に含有されてもよい。様々な実施形態において、難燃剤接着剤またはポリマーを使用してもよく、または難燃剤を、ほかの場合なら易燃性の母材または膜に添加して、耐燃性を改良することができる。

[0063]防炎または自消性母材樹脂、またはラミネート用または結合用接着剤、例えばＬｕｂｒｉｚｏｌ８８１１１をそれらだけでまたは難燃剤と組み合わせて使用することができる。難燃剤の例には、ＤＯＷＤ．Ｅ．Ｒ．５９３臭素化樹脂、ＤＯＷＣｏｒｎｉｎｇ３難燃性樹脂、および三酸化アンチモンを有するポリウレタン樹脂（たとえばＰＤＭＮｅｐｔｅｃｌｔｄ．製のＥＭＣ−８５／１０Ａ）などが含まれるが、他の難燃剤もまた、適している場合がある。耐燃性を改良するために使用されてもよい難燃剤には、ＦｙｒｏｌＦＲ−２、ＦｙｒｏｌＨＦ−４、ＦｙｒｏｌＰＮＸ、Ｆｙｒｏｌ６、およびＳａＦＲｏｎ７７００などが含まれるが、他の難燃剤もまた、適している場合がある。また、難燃性または自消性特徴をユニテープ層内の繊維に付加するために、ＮｏｍｅｘまたはＫｅｖｌａｒなどの難燃性繊維、セラミックまたは金属ワイヤーフィラメントを使用、繊維製造プロセスの間に難燃剤化合物を繊維調合物に直接添加するか、または繊維を上に記載された難燃剤化合物または適切な場合は他の難燃剤化合物を混入するサイジングポリマーまたは接着剤でコートするか、どちらでも実施することができる。ラミネートにおいて使用される任意の織布またはスクリム材料が、供給者によって難燃性のために予備処理されるか、または製造プロセスの間に難燃剤化合物でコートおよび注入されるかどちらであってもよい。

[0064]様々な実施形態において、本開示の複合材料に与えられるかまたは導入されてもよい他の特徴には、導電性ポリマーフィルム、薄いフレキシブルガラスを組み込むことができること、繊維のナノコーティング、ナノ材料をフィルムおよび母材内に組み込むこと、ＥＭＩ、ＲＦ、および静電保護の一体化、電子デバイスの機能性を直接にパッケージ内に組み込むためのパッケージング、多くの電気回路がフレキシブルフォーマットに容易に且つ効率的に組み込まれるようにそれらに類似した層状構造、電気抵抗、熱の管理および熱の放散のための熱伝導率、ファイバー・オプティックス、および複数層構造物を使用するエネルギー貯蔵などが含まれるがそれらに限定されない。

[0065]別の実施形態において、ユニテープ内に加工する前にフィラメントがコートされて、熱コンダクタンス、電気キャパシタンス等の機能性を付加してもよい。

[0066]様々な他の実施形態において、金属および誘電体層が複合体に含有されて、太陽電池のための反射、またはエネルギー貯蔵のためのキャパシタンスなどの機能性を付加してもよい。

[0067]本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、様々な改良例および変型例が本開示において実施できることは当業者には明らかであろう。したがって、本開示は、添付された請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるならば、本開示の改良例および変型例に及ぶものとする。

[0068]さらに、デバイスの構造および機能および／または方法の詳細と共に様々な選択肢を含めて、多数の特性および利点が上記の説明において記載された。本開示は説明としてのみ意図され、それ故に、網羅的であることを意図しない。添付された請求の範囲が表現される用語の広い、一般的な意味によって示される最大限の程度まで、本開示の原理の範囲内で組合せを含む部分の構造、材料、要素、構成成分、形状、大きさおよび配列の問題において特に、様々な変更を加えてもよいことは当業者には明らかであろう。これらの様々な変更が、添付された請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱しない限りにおいて、それらはその中に包含されることが意図される。

Claims

ａ．少なくとも１つの導電層と、
ｂ．少なくとも１つの強化層を含む少なくとも１つのラミネート層とを含む、複合材料。
前記導電層が、エッチされない金属層、エッチされた金属層、金属グランドプレーン層、金属電源プレーン層、または電子回路部品層のうちの任意の層である、請求項１に記載の複合材料。
前記導電層が、エッチされた金属層であり、前記エッチされた金属が回路設計をトレースする、請求項２に記載の複合材料。
少なくとも１つのフィルム層をさらに含む、請求項１に記載の複合材料。
前記少なくとも１つの強化層が、前記フィルム層の２つの間に挟まれる、請求項４に記載の複合材料。
前記強化層が、少なくとも１つの一方向性テープ副層を含む、請求項１に記載の複合材料。
前記一方向性テープ副層が、樹脂でコートされた、薄く広げられた平行なモノフィラメントを含む、請求項６に記載の複合材料。
前記モノフィラメントが約６０ミクロン未満の直径を有し、強化のための隣接する多数のモノフィラメント内の単一モノフィラメント間の間隔が、モノフィラメント外径の約３００倍までの範囲の、接合および／または積層モノフィラメント間の間隙距離の範囲内である、請求項７に記載の複合材料。
前記少なくとも１つの一方向性テープ副層が、合計４つであり、それらのモノフィラメントの相対的な向きが実質的に０°／＋４５°／＋９０°／＋１３５°において配置される、請求項７に記載の複合材料。
前記複合材料がフレキシブル複数層回路ボードである、請求項１に記載の複合材料。
消費者用、産業用、企業用もしくは公共用製品の中または上に組み込まれる、請求項１に記載の少なくとも１つの複合材料を含むフレキシブル電子複合体システム。
請求項１に記載の少なくとも１つの複合材料と、
ハードウェアおよび／またはソフトウェアとを含む、フレキシブル電子複合体システム。
少なくとも１つの強化層を導電層上に加えることによって複数層複合体を製造する工程と、
任意選択により前記導電層をエッチする工程と、
任意選択により、付加的な導電性および／または非導電性層を前記複数層複合体内におよび／または上に加える工程と、
任意選択により、前記複数層複合体を硬化する工程とを含む、フレキシブル電子複合材料を製造する方法。