WO2019138855A1 - フレキシブル基板、電子デバイス、電子デバイスの製造方法 - Google Patents

フレキシブル基板、電子デバイス、電子デバイスの製造方法 Download PDF

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substrate
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宇野真由美
前田和紀
二谷真司
車溥相
竹谷純一
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パイクリスタル株式会社
地方独立行政法人大阪産業技術研究所
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Definitions

  • the present application relates to a flexible substrate having flexibility, an electronic device using the flexible substrate, and a method of manufacturing the same, in particular, a flexible substrate, an electronic device, and an electronic device having high flexibility over the entire surface including the connection terminal portion. It relates to the manufacturing method.
  • Devices with excellent flexibility and flexibility such as flexible devices and stretchable devices, can be easily installed on free-form surfaces, and products or structures with curved shapes, human bodies, clothing, etc. Practical application is strongly demanded at present because it is easy to attach to the vehicle.
  • a portion that carries functionality as an electronic device such as a transistor, a logic circuit, a sensor, a light emitting element, a piezoelectric element, or an actuator, a power supply portion such as a battery or a power generating element, and holding data.
  • a power supply portion such as a battery or a power generating element
  • As a method of electrically connecting such functional parts it is common to mount each electronic element on a base on which connection wiring is formed to make a product.
  • a mounting method for electrically connecting a plurality of electronic elements For example, various mounting methods such as so-called through-hole mounting for fixing terminals of electronic components to holes in a printed circuit board, and mounting of electronic components for surface mounting on predetermined positions on a substrate using a chip mounter are used. It is done.
  • a flexible printed circuit board (Flexible Printed Circuits, hereinafter referred to as “FPC”) is known.
  • the FPC is a circuit board in which a wiring pattern is produced using a conductive metal such as copper foil on a base substrate made of a resin insulating film having flexibility such as polyimide, and since it has flexibility, a notebook computer
  • the present invention is used for electrical wiring of movable parts that require repeated bending, such as a hinge part that rotatably connects the main body part and the display part, or an arm of a hard disk drive.
  • the FPC is widely used.
  • Patent Document 2 As a technique for joining polymer materials, for example, an example of producing a ⁇ -TAS device using activation of a resin substrate surface by vacuum ultraviolet light having a wavelength of 172 nm or less is known (see Patent Document 2) .
  • Patent Document 2 an example of producing a ⁇ -TAS device using activation of a resin substrate surface by vacuum ultraviolet light having a wavelength of 172 nm or less.
  • This prior art when two resin substrates made of the same material are irradiated with ultraviolet light of wavelength 172 nm, substances that interfere with adhesion of organic substances attached to the surface of the resin substrate are decomposed and the surface is cleaned. The polymer main chain on the outermost surface of the substrate is decomposed, and the resin substrate surface becomes highly active.
  • the active resin substrate surface easily reacts with oxygen and water vapor in the air to form a highly active adhesive layer on the resin substrate surface.
  • the present application is intended to solve the problems of the above-described prior art, and a flexible substrate having high flexibility as a whole including the element mounting portion and the connection terminal portion, and the use of this flexible substrate
  • An object of the present invention is to provide an electronic device with high flexibility as a whole, and a method of manufacturing the electronic device.
  • a flexible substrate indicated by the present application is provided with a substrate which has flexibility, and conductive wiring formed of an organic compound which has conductivity on the substrate, and the above-mentioned conductivity is mentioned. It is characterized in that a part of the wiring is a connection portion with another electronic member.
  • a flexible base In the electronic device disclosed in the present application, a flexible base, a conductive wire formed of an organic compound having conductivity on the base, and an electronic element connected to the conductive wire , And a part of the conductive wiring is a connection portion with another substrate.
  • an electron is generated in at least one of a plurality of substrates on which a conductive wiring formed of an organic compound having conductivity is formed, and at least one of the plurality of substrates.
  • a method of manufacturing an electronic device wherein an element is connected to the conductive wiring, and the plurality of base materials are connected using the conductive wiring as a connection portion, and the conductive wirings on the base material are in direct contact with each other. Heat and pressure are applied in a state in which they are made to form connection portions in which the conductive wirings on different substrates are connected to each other.
  • connection portion with another electronic member and the connection portion between the flexible substrates are electrically conductive by an organic compound having conductivity formed on a flexible base material. Since it is comprised by the sex wiring itself, it can have high flexibility altogether including a connection part.
  • conductive wires formed of a conductive organic compound formed on a flexible base material are brought into close contact with each other to achieve high conductivity. It is possible to form a connection portion with elasticity and adhesion, and to realize an electronic device with sufficient electrical characteristics and mechanical strength at low cost.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of the electronic device according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the electronic device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a second configuration example of the electronic device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view for explaining a third configuration example of the electronic device according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a figure for demonstrating the shape of the sample used for the characteristic evaluation of the electronic device produced as an Example.
  • FIG. 6 is a diagram showing the evaluation results of the electrical conductivity in the electronic device as an example.
  • the flexible substrate disclosed in the present application includes a flexible base material and a conductive wiring formed of an organic compound having conductivity on the base material, and a part of the conductive wiring is another electron. It becomes a connection part with a member.
  • the flexible substrate disclosed in the present application can also have flexibility in connection portions with other electronic members such as other substrates and display devices, and secures flexibility as the entire substrate. can do.
  • “having flexibility” means that the whole can be curved by applying a predetermined external force to a flexible substrate or an electronic device, and furthermore, it is flexible when released from the external force being applied. Let us say that the substrate and the electronic device return to their original shape. Also, in the case where the substrate constituting the flexible substrate or the electronic device is extremely flexible, it is conceivable that the substrate is curved by its own weight without applying an external force, but it is thus curved and curved by its own weight. In the case where a predetermined electrical property can be exhibited even in the state, it is included in the “flexible” in the present specification.
  • a flexible base a conductive wire formed of an organic compound having conductivity on the base, and an electronic element connected to the conductive wire And a part of the conductive wiring becomes a connection with another substrate.
  • the electronic device disclosed in the present application can have flexibility in connection portions with other electronic members such as other substrates and display devices, and secures flexibility as the entire electronic device. can do.
  • the plurality of substrates on which the conductive wires are formed and the conductive wires are in direct contact with each other to form the connection portion, and at least one of the plurality of substrates.
  • the electronic device is connected to the conductive wire.
  • the said conductive wiring consists of conductive polymers. By doing this, it is possible to configure a conductive wire having flexibility in itself.
  • the conductive wiring be composed mainly of polythiophene, polyaniline, polypyrrole, polyacetylene, or any of their derivatives.
  • the said conductive wiring consists of a composite material in which conductive particle material was disperse
  • connection portion it is preferable that an adhesion layer made of an insulator be provided between the base and the conductive wiring.
  • an adhesion layer made of an insulator be provided between the base and the conductive wiring.
  • the heat resistant temperature of the material forming the adhesive layer is more preferably lower than the heat resistant temperature of the base material.
  • an electronic device in at least one of a plurality of substrates on which a conductive wiring formed of an organic compound having conductivity is formed, and A method of manufacturing an electronic device in which an electronic element is connected to the conductive wiring, and the plurality of base materials are connected using the conductive wiring as a connection portion, and the conductive wirings on the base material are directly connected to each other. While being in contact with each other, heat and pressure are applied to form connection portions in which the conductive wirings on different substrates are connected to each other.
  • the heat to apply is the temperature below the glass transition point of the material which comprises the said conductive wiring.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the electronic device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the electronic device according to the present embodiment.
  • FIG. 1 shows a cross section of the II 'arrow line portion shown in FIG.
  • the electronic device 100 includes a first flexible substrate 10 and a second flexible substrate 20 on which electronic devices are mounted.
