JP5346040B2 - フレキシブルラミネート及び該ラミネートを用いて形成したフレキシブル電子回路基板 - Google Patents

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Description

本発明はTAB、COF等の電子部品の実装素材として用いられるフレキシブルラミネート、特に接着剤を用いないフレキシブルラミネートに関する。
ポリイミドフィルムに、主として銅からなる金属導体層を積層したFCCL(Flexible Copper Clad Laminate)は電子産業における回路基板の素材として広く用いられている。中でも、ポリイミドフィルムと金属層との間に接着剤層を有しない無接着剤フレキシブルラミネート基板(特に、二層メタライジング積層体)は、回路配線幅のファインピッチ化に伴い注目されている材料である。
フレキシブルラミネート基板、特にファインピッチに対応した無接着剤フレキシブルラミネート基板の製造に際して、ポリイミドフィルム上にスパッタリング、CVD、蒸着などの乾式法により、ポリイミドとの接着が良好な材料から構成されるタイコート層および次工程の電気めっきにおけるカソード兼電流の導電体として働く金属シード層を予め形成し、次いで電気めっきにより回路基板の導体層となる金属層を製膜する、いわゆるメタライジング法が主に行われている(特許文献1参照)。
このメタライジング法においては、金属層とポリイミドフィルムとの密着力を高めるために、金属層を形成するに先立ち、ポリイミドフィルム表面をプラズマ処理により、表面の汚染物質の除去ならびに表面粗さの向上を目的として改質を行うことが行われている(特許文献2及び特許文献3参照)。
このメタライジング法においては、一般に、ポリイミドフィルム上にスパッタリングなどの乾式めっき法により金属層を予め形成する際に、中間層の材料の選択により、密着性やエッチング性を改良する工夫がなされている(特許文献4参照)。また、ポリイミドフィルム上にニッケル、クロム、モリブデン、タングステン、バナジウム、チタン及びマンガンから選んだ材料をスパッタリングし、次に50nm程度の銅層をスパッタリングし、さらに1μm以上の銅層を電気めっきする技術が提案されている(特許文献5参照)。
前記銅とポリイミドフィルム等のフィルムを接合したFCCL(Flexible Cupper Clad Laminate)において、銅とポリイミドが直接接触した場合、ピール強度が低下することは広く知られている。このため、特許文献6のように、有機フィルムと銅層の間に、有機フィルムとの接合性に優れ且つ銅の拡散を抑止するような中間層(タイコート層)を設ける提案がなされている。
ところが、銅の拡散を抑止するためのタイコート層を設けたにもかかわらず、ピール強度の低下があり、その原因の究明が必要であった。
特許第3258296号公報 特許第3173511号公報 特表2003−519901号公報 特開平6−120630号公報 特開平7−197239号公報 特開平9−083134号公報
本願発明は、フレキシブルラミネート(特に、二層メタライジング積層体)を製作する場合に、ピール強度の低下を効果的に抑制できるフレキシブルラミネートを提供することを課題とするものである。
上記の課題に鑑み、本発明は以下の発明を提供するものである。
1)少なくとも一方の面をプラズマ処理したポリイミドフィルム、プラズマ処理されたポリイミドフィルムの面に形成したタイコート層、タイコート層上に形成した銅又は銅合金のいずれか1種からなる金属シード層、さらに金属シード層上に形成した銅又は銅合金のいずれか1種からなる金属導体層からなる無接着剤フレキシブルラミネートであって、前記タイコート層中の混入Cuの原子分率が0.5at%以下であることを特徴とする無接着剤フレキシブルラミネート
2)前記タイコート層中の混入Cuの原子分率が0.3at%以下であることを特徴であることを特徴とする前記1)記載の無接着剤フレキシブルラミネート。
