JP5973449B2 - 厚膜ポリイミド金属張積層体 - Google Patents

厚膜ポリイミド金属張積層体 Download PDF

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Description

本発明は、厚膜ポリイミド金属張積層体に関し、工程安定性と寸法安定性に優れた製品を製造するためのポリイミドフィルムの物性範囲に関する。
フレキシブルプリント回路基板(Flexible Printed Circuit Board)の製造に使用されるフレキシブル金属張積層体(Flexible Metal Clad Laminate)は、伝導性金属箔(Metal Foil)と絶縁樹脂の積層体であり、微細回路加工および狭い空間での折り曲げが可能なことにより、電子機器が小型化および軽量化するにつれてその活用が増加している。このようなフレキシブル金属張積層体は、通常、2層レイヤ構造と3層レイヤ構造に製造される。
3層レイヤ構造を有する製品は、エポキシ系接着剤またはウレタン系の接着剤を使用してポリイミドフィルムと金属箔とを結合させて製造する。この場合、接着剤層の存在により耐熱性と難燃性が低下し、エッチング工程と熱処理工程における寸法変化が大きいため、プリント回路基板の製造工程に支障を与えることが多い。前記の欠点を解消するために接着剤を使用しない2層レイヤ構造のフレキシブル金属張積層体が開発されて用いられている。耐熱性に優れた2層レイヤ構造のフレキシブル金属張積層体を製造するための方法としては、キャスト法とラミネート法が挙げられる。キャスト法は、導電性金属箔上にポリアミック酸を塗布した後、硬化過程を経て導電性金属箔上にポリイミドを形成し、フレキシブル金属張積層体を製造する方法であり、必要に応じて、ポリイミドの最外層に熱可塑性ポリイミド層を導入した後、伝導性金属箔とのラミネートにより両面金属張積層体を製造してもよい。ラミネート法は、ポリイミドフィルム上の片面または両面に熱可塑性ポリイミド層を形成した後、金属箔とのラミネートにより、片面金属張積層体または両面金属張積層体を製造する方法である。
一方、キャスト法を用いて厚いポリイミド層の金属張積層体を製造する際には、表面またはポリイミド層間の界面において発泡現象のような外観不良が生じることがあり、ポリイミド前駆体であるポリアミック酸の硬化度が低下して機械的強度と耐化学性が減少し、フィルムの内部に存在する溶媒を除去し難くなり寸法安定性が低下する問題が生じ得る。
このような欠点を解消するために、ラミネート法を用いてポリイミド層の厚さが厚い厚膜ポリイミド金属張積層体を製造する方法を用いることができる。本発明者らは、ラミネート法で2層のフレキシブル銅箔積層体を製造する場合、ラミネート工程中に製品の外観不良(しわ、斜線、縦縞、など)が生じ、寸法安定性が低下することを見出し、このような問題を解決するために鋭意研究の結果、本発明を完成するに至った。
本発明の目的は、ラミネート法を用いて厚膜ポリイミド金属張積層体を製造する場合、良好な外観と物性を有する製品を製造するために要求されるポリイミドフィルムの物性を提供することにある。
本発明は、厚膜ポリイミド金属張積層体に関し、ラミネート法を用いてポリイミド積層体の厚さが厚い厚膜ポリイミド金属張積層体を製造するにあたり、コア層として使用されるポリイミドフィルムの物性が特定範囲にある場合、工程安定性と寸法安定性に優れた製品を製造することができることを見出し、本発明を完成した。
本発明に係る厚膜ポリイミド金属張積層体は、ラミネート工程によって製造することができ、ラミネート工程時に製品の外観不良(しわ、斜線、縦縞、など)を改善し、寸法安定性に優れている。
具体的に、本発明は、ポリイミド積層体とその片面または両面にラミネート法により金属箔を積層させる厚膜(thick layer)ポリイミド金属張積層体であって、
前記ポリイミド積層体は、IPC‐TM‐650(2.4.19)法によって測定された伸率が30%以下であり、引張弾性率が3GPa以上であり、100〜250℃で測定された線熱膨張係数(CTE)が5〜30ppm/℃であるポリイミドフィルムとその片面または両面に熱可塑性ポリイミド層を含む厚膜ポリイミド金属張積層体に関する。
特に、前記ポリイミドフィルムの物性範囲を限定することにより、ラミネート工程時に発生する外観上の問題点を改善し、ポリイミド金属張積層体の寸法安定性を高める方法を見出し、本発明を完成した。
