JP2021009997A - ポリイミドフィルム、金属張積層板及びフレキシブル回路基板 - Google Patents
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Abstract
Description
従って、本発明の目的は、フォルダブルデバイスのヒンジ部において、折り曲げサイクルの中でFPCの屈曲部先端での変形を抑制することで、優れた耐連続折り曲げ性を有するFPCを提供することである。
そして、本発明のポリイミドフィルムは、応力−ひずみ曲線の塑性変形領域の傾きが1.0MPa/%以上5.0MPa/%未満の範囲内であることを特徴とする。
まず、本実施の形態のポリイミドフィルムが絶縁樹脂層として適用され得るFPCの使用態様について説明する。図1及び図2は、長尺な薄いフィルム状をなすFPC100の側面図である。図1及び図2では、絶縁樹脂層、回路配線層などの層構造については図示を省略している。FPC100は、回路配線層が形成されている側の第1の面101と、第1の面101とは反対側の第2の面102と、を備えている。なお、第2の面102にも回路配線層が形成されていてもよい。また、第1の面101、第2の面102には、回路配線層に積層してカバーレイが形成されていてもよい。
なお、「変形領域」とは、FPC100を図2に示す折り曲げ状態まで折り曲げたときに、図1の展開状態に比べて変形する領域を意味し、より具体的には、第1の非屈曲部110と屈曲部130の境界となる変曲点P1と、第2の非屈曲部120と屈曲部130との境界となる変曲点P2との間の領域として定義できる。
また、Y軸方向は、第1の非屈曲部110と屈曲部130の境界となる変曲点P1と、第2の非屈曲部120と屈曲部130との境界となる変曲点P2と、を通る直線に平行な軸方向、と定義してもよい。
フォルダブルデバイスに使用されるFPC100が従来のスマートフォンに使用されるものと異なる点は、ヒンジ部の折り曲げ軸を横断する過酷な使用態様にある。従って、フォルダブルデバイスに使用されるFPC100には、優れた「耐連続折り曲げ性」が求められる。
また、フォルダブルデバイスのヒンジ部は狭ギャップであることから、FPC100に使用する絶縁樹脂層は応力−ひずみ曲線の塑性変形領域での可動が想定される。このような屈曲条件では、絶縁樹脂層の塑性変形領域における剛性が低い場合、屈曲部130の先端部(つまり、図2における変曲点P1,P2とはX軸方向に反対側の湾曲部分の端部)の形状が鋭角になることで局所的に大きな応力が働き、断線に繋がるリスクが高くなると考えられる。
それに対し、FPC100の絶縁樹脂層であるポリイミドフィルムの塑性変形領域の傾きが1.0MPa/%以上5.0MPa/%未満の範囲内であることによって、塑性変形がしにくく、折り曲げ形状が円弧状に維持されるため、屈曲時の応力を分散させることができ、高屈曲寿命につながると考えられる。より具体的には、折り曲げたときに、図2における屈曲部130を、第1の非屈曲部110及び第2の非屈曲部120の厚み方向(Y軸方向)に膨らんだ形状に湾曲変形させることができる。つまり、塑性変形領域の傾きが1.0MPa/%以上5.0MPa/%未満の範囲内であることによって、屈曲部130のY軸方向の最大長さLYがギャップGよりも大きくなる(LY>G)ような湾曲形状が維持されるため、屈曲時の先端部への応力集中が回避されて耐連続折り曲げ性が向上する。
次に、塑性変形領域およびその傾きについて、図3を参照しながら説明する。図3は、本実施の形態に係るポリイミドフィルムの引張試験における応力−ひずみ曲線を示しており、縦軸は応力(MPa)、横軸はひずみ(伸度;%)である。横軸のE1は、応力がS1のときの降伏点のひずみを意味しており、E2は応力がS2のときのひずみ(=8%)を意味し、E3は応力がS3のときの破断点のひずみ意味している。「塑性変形領域」とは、引張試験におけるポリイミドフィルムの応力−ひずみ曲線において、降伏点以降、破断点までのひずみ領域(E1〜E3)をいう。