  • the first flexible substrate 10 is connected to a flexible base material 11, a first electronic element 12 disposed on the base material 11, and a terminal portion (not shown) of the first electronic element 12.
  • a conductive wiring 13 made of an organic compound having conductivity is provided.
  • the second flexible substrate 20 is used as a flexible base material 21, a second electronic element 22 disposed on the base material 21, and a terminal portion (not shown) of the second electronic element 22.
  • a conductive wiring 23 made of a connected organic compound having conductivity is provided.
  • the first flexible substrate 10 and the second flexible substrate 20 are disposed such that the surfaces on which the electronic elements 12 and 22 are disposed face each other; , 21 among the conductive wirings 13 and 23 formed on the upper surface 21 and the portions positioned at the connection portion 30 at the end opposite to the side where the electronic elements 12 and 22 are connected are in direct contact with each other. It has obtained continuity.
  • the predetermined terminal of the first electronic element 12 mounted on the first flexible substrate 10 and the second terminal mounted on the second flexible substrate 20 The predetermined terminals of the two electronic elements 22 are electrically connected, and the two electronic elements 12 and 22 can operate to perform a predetermined operation.
  • the electronic device 100 may have a range of flexibility required as a whole.
  • the material physical property value of the various materials mentioned above used as the base materials 11 and 21, and the thickness of the base materials 11 and 21 can be selected suitably.
  • the flexibility required for the substrate such as making the thickness of the substrate 1 mm or less
  • a resin material for example, polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), polyamide (PA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC) ), Polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyacrylic acid (PAA), polylactic acid (PLCA), parylene, polyurethane, silicone, various other rubber materials, elastomers, fiber materials, etc. it can.
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PI polyimide
  • PA polyamide
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • PE Polyethylene
  • PE polypropylene
  • PS polystyrene
  • PAA polyacrylic acid
  • PLCA polylactic acid
  • parylene polyurethane
  • silicone various other rubber materials, elastomers, fiber materials, etc. it can.
  • the base of the flexible substrate disclosed in the present application is not limited to the material as long as it has a certain degree of flexibility.
  • the electronic elements 12 and 22 disposed on the base materials 11 and 21 are, for example, necessary for constituting the electronic device 100 such as various sensors, power supply elements such as piezoelectric elements, power generation elements and batteries, light emitting elements, etc.
  • a device having any functionality can be used accordingly.
  • the electronic elements 12 and 22 are provided on both the first flexible substrate 10 and the second flexible substrate 20, but the electronic shown in the present embodiment In the device 100, it is not an essential condition that both of the two flexible substrates 10 and 20 have the electronic elements 12 and 22, but as one of the flexible substrates, only the conductive wiring is formed on the substrate Can be used.
  • the conductive wires 13 and 23 are configured using a conductive polymer material.
  • the conductive wirings 13 and 23 formed of the organic compound having conductivity have flexibility which can be deformed when a force is applied from the outside.
  • a material which can ensure conductivity can be used, such as polythiophene, polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polyparaphenylene, polyparaphenylene vinylene and the like.
  • polythiophene polyacetylene
  • polyaniline polyaniline
  • polypyrrole polyparaphenylene
  • polyparaphenylene vinylene and the like.
  • using a material containing any of polythiophene, polyaniline, polypyrrole or any of their derivatives as a main component is more preferable in that high conductivity can be easily obtained.
  • a specific material is, for example, PEDOT: PSS, that is, a composite of (poly (3,4-ethylenedioxythiophene: PEDOT) and polystyrene sulfonic acid (PSS), and further, another dopant material having PEDOT as a skeleton
  • PEDOT poly(ethylenedioxythiophene)
  • PSS polystyrene sulfonic acid
  • another dopant material having PEDOT as a skeleton By using a material or the like to which is added, suitable conductive wirings 13 and 23 can be configured.
  • a composite material in which a conductive material is dispersed is used as the material of the conductive wirings 13 and 23, specifically, for example, a material in which conductive powder is dispersed in silicone rubber, or other materials
  • a material in which a conductive material such as conductive carbon or metal powder is mixed into a flexible material such as a natural rubber, a synthetic rubber material, or an elastomer can be used. It is preferable to use a fine material such as metal nano molecules or carbon nano molecules as the conductive powder in order to form a soft conductive wiring.
  • connection portion which is a portion in which the conductive wiring 13 of the first flexible substrate 10 and the conductive wiring 23 of the second flexible substrate 20 are in contact with each other. 30 are formed to ensure electrical continuity.
  • the mutual wiring materials of the conductive wirings 13 and 23 can be used by taking advantage of the fact that both of the conductive wirings 13 and 23 have flexibility.
  • the surface is integrated. As described above, by integrating the conductive wires 13 and 23 on the two flexible substrates 10 and 20, it is possible to secure both of reliable electrical continuity and adhesion (resistance to peeling). .
  • the conductive wires 13 and 23 apply a predetermined heat and pressure in a state where the connection portions between the first flexible substrate 10 and the second flexible substrate 20 are overlapped so that the conductive wires 13 and 23 face each other. Can be integrated. A specific method of integrating the conductive wirings 13 and 23 of the connection portion will be described in detail later.
  • the conductive wiring 13, 23 is not formed, and in the portion 32 where the surfaces of the substrates 11, 21 face each other, that is, in the gap portion 32 of the conductive wirings 13, 23, the substrate 11 And the base 21 are preferably in close contact with each other.
  • the base material is made of the above-described resin material
  • the heating and pressing step of integrating the conductive wiring 13 and the conductive wiring 23 described above at least the surfaces of the base material 11 and the base material 21 are It can be partially melted and firmly attached.
  • the first flexible substrate 10 and the second flexible substrate 20 can be firmly adhered not only at the facing portion 31 of the conductive wires 13 and 23 but also at the facing portion 32 of the base materials 11 and 21.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the electronic device of the second configuration example.
  • an adhesion layer is formed between the base of the flexible substrate and the conductive wiring, as compared with the electronic device described using FIG. 1 and FIG. The point is different.
  • the electronic device 200 of the second configuration example includes a first flexible substrate 110 and a second flexible substrate 120.
  • the first flexible substrate 110 is a flexible base material 111, an electronic element 112 disposed on the base material 111, and a flexible conductive member connected to a terminal portion (not shown) of the electronic element 112. And an adhesion layer 114 disposed between the conductive wiring 113 and the base 111.
  • the second flexible substrate 120 is formed between the flexible base material 121, the flexible conductive wiring 122 disposed on the base material 21, and the conductive wiring 122 and the base material 121. And an adhesive layer 123 disposed.
  • the substrates 111 and 121, the electronic element 112, and the conductive wirings 113 and 122 are the same as the electronic device described with reference to FIGS. 1 and 2, the description will be omitted.
  • the electronic device 200 shown in FIG. 3 as the second configuration example the electronic device is not disposed on the second flexible substrate 120, but the electronic device is disposed as the second flexible substrate 120. What can be used is the same as the electronic device 100 shown in FIGS.
  • the same materials as those used as the substrates 111 and 121 can be used. However, it is preferable to use a material whose glass transition temperature is lower than the glass transition temperature of the substrates 111 and 121.
  • a resin material having high heat resistance such as polyimide is used as the substrates 111 and 121
  • a material having a softening point or a glass transition point lower than the heat resistance temperature of polyimide is used as the material of the adhesive layers 114 and 123.
  • the conductive wires are integrated by heating and pressing in a state in which the exposed portions of the conductive wires face each other as the connection portions of the flexible substrate.
  • the base of the flexible substrate in a portion where the conductive wiring is not formed (a portion denoted by reference numeral 32 in FIG. 2) be in close contact.
  • the heat resistance temperature (glass transition point or softening point) of the base material is relatively high, adhesion between facing portions (portion 31 of FIG. 2) of the conductive wiring in the connection portion is secured. Even under the manufacturing conditions, there are cases where the portions of the connecting portions in contact with the base materials do not adhere sufficiently.
