JP2017041504A - フレキシブル抵抗器及びその製造方法、並びに印刷配線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブル樹脂基材を用いたフレキシブル抵抗器、該抵抗器を含む印刷配線装置、並びにフレキシブル抵抗器と配線を同時に形成するフレキシブル抵抗器の製造方法を提供する。
【解決手段】フレキシブル樹脂基材表面に、放熱機能材料の層を塗布し、該放熱機能材料の層の表面に、配線材料用の導電性インクを塗布した後、光焼成することにより、フレキシブル抵抗器を製造する。製造されたフレキシブル抵抗器は、フレキシブル樹脂基材と、前記フレキシブル樹脂基材上の放熱機能材料層と、前記放熱機能材料上の、導電性インク材料の導電物質を少なくとも含む抵抗体膜とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、印刷等の塗布による製造に適するフレキシブル抵抗器、及びその製造方法、並びに印刷配線装置に関する。

近年、フレキシブルな樹脂基材を用いて、印刷手法による電子回路の形成技術や、これらの技術による製品の開発が行われている。しかしながら、従来のリジッドなチップ素子を実装することによっては、フレキシブルなデバイスを作製することができない。また、従来のチップ素子は「リジッド」であるためフレキシブルな樹脂基材の上に形成された回路上に実装しようとした場合、製品のフレキシビリティが損なわれる。さらに、チップ化素子を実装するためには、ハンダ等が用いられるが、フレキシブルな樹脂基材は高温に耐えられないという問題にあった。また、フレキシブルな樹脂基材だけでなく、回路の金属配線も薄膜化されているため、そもそも印刷製造技術の利用分野では半田実装ができないという問題があった。

印刷エレクトロニクス技術によるフレキシブル電子デバイスにおける配線金属層の製造方法として、樹脂基材上に導電性インクのパターンを各種印刷法などにより塗布して後、導電性インク層を光焼成法などにより加熱処理する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１５−７７５９０号公報

フレキシブルな樹脂基材を用いた電子素子製造技術において、抵抗器を、半田付けではなく、フレキシブル樹脂基材に直接形成する方法が望まれる。

また、フレキシブルな樹脂基材表面に直接抵抗体を形成実装して電子回路を構成する際には、異なる抵抗値の抵抗器を複数個配置される必要がある。そのためには、異なる抵抗材料を同じ基材に印刷する必要がある。異なる抵抗材料はそれぞれインクを変えて印刷せねばならず、印刷プロセスの工程が増加してしまうという問題がある。また異なる材料は異なる温度での熱処理が必要となるため、１つの基材上で同時に製造することは実質上不可能に近い。

ところで、従来から抵抗器の製造分野において、リジッドな抵抗器（チップ素子）を作成するためにスクリーン印刷手法等が利用されている。しかしながら、チップ素子は単一の製品を量産する技術であるため、回路上に異なる抵抗値を持つ抵抗器を直接作成する技術ではない。

また、従来のチップ抵抗器の製造方法では、高温（１０００〜１３００℃以上）焼成処理を行うため、樹脂フィルム等の基材上に製造する技術には適用できない。たとえ、高抵抗材料を樹脂基材に適用できたとしても、実際の回路基板には異なる抵抗器を配置せねばならず、抵抗ごとに材料を塗り分け印刷する工程が必要であるという難点もある。

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、本発明は、フレキシブルな樹脂基材を用いたフレキシブル抵抗器を提供することを目的とする。また、本発明は、抵抗器素子を製造と同時に実装する印刷製造技術に適する抵抗器を提供することを目的とする。また、本発明は、抵抗器を製造と同時に実装する製造方法と提供する。また、本発明は、配線層と抵抗器とがフレキシブル樹脂基材に直接形成された印刷配線装置を提供することを目的とする。また、本発明は、フレキシブルな樹脂基材を用いた印刷製造技術において、異なる抵抗値を有する複数の抵抗器を提供し、また異なる抵抗値を有する複数の抵抗器を同時形成可能なフレキシブル抵抗器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。

