JP2020088123A

JP2020088123A - フレキシブル基板

Info

Publication number: JP2020088123A
Application number: JP2018219415A
Authority: JP
Inventors: 浅川　吉幸; Yoshiyuki Asakawa; 吉幸浅川
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2020-06-04
Also published as: CN111212526A; KR20200060228A; KR20240023561A; JP2023101600A; TW202019693A; KR102670785B1

Abstract

【課題】耐熱ピール強度の低下を抑制でき、フレキシブル基板の製造コストを全体として抑制できるフレキシブル基板を提供する。【解決手段】フレキシブル基板１０は、ポリイミドフィルム１１と、ポリイミドフィルム１１の表面に形成されている下地金属層１２と、下地金属層１２に重畳して形成されている銅導体層１３と、を含んで構成されている。下地金属層１２は、クロム含有合金層１４を含んでいる。そしてこのクロム含有合金層１４が、ポリイミドフィルム１１と接する第１金属層１４ａと、第１金属層１４ａに重畳するように位置している第２金属層１４ｂとを有し、第１金属層１４ａにおけるクロムの重量パーセントが、第２金属層１４ｂにおけるクロムの重量パーセントよりも大きい。この構成により、第１金属層１４ａに対する銅の拡散を抑制でき、耐熱ピール強度の低下を抑制できる。また、フレキシブル基板１０の製造コストを抑えることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、フレキシブル基板に関する。さらに詳しくは、耐熱性に優れるフレキシブル基板に関する。

液晶パネル、ノートパソコン、デジタルカメラ、携帯電話等には、耐熱性樹脂フィルム上に金属膜を被覆して得られる多種類のフレキシブル配線基板が用いられる。このフレキシブル配線基板には、耐熱性樹脂フィルムの片面若しくは両面に金属膜を成膜した金属膜付樹脂フィルムが多く用いられている。本明細書では、これらの金属膜付樹脂フィルムを「フレキシブル基板」と称することがある。

この種のフレキシブル基板の製造方法として、従来、金属箔を接着剤により樹脂フィルムに貼り付けて製造する方法（３層基板の製造方法）、金属箔に熱硬化性樹脂溶液をコーティングしかつ乾燥させて製造する方法（キャスティング法）、金属箔に熱可塑性樹脂フィルムを貼り付け熱圧着させて製造する方法（ラミネート法）および、樹脂フィルムに真空成膜法若しくは真空成膜法と湿式めっき法により金属膜を成膜して製造する方法（メタライジング法）等が知られている。また、メタライジング法の真空成膜法には、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、イオンビームスパッタリング法等がある。

ここで、真空成膜法において、一般にスパッタリング法は密着力に優れるが、基板を大気中で１５０℃に加熱し１６８時間保持した後測定するピール強度（以下耐熱ピール強度と称することがある）が低下することが知られている。

この耐熱ピール強度の低下を抑制したフレキシブル基板に関して、特許文献１では、メタライジング法として、ポリイミド絶縁層上にクロム層をスパッタリングした後、銅をスパッタリングしてポリイミド絶縁層上へ導体層を形成する方法が開示されている。また、特許文献２では、ポリイミドフィルム上に、銅ニッケル合金をターゲットとしてスパッタリングにより形成された第一の金属薄膜と、銅をターゲットとしてスパッタリングにより形成された第二の金属薄膜の順に積層して形成されたフレキシブル回路基板用材料が開示されている。さらに特許文献３では、ポリイミドフィルム表面を改質した２層銅ポリイミド基板が開示され、特許文献４では、ポリイミド樹脂フィルムの表面を改質した金属被覆ポリイミド樹脂基板が開示されている。

特開平２−９８９９４号公報特許第３４４７０７０号公報特開２００７−３１８１７７号公報国際公開第２０１０／０９８２３６号

特許文献１および２では、耐熱ピール強度の低下を抑制するため、ポリイミドフィルムの表面にクロムまたはニッケル銅の金属層をスパッタリングにより形成している。しかし、これらの文献により得られるフレキシブル基板では、耐熱ピール強度の低下の抑制が不十分であった。また、特許文献３および４では、ポリイミドフィルムに金属層が形成される前に、ポリイミドフィルムの表面を改質することにより耐熱ピール強度の低下を抑制しているが、耐熱ピール強度の低下の抑制が十分とは言えず、加えてポリイミドフィルムの表面の改質のためのプラズマ処理等の工程にはコストがかかるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑み、耐熱ピール強度の低下を抑制できるとともに、フレキシブル基板の製造コストを全体として抑制できるフレキシブル基板を提供することを目的とする。