3)前記タイコート層中の混入Cuの原子分率が0.1at%以下であることを特徴であることを特徴とする前記1)記載の無接着剤フレキシブルラミネート。
4)前記タイコート層が、ニッケル、クロム、コバルト、ニッケル合金、クロム合金、コバルト合金のいずれか1種からなり、ニッケル、クロム又はコバルトが主成分であり、前記タイコート層において、これらの主成分が最も存在比の大きい成分であることを特徴とする前記1)〜3)のいずれか一項に記載の無接着剤フレキシブルラミネート。
5)前記タイコート層が、ニッケルとクロムとの合金からなり、主成分MがNiであることを特徴とする前記4)に記載の無接着剤フレキシブルラミネート。
6)前記1)〜5)のいずれか一項に記載の無接着剤フレキシブルラミネートを用いて形成したフレキシブル電子回路基板、を提供する。
タイコート層として銅を含有しない金属を選択したにもかかわらず、実際のスパッタリング成膜工程において、銅がタイコート層中に混入するものであること、そしてこのタイコート層中に含有する銅の量をコントロールすることにより、ピール強度の低下を抑止できるとの知見を得、この知見に基づいてフレキシブルラミネート(特に、二層メタライジング積層体)を製作する場合に、ピール強度の低下を抑制することができるという優れた効果を有する。
スパッタリング装置の概略説明図である。 スパッタリングユニットの電力とCuの混入の関係を示すグラフである。 Kapton−150ENを用いた場合におけるCu混入量とピール強度との関係を示すグラフである。 Upilex−35SGAを用いた場合におけるCu混入量とピール強度との関係を示すグラフである。
次に、本願発明の具体例について説明する。ポリイミドフィルムの少なくとも一方の面にタイコート層を、さらにその表面に金属導体層を形成することにより、フレキシブルラミネート基板を作製する。ここで、ポリイミドフィルム表面をプラズマ処理することにより、表面の汚染物質の除去と表面の改質を行う。
次に改質したポリイミド表面にタイコート層と、その上に金属シード層をスパッタリングにより形成する。次いで無電解めっき又は電気めっきにより回路基板の導体層となる金属層を製膜する。
上記の通り、ポリイミド表面に形成するタイコート層は、銅の拡散を抑止することを一つの目的として形成されるものであるが、スパッタリング成膜工程において銅がタイコート層中に混入することは避けられない。
その機構を以下説明する。図1はメタライジング法でFCCLを生産するに際し一般的に工業的に用いられるロールtoロールのスパッタリング装置の構成を示す。図1において、フィルムは右から左にドラムに巻きつけられながら連続的に搬送される。
タイコート層としてNi−Cr層を形成する場合及びさらにCu層を形成する場合を例に挙げると、図1において、Ni−Crスパッタリングユニットと複数のCuスパッタリングユニットの全てのスパッタリングユニットを稼動させることにより、フィルム上にNi−Cr膜とその上のCu膜が連続的に成膜される。
其々の膜厚は所定のフィルム送り速度に対して必要な電力を各スパッタユニットに供給することにより制御する。
Ni−Cr膜の膜厚は、ポリイミドとの密着性および銅の拡散バリアとの見地からは厚いほうが望ましいが、一方、FCCLをエッチングしてプリント基板を作製する際のエッチング性の見地からは薄いほうが望ましい。この観点から、およそ5〜50nm、さらに好適には10〜30nmを形成する。
Ni−Cr膜に引き続き成膜されるCu膜の所望膜厚は、Cu膜が後工程の電気メッキのための導電層およびカソードとして機能するために厚いほうが好ましいが、生産性の観点からはあまり厚くすることは現実的でない。この観点から、50〜1000nm、さらに好適には、150〜500nmとするのが普通である。しかし、上記の膜厚は、目的に応じて適宜調節できることは言うまでもない。
Ni−Cr膜とCu膜とは同じ速度でフィルム搬送を行っている条件下で成膜されるため、前述の其々の所望膜厚を得るためには、Cuスパッタリングユニットは複数台必要であり、Ni−Crスパッタユニットの2〜6倍の台数になるのが一般的である。