本発明は、フレキシブル抵抗器に関し、フレキシブル樹脂基材と、前記フレキシブル樹脂基材上の放熱機能材料層と、前記放熱機能材料上の、導電性インク材料の導電物質を少なくとも含む抵抗体膜とを備えることを特徴とする。具体的には、前記放熱機能材料層は、絶縁材料である。例えば、本発明のフレキシブル抵抗器は、前記フレキシブル樹脂基材上の第１の放熱機能材料層と、前記第１の放熱機能材料層上の、導電性インク材料の導電物質を少なくとも含む第１の抵抗体膜と、前記フレキシブル樹脂基材上の第２の放熱機能材料層と、前記第２の放熱機能材料層上の、前記導電性インク材料の導電物質を少なくとも含む第２の抵抗体膜とを備え、前記第１の抵抗体膜と前記第２の抵抗体膜とは、抵抗値が異なる。

本発明は、印刷配線装置に関し、前記導電性インク材料から形成された配線金属層と、請求項１記載のフレキシブル抵抗器とを備えることを特徴とする。

本発明は、フレキシブル抵抗器の製造方法に関し、フレキシブル樹脂基材表面に、放熱機能材料の層を塗布し、該放熱機能材料の層の表面に、配線材料用の導電性インクを塗布した後、光焼成することを特徴とする。具体的には、前記放熱機能材料の層は、絶縁材料である。前記放熱機能材料の層の塗布および前記配線材料用の導電性インクの塗布は、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、反転印刷法及びインクジェット印刷法のうちのいずれか１以上の印刷法を用いることが好ましい。

本発明によれば、フレキシブルな樹脂基材表面に配線層の形成と同時に、直接抵抗体を形成かつ実装することができ、電子回路のフレキシブル化を図ることができる。電子回路上に電子部品を実装する場合、電子部品自体フレキシブルな製品が将来的に現れたとしても、半田や異方性導電性膜による実装を行う場合はフレキシビリティが損なわれてしまう。本発明は、電子デバイスのフレキシブル化に貢献することが大である。

本発明によれば、抵抗器の製造に高温のプロセスを必要としない。本発明の製造方法によれば、従来の印刷配線の形成技術と類似の方法により、簡単な工程で製造でき、短タクト化ができる。

本発明によれば、電子回路として必要な異なる抵抗値の抵抗器を複数個フレキシブル樹脂基板に直接配置できる。即ち、従来では、様々な組成の抵抗材料を印刷手法で塗り分けする必要があったが、本発明では、配線材料を用いて、異なる抵抗値を有する複数の抵抗器を同一工程で形成することができる。

本発明の製造方法は、従来の厚膜抵抗器の製造方法に比べ、異なる種類の物を同時処理に向いている。また、回路基板上に抵抗器をアセンブルし実装する工程を必要とせず、製造工程と同時に実装が完了するといった製造技術となる。このことは製造現場で回路設計や設計変更が行えることになるため、オンデマンドでの多品種少量生産優れており、短納期の工業的製造に有利である。

第１の実施の形態における工程を断面図で説明する図である。 図１の工程を上面図で説明する図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。

本発明者は、プラスチック樹脂フィルム上に回路を形成するプリンテッドエレクトロニクス分野において、有用なフレキシブル抵抗器を、配線の形成等と同時に形成することが可能な技術を開発したものである。

最近のプリンテッドエレクトロニクス分野の技術では、プラスチック樹脂フィルム上に回路を形成する場合、樹脂基材の耐熱温度が低いために、Ｘｅ光源等を用いたＸｅフラッシュ焼成法に代表される光焼成法によって配線が形成される。フラッシュ焼成法とは、短時間（１００μｓ〜２ｍｓ）の間に光パルスを繰り返しで照射する（１〜１０Ｈｚ）ことにより、基板の熱上昇を抑えることができる方法である。この手法は焼成のプロセスを短タクト化することが可能である。例えば、従来のオーブンによる焼成であれば、１８０度オーブンで３０分焼成必要なＡｇインクを、２分程度で光焼成できる。Ａｇ微粒子は、互いの凝集による沈殿を防ぎインク中に分散させるため、表面がアルキルアミン類等の保護基で覆われている。またインクには、基板への密着強度を上げるためのバインダーや粘度調整のための添加剤が含まれているが、これらは所定の加熱温度・加熱時間により消出するように設計されている。光焼成法の場合、高温である温度が短時間で、それが繰り返されるだけであるので、基板温度の上昇は抑えられているが、インク材料自体は所定の温度以上に達している。光焼成法は、条件が十分でないと生焼け状態になり、抵抗が十分に下がらない。逆に、条件が過剰すぎるとＡｇ配線パターンが飛散してしまうことや、出来上がった配線にクラックを生じてしまうため、条件の設定は重要となっている。プリンテッドエレクトロニクスで用いられる樹脂基材は、基本的に透明であり、例えば可視域で９５％透過する。そのため、樹脂自体が光を吸収する割合は非常に小さい。パターニングされた配線が光を吸収し高温に達し焼結する。

