JP5421237B2 - 複合材料シートの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料シートの製造装置に係り、特に、基材上に有機溶質と溶媒とからなる有機溶液を塗布した後に前記有機溶質を硬化してなる樹脂の薄膜層を備えた複合材料シートの製造装置に関する。

従来から、基材上に樹脂の薄膜層を備えた複合材料シートが種々の分野において利用されている。

例えば、基材として金属の薄膜の１種である銅箔とした複合材料シートはフレキシブルプリント基板として、基材をステンレス箔（ＳＵＳ箔）としたものはＨＤＤ（ハードディスク）のバネ材として、また、基材を洋白としたものは絶縁シールドとして、さらにまた、基材をＰＥＴ（ポリエステルフィルム）、ＰＥＮ、ＰＥＳ、プチラール、ナイロン等としたものは、耐熱性フィルムあるいは電子用カバーレイフィルムとして使用されている。

このような多岐の利用分野にわたる複合材料シートの製造に際しては、長尺の基板を、ローラ等の搬送手段によって塗工位置まで搬送するとともに、塗工位置において、ダイコートやグラビアコート等の塗工方法を用いて前記基材上に有機溶液を塗布し、その後、前記有機溶液を乾燥して有機溶液中の溶媒を除去することによって前記有機溶質の硬化を行っていた。この結果、前記基材上に前記有機溶質を硬化してなる樹脂の薄膜層が形成された複合材料シートが得られるようになっていた。

特開２００１−１７９９１９号公報

しかしながら、従来は、複合材料シートの成形に際して、基材上に塗布した有機溶液を乾燥して硬化することによって基材上に樹脂の薄膜層を形成する段階において、複合材料シートの幅方向の両端縁が樹脂の薄膜層側にめくれ上がってフィルム全体が丸みを帯びるカールと称される現象が生じてしまうことが問題となっていた。

特に、近年の携帯電話機、液晶テレビその他の電子機器においては小型化、複雑化が進み、これらの機器に用いられている基材を銅箔とした複合材料シートから成るフレキシブルプリント基板に対して、更なる薄膜化を図るとともに、優れた耐熱性、耐候性、耐屈曲性、形状維持性、剥離強度等が要求されているが、これを満たすものがなかった。

更に説明すると、銅箔に塗布される樹脂はポリイミド樹脂であるが、このポリイミド樹脂は、樹脂の前駆体であるアミック酸溶液を塗布原料とし、乾燥時に前記有機溶液内のＮＭＰ溶媒を除去するようにしてキュア（硬化）しながら反応させてポリイミド樹脂とするため、反応による収縮が他の樹脂に比べて著しく大きく、カールがより発生し易いものとなっていた。

また、ポリイミド樹脂においては、ＮＭＰ溶媒を有機溶液中から揮散させにくい樹脂であることも、ポリイミド樹脂がカールを発生させ易いことの一因と考えられている。

また、このＮＭＰ溶媒がほぼ１００％除去されないと、配線時の半田結線において、２５０℃以上に熱せられる場合、ポリイミド樹脂内のＮＭＰ溶媒が蒸発し、銅箔とポリイミドが剥離しピール強度が著しく低下し、最悪の場合は銅箔とポリイミド剥離するという不都合があった。

そのため、従来においては、アミック酸溶液を銅箔にコーティングした後に、ステンレスメッシュシートにコーティング後の材料を巻き付けて巻き取った物を窒素雰囲気内の炉に入れて加熱するようにしていたが、５００℃〜７００℃で４８時間入れないと、ＮＭＰ溶媒が除去されず、製品にならないという不都合があった。また、ステンレスメッシュの跡が銅箔に凹凸として残るので、製品として問題が生じる場合があった。特に、多層時には跡に空気が入る可能性が有り、多層のフレキシブル基板には不向きであった。