スパッタリング工程において、タイコート層中にCuが混入する機構として以下の二つが考えられる。
(A)気相中での混入
スパッタリングは0.5Pa程度の真空度にて行われるプロセスであり、この圧力領域では気体は粘性のない分子流として振舞う。気体分子の動きは、したがってランダムである。
ターゲットからスパッタされた金属原子(Ni, Cr, Cu)は概ねドラム/フィルム方向に向かうように装置設計されているが、平板ターゲットでのスパッタリングでは指向性はあまり強くないことに加え、気体分子による散乱等の影響により、その量は限られているものの、あらゆる方向に飛び散ることになる。
そして、この飛散したCuがNi−Crスパッタ領域に侵入した場合、Ni−Cr膜へのCu混入が発生すると考えられる。
(B)Cu原子のNi−Cr膜への打ち込み
Cuスパッタ領域に来た時点で、フィルム表面には所望の膜厚のNi−Cr膜が既に形成されているが、ターゲットからスパッタにより飛び出したCu原子は高いエネルギーを持っており、Cu原子がNi−Cr膜表面に単に付着するのではなく、Ni−Cr膜内部にまで打ち込まれることが起こり得る。
上記メカニズム(A)の場合、Ni−CrターゲットとCuターゲットの間を仕切ることができれば混入を完全に抑止することができる。しかし、図1の装置構造からわかるように、回転するドラムとその上に巻き回されるフィルムがあるため、両者間を気密に仕切ることは不可能である。
当然、ある程度の仕切りは設けられているものの(仕切りは図1では省略)、ドラム近傍の空間ではNi−CrとCuとは完全には切り離されない。したがって完全に混入を抑止することは極めて困難と言える。
完全な抑止策ではないが、程度低減としては、Ni−Crに隣接するCuスパッタユニットの電力(スパッタ量)をできるだけ下げて混入割合を減らすこと、また、できるだけCuスパッタユニットとNi−Crスパッタユニット距離を離す等の対策が考えられる。
このうち、CuスパッタユニットとNi−Crスパッタユニット距離を離すためには、既存の装置への対策としては装置改造を伴うため現実的ではない。また、新規製作の装置としても、いたずらに装置が肥大化すること、またNi−Cr膜成膜後、Cu膜成膜までの間に空白が生じNi−Cr膜が装置内の残留ガスやフィルムから不可避的に発生する水分の影響で酸化するなど、好ましい方法とは言えない。
前記メカニズム(B)に対しては、Ni−Cr膜成膜後、最初のCuスパッタユニットでのCu原子のエネルギーを下げることが対策となる。
スパッタされたCu原子1個あたりのエネルギーは概ねスパッタ電圧に比例するので、スパッタ電圧を下げるような対策を講じればよい。そのためには、投入電力を下げること、スパッタ圧力を上げる、マグネトロンスパッタの磁場強化等の対策が挙げられる。
これら対策の内、スパッタ圧力の変更はスパッタ膜質に影響を与えるため混入対策のみで決められる条件ではないこと、マグネトロンスパッタの磁場強化はターゲット利用効率の低下を引き起こし易くコストデメリットを生じるのが難点である。
したがって、メカニズム(A)及び(B)のいずれの場合でも、Ni−Crスパッタユニットに隣接するCuスパッタユニットの電力を下げることが有効な方法となる。前述のようにCuスパッタユニットは複数台設置されるため、Ni−Crスパッタユニットに隣接するCuスパッタユニットの電力を下げても、残りのCuスパッタユニットの電力でその低下分を補うことが可能であり、Cu膜厚を薄くする必要はないというメリットがある。
上記の通り、ポリイミド表面に形成するタイコート層は、銅の拡散を抑止するために形成されるものであるが、スパッタリング成膜工程において銅がタイコート層中に混入することは避けられないという説明及び銅がタイコート層中に混入するのをできるだけ少なくする手段として、タイコート層を形成するスパッタユニットに隣接するCuスパッタユニットの電力を下げることが有効であることを説明した。