ポリイミドフィルムの引張試験における降伏点のひずみは、材質によって異なるものの8%を超えることはなく、また、塑性変形領域では、応力−ひずみ曲線がほぼ線形となるため、本発明では、図3の応力−ひずみ曲線における、ひずみが「8%(E2)」から「破断ひずみ(E3)」までの間の傾きを「塑性変形領域の傾き」とする。「塑性変形領域の傾き」は、以下の計算式(a)によって求めることができる。
なお、「塑性変形のしにくさ」とは、塑性変形領域において、応力が大きく増加することを意味している。「塑性変形のしにくさ」とは、塑性変形領域における傾きの大きさといいかえることができる。
S2:8%ひずみ時応力
S3:破断応力
E2:8%ひずみ
E3:破断ひずみ
次に、上記ポリイミドフィルムを絶縁樹脂層に適用した本発明の一実施の形態にかかるFPCについて説明する。なお、本実施の形態のFPCは、図1及び図2に示すFPC100と同様の構成であるため、同じ構成には同一の符号を付して説明する。FPC100は、絶縁樹脂層としてのポリイミド絶縁層(A)と、このポリイミド絶縁層(A)の片面又は両面に設けられた回路配線層(B)と、を備えている。FPC100は、さらに、回路配線層(B)に積層されたカバーレイ(C)を備えていてもよい。
ポリイミド絶縁層(A)は、上記ポリイミドフィルムと同様に、引張試験における、応力−ひずみ曲線の塑性変形領域の傾きが1.0MPa/%以上5.0MPa/%未満、好ましくは2.0MPa/%以上5.0MPa/%未満、より好ましくは2.0MPa/%以上3.0MPa/%未満の範囲内である。塑性変形領域の傾きが1.0MPa/%以上5.0MPa/%未満であると、カバーレイ(C)を積層したFPC100を屈曲した際、回路配線層(B)には圧縮応力が主として加わるため、配線のネッキング(部分的なくびれ)が生じづらい傾向にある。その結果、FPC100の屈曲部130の先端形状が屈曲サイクルの中で維持されやすく、先端部に応力が集中しづらくなる。一方で、塑性変形領域の傾きが1.0MPa/%未満であると、回路配線層(B)に主として引張応力が加わるため、配線のネッキングが生じやすい傾向にある。その結果、FPC100の屈曲部130の先端形状が屈曲サイクルの中で鋭角に変形しやすく、先端部に応力が集中しやすくなる。
本実施の形態のFPC100において、回路配線層(B)は、例えば銅箔を原料とする銅配線により構成される。回路配線層(B)に使用する銅箔は特に限定されるものではなく、市販されている圧延銅箔と電解銅箔のどちらを用いても良い。
本実施の形態のFPC100において、カバーレイ(C)は、厚みが35〜40μmの範囲内であることが好ましく、引張弾性率が2.0〜3.5GPaの範囲内のものを用いることが好ましい。このようなカバーレイ(C)としては、市販品を用いることができる。その具体例としては、有沢製作所社製、CEA0525(商品名)などが挙げられる。
また、ポリイミド絶縁層(A)と回路配線層(B)との厚み比は、次に説明する配線部における中立面位置である[NP]Lineを考慮して決定することが好ましい。[NP]Lineが回路配線層(B)の中央に近いほど、屈曲時に回路配線層(B)に加わる応力が小さくなり、耐連続折り曲げ性が向上する傾向となる。
FPC100の中立面位置の計算方法について、図4を参照して詳しく説明する。図4は、中立面位置の計算方法の説明に使用する積層体のモデルの断面図である。図4には、便宜上、積層体が2層であるモデルを示しているが、以下の説明は、積層体が2層以上である場合の全般に当てはまる。ここで、積層体の層の数をn(nは2以上の整数)とする。また、この積層体を構成する各層のうち下から数えてi番目(i=1,2,・・ ・,n)の層を第i番目と呼ぶ。図4において、符号Bは、積層体の幅を表している。なお、ここでいう幅とは、第1層の下面に平行で、積層体の長手方向に垂直な方向の寸法である。