そこで、従来においては、良質な複合材料シートを搬送させながら連続的に製造することが要望されていた。

本発明は、これらの点に鑑みなされたものであり、複合材料シートの薄膜化を図ることができ、カールの発生を有効に防止することができ、連続的に製造することができ、ひいては耐熱性、耐候性、耐屈曲性、形状維持性、剥離強度等に優れている高品質の複合材料シートを得ることができる複合材料シートの製造装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明の第１の形態に係る複合材料シートの製造装置は、連続した基材上に有機溶質と溶媒とからなる有機溶液を塗布した後、この基材上の有機溶液を所定の雰囲気温度下で乾燥して硬化することによって、前記基材上に前記有機溶質を硬化してなる樹脂の薄膜層を備えた複合材料シートを製造する複合材料シートの製造装置において、長手方向に搬送されている有機溶液を塗布された基材に対して前記有機溶液中の溶媒を１０〜１５％残留するまで加熱乾燥させる閉空間を備えた予備加熱手段を設け、前記予備加熱手段の前記閉空間内に、当該予備加熱手段によって予備加熱された有機溶液を塗布された基材をその長手方向に搬入・搬出自在としたキュア炉を設け、前記キュア炉によって処理された基材を常温まで徐冷する徐冷手段を前記予備加熱手段の下流側に設け、前記予備加熱手段において、前記キュア炉に搬入される直前の有機溶液を塗布された基材を前記閉空間内にて不活性ガス雰囲気に保持して基材の酸化を防止させる不活性ガス供給手段を設け、前記キュア炉内に、前記基材の乾燥すべき有機溶液が塗布されていない面を巻回させて搬送するとともに前記基材および有機溶液を加熱するロールと、このロールと基材との間に不活性ガス膜を形成させるとともに前記キュア炉内を前記基材の酸化を防止させる低酸素濃度に維持する不活性ガス供給手段と、前記ロールに巻回されている基材に塗布されている有機溶液を前記樹脂のガラス転移点以上の温度に加熱して前記有機溶液中の溶媒の残留量を１％以下にする加熱手段と、前記予備加熱手段からキュア炉に対して搬入・搬出される基材を予備加熱手段およびキュア炉の両側において同等の温度状態となるように加熱するカーテン用窒素ガスノズルとを設け、前記キュア炉内における処理を終了されて前記キュア炉から前記予備加熱手段の前記閉空間内へ搬出された基材であって当該閉空間内を前記予備加熱手段から前記徐冷手段へ向けて搬送される間の基材を徐冷するヒータを前記徐冷手段の一部として設けたことを特徴とする。

そして、このような装置によれば、有機溶液を塗布された基材は、予備加熱手段によって前記有機溶液中の溶媒を１０〜１５％残留するまで加熱乾燥させられるとともに、キュア炉に搬入される直前部分において不活性ガス供給手段によって形成される不活性ガス雰囲気内に保持されて基材の酸化が防止される。このような状態で予備加熱手段からキュア炉内に搬入された有機溶液を塗布された基材は、乾燥すべき有機溶液が塗布されていない面を加熱状態にあるロールの外周面との間に不活性ガス薄膜を介在させて搬送され、搬送されている間はキュア炉内の基材の酸化を防止させる低酸素濃度の雰囲気内を通過するので、酸化を防止される。同時に、前記有機溶液は、ロールおよび加熱手段より付与される熱量により樹脂のガラス転移点以上に加熱されて残留量が１％以下（好ましくは０．５％以下）となるように溶媒を十分に除去されて硬化される。これによりカールの全くないない薄膜状の複合材料シートであって、耐熱性、耐候性、耐屈曲性、形状維持性、剥離強度等に優れている高品質の複合材料シートが連続的に製造される。

また、本発明の第２の態様の複合材料シートの製造装置は、第１の態様において、前記基材は銅の薄膜であり、樹脂はポリイミド樹脂であり、不活性ガスは窒素ガスであり、前記予備加熱手段の不活性ガス供給手段部分における酸素濃度は５００〜１０００ＰＰＭであり、前記キュア炉内の酸素濃度は１００〜５００ＰＰＭであることを特徴とする。