第１発明のフレキシブル基板は、ポリイミドフィルムと、該ポリイミドフィルムの表面に形成されている下地金属層と、該下地金属層に重畳して形成されている銅導体層と、を含んで構成されており、前記下地金属層は、クロム含有金属層を含んでおり、該クロム含有金属層が、前記ポリイミドフィルムと接する第１金属層と、該第１金属層に重畳するように位置している第２金属層と、を有し、前記第１金属層におけるクロムの重量パーセントが、前記第２金属層におけるクロムの重量パーセントよりも大きいことを特徴とする。
第２発明のフレキシブル基板は、第１発明において、前記クロム含有金属層が、ニッケルクロム合金層であることを特徴とする。

第１発明によれば、ポリイミドフィルムの表面に形成された下地金属層がクロム含有金属層を含んでおり、このクロム含有金属層のうち、ポリイミドフィルムと接している第１金属層におけるクロムの重量パーセントが、第２金属層におけるクロムの重量パーセントよりも大きいことにより、第１金属層への銅の拡散を抑制できる。耐熱ピール強度は、ポリイミドフィルムが銅により分解されることで低下するので、第１金属層への銅の拡散を抑制することで耐熱ピール強度の低下を抑制できる。また、第１金属層におけるクロムの重量パーセントを、第２金属層におけるクロムの重量パーセントよりも大きくすることは比較的容易にできるので、フレキシブル基板の製造コストを抑えながら耐熱ピール強度の低下を抑制できる。
第２発明によれば、クロム含有金属層がニッケルクロム合金層であることにより、ニッケルクロム合金は容易に入手できるので、より安価に耐熱ピール強度の低下を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係るフレキシブル基板の断面部分拡大図である。本発明の第１実施形態に係るフレキシブル基板の断面図である。本発明の第１実施形態に係るフレキシブル基板のＴＥＭによる元素マッピングの測定図である。（図Ａ）過熱水蒸気処理後のＣｒ元素の分布状態を示す図である。（図Ｂ）過熱水蒸気処理前のＣｒ元素の分布状態を示す図である。（図Ｃ）過熱水蒸気処理後のＣｕ元素の分布状態を示す図である。（図Ｄ）過熱水蒸気処理前のＣｕ元素の分布状態を示す図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのフレキシブル基板１０を例示するものであって、本発明はフレキシブル基板１０を以下のものに特定しない。なお、各図面が示す部材の大きさまたは位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。

（第１実施形態）
図２には、本発明の第１実施形態に係るフレキシブル基板１０の断面図を示す。図２に示すように、本発明に係るフレキシブル基板１０は、ポリイミドフィルム１１と、このポリイミドフィルム１１の表面に形成されている下地金属層１２と、この下地金属層１２に重畳して形成されている銅導体層１３と、を含んで構成されている。下地金属層１２は、たとえば、ポリイミドフィルム１１側に設けられているクロム含有金属層１４および下地銅層１５とから構成されている。なお本実施形態では、ポリイミドフィルム１１の片面に下地金属層１２等が形成されているが、特にこれに限定されず、ポリイミドフィルム１１の両面に、下地金属層１２等が形成されているものも、本発明に係るフレキシブル基板１０に該当する。

図１には、図２の円で囲んだ部分の拡大図を示す。本実施形態では、下地金属層１２のクロム含有金属層１４は、ポリイミドフィルム１１と接する第１金属層１４ａと、この第１金属層１４ａに重畳するように位置している第２金属層１４ｂとを有する構成である。そして、本発明に係るフレキシブル基板１０では、第１金属層１４ａにおけるクロムの重量パーセントが、第２金属層１４ｂにおけるクロムの重量パーセントよりも大きいことを特徴としている。

ポリイミドフィルム１１の表面に形成された下地金属層１２のうち、ポリイミドフィルム１１と接している第１金属層１４ａにおけるクロムの重量パーセントが、第２金属層１４ｂにおけるクロムの重量パーセントよりも大きいことにより、後述するように第１金属層１４ａへの銅の拡散を抑制できる。

フレキシブル基板１０の耐熱ピール強度の低下の原因の一つは、ポリイミドフィルム１１が銅により分解されることである。すなわち、導電性の高い銅が、ポリイミドフィルム１１と直接接することを抑制できれば、耐熱ピール強度は高くなる。下地金属層１２の少なくとも一部が、本実施形態ではクロム含有金属層１４、具体的にはニッケルクロム合金層であることで、銅がポリイミドフィルム１１と接触することを抑制できる。しかし、クロム含有金属層１４が形成されているだけでは、フレキシブル基板１０の温度が高くなると銅が次第にクロム含有金属層１４内を拡散し、ポリイミドフィルム１１に接するようになる。