  • an adhesion layer made of a member that dissolves more easily than the base material is formed on the surface of the base material, so that the adhesion layer melts and adheres to ensure sufficient adhesion between the flexible substrates. It is possible to In addition, since the temperature setting of the integration step of the conductive wiring in the connection portion can be made low by providing the adhesion layer, deformation of the substrate is caused by heat or pressure in the manufacturing step of the connection portion. Has the advantage of being able to
  • the adhesion layers 114 and 123 formed between the conductive wires 113 and 122 and the bases 111 and 121 may be formed over the entire portion to be the connection portion. There is no need to pattern to fill the gaps corresponding to the conductive wires 113 and 122. Therefore, the adhesion layers 114 and 123 can be easily formed on the substrates 111 and 121, and the manufacturing cost of the flexible substrate and the electronic device using the same can be suppressed.
  • the adhesion layer is provided on both the first flexible substrate 110 and the second flexible substrate 120 is shown, but the adhesion layer is formed only on one of the flexible substrates.
  • the connection portion on the electronic device is in close contact
  • a layer can not be formed, but in such a case, by providing an adhesive layer on the flexible substrate side, it is possible to realize an electronic device having a connecting portion with high electrical conductivity and adhesiveness.
  • the third configuration example of the electronic device according to the present embodiment is configured by mounting a plurality of flexible substrates on one large flexible substrate.
  • FIG. 4 is a plan view for explaining a third configuration example of the electronic device according to the present embodiment.
  • the electronic device 300 includes a second flexible substrate 302, a third flexible substrate 303, and a fourth flexible substrate 304 on one large first flexible substrate 301.
  • the three relatively small flexible substrates are mounted and configured.
  • the first flexible substrate 301 is And the conductive wiring of the second flexible substrate 302 are arranged opposite to each other and integrated at the overlapping portion 306 to ensure electrical conduction.
  • the adhesion layer 307 is formed below the conductive wiring, and the adhesion between the first flexible substrate 301 and the second flexible substrate 302 is enhanced.
  • the second flexible substrate 302 and the third flexible substrate 303 are at the second connection portion 308 on the left side in the figure, and the third flexible substrate 303 and the fourth flexible substrate 304 are at the lower center in the figure. It is connected by the 3rd connection part 311 by the side.
  • Each of the second connection portion 308 and the third connection portion 311 corresponds to the second flexible substrate 302, the second flexible substrate 302, and the conductive wiring for substrate connection formed on the first flexible substrate 301, respectively.
  • the conductive wirings of the third flexible substrate 303 and the fourth flexible substrate 304 are disposed to face each other, and the overlapping portions 309 and 312 are integrated to ensure electrical conduction.
  • adhesion layers 310 and 313 are formed on the lower side of the conductive wiring in the second connection portion 308 and the third connection portion 311 of the first flexible substrate 301, and the first flexible substrate 301 and the second flexible substrate 301 are formed. The adhesion with the third and fourth flexible substrates 302, 303, 304 is enhanced.
  • the first flexible substrate 301 to the second flexible substrate 302 and the second flexible substrate 302 to the third flexible substrate 303 are described. Electrical conduction is ensured in the order of the third flexible substrate 303 to the fourth flexible substrate 304, and an electrical circuit using electronic elements disposed on the respective flexible substrates can be configured.
  • the conductive wiring on the first flexible substrate 301 formed in the second connection portion 308 and the third connection portion 311 is mounted on the first flexible substrate 301. It is not connected to the electric element of the above, and is formed only for the purpose of achieving electrical conduction between flexible substrates with another flexible substrate.
  • the fourth flexible substrate 304 to be connected to the first flexible substrate 301 via the second flexible substrate 302 and the third flexible substrate 303 can be directly connected to the first flexible substrate 301.
  • the conductive wiring on the first flexible substrate 301 formed in the third connection portion 311 is configured to be directly connected to the electric element disposed on the first flexible substrate 301. Can. By doing this, it is possible to effectively shorten the length of connection wiring with, for example, a signal wiring that is weak to noise from the outside and a sensor circuit that should be a low resistance wiring.
  • the adhesive layers 307, 310, and 313 are formed in each of the connection portions 305, 308, and 311, but all the adhesive layers are connected. It is not necessary to form in a part, and it can be set as the structure which one part or all the connection parts do not have an adhesion layer. Further, it is possible to form an adhesion layer on both connection parts of the flexible substrates connected to each other.
  • the flexible substrate described in the present embodiment is formed of, for example, 50 to 125 ⁇ m polyethylene naphthalate (PEN) as a base material, and a conductive wiring of PEDOT: PSS having a thickness of about 100 nm as a predetermined wiring pattern.
  • the wiring pattern is formed such that a predetermined electronic circuit is configured on the substrate corresponding to the terminal position of the electronic device mounted on the substrate, as in the case of the wiring pattern preparation on the conventional hard substrate.
  • the conductive wiring is formed of a polymer compound or a composite compound of polymers, a predetermined wiring pattern is formed using an inkjet method, a screen printing method, an offset printing method, a gravure printing method or the like. be able to.
  • the electronic circuit can be configured by printing the conductive wiring and then printing the electronic element.
  • a chip mounting process using an automatic mounter which has been performed on a conventional printed circuit board, becomes unnecessary, so that position adjustment can be simplified even when fine electronic elements are arranged, and electronic on the board can be performed accurately at low cost. It is possible to form an electronic device in which elements are arranged.
  • connection part is formed in the predetermined position of a flexible substrate, and in this connection part, the formation part of electroconductive wiring and the part in which electroconductive wiring is not formed are formed alternately.
  • the conductive wiring is preferably formed as a straight line, and the width of the conductive wiring and the width of the space between the conductive wirings are preferably about 1: 1.
  • the width of the conductive wiring in the connection portion needs to correspond to the width of the terminal on the other side connected to the connection portion such as another flexible substrate or electronic element, and the distance between the terminals, but good electrical conductivity in the connection portion It is preferable that the thickness is 10 ⁇ m or more from the viewpoint of securing the
  • the conductive wiring of the connection portion can be configured as a curve, and a configuration in which the width of the conductive wiring and the width of the interval between the conductive wirings do not become about 1: 1 can also be adopted. .
  • a thin film of a material having a softening point temperature lower than that of the material of the base material, for example, a gravure offset is formed at the position where the connection portion is formed on the PEN film which is the base material. After being formed in advance by the printing method, the conductive wiring pattern is formed.
  • PEN polyethylene naphthalate
  • a weight of 2.2 MPa is applied for 180 seconds under the conditions of a temperature of 150 ° C.
  • the contact portions of the conductive wiring partially melt and integrate, and the surfaces of the base adhere closely to each other, and a sufficient connection portion is formed for both the conductivity and the connection strength of the two substrates. can do.
  • the temperature and pressure applied when forming the connection portion are preferably lower than the heat resistance temperature of the base of the flexible substrate and the heat resistance temperature of the conductive wiring material. Moreover, it is more preferable that the temperature in the case of forming a connection part is lower than the temperature of the glass transition point of conductive wiring material. It is important to set the pressure to be applied to an appropriate value for achieving adhesion at the interface of the connection, and should be appropriately adjusted according to the material and thickness of the base of the flexible substrate and the material of the conductive wiring. However, 1 MPa or more and 5 MPa or less can be taken as a standard.
  • the electronic device according to the present embodiment was actually manufactured and its characteristics were evaluated.
  • PEDOT: PSS is formed on one end of a PEN substrate having a width of 10 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 125 ⁇ m.
  • a conductive wiring was prepared in parallel in the longitudinal direction of the substrate.