そして、このような装置によれば、銅箔等の銅の薄膜からなる基材を用いる場合において、窒素ガスにより基材である銅の酸化を有効に防止することが可能となり、しかもポリイミド樹脂を含有されていた溶媒をほぼ完全に除去して硬化させることができ、高品位の複合材料シートを得ることができる。

本発明の複合材料シートの製造装置によれば、複合材料シートの薄膜化を図ることができ、カールの発生を有効に防止することができ、連続的に製造することができ、ひいては耐熱性、耐候性、耐屈曲性、形状維持性、剥離強度等に優れている高品質の複合材料シートを得ることができる等の優れた効果を奏する。

本発明の複合材料シートの製造装置の１実施形態を示す概略正面図 本発明のキュア炉の１実施形態を示す概略断面図 本発明に係る複合材料シートの側面図

次ぎに、図１から図３について、本発明の複合材料シートの製造装置を説明する。

図１から図２は本発明の複合材料シートの製造装置の１実施形態を示している。

本実施形態の製造装置１においては、図３に示すような銅箔等の銅の薄膜からなる基材２にポリイミド樹脂３を積層した複合材料シート４を製造する場合を例として説明する。

図１から図２に示す製造装置１は、基材２の原反ロール５から巻き取り装置６に至る基材２の搬送経路を有しており、この一連の搬送経路中には、基材２の搬送を保持する複数のガイドローラ７が配設されている。原反ロール５の下流には、この原反ロール５に巻回された長尺な基材２を繰り出す繰り出し装置８を有している。この繰り出し装置８の下流には、前記繰り出し装置８から繰り出された基材２の表面にポリイミド樹脂の前駆体としてのアミック酸溶液（有機溶質と溶媒との混合物）を塗布する塗工装置９が配設されている。この塗工装置９としては、ダイコータ、リバースコータ、ナイフコータ若しくはグラビアロールの直径が５０ｍｍ以下のマイクログラビアコータを配設するとよい。本実施形態においては、ポリイミド樹脂が吸水性が強く空気を巻き込むと粘度の変化を起こしたり、白濁化を起こすために、コーティング後のポリイミド特性が失われる可能性が高いので、空気がふれないダイコータを用いている。この塗工装置９の下流側には、基材２上の有機溶液中の溶媒を１０〜１５％残留するまで加熱乾燥させる予備加熱手段としての複数の乾燥炉１０、１１、１２が連設されている。特に、乾燥炉１２は、図１および図２において二重線で示す壁部１２ａによって形成された閉空間を備え、壁部１２ａに形成された開口部１２ｂを介して当該閉空間内に対する複合材料シート４の搬入・搬出を行うようにされている。そして、当該閉空間内の予備加熱手段としての乾燥炉１２の前記閉空間内には、有機溶液を最終的に硬化させてポリイミド樹脂３とさせるキュア炉１３が配設されている。この乾燥炉１２の下流側には、キュア炉１３により処理を受けて高熱状態にある複合材料シート４を常温まで徐冷する徐冷装置１４が配設されている。このとき、キュア炉１３内において処理を終了された複合材料シート４は、一度、乾燥炉１２の前記閉空間内へ搬出され、前記開口部１２ｂを介して当該閉空間内から徐冷装置１４へ搬送するようにされている。キュア炉１３より下流側の前記開口部１２ｂを含めた乾燥炉１２の閉空間と徐冷装置１４との間には、当該部分を搬送される複合材料シート４を赤外線若しくは遠赤外線によって徐冷するヒータ２６ａが徐冷装置１４の一部として配設されている。徐冷装置１４と巻き取り装置６との間には、冷却された複合材料シート４を巻き取り駆動する巻き取り駆動装置１５が配設されている。