そのため、クロム含有金属層１４の一部に、クロムが多い層、すなわち第１金属層１４ａを存在させる。フレキシブル基板１０が高温になると、銅はクロム含有金属層１４の中の酸素と結びつくことでクロム含有金属層１４内に拡散する。この酸素がクロムと結びついている層、すなわちクロムが多い第１金属層１４ａが存在すると、この第１金属層１４ａによりフレキシブル基板１０の温度が高くなっても銅の拡散が抑制され、耐熱ピール強度の低下を抑制できる。

なお、第１金属層１４ａにおけるクロムの重量パーセントを、第２金属層１４ｂにおけるクロムの重量パーセントよりも大きくする方法は後述するが、この方法は比較的容易に実施できるので、フレキシブル基板１０の製造コストを抑えながら耐熱ピール強度の低下を抑制できる。

また、本発明に係るフレキシブル基板１０では、下地金属層１２が、クロム含有金属層１４、すなわちニッケルクロム合金層を含んでおり、このニッケルクロム合金層が、第１金属層１４ａおよび第２金属層１４ｂから構成されていることが好ましい。ニッケルクロム合金は容易に入手できるので、より安価に耐熱ピール強度の低下を抑制できる。

（ポリイミドフィルム１１）
本実施形態に係るフレキシブル基板１０に用いられているポリイミドフィルム１１は、フィルム状の絶縁体である。たとえば、東レ・デュポン製カプトン（登録商標）１００ＥＮフィルム、または宇部興産製ユーピレックス（登録商標）２５ＳＧＡなどが該当する。

（下地金属層１２）
本実施形態に係るフレキシブル基板１０を構成する下地金属層１２は、ポリイミドフィルム１１の表面に直接形成されている。下地金属層１２は、クロム含有金属層１４と、下地銅層１５とを含んで形成されるのが好ましい。クロム含有金属層１４は、本実施形態ではニッケルクロム合金であるが、他にもクロム、クロム酸化物の中の少なくとも１種から選ばれるものを用いることができる。これらの下地金属層１２は、乾式メッキであるスパッタリングにより形成されるのが好ましい。なお下地金属層１２の形成は、真空蒸着、イオンプレーティングであっても問題ない。

クロム含有金属層１４は、ポリイミドフィルム１１の構成材料である合成樹脂と比較的密着性が良好である。また下地銅層１５は導電性が高い。下地金属層１２がこのように２層で構成されていることにより、下地金属層１２とポリイミドフィルム１１との密着性が向上するとともに導電性が高まり、下地金属層１２に重畳して設けられる銅導体層１３の湿式メッキが容易に行われる。

クロム含有金属層１４の厚さは５０オングストローム以上５００オングストローム以下であることが好ましく、下地銅層１５は、５００オングストローム以上５０００オングストローム以下であることが好ましい。

クロム含有金属層１４の厚さが５０オングストローム未満である場合は、その後の各処理工程時に密着性の問題が生じやすい。また５００オングストロームよりも厚い場合は、配線加工時にニッケルまたはクロムの除去が困難になるとともに、クロム含有金属層１４にクラックまたはそりが生じやすくなり、この点において、ポリイミドフィルム１１と下地金属層１２との密着性の問題が生じやすくなる。また下地銅層１５の厚さが５００オングストローム未満である場合、ピンホールによる欠陥の軽減効果が少なくなるとともに、その後に行われる湿式メッキの際に通電不良を引き起こす可能性がある。また、５０００オングストロームを超えると、下地銅層１５にクラックまたはそりが生じやすくなり、この点においてポリイミドフィルム１１と下地金属層１２との密着性の問題を生じやすくなる。

クロム含有金属層１４におけるクロムの重量パーセントは１２パーセント以上５０パーセント以下であることが好ましい。このような構成であることにより、第１金属層１４ａへの銅の拡散抑制の確実性を上げることができる。

クロムの重量パーセントが１２パーセントよりも小さい場合、第１金属層１４ａへクロムが十分に移動せず、銅の移動の抑制が十分に行われない。またクロムの重量パーセントが５０％よりも大きい場合は、スパッタリングの費用が大きくなる。