本発明者は、樹脂基材上の導電性インクの焼成にあたり、樹脂基材の熱伝導率の相違等により未焼成が生じることに着目して、本発明に到ったものである。

本発明では、樹脂基材の所定領域に、放熱機能を有する材料を介在層として設けて、導電性インクを塗布することにより、放熱機能の高い樹脂基材表面を実質的に作り出し、当該所定領域の熱伝導や熱容量を変えて、未焼成領域を作成することを実現したものである。該未焼成領域は、導電性が低いので抵抗体膜であり実質的に抵抗器である。

本発明は、本発明の抵抗器を作製するにあたり、短いパルス光源と金属配線材料と用いる印刷抵抗器製造技術である。本発明の抵抗体膜は、導電性インク材料の導電物質を少なくとも含む抵抗体膜であり、より具体的には、配線用導電性インク材料の導電物質（例えば、Ａｇ，Ｃｕ）を少なくとも含む抵抗体膜である。本発明では、金属材料としてはＡｇもしくはＣｕのうち少なくともいずれかを用い、導電体はＡｇやＣｕを主体としながら、透明な絶縁材料を重ねて配し、金属の結合形成を制御するために光焼成法を用いる。

放熱機能材料は、基材として用いる樹脂基材より熱伝導率がよい。放熱機能材料の層は、抵抗器を作成する際の光焼成において、導電性インク層の加熱を軽減するための機能を果たす。本発明では、樹脂基材上に局所的に配置した放熱機能材料により、局所部分の到達温度を下げることができ、導電性インク層の乾燥、焼成又は焼結を阻害するようにしたものである。

未焼成領域は、抵抗器として有効な抵抗値を有するのは、焼成が不完全な状態で残っているアルキルアミン類やポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、塗布性を補助するフッ素系添加材等が導電性インク層に存在するため、完全に焼成された場合に比べて導通部部分が細く形成されるためと考えられる。

（第１の実施の形態）
本実施の形態では、フレキシブルな樹脂基材の表面に、放熱機能材料を設け、放熱機能材料層の表面を含む樹脂基材表面に配線となる導電性インクを一括印刷し、さらにＸｅフラッシュランプ等により光焼成することにより、抵抗器を形成する。さらに、１つの樹脂基材に複数の抵抗器を形成することで、異なる抵抗値を有する複数のフレキシブルな抵抗器を同時形成する。

本実施の形態について、図1及び２を参照して以下説明する。図は、本実施の形態のフレキシブル抵抗器を製造する工程を示すものであり、図１は断面図、図２は上面図である。

［樹脂製基材を準備する工程］
まず、樹脂製基材１を準備する（図１（ａ）、図２（ａ））。基材１は透明なプラスチック樹脂基材である。代表的には、透明なプラスチック樹脂基材のＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）である。従来から印刷配線技術において使用されている樹脂基材を用いることができる。ＰＩ（ポリイミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキシド）等を用いてもよい。

［放熱機能材料を塗布する工程］
樹脂基材１の表面上の部分領域に、放熱機能材料２を成膜する（図１（ｂ）、図２（ｂ））。該部分領域は、目的とする抵抗器を形成する予定領域の下の領域で、同じ大きさの領域であってもよいが、予定領域より少し大きくすることにより、放熱効果が大になる。また、抵抗器を形成する予定領域のサイズは、目的とする抵抗器の抵抗値に応じて、適宜設定し、該予定領域のサイズに対応して、放熱機能材料を形成する領域を設定する。

放熱機能材料の成膜方法として、印刷法が望ましいが、これに限らず、真空蒸着法、スパッタ法、プラズマコーティングなどを用いてもよい。

放熱機能材料２となる材料は光を透過させなければならない（光透過性）こと、また放熱機能材料２自体が基材の温度上昇に影響を与えないことが必要である。なお、放熱機能材料２となる材料は透明であることが好ましいが、光照射光源の光に対して光透過性であれば足りる。さらに、作製しようとする物は配線と抵抗器であるため、放熱機能材料２は絶縁性の材料でなくてはならない。膜の厚さは適宜選択できるが、例えば１μｍ程度の膜厚でよい。厚い方が熱拡散の効率はよいが、印刷というプロセスに適合しなければならないため厚すぎると上に印刷する配線の断線の原因となりうる。