本実施の形態におけるFPC100は、ポリイミド絶縁層(A)と回路配線層(B)とカバーレイ(C)により構成されるが、カバーレイ(C)を除いた状態を回路配線層(B)側から見たときに、銅配線が存在する部分と、銅配線が存在しない部分とがある。ここで、銅配線が存在する部分を配線部(Line)と呼び、銅配線が存在しない部分をスペース部(Space)と呼ぶ。配線部とスペース部では、構成が異なる。そのため、必要に応じて、配線部とスペース部とを分けて考える。
ここで、第1層の下面を基準面SPとする。以下、基準面SPが図4おける下側に凸形状になるように積層体を屈曲させる場合について考える。図4において、符号NPは積層体の中立面を表している。ここで、中立面NPと基準面SPとの距離を中立面位置[NP]とし、この中立面位置[NP]を、配線部とスペース部とで別々に計算する。中立面位置[NP]は、次の式(1)によって算出される。
ここで、Eiは、第i層を構成する材料の弾性率である。この弾性率Eiは、各層における応力とひずみの関係に対応する。Biは、第i層の幅であり、図4に示した幅Bに相当する。配線部の中立面位置[NP]を求める場合には、Biとして線幅(ライン幅)の値を用い、スペース部の中立面位置[NP]を求める場合には、Biとして線間幅(スペース幅)の値を用いる。hiは、第i層の中央面と基準面SPとの距離である。なお、第i層の中央面とは、第i層の厚み方向の中央に位置する仮想の面である。tiは、第i層の厚みである。また、記号“Σi=1 n”は、iが1からnまでの総和を表す。以下、配線部の中立面位置を[NP]Lineと記す。
FPC100は、例えば、ポリイミド絶縁層と銅箔層とを備えたフレキシブル銅張積層板の銅箔層をエッチングするなどしてパターン状に加工して配線層を形成し、その上に必要に応じてカバーレイを貼り付けることによって作製される。
本実施の形態のFPC100を製造するために用いる金属張積層板は、FPC100に加工したときポリイミド絶縁層(A)となるポリイミド層と、回路配線層(B)となる金属層と、を備えている。ポリイミド層の構成は、FPC100におけるポリイミド絶縁層(A)と同様である。金属層の構成は、回路加工していない点以外は、FPC100における回路配線層(B)と同様である。
ポリイミドの応力−ひずみ曲線の作成には、フレキシブル銅張積層板をエッチングして銅箔を完全に除去したポリイミドフィルムを用いた。このようにして得られた材料に対し、株式会社東洋精機製作所製ストログラフR−1を用いて、温度23℃、相対湿度50%の環境下で引張試験を行い、応力−ひずみ曲線を作成し、上記計算式(a)に基づき、塑性変形領域の傾きを求めた。
特願2017−249096と同様の耐屈曲性試験装置を使用して行った。まず、銅張積層板の銅箔をエッチング加工し、その長手方向に沿って、図5に示すように、ライン幅100μm、スペース幅100μm、長さが110mmの16列の銅配線201を形成した試験片(試験回路基板片)200を作製した。図5は、試験片200における銅配線201のみを表すとともに、16列のうち9列のみを図示している。その試験片200における16列の銅配線201は、U字部202を介して全て連続して繋がっており、その両端には、抵抗値測定用の電極部分(図示せず)を設けた。
折り曲げ試験は、折り曲げ回数20万回を上限に実施し、それまでの間に抵抗値が折り曲げ試験前の値から10%以上上昇した時点を故障と判断し、その時までに繰り返した折り曲げ回数を測定値とした。また、折り曲げ回数20万回の時点で未故障の場合は20万回を測定値とした。
東洋精機製作所製のストログラフR−1を用いて、温度23℃、相対湿度50%の環境下で引張弾性率の値を測定した。
試験片サイズ:長さ;160mm×幅;12.7mm