すなわち、前記ポリイミドフィルムの物性は、IPC‐TM‐650(2.4.19)法によって測定された伸率が30%以下であり、引張弾性率が3GPa以上であり、100〜250℃で測定された線熱膨張係数が(CTE)5〜30ppm/℃であることを特徴とし、前記範囲を満たす場合、ラミネート工程により金属張積層体を製造することができ、寸法安定性が極めて優れた金属張積層体を製造することができることを見出し、本発明を完成した。
本発明において、前記ポリイミドフィルムは、伸率が30%以下、より具体的には25%以下、より好ましくは5〜30%の範囲である際にラミネート工程により金属箔との積層が可能である。30%を超える場合にはうねりが生じ、ラミネート後の製品に縦縞としわが生じるなど、外観上の不良が現れて、良好な外観を有する製品を製造することができない。
また、前記ポリイミドフィルムは、引張弾性率が3GPa以上、より具体的には4GPa以上のものを使用することが好ましく、より好ましくは、4〜8GPaのものを使用することが好ましい。3GPa未満の場合には軟性を有し、伸率が高いため、上述したように外観不良が発生する可能性が高い。
前記ポリイミドフィルムは、100〜250℃で測定された線熱膨張係数(CTE)が5〜30ppm/℃、より好ましくは10〜25ppm/℃の範囲のものを使用すると、寸法安定性に優れた金属張積層体を製造することができる。30ppm/℃を超える場合、または5ppm/℃未満の場合には、金属箔、特に銅箔とのCTE差が大きいため、製品の寸法変化率が増加する可能性がある。
前記ポリイミドフィルムは、厚さが25μm以上、より具体的には25〜150μmのものが、厚膜ポリイミド金属張積層体を製造することができるため好ましい。
本発明において、前記ポリイミド金属張積層体は、コア層として使用されるポリイミドフィルムの片面または両面に熱可塑性ポリアミック酸樹脂をコーティングし、乾燥および熱処理を経て製造する。本発明において、前記ラミネート工程は、前記ポリイミド積層体と導電性金属箔を高温ラミネートにより接着させて製造することであり、導電性金属箔がポリイミド積層体の片面または両面に存在する形態をすべて含む。
ここで、導電性金属箔は、銅箔、ステンレス箔、アルミ箔、ニッケル箔または2種以上の合金箔などが挙げられ、本発明が達成しようとする目的を満たす限り、その種類は制限されない。また、導電性金属箔の厚さは制限されないが、9〜70μmであることが工程において有利であるため好ましい。
コア層として使用されるポリイミドフィルムは、熱可塑性ポリイミド層との接着力を向上させるために、表面処理、例えば、コロナ処理、プラズマ処理などを施すことができ、本発明が達成しようとする目的を満たす限り、その方法は制限されない。このような表面処理法を用いてポリイミドフィルムの表面層の粗さを増加させるか化学構造を変化させる過程を含んでもよい。
本発明に使用される熱可塑性ポリイミド樹脂層を製造する方法は特に制限されない。本発明では、熱可塑性ポリイミド樹脂の前駆体であるポリアミック酸樹脂溶液をコア層として使用されるポリイミドフィルムの片面または両面に塗布した後、乾燥および熱処理を経て、ポリイミドフィルム上に新たな熱可塑性ポリイミド樹脂層を形成する。ポリアミック酸樹脂溶液を塗布する方法としては、ナイフコーティング(knife coating)、ロールコーティング(roll coating)、ダイコーティング(die coating)、カーテンコーティング(curtain coating)などが挙げられ、本発明が達成しようとする目的を満たす限り、その方法は制限されない。
本発明では、ポリイミド前駆体であるポリアミック酸樹脂溶液を塗布した後、これを熱的変換過程または化学的変換過程によりポリイミド樹脂に変換することができる。熱処理方法としては任意の方法を適用してもよいが、半硬化状態のポリイミド樹脂またはポリイミド前駆体樹脂の塗布および乾燥によりゲルフィルムを形成した後、これを乾燥炉内で所定時間定置させたり、所定時間連続して乾燥炉内を移動させて熱処理を施すことが一般的である。熱処理温度は通常300℃以上であり、より好ましくは300〜500℃の高温処理を行う。熱処理方式としては、本発明の目的を満たす限り、公知の加熱方式を適用することができる。
本発明で使用された熱可塑性ポリイミドおよび熱可塑性ポリアミック酸は、完全にイミド化した後のガラス転移温度(T)が180℃以上、より好ましくは200〜300℃であり、熱可塑性特性を有する熱可塑性ポリイミド樹脂やポリアミック酸樹脂を用いればよく、種類は特に限定されない。