放熱機能材料２の面積は放熱の効率に影響がある。面積を大きくすることで配線材料の焼結をより阻害させることができるので、抵抗値の大きな抵抗器を作る場合には配線より大きく印刷することが効果的である。

具体例を示す。放熱機能材料として、熱硬化タイプ液状シリコーン材料（ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン））を用い、反転オフセット法により成膜する。シリコーン材料はシロキサン結合（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）を骨格（主鎖）にもつ構造の物で、耐熱性に優れ、熱伝導特性が樹脂基材に比べ大きいという特徴を持つ。シリコーン材料は、触媒などを必要とせず、大気下の雰囲気で湿気により重合を開始する。さらに、シリコーン材料は、加熱により硬化する。

実施例としては、放熱機能材料２に熱伝導型ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を用いて、厚さ６００ｎｍ、幅１ｍｍ、長さ５ｍｍのサイズで印刷した。

シリコーン材料には、シリコーンゴム、シリコンポリマー、湿気硬化型シリコーン接着材、シランカップリング材、シリコンレジン等が挙げられる。市販のシリコーン材料では、例えば、熱伝導率が１.０〜６.０Ｗｍ^-1Ｋ^-1の範囲で種々存在する。よって、これらのシリコーン材料の種類を変えて、１つの樹脂基材に放熱機能材料として所定領域に成膜すれば、所望の抵抗値の抵抗器が得られる。

放熱機能材料を塗布する場合に適する材料として、前記シリコーン材料に限らず、絶縁性微粒子を含有する液晶ポリエステル樹脂等を用いることができる。液晶ポリエステルは、−Ｏ−Ａｒ−ＣＯ−、−ＣＯ−Ａｒ−ＣＯ−を含有する構造（ただし、Ａｒは２価の芳香族基であり、芳香環は置換基を有していてもよい。）であり、印刷法における形状成型性に優れ、熱に対する流動性も２７０℃以上であるため、好適である。放熱効果のため、アルミナ微粒子（酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃））等の熱伝導性のよい絶縁性微粒子を含有する必要があるが、成型性の観点からその体積平均粒径は、１μ以下であることが望ましい。

よって、１つの樹脂基材上に、異なる抵抗値の抵抗器を作製したい場合は、放熱機能材料の種類、放熱機能材料の成膜面積、導電性インク層が積層されて重なる放熱機能材料の成膜面積、成膜厚さのうちのいずれか１以上を相違させて、作製することができる。放熱機能材料２として多くの種類の材料を塗り分けることも可能である、しかし、工程数が多くなり、本課題を解決する目的からはずれていくので、印刷の大きさで制御することが最も好ましい。

［導電性インクを塗布する工程］
樹脂基材１の表面の配線形成領域、及び既に形成した放熱機能材料の表面上で抵抗器形成予定の部分領域に、導電性インク層３を塗布する（図１（ｃ）、図２（ｃ））。塗布は、既知の印刷法により、導電性インク層を所望の回路パターンになるように形成する。一括印刷により形成することができる。導電性インクは、従来から使用されている配線用インクでよい。前述した配線層の形成方法と同様である。

実施例としては、厚さ２００ｎｍ、３００μｍ幅のＡｇ配線を塗布形成した。

放熱機能材料および配線材料は、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、反転印刷法とインクジェット印刷法のうちのいずれか１以上の方法を用いることができる。

配線インクである導電性インクは、ＡｇインクとＣｕインクのうちのいずれか１以上を使用することが好ましい。なお、ＡｕインクはＡｕ−Ａｕの結合の形成が容易であるので本発明の目的には適さない。カーボン材料は、体積低効率が１０^-4Ω・ｃｍと金属材料ほどの低抵抗化が見込まれず、またナノチューブのようなファイバー状材料は、導通を形成するメカニズムがファイバーの接点に由来するため、細線を目的とした印刷パターン形成の材料として配線と抵抗器を同時に作製する本発明には適さない。