つかみ具間距離:101.6mm
引張速度:10mm/min(銅箔測定時)、50mm/min(ポリイミドフィルム測定時)
セイコーインスツルメンツ製のサーモメカニカルアナライザーを使用し、250℃まで昇温し、更にその温度で10分保持した後、5℃/分の速度で冷却し、240℃から100℃までの平均熱膨張係数(線熱膨張係数)を求めた。
(合成例1)
熱電対及び攪拌機を備えると共に窒素導入が可能な反応容器に、N,N-ジメチルアセトアミドを入れ、さらに、この反応容器に2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン(BAPP)を投入して容器中で撹拌しながら溶解させた。次に、ピロメリット酸二無水物(PMDA)をモノマーの投入総量が12wt%となるように投入した。その後、3時間撹拌を続けて重合反応を行い、ポリアミド酸aの樹脂溶液を得た。ポリアミド酸aから形成された厚み25μmのポリイミドフィルムの熱膨張係数(CTE)は、55×10−6/Kであった。
熱電対及び攪拌機を備えると共に窒素導入が可能な反応容器に、N,N-ジメチルアセトアミドを入れ、さらに、この反応容器に2,2’-ジメチル-4,4’-ジアミノビフェニル(m−TB)を投入して容器中で撹拌しながら溶解させた。次に、3,3’,4,4’-ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(BPDA)およびピロメリット酸二無水物(PMDA)をモノマーの投入総量が15wt%、各酸無水物のモル比率(BPDA:PMDA)が20:80となるように投入した。その後、3時間撹拌を続けて重合反応を行い、ポリアミド酸bの樹脂溶液を得た。ポリアミド酸bから形成された厚み25μmのポリイミドフィルムの熱膨張係数(CTE)は、22×10−6/Kであった。
表1に実施例1〜3、比較例1〜2の中立面位置([NP]Line)を示す。中立面位置の計算は表1に記載のポリイミド層、銅箔層、カバーレイ層それぞれの厚み、引張弾性率、中央面と基準面との距離を上記の式(1)に代入することで計算した。
銅箔1(圧延銅箔、長尺状、厚み;12μm)の上に、合成例1で調製したポリアミド酸aの樹脂溶液を硬化後の厚みが2.5μmとなるように均一に塗布した後、130℃で加熱乾燥し溶媒を除去した。次に、この塗布面側に合成例2で調製したポリアミド酸bの樹脂溶液を硬化後の厚みが20.0μmとなるように均一に塗布し、120℃で加熱乾燥し溶媒を除去した。更に、この塗布面側にポリアミド酸aの樹脂溶液を硬化後の厚みが2.5μmとなるように均一に塗布し、130℃で加熱乾燥し溶媒を除去した。この長尺状の積層体1を130℃から360℃まで段階的に熱処理し、片面フレキシブル銅張積層板1(ポリイミド層の厚み;25μm、ポリイミド層の引張弾性率;7.5GPa)を得た。片面フレキシブル銅張積層板1におけるポリイミド層の面に銅箔1を300〜400℃にて熱圧着することで両面フレキシブル銅張積層板1を得た。両面フレキシブル銅張積層板1の塗布面側の銅箔層をエッチング除去し、もう一方の圧着面側の銅箔層(引張弾性率;19GPa)を配線回路加工して銅配線を形成後、カバーレイA(厚み;37.5μm、引張弾性率;3.3GPa)を貼り付け、FPC1を得た。得られたFPC1のポリイミド層、銅箔層及びカバーレイ層の各層の厚み、引張弾性率および中央面と基準面との距離並びに中央面位置を表1に示し、ポリイミド層の応力−ひずみ曲線における塑性変形領域の傾きと耐連続折り曲げ性の評価結果を表2に示す。
実施例1における銅箔1の代わりに、銅箔2(電解銅箔、長尺状、厚み;12μm)を使用したこと以外、実施例1と同様にして、片面フレキシブル銅張積層板2、両面フレキシブル銅張積層板2(圧着面側の銅箔層の引張弾性率;29GPa)及びFPC2を調製した。得られたFPC2のポリイミド層、銅箔層及びカバーレイ層の各層の厚み、引張弾性率および中央面と基準面との距離並びに中央面位置を表1に示し、ポリイミド層の応力−ひずみ曲線における塑性変形領域の傾きと耐連続折り曲げ性の評価結果を表2に示す。