また、前記熱可塑性ポリイミド層の最終硬化後の厚さが3〜20μmであることが、金属箔との安定した接着力を確保でき、製造工程上の利点があるため好ましい。
本発明において、ラミネート工程における温度は特に制限されないが、熱可塑性ポリイミド樹脂のガラス転移温度以上の温度に加熱することが好ましい。熱可塑性ポリイミド樹脂の加熱温度が十分でない場合には、金属箔との圧着に必要な十分な流動性を確保することができず、そのため安定した接着力を確保することができない。圧着時の加熱温度は、通常、熱可塑性ポリイミド樹脂のガラス転移温度(T)より30〜200℃高いことが好適である。また、ラミネート圧力については、線圧力として50〜200kgf/cmが好適である。圧力の高い場合には、ラミネート温度を下げることができる利点があるため、できるだけ高い圧力で作業を行うことが有利である。
他の特徴および様相は、後述する詳細な説明、図面、および請求項により明らかになる。
本発明は、ラミネート法を用いてポリイミド層の厚さが厚い厚膜金属張積層体を製造するにあたり、工程安定性と寸法安定性に優れた製品を製造するためのコア層として使用されるポリイミドフィルムの物性を提案する。これにより、ラミネート法を用いて厚膜金属張積層体を製造する際に発生し得る工程上の問題を最小化することができ、優れた物性を有する厚膜金属張積層体を製造することができる。
以下、本発明の具現的な説明のために実施例を挙げて説明するが、本発明は下記実施例に限定されない。
1.外観の評価
本発明に係る金属張積層体を製造する過程で、工程において現れる現象または製造後の金属張積層体の外観を目視で確認した。うねりは、ラミネーターロールの全段でフィルムが高温のロールに接触することで波状を示す現象である。うねりが発生する場合、その程度によって金属箔と積層された後に銅箔にしわ(リンクル)が発生することがあり、これによって製品の外観不良が発生する。うねりが発生する場合、その程度によって以下の基準に従って評価する。
×は、大きいうねりが発生して、ラミネーターロールを通過した後にしわが生じたものを意味し、△は、うねりが弱く発生して、ラミネーターロールを通過した後にしわが生じていないものを意味し、は、うねりが発生していない良好な工程安定性を有するものを意味する。ラミネートが終了した後に製品の外観にしわが生じた場合、その程度によって×、△、のなどのレベルに判断した。
本発明で言及した物性は、次の測定法に従う。
2.機械的物性
IPC‐TM‐650、2.4.19の測定法に従って物性を測定した。引張強度および伸率を測定するための試片を製作した後、UTM(Universal Testing Machine)を用いて引張強度および伸率を測定した。これにより引張弾性率を計算した。
3.線熱膨張係数(CTE、Coefficient of Thermal Linear Expansion)の測定
線熱膨張係数は、TMA(Thermomechanical Analyzer)を使用して5℃/分の速度で400℃まで昇温しながら測定した熱膨張値のうち、100℃から250℃までの値の平均値により求めた。
4.エッチング後および熱処理後の寸法変化率
IPC‐TM‐650、2.2.4のMethod Bに従った。生地をMDおよびTDがそれぞれ275×255mmの正方形試片に裁断した後、四つの頂点に位置認識用の穴を開け、23℃、50%RHの恒温恒湿器に24時間保管した後、各穴間の距離を3回繰り返して測定した後、平均値を求めた。次に、金属箔をエッチングし、23℃、50%RHの恒温恒湿器に24時間保管した後、穴間の距離を再度測定した。このように測定した値のMD方向およびTD方向への変化率を計算してエッチングした後、寸法変化率を求めた。測定後、150℃で30分間再度熱処理を施してから23℃、50%RHの恒温恒湿器に24時間保管した後、各穴間の距離を再測定した。先に測定された生地の各穴間の距離と比較して、MD方向およびTD方向への熱処理後の寸法変化率を計算した。
下記製造例で使用された略語は、次のとおりである。
‐DMAc:N,N‐ジメチルアセトアミド(N,N‐dimethylacetamide)
‐BPDA:3,3´,4,4´‐ビフェニルテトラカルボン酸二無水物(3,3´,4,4´‐biphenyltetracarboxylic acid dianhydride)