（銅導体層１３）
本実施形態にかかるフレキシブル基板１０を構成する銅導体層１３は、下地金属層１２の表面に直接形成されている。本実施形態に係るフレキシブル基板１０が、セミアディティブ法によりフレキシブル配線基板となる場合は、銅導体層１３の厚さは２μｍ前後である。これはフレキシブル基板１０のハンドリング性が良好になるからである。また、本実施形態に係るフレキシブル基板１０が、サブトラクティブ法によりフレキシブル配線基板となる場合は、銅導体層１３の厚さは８μｍ前後である。なお本発明に係るフレキシブル基板１０は、これらの厚さに限定されない。本実施形態に係るフレキシブル基板１０の製造方法で実施される湿式メッキは、公知の電気メッキである。

（過熱水蒸気処理）
本実施形態に係るフレキシブル基板１０には、銅導体層１３が形成された後、過熱水蒸気を吹き付ける過熱水蒸気処理が行われる。この過熱水蒸気処理が行われることにより、下地金属層１２を構成するクロム含有金属層１４が、クロムの重量パーセントが第２金属層１４ｂよりも多くなる第１金属層１４ａを有する構成となる。また、本実施形態では過熱水蒸気処理によりクロム含有金属層１４が、クロムが多くなる第１金属層１４ａを有する構成となったが、たとえば真空炉での加熱により、酸素が多くなる第１金属層１４ａを有する構成とすることも可能である。

過熱水蒸気の温度は２００℃以上４５０℃以下が好ましい。温度が２００℃よりも低いと、クロム含有金属層１４の２つの金属層のクロムの濃度が変化せず、耐熱ピール強度の低下を抑制できないからである。また、温度が４５０℃よりも高い過熱水蒸気は取り扱いが難しく、過熱水蒸気処理の手間がかかりすぎる。

過熱水蒸気を吹き付ける時間は、６０秒以上１８０秒以下が好ましい。６０秒よりも時間が短いと、クロム含有金属層１４の２つの金属層のクロムの濃度が変化せず、耐熱ピール強度の低下を抑制できないからである。また、１８０秒よりも時間が長いと、フレキシブル基板１０の生産性が低下する。

図３には、過熱水蒸気処理を行う前後のフレキシブル基板１０のＴＥＭによる元素のマッピング測定図を示す。各図の丸の中の図は、図２に記載の丸の中を表したものであり、ハッチングの線の幅により、各元素の濃淡を表している。すなわちハッチングの線の幅が狭い部分は、幅の広い部分と比較して元素が多く、すなわち元素の体積パーセントが高くなっていることを表している。図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、過熱水蒸気処理の前後のクロム元素の分布状態を示しており、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は、過熱水蒸気処理の前後の銅元素の分布状態を示している。

図３（Ｂ）に示すように、過熱水蒸気処理の前段階では、クロム元素はクロム含有金属層１４内に一様に分布して存在している。過熱水蒸気処理の後段階では、クロム含有金属層１４の第１金属層１４ａ内にクロム元素が多く存在し、第２金属層１４ｂには第１金属層１４ａよりも少ないクロム元素が存在している。

図３（Ｄ）に示すように、過熱水蒸気処理の前段階では、銅元素は下地銅層１５および銅導体層１３に一様に存在している。過熱水蒸気処理の後段階では、第２金属層１４ｂに銅元素が拡散しているが、第１金属層１４ａに銅は拡散していない。

過熱水蒸気処理を行うことにより、上記のように第１金属層１４ａ内のクロムの重量パーセントが、第２金属層１４ｂのものよりも高くなっていることにより、銅元素の拡散が抑制され、耐熱ピール強度の低下が抑制される。

第１金属層１４ａの厚さ（図１の紙面において上下の距離）は、過熱水蒸気処理の温度および時間により決定される。たとえば２０オングストローム以上であれば銅元素の拡散を抑制できる。

（実施例）
以下、本発明の実施例と比較例を示して説明する。なお、本発明に係るフレキシブル基板１０は、以下の実施例になんら限定されるものではない。

（実施例１）
ポリイミドフィルム１１として、東レ・デュポン製カプトン（登録商標）１００ＥＮフィルムが用いられた。このポリイミドフィルム１１の両面に、スパッタリングにより１５０オングストロームのクロム含有金属層１４が形成され、このクロム含有金属層１４に重畳して、２００ｎｍの下地銅層１５が形成された。これらのクロム含有金属層１４と下地銅層１５は、下地金属層１２を形成している。また実施例１では、クロム含有金属のクロムの割合は、２０重量パーセントであり、他の金属のほとんどはニッケルである。この下地金属層１２に重畳して、電気銅めっき処理により８μｍの銅導体層１３が形成された。この後、３００℃の過熱水蒸気が約１２０秒間吹き付けられたあと、基板は室温まで冷却されることで、フレキシブル基板１０が得られた。