  • the width of the conductive wiring was 200 ⁇ m
  • the interval between the conductive wirings was 200 ⁇ m
  • the size ratio (line & space ratio) of the portion with and without the conductive wiring pattern was 1: 1.
  • the length of the conductive wiring was 10 mm from the end of the base, the number of the conductive wiring was five, and the width of the connection was 10 mm.
  • the conductive wiring was formed with a thickness of 100 nm on the substrate by an inkjet method. Note that the electronic element is not mounted on the substrate because the purpose is to evaluate the characteristics.
  • connection parts of the two flexible substrates thus produced are made to face each other and stacked, and a pressure bonding head maintained at 80 ° C. from above is pressed at a pressure of 2.2 MPa for 180 seconds, and conductive wiring on the substrate Were integrated to produce an electronic device.
  • the width of the pressure bonding head that is, the length of the pressed portion in the longitudinal direction of the conductive wiring at the connection portion was 2 mm.
  • the electric resistance value through the connection portion of the first flexible substrate and the second flexible substrate is used as a semiconductor parameter manufactured by Agilent Technologies, Inc. It measured by analyzer B1500A (brand name).
  • connection portion As a result, it was found that there was no difference in the wiring resistance value depending on the presence or absence of the connection portion, and sufficient electrical conduction was obtained at the connection portion.
  • the adhesion at the connection part was measured under the conditions of a tensile speed of 10 mm / min, a distance between chucks of 40 mm, and a load cell of 100 N using a universal material tester 5565 (product model name) manufactured by INSTRON (Instron). did. As a result, it was confirmed that the tensile shear adhesion of the two flexible substrates at room temperature was 2N or more.
  • FIG. 5 shows the shape of a sample manufactured to investigate the effect of the forming conditions of the connection
  • FIG. 5 (a) shows a cross-sectional view
  • FIG. 5 (b) shows a plan view.
  • a PEN resin substrate 41 having a width of 10 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 125 ⁇ m as each of the first sample piece 40 and the second sample piece 50.
  • PEDOT: PSS films 42 and 52 were formed on the entire surface of the substrate 51 by an inkjet method so as to have a thickness of 100 nm.
  • the head temperature was changed every 10 ° C. from 80 ° C. to 160 ° C., and the applied pressure was set to four stages of 2.5 MPa, 5.2 MPa, 7.8 MPa and 10.2 MPa.
  • the pressing time of the head 71 was constant at 180 seconds under all conditions.
  • the tensile strength and adhesion of the connection portion of the sample prepared in this manner were measured under the same conditions using the above-mentioned universal material tester 5565 (product model name) manufactured by INSTRON (Instron).
  • the conductive wiring material is considered to be practically sufficient by setting the applied pressure in an appropriate range.
  • the adhesive strength is shown, and it can be seen that the conductive wiring material is sufficiently in close contact.
  • the magnitude of the pressure applied when forming the connecting portion tends to exhibit higher adhesive strength as the applied pressure is larger regardless of the application temperature, It was confirmed that the pulling temperature had almost no influence on the adhesive strength up to about 100 ° C., but when it exceeded 100 ° C., the higher the pulling temperature, the higher the adhesive strength tends to be obtained.
  • the voltage current characteristic between AB is indicated by “o” as 81
  • the voltage current characteristic between BC is indicated as “ ⁇ ” as 82.
  • the thing shown in FIG. 6 is an thing of applied temperature 180 degreeC and applied pressure 2.2 Mpa, in the sample which became "(circle)" evaluation in Table 5, all, between the electric current value between AB, and BC The difference between the current value and the current value was 1% or less, and it was confirmed that the PEDOT: PSS films 42 and 52 on the surface of the sample piece were sufficiently in close contact with each other at the connection portion.
  • the resistance between the measurement points AB indicated by reference numeral 81 via the connection is slightly lower than that between BC indicated by reference 82 without the connection. . This is considered to be due to the fact that the density (cross-sectional area) per length is increased because the conductive wires overlap at the connection portion.
  • an adhesion layer of PMMA is formed on one end of a PEN substrate having a width of 10 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 50 ⁇ m as a first flexible substrate and a second flexible substrate.
  • a PEN substrate having a width of 10 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 50 ⁇ m as a first flexible substrate and a second flexible substrate.
  • PEDOT PSS
  • a conductive wiring was prepared in parallel in the longitudinal direction of the substrate.
  • the width of the conductive wiring is 200 ⁇ m as in the above embodiment, the distance between the conductive wirings is 200 ⁇ m, the length of the conductive wiring is 10 mm from the end of the substrate, and the number of conductive wirings is five. It was a book.
  • an organic conductive polymer (Berazol R: trade name) manufactured by Shoken Chemical Co., Ltd., which is a PEDOT-based conductive material, was used.
  • the glass transition points of PEN and PMMA used as materials were measured using a differential scanning calorimeter DSC7000X (trade name) manufactured by Hitachi, Ltd.
  • the glass transition point of PEN is 150 ° C.
  • the glass transition of PMMA The point was at 100 ° C.
  • the electronic device uses a member having flexibility as the base of the flexible substrate, and uses a member having flexibility as the material of the conductive wiring formed on the base By bringing the conductive wires into close contact with each other at the connection portion, an electronic device having flexibility over the entire flexible substrate including the connection portion can be obtained. Therefore, by using a member having flexibility such as, for example, a resistance element made of an organic film or an organic semiconductor element as an electronic element mounted on a flexible substrate, an electronic device having good flexibility as a whole can be obtained. It can be configured.
  • connection portion excellent in adhesion and electrical conductivity can be formed. it can.
  • the connection process which controlled the directivity of the conductive material in a connection part like the anisotropic conductive film (ACF: Anisotropic Conductive Film) used for the connection part by the conventional flexible substrate etc. is unnecessary. As a result, cost reduction can be realized on both the material side and the construction side.
  • the flexible substrate described in the present embodiment is also a wiring substrate in which no electronic element is mounted on the base material. It can be realized.
  • the flexible substrate described in the present embodiment is connected to the flexible substrate described in the present embodiment on which an electronic element such as the first flexible substrate 110 shown in FIG.
  • the electronic device including the connection portion can be entirely flexible.
  • the electronic element mounted on the substrate can be prepared by the printing method.
  • the chip mounting step which conventionally requires high accuracy is unnecessary, and the flexible substrate can be manufactured at low cost including the mounting cost.
  • the method for manufacturing a flexible substrate, an electronic device, and an electronic device disclosed in the present application can realize an electronic device having flexibility as a whole at low cost. For this reason, at present, where miniaturization, cost reduction, energy saving, and flexibility are required, it has high industrial applicability.