‐BTDA:3,3´,4,4´‐ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(3,3,4,4‐benzophenonetetracarboxylic dianhydride)
‐PDA:パラ‐フェニレンジアミン(p‐phenylenediamine)
‐ODA:4,4´‐ジアミノジフェニルエーテル(4,4´‐diaminodiphenylether)
‐TPER:1,3‐ビス(4‐アミノフェノキシ)ベンゼン(1,3‐bis(4‐aminophenoxy)benzene)
[製造例1]
2006gのDMAc溶液にTPER 119.06gおよびPDA 14.68gのジアミンを窒素雰囲気下で攪拌して完全に溶解した後、二無水物としてBPDA95.88gとBTDA70gを3回に分けて添加した。次に、約24時間攪拌してポリアミック酸溶液を製造した。このように製造したポリアミック酸溶液を20μmの厚さのフィルム状にキャストした後、60分間350℃まで昇温して30分間維持し、硬化した。測定されたガラス転移温度は223℃であった。
[製造例2]
2425gのDMAc溶液にTPER 49.7gおよびODA 102.1gのジアミンを窒素雰囲気下で攪拌して完全に溶解した後、二無水物としてBPDA 200gを3回に分けて添加した。次に、約24時間攪拌してポリアミック酸溶液を製造した。このように製造したポリアミック酸溶液を20μmの厚さのフィルム状にキャストした後、60分間350℃まで昇温して30分間維持し、硬化した。測定されたガラス転移温度は236℃であった。
[製造例3]
2112gのDMAc溶液にTPER 90.7gおよびPDA 33.55gのジアミンを窒素雰囲気下で攪拌して完全に溶解した後、二無水物としてBPDA 91.3gとBTDA 100gを3回に分けて添加した。次に、約24時間攪拌してポリアミック酸溶液を製造した。このように製造したポリアミック酸溶液を20μmの厚さのフィルム状にキャストした後、60分間350℃まで昇温して30分間維持し、硬化した。測定されたガラス転移温度は252℃であった。
表1には本発明に使用されたポリイミドフィルムの機械的物性と厚さ、およびMD/TD方向のCTE値を示した。
[実施例1]
プラズマ処理を経た38μmの厚さのポリイミドフィルム(A)の両面に、製造例2で製造したポリアミック酸溶液を、最終硬化後の片面の厚さが6μmになるように塗布した後、130℃の乾燥炉で熱風乾燥して、ポリイミドフィルム上にポリアミック酸前駆体フィルムを製造した。
このように製造したフィルムを窒素雰囲気下で150℃から395℃まで20℃/分の速度で昇温しながら9分間熱処理を施してイミド化し、熱可塑性ポリイミド層を形成した。
次に、高温ラミネーターロールを用いて100kgf/cmの圧力で厚さ12μmの電解銅箔を前記フィルムの両面に圧着し、両面金属張積層体を製造した。
[実施例2]
厚さ18μmの圧延銅箔を使用したこと以外は、実施例1とすべて同じ工程により両面金属張積層体を製造した。
[実施例3]
厚さ18μmの圧延銅箔を使用し、製造例1で製造したポリアミック酸溶液を使用したこと以外は、実施例1とすべて同じ工程により両面金属張積層体を製造した。
[実施例4]
実施例1で使用したポリイミドフィルムと物性が異なるポリイミドフィルム(B)を使用し、厚さ18μmの電解銅箔を使用したこと以外は、実施例1とすべて同じ工程により金属張積層体を製造した。
[実施例5]
厚さ12μmの圧延銅箔を使用し、製造例3で製造したポリアミック酸溶液を使用したこと以外は、実施例4とすべて同じ工程により金属張積層体を製造した。
[実施例6]
実施例1で使用したポリイミドフィルムと物性が異なるポリイミドフィルム(C)を使用したこと以外は、実施例1とすべて同じ工程により金属張積層体を製造した。
[実施例7]
実施例1で使用したポリイミドフィルムと物性が異なるポリイミドフィルム(D)を使用したこと以外は、実施例1とすべて同じ工程により両面金属張積層体を製造した。
[実施例8]
プラズマ処理を経た50μmの厚さのポリイミドフィルム(E)の両面に、製造例1で製造したポリアミック酸溶液を、最終硬化後の片面の厚さが3μmになるように塗布した後、130℃の乾燥炉で熱風乾燥し、ポリイミドフィルム上にポリアミック酸前駆体フィルムを製造した。