この場合、タイコート層への銅の混入は、下記の実施例に示すように、少量であればピール強度の低下に影響を与えない。一方、タイコート層を形成するスパッタユニットに隣接するCuスパッタユニットの電力をどのくらい下げると効果的かということは、装置の大きさや成膜の条件に影響を受けるので、一律には決定できない問題を含んでいる。
この点、装置の大きさや成膜の条件によらず、タイコート層の主成分Mに対するタイコート層に含まれるCuの量の限界値を定めることにより、ピール強度の低下を抑制できる無接着剤フレキシブルラミネートを提供することができる。
タイコート層に含まれるCuの量は、下記の実施例に示すように、タイコート層を形成するスパッタユニットに隣接するCuスパッタユニットの電力の設定で制御できるが、重要なことは、タイコート層の主成分Mに対するタイコート層に含まれるCuの量の限界値であって、現実の装置構成、条件での他の方法によるCu混入低減対策も適宜採り得る。
そもそも、本発明はタイコート層として銅を含有しない金属を選択したにもかかわらず、実際のスパッタリング成膜工程において、銅がタイコート層中に混入するものであることの知見を得たことをベースとしている。
したがって、重要なことはタイコート層中に含有する銅の量の有害な範囲を知ることであり、この有害な範囲を排除した銅の量をコントロールすることによって、フレキシブルラミネート(特に、二層メタライジング積層体)を製作する場合にピール強度の低下を抑制することが可能となる。
最近のプリント基板(特にCOF用途)では配線幅がより狭くなっており、線幅が細い場合にエッチングの影響を受けやすいこと、さらには回路設計において熱の負荷がある場合が多くなっているので、このような条件においてもピール強度、すなわち常態ピール強度のみならず耐熱ピール強度の向上が望ましいと言える。
以上から、本願発明の無接着剤フレキシブルラミネートは、前記タイコート層中の混入Cuの原子分率を0.5at%以下とするものである。0.5at%を超えると、ピール強度の抑止効果が少ない。特に、タイコート層中の混入Cuの原子分率を0.3at%以下とすること、さらにはタイコート層中の混入Cuの原子分率を0.1at%以下とすることがより望ましい。
前記タイコート層に使用する材料としては、ニッケル、クロム、コバルト、ニッケル合金、クロム合金、コバルト合金のいずれか1種であり、銅の存在は不純物としても少ない方が望ましいことは言うまでもない。
いずれの場合も、ニッケル、クロム又はコバルトが主成分となるものであり、これらが前記タイコート層において主成分が最も存在比の大きい成分である。
この中で、特に通常使用されるニッケルとクロムとの合金からなり、主成分がNiであることが望ましい。
さらに、本発明においては、上記の無接着剤フレキシブルラミネートを用いて形成したフレキシブル電子回路基板を提供することができる。
次に、これらの結果に基づいて本願発明の実施例を説明する。なお、これらの説明は、あくまで理解を容易にするものであり、この例のみに制限されるものではない。すなわち、本発明に含まれる他の態様または変形を包含するものである。
(実施例1)
ポリイミドフィルムを真空装置内にセットし真空排気後、リイミドのプラズマ処理を実施した。続いてタイコート層および金属シード層をスパッタリングにより形成した。
タイコート層はNi−20wt%Cr:理論密度で25nm相当、金属シード層はCu:300nmとした。スパッタリングはDCマグネトロン方式によりArガス雰囲気、0.5Paにて行った。Ni−Crスパッタユニットは1台、Cuスパッタユニットは3台を使用し、Cuスパッタユニット3台の電力の和は一定となるように調整した。
次に、上記の金属シード層の上に電気メッキにより銅からなる金属導体層(厚さ8μm)を形成することにより、二層メタライジング積層体を作製した。
図2は、互いに隣接するNi−CrスパッタユニットとCuスパッタユニットの操業時の各電力の比を横軸に、Ni−Cr中に混入したCuの量をプロットしたものである。