前記予備加熱手段としての複数の乾燥炉１０、１１、１２のうち、上流側の２つの乾燥炉１０、１１においては複数の赤外線若しくは遠赤外線によるヒータ１６を有機溶液に対面するように配設してあり、有機溶液を塗布された基材２を約１５０℃程度まで徐徐に加熱するように形成されている。乾燥炉１０、１１の下流側に配設されている乾燥炉１２においては、複数の赤外線若しくは遠赤外線によるヒータ１７を有機溶液に対面する側と必要に応じて基材２に対面する側とに配設してあり、最終的に有機溶液を塗布された基材２を約３００〜３５０℃程度まで徐徐に加熱して有機溶液中の溶媒を１０〜１５％残留するまで加熱乾燥させるように形成されている。更に、キュア炉１３に搬入される直前の有機溶液を塗布された基材２に対しては、有機溶液に対面する側および基材２に対面する側の双方にヒータ１７を配設し、かつ、両ヒータ１７の間に不活性ガスとしての窒素ガスを供給して前記閉空間内に酸素濃度が５００〜１０００ＰＰＭの不活性ガス雰囲気を形成する不活性ガス供給手段としての窒素ガスノズル１８を配設している。これによりキュア炉１３に搬入される直前の乾燥炉１２内において基材２は不活性ガス雰囲気内に保持されて酸化を防止される。

乾燥炉１２の下流側に配置されているキュア炉１３の上面には、複合材料シート４をその長手方向に搬入・搬出自在とする入口１９と出口２０とが開設されている。キュア炉１３内の中央部には複合材料シート４の基材２の乾燥すべき有機溶媒が塗布されていない面を巻回させて搬送する直径が２００〜１０００ｍｍのロール２１が回転自在に横架されている。このロール２１は自由回転と駆動回転とを切換え自在に形成されている。基材２に不必要な張力を付与させない場合にはロール２１を自由回転させるとよい。また、ロール２１内には、基材２をポリイミド樹脂３のガラス転移点（約３５０℃）より低い温度に保持させるための低温ヒータ（図示せず）が内蔵されている。また、有機溶液をポリイミド化させるために有機溶液をガラス転移点以上（例えば、３８０〜４２０℃）に加熱するための加熱手段として、有機溶液と対面する円弧状の位置に赤外線若しくは遠赤外線による加熱ヒータ２２を配設している。この加熱ヒータ２２およびロール２１内のヒータによる加熱を受けて、基材２に塗布されている有機溶液中の溶媒の残留量は１％以下（好ましくは０．５％以下）とされて良質なポリイミド樹脂とされる。更に、ロール２１と複合材料シート４の基材２との間に不活性ガス膜を形成させるために不活性ガスの１種の窒素ガスをロール２１の上部外周面に向けて噴出させる膜形成用窒素ガスノズル２３が配設されている。この不活性ガス膜を確実に形成させるために、ロール２１の外周面を荒れさせて細かな凹凸からなるマット処理を施すとよい。また、キュア炉１３内を低酸素濃度（例えば、１００〜５００ＰＰＭ）にするための不活性ガスの１種の窒素ガスを必要量供給する少なくとも１個の窒素ガスノズル２４が配設されている。これらの膜形成用窒素ガスノズル２３と窒素ガスノズル２４とによりロール２１と基材２との間に不活性ガス膜を形成させるとともにキュア炉１３内を低酸素濃度に維持して基材２としての銅の薄膜の著しい酸化を防止する不活性ガス供給手段が形成される。キュア炉１３内を低酸素濃度に維持するためには、入口１９と出口２０とにそれぞれ窒素ガスカーテンを形成するカーテン用窒素ガスノズル２５を配設するとよい。