このように製造したフィルムを窒素雰囲気下で150℃から395℃まで20℃/分の速度で昇温しながら9分間熱処理を施してイミド化し、熱可塑性ポリイミド層を形成した。
次に、高温ラミネートロールを用いて、100kgf/cmの圧力で厚さ35μmの電解銅箔を前記フィルムの両面に圧着し、両面金属張積層体を製造した。
[実施例9]
厚さ12μmの電解銅箔を使用したこと以外は、実施例8とすべて同じ工程により両面金属張積層体を製造した。
[実施例10]
厚さ18μmの圧延銅箔を使用したこと以外は、実施例8とすべて同じ工程により両面金属張積層体を製造した。
[比較例1]
実施例8と物性が異なる50μmの厚さのポリイミドフィルム(F)を使用し、厚さ35μmの圧延銅箔を使用したこと以外は、実施例8とすべて同じ工程により金属張積層体を製造した。
[比較例2]
実施例8と物性が異なる50μmの厚さのポリイミドフィルム(G)を使用し、厚さ12μmの圧延銅箔を使用したこと以外は、実施例8とすべて同じ工程により金属張積層体を製造した。
表2には、表1に示したポリイミドフィルムを用いて厚膜ポリイミド銅箔積層体を製造した際に現れる外観上の問題点と、製品製造後の寸法変化結果を示した。
前記表2から分かるように、本発明の物性範囲、すなわち、伸率が30%以下であり、引張弾性率が3GPa以上であり、100〜250℃で測定された線熱膨張係数(CTE)が5〜30ppm/℃であるポリイミドフィルムを用いて金属張積層体を製造する場合、ラミネート法により金属箔を積層することができることを確認した。また、引張弾性率が4GPa以上であり、伸率が25%以下と低い場合、工程安定性がより向上し、寸法安定性に優れることが分かった。
しかし、比較例1および比較例2から分かるように、伸率と引張弾性率および線熱膨張係数が本発明の範囲から外れる場合、うねりが発生し、ラミネート後の製品に縦縞としわが生じるなど、外観上の不良が発生してラミネート工程を適用することができないことが分かった。
したがって、工程安定性および寸法安定性に優れた金属張積層体を製造するためには、コア層に使用されるポリイミドフィルムの機械的物性、特に、伸率と引張弾性率およびCTE値が適した範囲を有しなければならないことが分かった。

Claims (7)

  1. ポリイミドフィルム及びその片面または両面に積層させた熱可塑性ポリイミド層を含むポリイミド積層体と、前記熱可塑性ポリイミド層を介して前記ポリイミド積層体の片面または両面にラミネート法により積層させた金属箔と、含む厚膜(thick layer)ポリイミド金属張積層体であって、
    前記ポリイミドフィルムは、IPC‐TM‐650(2.4.19)法によって測定された伸率がMD方向に20.1%以下でTD方向に17,4%以下であり、引張弾性率が3GPa以上であり、100〜250℃で測定された線熱膨張係数(CTE)が5〜30ppm/℃であり、かつ厚さが25〜150μmであり前記熱可塑性ポリイミド層は、ガラス転移温度が180〜300℃であり、かつ最終厚さが3〜20μmである、厚膜ポリイミド金属張積層体。
  2. 前記ポリイミドフィルムは、引張弾性率が4GPa以上であり、線熱膨張係数(CTE)が10〜25ppm/℃である、請求項1に記載の厚膜ポリイミド金属張積層体。
  3. 前記金属箔は、銅箔、ステンレス箔、アルミ箔、ニッケル箔または2種以上の合金箔から選択される、請求項1に記載の厚膜ポリイミド金属張積層体。
  4. 請求項1に記載の厚膜ポリイミド金属張積層体を製造する方法であって、前記ポリイミドフィルムの片面または両面に、ポリアミック酸樹脂溶液を塗布および乾燥してゲルフィルムを形成した後、乾燥炉で定置させるか熱処理を施して前記熱可塑性ポリイミド層を積層し、前記熱可塑性ポリイミド層を介して前記ポリイミド積層体の片面または両面に前記ラミネート法により前記金属箔を積層させることを含む厚膜ポリイミド金属張積層体の製造方法
  5. 前記ラミネートにおける加熱圧着は、熱可塑性ポリイミド樹脂のガラス転移温度以上の温度で行われる、請求項に記載の厚膜ポリイミド金属張積層体の製造方法
  6. 前記加熱圧着は、前記熱可塑性ポリイミド樹脂のガラス転移温度より30〜200℃高い温度で行われる、請求項に記載の厚膜ポリイミド金属張積層体の製造方法
  7. 前記加熱圧着は、50〜200kgf/cm で行われる、請求項に記載の厚膜ポリイミド金属張積層体の製造方法
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