このフレキシブル基板１０での第１金属層１４ａの厚さを測定した。また、このフレキシブル基板１０から、塩化第２鉄エッチング液により１ｍｍ幅のピール強度測定用のパターンが作成された。そしてフレキシブル基板１０の初期ピール強度を測定した。加えて、フレキシブル基板１０は大気中で１５０℃に１６８時間の間、加熱保持されたあと、耐熱ピール強度を測定した。耐熱ピール強度については、初期ピール強度の７５％割あれば良好であると判断した。その結果を表１に示す。

実施例１では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は５００Ｎ／ｍであり、強度保持率は９８．０％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度とほとんど変わらず良好な結果が得られた。

（実施例２）
クロム含有金属層１４のクロムが４０重量パーセントである以外は、実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

実施例２では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は５００Ｎ／ｍであり、強度保持率は９８．０％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度とほとんど変わらず良好な結果が得られた。

（実施例３）
クロム含有金属層１４のクロムが１００重量パーセントである以外は、実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

実施例３では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は５００Ｎ／ｍであり、強度保持率は９８．０％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度とほとんど変わらず良好な結果が得られた。

（実施例４）
クロム含有金属層１４の膜厚が７５オングストロームである以外は、実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

実施例４では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は５００Ｎ／ｍであり、強度保持率は９８．０％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度とほとんど変わらず良好な結果が得られた。

（実施例５）
クロム含有金属層１４の膜厚が３００オングストロームである以外は、実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

実施例５では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は５００Ｎ／ｍであり、強度保持率は９８．０％であった。耐熱ピール強度は初期ピール強度とほとんど変わらず良好な結果が得られた。

（実施例６）
過熱水蒸気の温度が２００℃である以外は、実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

実施例６では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は４００Ｎ／ｍであり、強度保持率は７８．４％であった。すなわち、耐熱ピール強度は下がったものの、初期ピール強度の７８％程度あり良好な結果が得られた。

（実施例７）
過熱水蒸気の温度が３５０℃である以外は、実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

実施例７では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は５００Ｎ／ｍであり、強度保持率は９８．０％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度とほとんど変わらず良好な結果が得られた。

（実施例８）
過熱水蒸気の温度が４５０℃である以外は、実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

実施例８では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、強度保持率は１００．０％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度と変わらず良好な結果が得られた。

（実施例９）
ポリイミドフィルム１１が、宇部興産製ユーピレックス（登録商標）２５ＳＧＡである以外は実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

実施例９では、初期ピール強度は５５０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は４５０Ｎ／ｍであり、強度保持率は８１．８％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度とほとんど変わらず良好な結果が得られた。

（比較例１）
過熱水蒸気処理を行わない以外は実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

比較例１では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は３５０Ｎ／ｍであり、強度保持率は６８．６％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度と比較して低下していた。

（比較例２）
クロム含有金属層１４のクロムが７重量パーセントである以外は、実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

比較例２では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は３００Ｎ／ｍであり、強度保持率は５８．８％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度と比較して低下していた。

（比較例３）
クロム含有金属層１４の膜厚が３０オングストロームである以外は、実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

比較例３では、初期ピール強度は５１０Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は２００Ｎ／ｍであり、強度保持率は３９．２％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度と比較して低下していた。

（比較例４）
ポリイミドフィルム１１が、宇部興産製ユーピレックス（登録商標）２５ＳＧＡであることと、過熱水蒸気処理を行わないこと以外は実施例１と同じ条件とした。測定結果を表１に示す。

比較例４では、初期ピール強度は６００Ｎ／ｍであり、耐熱ピール強度は３００Ｎ／ｍであり、強度保持率は５０．０％であった。すなわち、耐熱ピール強度は初期ピール強度と比較して低下していた。

１０フレキシブル基板
１１ポリイミドフィルム
１２下地金属層
１３銅導体層
１４クロム含有金属層
１４ａ第１金属層
１４ｂ第２金属層

Claims

ポリイミドフィルムと、
該ポリイミドフィルムの表面に形成されている下地金属層と、
該下地金属層に重畳して形成されている銅導体層と、を含んで構成されており、
前記下地金属層は、クロム含有金属層を含んでおり、
該クロム含有金属層が、前記ポリイミドフィルムと接する第１金属層と、該第１金属層に重畳するように位置している第２金属層と、を有し、
前記第１金属層におけるクロムの重量パーセントが、前記第２金属層におけるクロムの重量パーセントよりも大きい、
ことを特徴とするフレキシブル基板。
前記クロム含有金属層が、ニッケルクロム合金層である、
ことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル基板。