徐冷装置１４においては、高熱状態の複合材料シート４を常温まで徐冷するために複数の赤外線若しくは遠赤外線によるヒータ２６ｂをポリイミド樹脂３に対面する側と必要に応じて基材２に対面する側とに配設してあり、基材２の銅の結晶化の安定性が図られ、ポリイミド樹脂３および基材２は平坦性を維持することとなる。

次ぎに、本実施形態の作用を説明する。

まず、原反ロール５から繰り出し装置８を介して塗工装置９部分に基材２を搬送した後、この基材２上にポリイミド樹脂の前駆体としてのアミック酸溶液を塗布する。この場合、仕上がり状態における複合材料シート４の基材２の厚さを約９μｍ、ポリイミド樹脂３の厚さを約１０μｍとする。

そして、基材２上に有機溶媒を塗布した後、この基材２を予備加熱手段としての複数の乾燥炉１０、１１、１２内に搬送し、各乾燥炉１０、１１、１２内において、基材２上の有機溶媒を所定の雰囲気温度下で乾燥することによって、有機溶液の乾燥固化を促進させる。このとき、ブロワ等の送風機を用いて有機溶液の表面に熱風を吹き付けることによって、乾燥を効率的に行うとよい。本実施形態においては、予備加熱手段の上流側の２つの乾燥炉１０、１１において、有機溶液を塗布された基材２は約１５０℃程度まで徐徐に加熱される。続いて、これらの乾燥炉１０、１１の下流側に配設されている乾燥炉１２においては、複数のヒータ１７により最終的に有機溶液を塗布された基材２を約３００〜３５０℃程度まで徐徐に加熱して有機溶液中の溶媒を１０〜１５％残留するまで加熱乾燥させる。更に、キュア炉１３に搬入される直前の有機溶液を塗布された基材２に対しては、有機溶液に対面する側および基材２に対面する側の双方に配設された両ヒータ１７の間に窒素ガスノズル１８から不活性ガスとしての窒素ガスが供給されて、前記閉空間内に酸素濃度を５００〜１０００ＰＰＭとした不活性ガス雰囲気が形成されているために、両ヒータ１７によって高温に加熱される基材２の銅は有効に酸化を防止される。

キュア炉１３の上流側において約３００〜３５０℃程度に徐加熱されている基材２の銅の薄膜と有機溶液がカーテン用窒素ガスノズル２５によって形成されている約３００℃程度の窒素ガスカーテンおよび入口１９を順に経てキュア炉１３内に搬入される。基材２の銅の薄膜は、ポリイミド樹脂３との結合性を高くするために、若干表面が荒らされているとよい。

このキュア炉１３内は窒素ガスノズル２４によって供給される約３００℃程度の窒素ガスにより１００〜５００ＰＰＭの低酸素濃度に維持されている。基材２は硬化前の乾燥すべきポリイミド樹脂２２が塗布されている面と反対側の面を自由回転状態のロール２１に巻回させる際に、膜形成用窒素ガスノズル２３から噴出された約３００℃程度の窒素ガスをロール２１の外周面に沿って、具体的には当該外周面に形成されているマット部分によって窒素ガスを巻き込むように保持するので、ロール２１の外周面との間に窒素ガスの薄膜が形成される。そして、この状態において、基材２はポリイミド樹脂３のガラス転移点より低い温度に保持されているロール２１に巻き付くことにより、当該ガラス転移点以下の温度に保持される。これらにより基材２である銅の薄膜は酸化作用を受けることがなくなり、また、異常に加熱されることがなくなる。

同時に、基材２の外側に塗布されているポリイミド樹脂３は加熱ヒータ２２によりポリイミド樹脂３のガラス転移点（３５０℃）以上の温度、即ち３８０〜４２０℃の温度に加熱され、含有されている溶媒であるＮＭＰをほぼ１００％（ＮＭＰの残留量が１％以下（好ましくは０．５％以下））除去される。これによりポリイミド化が確実に行われる。更に、キュア炉１３内の若干の酸素が硬化されているポリイミド樹脂３を厚さ方向に浸透して基材２の銅の薄膜まで到達して銅が若干酸化されてポリイミド樹脂３との結合性をより一層強固なものとする。