ここで、Ni−Cr中に混入したCuの量は、下記の手順で定量した。まず作製したFCCLを正確に5cm角に切り出し、その銅層を硝酸で除去しNi−Cr層を露出させた。その後、35%塩酸18mlでNi−Cr層を全て溶解し、純水にてトータル50ml溶液となるように希釈してNi−Cr中のCu量分析溶液を作製した。
そして、この溶液中のCu量を、ICP−MS(SII製、型式SPQ−9700)にて定量分析し、溶解した全Ni−Crとの比をCu混入量とした。
スパッタユニットの電力およびフィルム送り速度を一定とし、Ni−Crに隣接するCuスパッタユニットの電力を変化させた。また、前述のように、Cuスパッタユニット3台の電力の和は一定とした。Cu/(Ni−Cr)スパッタリングの電力の比が0.00〜2.20近傍までは、銅の混入量が0.1〜0.3at%と徐々に増加するが、2.50近傍から急速に増え、0.5at%を超える銅の混入量となることが分かる。
このCu/(Ni−Cr)傾向は、スパッタ装置/条件にのみ依存し、ポリイミド種類には依らないことはいうまでもない。実際にポリイミドフィルムの種類によらず、同様の傾向を示した。
図2の横軸の数値が増加するということは、Ni−Crに隣接するCuスパッタリング投入電力が(Ni−Cr)タイコート層を形成するスパッタリング投入電力よりも大きいことを意味し、Cuスパッタリング投入電力を極力小さくすることが、Cuの混入を抑制する有効な手段であることが分かる。
(実施例2)
以下の条件で、実施例1と同様の工程で二層メタライジング積層体を作製し、ピール強度を測定したものである。ピール強度はJISC6471(フレキシブルプリント配線板用銅張積層板試験方法)により実施した。
・フィルム:東レデュポン製Kapton−150EN
・タイコート:Ni−20wt%Cr、25nm
・Cuシード層:300nm
・Cuメッキ層:8μm
・ピール測定時のサンプル線幅:3mm
・耐熱Aging条件:空気中150℃×168時間
図3は、東レデュポン製Kapton−150ENのポリイミドフィルムを用いてNi−Cr層中のCu混入量(Cu/Ni)に対するピール強度を測定したものである。
この結果、図3に示すように、常態ピール強度の測定におけるCu混入量の依存性については、Ni−Cr層中のCu混入量が0.10at%以下では、常態ピール強度が0.7kN/mを超えていた。その後、Ni−Cr層中のCu混入量が増えても、常態ピール強度が0.6kN/m以上を有しているので、それほど大きな影響はないと言える。しかし、Ni−Cr層中のCu混入量が0.10at%以下では、常態ピール強度の向上に有効であることが分かる。
一方、Ni−Cr層中のCu混入量は、耐熱Aging後のピール強度に大きな影響を与えていることが分かった。すなわち、Ni−Cr層中のCu混入量が0.10at%から耐熱Aging後のピール強度の低下が見られ、Cu混入量が0.30at%では同ピール強度が0.4kN/m以下となり、その傾向はCu混入量が0.50at%まで続き徐々に低下し、同ピール強度が0.3kN/m近傍に達していた。
本実施例については、Ni−Cr層中のCu混入量の影響を調べたが、タイコート層である他の金属又は合金、すなわちニッケル、クロム、コバルト、ニッケル合金、クロム合金、コバルト合金のいずれか1種からなり、ニッケル、クロム又はコバルトが主成分であるタイコート層においても同様の結果が得られるのを確認した。
このことから、タイコート層中の混入Cuの原子分率を0.5at%以下とすること、好ましくはタイコート層中の混入Cuの原子分率を0.3at%以下に、さらにはタイコート層中の混入Cuの原子分率を0.1at%以下とすることが、特に望ましいことが分かる。
本実施例は線幅が3mmの場合であるが、現実のプリント基板(特にCOF用途)の配線幅は数十ミクロンと狭い。一般に線幅が狭いほど、ピール強度は種々の条件に敏感であるため、線幅3mmでも効果が発現する本条件は、極めて有効であることが分かる。