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Abstract

素子搭載部分や接続端子部分も含めた全体として高い可撓性を備えた、フレキシブル基板、電子デバイス、さらに、この電子デバイスの製造方法を提供すること。フレキシブル基板は、可撓性を有する基材と、前記基材上に導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線とを備え、前記導電性配線の一部が他の電子部材との接続部となる。また、電子デバイス100は、可撓性を有する基材11、21と、前記基材上に導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線13、23と、前記導電性配線に接続された電子素子12、22とを備え、前記導電性配線の一部が他の基板との接続部30となる。

Description

フレキシブル基板、電子デバイス、電子デバイスの製造方法
 本願は、可撓性を有するフレキシブル基板、このフレキシブル基板を用いた電子デバイスとその製造方法に関し、特に、接続端子部分を含む全面において高い柔軟性を備えた、フレキシブル基板、電子デバイス、電子デバイスの製造方法に関する。
 フレキシブルなデバイスやストレッチャブルなデバイスなど、柔軟性や可撓性に優れたデバイスは、自由曲面に容易に設置可能であり、また、曲面形状を有する製品や構造物、人体、衣類等のあらゆる物への取付けが容易となるため、現在その実用化が強く求められている。
 電子デバイスを構成するには、トランジスタや論理回路、センサ、発光素子、圧電素子、アクチュエータ等の電子デバイスとしての機能性を担う部分と、バッテリーや発電素子等の電源部分、データを保持するためのメモリ部分、データ通信や無線給電用のアンテナ等の通信部分、ディスプレイ等のデータ表示部分等、各々の機能を担う電子素子を一体化して製品とする必要がある。このような各機能部分を電気的に接続する方法としては、接続配線が形成された基材上に各電子素子を実装して製品とすることが一般的である。
 複数の電子素子を電気的に接続する実装手法としては、これまでに多くの技術が開発され実用化されている。例えば、電子部品の端子をプリント基板の穴に固定する、いわゆるスルーホール実装や、チップマウンターを用いて表面実装用の電子部品を基板上の所定位置に実装する手法等、各種の実装方法が用いられている。
 また、フレキシブルな基材を用いた配線回路として、フレキシブルプリント回路基板(Flexible Printed Circuits、以下「FPC」と称する)が知られている。FPCは、ポリイミド等の柔軟性を有する樹脂製絶縁フィルムからなるベース基材上に銅箔などの導電性金属を用いて配線パターンを作製した回路基板であり、柔軟性を有することから、ノートパソコンの本体部と表示部とを回動可能に接続するヒンジ部分や、ハードディスクドライブのアーム等、繰り返しての屈曲が必要な可動部分の電気配線に利用されている。また、可動部分に限らず、メイン基板に接続されたFPCを折り曲げてその折り曲げ部分に電子素子を搭載し、電子素子をメイン基板上に積層して配置することで、電子機器筐体の小型化を図る立体配線を行う場合にもFPCが広く用いられている。
 このようなフレキシブルプリント回路基板(FPC)に関し、ディスプレイユニットを搭載し、ディスプレイユニットと駆動回路とを接続する接続配線が形成された配線部を備えたFPCにおいて、配線部の湾曲性を高め、かつ、接続配線の損傷を防ぐために、配線部の接続配線間にスリットまたは溝を形成する技術が提案されている(特許文献1参照)。
 一方で、高分子材料同士の接合技術として、例えば、波長172nm以下の真空紫外光による樹脂基板表面の活性化を用いた、μ-TASデバイスの作製例が知られている(特許文献2参照)。この先行技術において、同一材料から構成された2つの樹脂基板に波長172nmの紫外線を照射すると、樹脂基板表面に付着した有機物などの接着を妨げる物質を分解し表面を洗浄すると同時に、紫外光によって樹脂基板の最表面のポリマー主鎖が分解し、樹脂基板表面は高活性状態となる。活性な樹脂基板表面は空気中の酸素や水蒸気と容易に反応し、樹脂基板表面に高活性な接着層を生成する。こうして得られた高活性な接着層同士を圧着することで、100℃以下という比較的低温な条件において、樹脂材料の接合を達成し、接着強度も十分高い値が得られている。
特開2011-237661号公報 特開2006-187730号公報
 上記従来のFPCを用いた電子デバイスでは、配線部の接続配線間にスリットや溝が形成されているために、FPCの剛性が低下して容易に曲げることができるとともに、配線の延在方向に対して所定の角度を有して湾曲する捻れが生じた場合でも、接続配線に過大な負荷がかかることを防止して信頼性の高い電子デバイスを実現することができる。
 しかし、上記従来のFPCを用いた電子デバイスでは、搭載されるディスプレイユニットとFPCとの接続部分や、電子デバイスを他の回路基板などと接続する接続端子部分における柔軟性への配慮はされていない。このため、近年開発が進むフィルムタイプのディスプレイや、有機半導体トランジスタなどの可撓性を備えた電子素子を搭載した電子デバイスを構成する場合でも、電子素子搭載部分や接続端子部分が柔軟性を有さず、電子デバイス全体として柔軟性を有するものを実現することはできなかった。
 また、絶縁体である高分子同士の接着技術は知られているものの、導電性をもつ有機化合物を用いた接合技術についての知見は得られていない。
 本願は、上記従来技術の有する課題を解決することを目的とするものであり、素子搭載部分や接続端子部分も含めた全体として高い可撓性を備えたフレキシブル基板、このフレキシブル基板を用いることで、全体として高い可撓性を備えた電子デバイス、さらに、この電子デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
 上記課題を解決するために、本願で開示するフレキシブル基板は、可撓性を有する基材と、前記基材上に導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線とを備え、前記導電性配線の一部が他の電子部材との接続部となることを特徴とする。
 また、本願で開示する電子デバイスは、可撓性を有する基材と、前記基材上に導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線と、前記導電性配線に接続された電子素子とを備え、前記導電性配線の一部が他の基板との接続部となることを特徴とする。
 さらに、本願で開示する電子デバイスの製造方法は、導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線が形成された複数の基材と、前記複数の基材の内の少なくとも一つにおいて、電子素子が前記導電性配線と接続され、前記複数の基材が、前記導電性配線を接続部として接続された電子デバイスの製造方法であって、前記基材上の前記導電性配線同士を直接接触させた状態で熱と圧力を印加して、異なる前記基材上の前記導電性配線同士が接続された接続部とすることを特徴とする。
 本願で開示するフレキシブル基板、および、電子デバイスは、他の電子部材との接続部やフレキシブル基板同士の接続部が、可撓性を有する基材上に形成された導電性を有する有機化合物による導電性配線自体によって構成されるため、接続部を含めた全体で高い可撓性を有することができる。
 また、本願で開示する電子デバイスの製造方法によれば、可撓性を有する基材上に形成された導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線同士を良好に密着させて、高い導電性と接着性とを備えた接続部を形成することができ、十分な電気特性や力学的強度を備えた電子デバイスを低コストで実現することができる。
図1は、実施の形態にかかる電子デバイスの構成を説明するための断面構成図である。 図2は、実施の形態にかかる電子デバイスの構成を説明するための平面構成図である。 図3は、実施の形態にかかる電子デバイスの第2の構成例を説明するための断面構成図である。 図4は、実施の形態にかかる電子デバイスの第3の構成例を説明するための平面構成図である。 図5は、実施例として作製した電子デバイスの特性評価に用いられた試料の形状を説明するための図である。 図6は、実施例としての電子デバイスにおける、電気導電性の特性評価結果を示す図である。
 本願で開示するフレキシブル基板は、可撓性を有する基材と、前記基材上に導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線とを備え、前記導電性配線の一部が他の電子部材との接続部となる。
 このように構成することで、本願で開示するフレキシブル基板は、他の基板やディスプレイデバイスなど他の電子部材との接続部分も可撓性を有することができ、基板全体としての可撓性を確保することができる。