市販の両面フレキシブル銅張積層板3(銅箔の厚み;12μm、ポリイミド層の厚み;25μm、ポリイミド層の引張弾性率;4.5GPa)の片面の銅箔層をエッチング除去し、もう一方の面側の銅箔層(引張弾性率;29GPa)を配線回路加工して銅配線を形成後、カバーレイAを貼り付け、FPC3を得た。得られたFPC3のポリイミド層、銅箔層及びカバーレイ層の各層の厚み、引張弾性率および中央面と基準面との距離並びに中央面位置を表1に示し、ポリイミド層の応力−ひずみ曲線における塑性変形領域の傾きと耐連続折り曲げ性の評価結果を表2に示す。
市販の両面フレキシブル銅張積層板4(銅箔の厚み;12μm、ポリイミド層の厚み;25μm、ポリイミド層の引張弾性率;5.0GPa)の片面の銅箔層をエッチング除去し、もう一方の面側の銅箔層(引張弾性率;19GPa)を配線回路加工して銅配線を形成後、カバーレイAを貼り付け、FPC4を得た。得られたFPC4のポリイミド層、銅箔層及びカバーレイ層の各層の厚み、引張弾性率および中央面と基準面との距離並びに中央面位置を表1に示し、ポリイミド層の応力−ひずみ曲線における塑性変形領域の傾きと耐連続折り曲げ性の評価結果を表2に示す。
市販の両面フレキシブル銅張積層板5(銅箔の厚み;12μm、ポリイミド層の厚み;25μm、ポリイミド層の引張弾性率;5.0GPa)の片面の銅箔層をエッチング除去し、もう一方の面側の銅箔層(引張弾性率;23GPa)を配線回路加工して銅配線を形成後、カバーレイAを貼り付け、FPC5を得た。得られたFPC5のポリイミド層、銅箔層及びカバーレイ層の各層の厚み、引張弾性率および中央面と基準面との距離並びに中央面位置を表1に示し、ポリイミド層の応力−ひずみ曲線における塑性変形領域の傾きと耐連続折り曲げ性の評価結果を表2に示す。
Claims (6)
- 平坦な状態と比べて形状が変化していない第1の非屈曲部及び第2の非屈曲部と、前記第1の非屈曲部と前記第2の非屈曲部の間に位置して湾曲変形した屈曲部と、を含む形状になるように前記第1の非屈曲部に対して前記第2の非屈曲部が180度反転して折り曲げられる動作が繰り返されるフレキシブル回路基板の絶縁樹脂層として用いられるポリイミドフィルムであって、
応力−ひずみ曲線の塑性変形領域の傾きが1.0MPa/%以上5.0MPa/%未満の範囲内であることを特徴とするポリイミドフィルム。 - 前記第1の非屈曲部及び前記第2の非屈曲部の厚み方向に平行な軸方向をY軸方向とし、これに直交するとともに前記フレキシブル回路基板の長手方向に対して平行な軸方向をX軸方向と定義したとき、前記X軸方向及び前記Y軸方向の二次元座標軸において、前記屈曲部における変形領域の前記X軸方向の最大長さが1.0mm以上10.0mm以下の範囲内、前記Y軸方向の最大長さが1.0mm以上6.0mm以下の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のポリイミドフィルム。
- 請求項1又は2に記載のポリイミドフィルムによる絶縁樹脂層と、
前記絶縁樹脂層の少なくとも一方の面に積層された金属層と、
を備えた金属張積層板。 - 請求項1又は2に記載のポリイミドフィルムによる絶縁樹脂層と、
前記絶縁樹脂層の少なくとも一方の面に形成された配線層と、
を備えたフレキシブル回路基板。 - さらに、前記配線層を保護するカバーレイを備える請求項4に記載のフレキシブル回路基板。
- 前記配線層が内側になるように180度反転して折り曲げられる動作が繰り返される方法で使用されるものである請求項4又は5に記載のフレキシブル回路基板。
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