(実施例3)
以下の条件で、実施例1と同様の工程で二層メタライジング積層体を作製し、ピール強度を測定した。ピール強度はJISC6471(フレキシブルプリント配線板用銅張積層板試験方法)により実施した。
・フィルム:宇部興産製Upilex−35SGA
・タイコート:Ni−20wt%Cr、25nm
・Cuシード層:300nm
・Cuメッキ層:8μm
・ピール測定時のサンプル線幅:100μm
・耐熱Aging条件:空気中150℃×168時間
図4は、宇部興産製Upilex−35SGAのポリイミドフィルムを用いてNi−Cr層中のCu混入量(Cu/Ni)に対するピール強度を測定したものである。図4に示すように、常態ピール強度は、Ni−Cr層中のCu混入量に対しては大きな変化はないが、耐熱ピール強度は、Ni−Cr層中のCu混入量が0.10at%から0.30at%まで、耐熱Aging後のピール強度が徐々に低下し、Cu混入量が0.50at%を超えると、同ピール強度が0.5kN/m未満に達していた。
本実施例については、Ni−Cr層中のCu混入量の影響を調べたが、タイコート層である他の金属又は合金、すなわちニッケル、クロム、コバルト、ニッケル合金、クロム合金、コバルト合金のいずれか1種からなり、ニッケル、クロム又はコバルトが主成分であるタイコート層においても同様の結果が得られるのを確認した。
以上から、本実施例3からも、タイコート層中の混入Cuの原子分率を0.5at%以下とすること、好ましくはタイコート層中の混入Cuの原子分率を0.3at%以下に、さらにはタイコート層中の混入Cuの原子分率を0.1at%以下とすることが、特に望ましいことが分かる。
特に、耐熱ピール強度向上に有効であることが確認できた。線幅が狭いほどピール強度は種々の条件に敏感であるため、この傾向は、線幅が縮小するほど効果があることが推測できる。
本願発明は、タイコート層中に含有する銅の量をコントロールすることにより、フレキシブルラミネート(特に、二層メタライジング積層体)を製作する場合に、ピール強度の低下を抑制することができるという優れた効果を有するので、電子産業における回路基板の素材としてとして有用である。

Claims (6)

  1. 少なくとも一方の面をプラズマ処理したポリイミドフィルム、プラズマ処理されたポリイミドフィルムの面に形成したタイコート層、タイコート層上に形成した銅又は銅合金のいずれか1種からなる金属シード層、さらに金属シード層上に形成した銅又は銅合金のいずれか1種からなる金属導体層からなる無接着剤フレキシブルラミネートであって、前記タイコート層中の混入Cuの原子分率が0.5at%以下であることを特徴とする無接着剤フレキシブルラミネート。
  2. 前記タイコート層中の混入Cuの原子分率が0.3at%以下であることを特徴であることを特徴とする請求項1記載の無接着剤フレキシブルラミネート。
  3. 前記タイコート層中の混入Cuの原子分率が0.1at%以下であることを特徴であることを特徴とする請求項1記載の無接着剤フレキシブルラミネート。
  4. 前記タイコート層が、ニッケル、クロム、コバルト、ニッケル合金、クロム合金、コバルト合金のいずれか1種からなり、ニッケル、クロム又はコバルトが主成分であり、前記タイコート層においてこれらの主成分が最も存在比の大きい成分であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の無接着剤フレキシブルラミネート。
  5. 前記タイコート層が、ニッケルとクロムとの合金からなり、主成分がNiであることを特徴とする請求項4に記載の無接着剤フレキシブルラミネート。
  6. 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の無接着剤フレキシブルラミネートを用いて形成したフレキシブル電子回路基板。
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