 なお、本明細書において、「可撓性を有する」とは、フレキシブル基板や電子デバイスに所定の外力を加えることで全体を湾曲させることができ、さらに、加えていた外力から解放したときにフレキシブル基板や電子デバイスが元の形状に戻る状態を言うものとする。また、フレキシブル基板や電子デバイスを構成する基材が極めて柔軟性に富んでいる場合には、外力を加えなくても自重によって湾曲することが考えられるが、このように自重によって湾曲し、湾曲した状態でも所定の電気的特性を発揮できる場合は、本明細書において「可撓性を有する」ものに含まれることとする。
 また、本願で開示する電子デバイスは、可撓性を有する基材と、前記基材上に導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線と、前記導電性配線に接続された電子素子とを備え、前記導電性配線の一部が他の基板との接続部となる。
 このようにすることで、本願で開示する電子デバイスは、他の基板やディスプレイデバイスなど他の電子部材との接続部分も可撓性を有することができ、電子デバイス全体としての可撓性を確保することができる。
 本願で開示する電子デバイスにおいて、前記導電性配線が形成された複数の前記基材と、前記導電性配線同士が直接接触することで前記接続部が形成され、前記複数の基材の内の少なくとも一つにおいて、前記電子素子が前記導電性配線に接続されていることが好ましい。このようにすることで、接続部を含めて可撓性を有する複数の基材を備えた電子デバイスを実現することができる。
 また、前記導電性配線が、導電性ポリマーからなることが好ましい。このようにすることで、自体に柔軟性を有する導電性配線を構成することができる。
 この場合において、前記導電性配線が、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレンのいずれか、またはそれらの誘導体のいずれかを主成分として構成されることが好ましい。
 また、前記導電性配線が、高分子材料のバインダー内に導電性粒子材料が分散された複合材料からなることが好ましい。このようにすることで、自体に柔軟性を有する導電性配線を構成することができる。
 さらに、前記接続部において、前記基材と前記導電性配線との間に、絶縁体からなる密着層を有することが好ましい。このようにすることで、導電性配線の間隔部分に配置された密着層同士を密着させることができ、導電性配線部分を含めた接続部全体を十分に密着させて、高い電気的導通性と、高い接着強度を有する電子デバイスを実現することができる。
 この場合において、前記密着層をなす材料の耐熱温度が、前記基材の耐熱温度より低いことがより好ましい。
 さらにまた、本願で開示する電子デバイスの製造方法は、導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線が形成された複数の基材と、前記複数の基材の内の少なくとも一つにおいて、電子素子が前記導電性配線と接続され、前記複数の基材が、前記導電性配線を接続部として接続された電子デバイスの製造方法であって、前記基材上の前記導電性配線同士を直接接触させた状態で熱と圧力を印加して、異なる前記基材上の前記導電性配線同士が接続された接続部とする。
 このようにすることで、本願で開示する電子デバイスの製造方法では、導電性配線同士を十分に密着させて、高い電気伝導性と接着強度とを有する接続部を備えた電子デバイスを、低コストで実現することができる。
 なお、印加する熱が、前記導電性配線を構成する材料のガラス転移点以下の温度であることが好ましい。
 以下、本願で開示するフレキシブル基板、電子デバイス、電子デバイスの製造方法についての実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
 なお、以下の各図面は、本願で開示する発明をわかりやすく説明するためのものであり、各部材の大きさ、特にフレキシブル基板の厚さ方向の大きさは、現実の部材の大きさや形状比を正確に示したものではない。
 (実施の形態)
 図1に、本実施形態にかかる電子デバイスの断面構成図を示す。また、図2に、本実施形態にかかる電子デバイスの平面構成図を示す。図1は、図2に示すI-I’矢示線部分の断面を示している。
 図1、図2に示すように、本実施形態にかかる電子デバイス100は、いずれも電子素子が搭載された第1のフレキシブル基板10と第2のフレキシブル基板20とを有している。
 第1のフレキシブル基板10は、可撓性を有する基材11と、基材11上に配置された第1の電子素子12と、第1の電子素子12の端子部(図示省略)に接続された導電性を有する有機化合物による導電性配線13を備えている。また、第2のフレキシブル基板20は、可撓性を有する基材21と、基材21上に配置された第2の電子素子22と、第2の電子素子22の端子部(図示省略)に接続された導電性を有する有機化合物による導電性配線23を備えている。
 本実施形態にかかる電子デバイス100において、第1のフレキシブル基板10と第2のフレキシブル基板20とは、電子素子12、22が配置された側の面同士が対向するように配置され、基材11、21上に形成された導電性配線13、23のうち、電子素子12、22が接続されている側とは反対側の端部の接続部30に位置する部分同士が直接接触して電気的導通を得ている。このようにすることで、本実施形態にかかる電子デバイス100では、第1のフレキシブル基板10に搭載された第1の電子素子12の所定の端子と、第2のフレキシブル基板20に搭載された第2の電子素子22の所定の端子とが電気的に接続されて、2つの電子素子12、22が動作して一定の動作を行うことができる。
 フレキシブル基板10、20の基材11、21としては、各種の樹脂材料や、薄板ガラス、金属箔、シリコーン膜等を用いることができる。
 基材11、21は、可撓性を有しているが、この可撓性は定量的な指標によって画一的に定められものではなく、基材11、21を用いたフレキシブル基板10、20によって構成される電子デバイス100全体として求められる範囲の可撓性を有すればよい。このため、基材11、21として用いられる上述した各種材料の材料物性値と基材11、21の厚みを適宜選択することができる。例えば、金属や無機材料、ガラス材料など、10GPa以上といった比較的高いヤング率をもつ硬質材料を用いる場合、基材の厚さを例えば1mm以下とするといったように、基材に求められる可撓性を発現することができる範囲のものを採用する。
 基材11、21として、樹脂材料を用いる場合、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリ乳酸(PLCA)、パリレン、ポリウレタン、シリコーン、その他各種ゴム材料、エラストマー、繊維素材等を用いることができる。
 これらの樹脂材料の中でもPEN、PI等の、耐熱性に優れ、表面が平滑であり、汎用性のある樹脂基材を用いれば、基材が入手しやすく比較的低コストであるだけでなく、優れた電子特性を容易に得ることが可能であり、かつ柔軟性にも優れる点で有利である。また、シリコーンやウレタン、各種ゴム材料等の可撓性に加えて伸縮性を備えた基材を用いれば、伸縮可能なフレキシブル基板、さらには、全体として伸縮可能な電子デバイスを実現できるという利点がある。
 本願で開示するフレキシブル基板の基材としては、一定の可撓性を有する限り材料に限定されるものではない。
 基材11、21上に配置される電子素子12、22は、例えば各種のセンサや、圧電素子、発電素子や電池などの電源供給素子、発光素子等、電子デバイス100を構成する上での必要に応じて任意の機能性を有する素子を用いることができる。
 なお、図1、図2に例示する電子デバイス100では、第1のフレキシブル基板10と第2のフレキシブル基板20との両方に電子素子12、22が設けられているが、本実施形態で示す電子デバイス100において、2つのフレキシブル基板10、20がいずれも電子素子12、22を備えていることは必須の条件ではなく、一方のフレキシブル基板として、基材上に導電性配線のみが形成されたものを用いることができる。
 導電性配線13、23は、導電性ポリマー材料を用いて構成される。また、導電性配線13、23を、樹脂、ゴムなどの高分子材料からなるバインダー内に、導電性を有する金属粒子やカーボン粒子等の導電性を有する粒子状の材料が分散された複合材料で構成することができる。このため、本明細書において「導電性を有する有機化合物材料」と称する場合は、上述の導電性ポリマー材料の場合と、高分子材料のバインダー内に導電性粒子材料が分散された複合材料の場合との両方を意味する。
 このように、導電性を有する有機化合物によって形成された導電性配線13、23は、外部から力が加わった際に変形可能な柔軟性を有している。