このようにしてポリイミド樹脂３が硬化されて最終製品とされた複合材料シート４は、キュア炉１３から出口２０およびカーテン用窒素ガスノズル２５によって形成されている約３００℃程度の窒素ガスカーテンを順に経て外部の乾燥炉１２内に搬出される。

その後、複合材料シート４は、ヒータ２６ａによって徐冷されながら乾燥炉１２内から徐冷装置１４に搬送され、続いて、当該徐冷装置１４によって常温まで徐冷されて、基材２の銅の結晶化の安定性が図られ、ポリイミド樹脂３および基材２は平坦性を維持することとなる。これによりカールの全くないない薄膜状の複合材料シート４を得ることができる。例えば、基材２である銅の薄膜の厚さを９〜２５μｍとし、ポリイミド樹脂３の厚さを１０〜２５μｍとすることができる。しかも、この複合材料シート４は、耐熱性、耐候性、耐屈曲性、形状維持性、剥離強度等に優れている高品質のものとなる。

その後、複合材料シート４は巻き取り装置６に巻き取られる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

例えば、複合材料シートとして基材の両面にポリイミド樹脂を形成することができる。

Claims (2)

1. 連続した基材上に有機溶質と溶媒とからなる有機溶液を塗布した後、この基材上の有機溶液を所定の雰囲気温度下で乾燥して硬化することによって、前記基材上に前記有機溶質を硬化してなる樹脂の薄膜層を備えた複合材料シートを製造する複合材料シートの製造装置において、
   長手方向に搬送されている有機溶液を塗布された基材に対して前記有機溶液中の溶媒を１０〜１５％残留するまで加熱乾燥させる閉空間を備えた予備加熱手段を設け、
   前記予備加熱手段の前記閉空間内に、当該予備加熱手段によって予備加熱された有機溶液を塗布された基材をその長手方向に搬入・搬出自在としたキュア炉を設け、
   前記キュア炉によって処理された基材を常温まで徐冷する徐冷手段を前記予備加熱手段の下流側に設け、
   前記予備加熱手段において、前記キュア炉に搬入される直前の有機溶液を塗布された基材を前記閉空間内にて不活性ガス雰囲気に保持して基材の酸化を防止させる不活性ガス供給手段を設け、
   前記キュア炉内に、前記基材の乾燥すべき有機溶液が塗布されていない面を巻回させて搬送するとともに前記基材および有機溶液を加熱するロールと、このロールと基材との間に不活性ガス膜を形成させるとともに前記キュア炉内を前記基材の酸化を防止させる低酸素濃度に維持する不活性ガス供給手段と、前記ロールに巻回されている基材に塗布されている有機溶液を前記樹脂のガラス転移点以上の温度に加熱して前記有機溶液中の溶媒の残留量を１％以下にする加熱手段と、前記予備加熱手段からキュア炉に対して搬入・搬出される基材を予備加熱手段およびキュア炉の両側において同等の温度状態となるように加熱するカーテン用窒素ガスノズルとを設け、
   前記キュア炉内における処理を終了されて前記キュア炉から前記予備加熱手段の前記閉空間内へ搬出された基材であって当該閉空間内を前記予備加熱手段から前記徐冷手段へ向けて搬送される間の基材を徐冷するヒータを前記徐冷手段の一部として設けた
   ことを特徴とする複合材料シートの製造装置。
2. 前記基材は銅の薄膜であり、樹脂はポリイミド樹脂であり、不活性ガスは窒素ガスであり、前記予備加熱手段の不活性ガス供給手段部分における酸素濃度は５００〜１０００ＰＰＭであり、前記キュア炉内の酸素濃度は１００〜５００ＰＰＭであることを特徴とする請求項１に記載の複合材料シートの製造装置。

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