［導電性インク層を加熱する工程］
放熱材料層及び導電性インク層が形成された樹脂基材全体を、光照射装置４からの光照射により加熱する（図１（ｄ））。例えば、基材全体をＸｅフラッシュランプで加熱する。基材１が透明であると、基材上方向（導電性インク層側）からの加熱でもＡｇ電極は焼成するが、図１（ｄ）のように、基材１や放熱機能材料２との密着性や膜均一性のため、基板下方向（基板裏面側）から加熱することが望ましい。

実施例では、ステージ温度８０度、パルス幅３５０μｓ、パルス照射周期７００μｓエネルギー９１Ｊ、１０ｍｍ辺り７.１回（ステージで連続搬送しているため）の照射条件で焼成した。

［加熱後］
Ｘｅフラッシュランプ等による加熱により、導電性インク層３のうちの一方の、放熱機能材料２上に形成され配線用インクで形成され導電性インク層３は、抵抗値が大きく抵抗体膜５となり、実質的に抵抗器となる。他方の、樹脂基材１の上に直接印刷された導電性インク層３は、電極又は配線６となる（図１（ｅ）、図２（ｄ））。

実施例では、抵抗体膜５として、抵抗率が６Ω／□と大きいものが得られ、５ｍｍの長さで約１００Ωの抵抗が形成できた。他方の、樹脂基材１の上に直接印刷された導電性インク層３は、４５μΩ・ｃｍ程度であった。

以上の工程により、フレキシブル抵抗器をフレキシブル樹脂基材上に作製することができる。また、フレキシブル樹脂基材上の第１の放熱機能材料層と、前記第１の放熱機能材料層上の導電性インク材料を含む第１の抵抗体膜と、前記フレキシブル樹脂基材上の第２の放熱機能材料層と、前記第２の放熱機能材料層上の前記導電性インク材料を含む第２の抵抗体膜とを備え、前記第１の抵抗体膜と前記第２の抵抗体膜とは、抵抗値が異なるようなフレキシブル抵抗器を、作製することもできる。この場合、第１の抵抗体膜と第２の抵抗体膜の形状や、面積が異なることにより、抵抗値が異なるようにしたり、第１の放熱機能材料と第２放熱機能材料が材料又は厚さが異なることにより、抵抗体膜の体積抵抗率が異なり、抵抗値が異なるようにできる。

なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。

本発明のフレキシブル抵抗器は、所望の抵抗値を有する抵抗器をフレキシブル樹脂基材に直接形成することが可能であるので、印刷手法による種々の回路パターンの形成に広く利用でき、産業上有用である。

１ 樹脂基材
２ 放熱機能材料
３ 導電性インク層
４ 光照射装置
５ 抵抗体膜
６ 配線

Claims (7)

1. フレキシブル樹脂基材と、前記フレキシブル樹脂基材上の放熱機能材料層と、前記放熱機能材料上の、導電性インク材料の導電物質を少なくとも含む抵抗体膜とを備えることを特徴とするフレキシブル抵抗器。
2. 前記放熱機能材料層は、絶縁材料であることを特徴とする請求項１記載のフレキシブル抵抗器。
3. 前記フレキシブル樹脂基材上の第１の放熱機能材料層と、前記第１の放熱機能材料層上の、導電性インク材料の導電物質を少なくとも含む第１の抵抗体膜と、前記フレキシブル樹脂基材上の第２の放熱機能材料層と、前記第２の放熱機能材料層上の、前記導電性インク材料の導電物質を少なくとも含む第２の抵抗体膜とを備え、前記第１の抵抗体膜と前記第２の抵抗体膜とは、抵抗値が異なることを特徴とする請求項１又は２記載のフレキシブル抵抗器。
4. 前記導電性インク材料から形成された配線金属層と、請求項１記載のフレキシブル抵抗器とを備えることを特徴とする印刷配線装置。
5. フレキシブル樹脂基材表面に、放熱機能材料の層を塗布し、該放熱機能材料の層の表面に、配線材料用の導電性インクを塗布した後、光焼成することを特徴とするフレキシブル抵抗器の製造方法。
6. 前記放熱機能材料の層は、絶縁材料であることを特徴とする請求項５記載のフレキシブル抵抗器の製造方法。
7. 前記放熱機能材料の層の塗布および前記配線材料用の導電性インクの塗布は、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、反転印刷法及びインクジェット印刷法のうちのいずれか１以上の印刷法を用いることを特徴とする請求項５又は６記載のフレキシブル抵抗器の製造方法。
   
   

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