 導電性配線13、23を形成する導電性ポリマー材料としては、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン等の導電性が確保可能な材料を用いることができる。特に、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールのいずれか、またはそれらの誘導体のいずれかを主成分とする材料を用いることで、容易に高い導電性を得ることができる点でより好ましい。具体的な材料としては、例えばPEDOT:PSS、すなわち、(ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン:PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)からなる複合物、さらに、PEDOTを骨格として他のドーパント材料が添加された材料等を用いることで、好適な導電性配線13、23を構成することができる。
 一方、導電性配線13、23の材料として、導電性材料が分散された複合材料を用いる場合は、具体的には、例えば、シリコーンゴムの中に導電性粉末が分散された材料や、その他の天然ゴムや合成ゴム材料、エラストマー等の柔軟な素材の中に導電性カーボンや金属粉末等の導電性材料が混合された材料を用いることができる。なお、導電性粉末としては、金属ナノ分子やカーボンナノ分子などの微細な材料を用いることが、柔らかい導電性配線を形成する上で好適である。
 本実施形態にかかる電子デバイス100では、第1のフレキシブル基板10の導電性配線13と、第2のフレキシブル基板20の導電性配線23とは、互いにその表面が接触している部分である接続部30が形成され、電気的導通が確保されている。
 接続部30の内、導電性配線13と導電性配線23とが対向している部分31では、導電性配線13、23がいずれも柔軟性を有することを活かして、互いの配線材料の少なくともその表面が一体化した構造となっている。このように、2つのフレキシブル基板10、20上の導電性配線13、23が一体化していることで、確実な電気的導通と密着性(剥がれにくさ)の両方を確保することが可能となる。導電性配線13、23は、第1のフレキシブル基板10と第2のフレキシブル基板20との接続部を導電性配線13、23が対向するように重ねた状態で、所定の熱と圧力を加えることで一体化することができる。接続部の導電性配線13、23を一体化する具体的な方法については、後に詳述する。
 接続部30において、導電性配線13、23が形成されておらず基材11、21の表面同士が対向している部分32、すなわち、導電性配線13、23の間隙部分32では、基材11と基材21とが互いに密着していることが好ましい。特に、上述した樹脂製材料で基材を構成した場合には、上述した導電性配線13と導電性配線23を一体化する加熱加圧工程において、基材11と基材21との表面を少なくとも部分的に溶かして強固に密着させることができる。この結果、第1のフレキシブル基板10と第2のフレキシブル基板20とを、導電性配線13、23の対向部分31のみならず、基材11、21の対向部分32においても強固に密着させることができ、2つのフレキシブル基板10、20の剥がれにくさをより向上させた電子デバイス100を得ることができる。
 次に、本実施形態に係る電子デバイスの第2の構成例について説明する。
 図3は、第2の構成例の電子デバイスを説明するための断面構成図である。
 図3に示す、第2の構成例の電子デバイスは、図1、図2を用いて説明した電子デバイスと比較して、フレキシブル基板の基材と導電性配線との間に密着層が形成されている点が異なる。
 図3に示すように、第2の構成例の電子デバイス200は、第1のフレキシブル基板110と第2のフレキシブル基板120とを有している。
 第1のフレキシブル基板110は、可撓性を有する基材111と、基材111上に配置された電子素子112と、電子素子112の端子部(図示省略)に接続された柔軟性を有する導電性配線113と、導電性配線113と基材111との間に配置された密着層114とを備えている。また、第2のフレキシブル基板120は、可撓性を有する基材121と、基材21上に配置された柔軟性を有する導電性配線122と、導電性配線122と基材121との間に配置された密着層123とを備えている。
 第2の構成の電子デバイスにおいて、基材111、121、電子素子112、導電性配線113、122は、図1、図2を用いて説明した電子デバイスと同様であるため説明は省略する。また、第2の構成例として図3に示した電子デバイス200では、第2のフレキシブル基板120に電子素子が配置されていないもの示したが、第2のフレキシブル基板120として、電子素子を配置したものを用いることができるのは、図1、2に示した電子デバイス100と同じである。
 図3に示す第2の構成例の電子デバイス200において、密着層114、123としては、基材111、121として用いたものと同様の材料を用いることができる。ただし、基材111、121のガラス転移点よりもガラス転移温度が低い材料を用いることが好ましい。
 例えば、基材111、121としてポリイミド等の耐熱性が高い樹脂材料を用いる場合、密着層114、123の材料としては、ポリイミドの耐熱温度よりも低い軟化点あるいはガラス転移点を持つ材料を用いる。このようにすることによって、第1のフレキシブル基板110と第2のフレキシブル基板120とを接続する接着部(図1、図2で符号30を用いて示した部分)の密着性をより向上させることができる。
 本実施形態にかかる電子デバイスでは、フレキシブル基板の接続部として、導電性配線が露出している部分を対向させて重ね合わせた状態で加熱加圧することで、導電性配線の一体化を行う。この時、上述したように、導電性配線が形成されていない部分(図2における符号32の部分)のフレキシブル基板の基材が密着することが好ましい。しかし、基材の耐熱温度(ガラス転移点や軟化点)が比較的高い場合など、接続部のうちの導電性配線の対向部分(図2の符号31の部分)同士の密着性が確保される作製条件であっても、接続部のうちの基材同士が接する部分が十分に密着しない場合がある。このような場合に、基材の表面に基材よりも容易に溶ける部材からなる密着層が形成されていることにより、密着層が溶けて密着することでフレキシブル基板同士の十分な密着性を確保することが可能となる。また、密着層を設けることで、接続部における導電性配線の一体化工程の温度設定を低温とすることができるため、接続部の作製工程での熱や加圧によって基材の変形が生じることを回避できるという利点がある。
 なお、本実施形態の第2の構成では、導電性配線113、122と基材111、121との間に形成されている密着層114、123は、接続部となる部分全体に形成すればよく、導電性配線113、122に対応して、その間隙部分を埋めるようにパターン化する必要が無い。よって、基材111、121上への密着層114、123の形成を容易に行うことができ、フレキシブル基板やこれを用いた電子デバイスの製造コストを抑えることができる。
 また、図3で示す第2の構成では、第1のフレキシブル基板110と第2のフレキシブル基板120との両方に密着層を設けた例を示したが、いずれか一方のフレキシブル基板にのみ密着層を設けることでも、一定の効果が得られる。特に、本実施形態で開示するフレキシブル基板を、樹脂基板を用いて形成されたディスプレイデバイスやシート状の空気電池などの自体がフレキシブルな電子素子と接続する場合、電子素子側の接続部には密着層を形成できない場合もあるが、このような場合に、フレキシブル基板側に密着層を設けることで、高い電気導電性と密着性とを備えた接続部を有する電子デバイスを実現することができる。
 次に、本実施形態にかかる電子デバイスの第3の構成例について説明する。本実施形態にかかる電子デバイスの第3の構成例は、一つの大きなフレキシブル基板上に複数のフレキシブル基板が搭載されて構成されている。
 図4は、本実施形態にかかる電子デバイスの第3の構成例を説明するための平面構成図である。
 図4に示すように、第3の構成例の電子デバイス300は、1つの大きな第1のフレキシブル基板301上に、第2のフレキシブル基板302、第3のフレキシブル基板303、第4のフレキシブル基板304の3つの比較的小さなフレキシブル基板が搭載されて構成されている。
 図4に示す構成例では、第1のフレキシブル基板301と第2のフレキシブル基板302とが、第1のフレキシブル基板301の左上部分に配置された第1接続部305において、第1のフレキシブル基板301の導電性配線と第2のフレキシブル基板302の導電性配線とが互いに対向して配置され、重なり合っている部分306で一体化されて電気的導通を確保している。なお、第1接続部305では、導電性配線の下側に密着層307が形成されていて、第1のフレキシブル基板301と第2のフレキシブル基板302との密着性を高めている。
 同様に、第2のフレキシブル基板302と第3のフレキシブル基板303とが、図中左側の第2接続部308で、第3のフレキシブル基板303と第4のフレキシブル基板304とが、図中中央下側の第3接続部311で接続されている。
 第2接続部308と第3接続部311とは、いずれも第1のフレキシブル基板301上に形成されている基板接続のための導電性配線に対して、それぞれ、第2のフレキシブル基板302、第3のフレキシブル基板303、第4のフレキシブル基板304の導電性配線が対向して配置され、重なり合っている部分309、312が一体化されて電気的導通が確保されている。また、第1のフレキシブル基板301の第2接続部308と第3接続部311には、導電性配線の下側に密着層310、313が形成されて、第1のフレキシブル基板301と、第2、第3、第4のフレキシブル基板302、303、304との密着性を高めている。
 このようにすることで、本実施形態にかかる第2の構成例の電子デバイス300では、第1のフレキシブル基板301から第2のフレキシブル基板302、第2のフレキシブル基板302から第3のフレキシブル基板303、第3のフレキシブル基板303から第4のフレキシブル基板304の順に電気的な導通が確保され、それぞれのフレキシブル基板上に配置される電子素子を用いた電気回路を構成することができる。
 なお、上記説明から明らかなように、第2接続部308と第3接続部311に形成される第1のフレキシブル基板301上の導電性配線は、第1のフレキシブル基板301上に搭載される他の電気素子とは接続されておらず、他のフレキシブル基板とのフレキシブル基板同士の電気的導通を図るためのみの目的で形成されたものである。しかし、例えば、第2のフレキシブル基板302と第3のフレキシブル基板303とを介して第1のフレキシブル基板301と接続されることとなる第4のフレキシブル基板304を、直接第1のフレキシブル基板301と接続するために、第3接続部311に形成される第1のフレキシブル基板301上の導電性配線を、第1のフレキシブル基板301上に配置された電気素子と直接接続されるように構成することができる。このようにすることで、例えば外部からのノイズに対して弱い信号配線や、低抵抗な配線とすべきセンサ回路などとの接続配線の長さを実効的に短く形成することができる。
 また、図4に示した第2の電子デバイスの構成例では、各接続部305、308、311に密着層307、310、313が形成されているものを示したが、密着層をすべての接続部に形成する必要は無く、一部、または、全部の接続部が密着層を備えていない構成とすることができる。さらに、互いに接続されるフレキシブル基板の両方の接続部に密着層が形成された形態とすることも可能である。
 次に、本実施形態にかかる電子デバイスの製造方法について説明する。
 本実施形態で説明するフレキシブル基板は、基材として、例えば50~125μmのポリエチレンナフタレート(PEN)上に、厚さ約100nmのPEDOT:PSSの導電性配線を所定の配線パターンとして形成する。配線パターンは、従来の硬質基板上での配線パターン作製と同様に、基板上に搭載される電子素子の端子位置に対応して、基板上で所定の電子回路が構成されるように形成する。本実施形態のフレキシブルパターンでは導電性配線を高分子化合物または高分子の複合化合物で形成するため、インクジェット法、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、グラビア印刷法などを用いて所定の配線パターンを形成することができる。このため、従来の硬質基板やフレキシブル配線基板(FPC)のような、金属薄膜を形成した後これをエッチングしてパターン化するという方法と比較して、きわめて簡易な方法で、かつ、低コストで所望の配線パターンが形成できる。
 また、フレキシブル基板上に搭載される電子素子として印刷法により形成できる素子を用いる場合には、導電性配線を印刷した後に重ねて電子素子を印刷して電子回路が構成できる。この場合は、従来のプリント基板で行われていた自動マウンターを用いたチップマウント工程が不要となり、微細な電子素子を配置する際でも位置調整が簡素化でき、低コストで正確に基板上に電子素子を配置した電子デバイスを形成することができる。
 なお、フレキシブル基板の所定位置に接続部が形成され、この接続部では、導電性配線の形成部分と導電性配線が形成されていない部分とが交互になるように形成される。この接続部においては、導電性配線は直線として形成されることが好ましく、導電性配線の幅と、導電性配線同士の間隔部分の幅が、約1:1となるようにすることが好ましい。接続部における導電性配線の幅は、他のフレキシブル基板や電子素子など、接続部で接続される相手側の端子幅、端子間隔に対応させる必要があるが、接続部での良好な電気伝導性を確保する観点から、10μm以上あることが好ましい。もちろん、接続部の導電性配線を曲線として構成することができ、また、導電性配線の幅と導電性配線同士の間隔の幅とが、約1:1とはならない構成を採用することもできる。
 また、接続部に密着層を形成する場合には、基材であるPENフィルム上の接続部が形成される位置に、基材の材料よりも軟化点温度の低い材料の薄膜を、例えばグラビアオフセット印刷法によってあらかじめ形成した後に、導電性配線パターンを形成することとなる。
 次に、フレキシブル基板の接続部における、他のフレキシブル基板の接続部との接続方法について説明する。
 図1、図2に示したように、表面に柔軟性を有する導電性配線が形成されたフレキシブル基板同士を接続して電子デバイスを構成する場合は、2つのフレキシブル基板の接続部同士を対向させて積層し、フレキシブル基板の基材の外側から熱と加重を加える。
 一例として、いずれも、厚さ125μmのポリエチレンナフタレート(PEN)上に、厚さ100nmのPEDOT:PSSの導電性配線が形成されている2枚のフレキシブル基板の接続部を接続する場合には、温度150℃の条件下で圧力2.2MPaの加重を180秒間印加する。このようにすると、導電性配線の接触部分が一部溶けて一体化するとともに、基材の表面同士も密着し、導電性においても、2枚の基板の接続強度においても十分な接続部を形成することができる。
 なお、接続部を形成する場合に印加する温度と圧力は、フレキシブル基板の基材の耐熱温度、および、導電性配線材料の耐熱温度よりも低い温度とすることが好ましい。また、接続部を形成する場合の温度は、導電性配線材料のガラス転移点の温度よりも低いことがより好ましい。印加する圧力は接続部界面での密着性が得られるための適切な値とすることが重要であり、フレキシブル基板の基材の材料や厚さ、導電性配線の材料に応じて適宜調整すべきではあるが、1MPa以上5MPa以下を目安とすることができる。
 本実施形態にかかる電子デバイスを実際に作製し、その特性評価を行った。
 まず、図1、図2に示すように、2枚のフレキシブル基板を作製して、それぞれの接続部を接続して、電気特性と密着性とを評価した。
 具体的には、第1のフレキシブル基板、および、第2のフレキシブル基板として、いずれも幅10mm、長さ50mm、厚さ125μmのPEN製の基材上の一方の端部に、PEDOT:PSSの導電性配線が基板の長さ方向において平行に配置されたものを作製した。導電性配線の幅は200μm、導電性配線同士の間隔も200μmとし、導電性配線パターンの有る部分と無い部分のサイズ比(ライン&スペース比)を1:1とした。また、導電性配線の長さは基材の端部から10mm、導電性配線の本数は5本とし、接続部の幅を10mmとした。導電性配線は、インクジェット法により基材上に厚さ100nmで形成した。なお、特性評価が目的であるため、基材上には電子素子は搭載していない。
 このようにして作製した2枚のフレキシブル基板の接続部同士を対向させて重ね合わせ、上方から80℃に保たれた圧着ヘッドを2.2MPaの圧力で180秒間押しつけ、基材上の導電性配線を一体化して電子デバイスを作製した。圧着ヘッドの幅、すなわち、接続部における導電性配線の長さ方向における押圧部分の長さは、2mmとした。
 このようにして作製した電子デバイスにおける接続部の電気導電性を確認するため、第1のフレキシブル基板と第2のフレキシブル基板の接続部を介した電気抵抗値をアジレント・テクノロジー株式会社製の半導体パラメーターアナライザーB1500A(商品名)によって測定した。
 結果、接続部分の有無による配線抵抗値の違いは無く、接続部での電気的導通が十分にとれていることがわかった。
 また、接続部分での密着性を、INSTRON(インストロン)社製の万能材料試験機5565(商品型番名)を用いて、引張り速度10mm/min、チャック間距離40mm、ロードセル100Nの条件下で測定した。結果、室温における2枚のフレキシブル基板の面方向の引張せん断接着力は、2N以上であることが確認できた。
 次に、本実施形態で説明した電子デバイスにおいて、接着部を形成する際に印加される温度と圧力との影響を調べた。
 図5は、接続部の形成条件による効果を調べるために作製した試料の形状を示し、図5(a)が断面図を、図5(b)が平面図を示している。
 図5(a)、図5(b)に示すように、第1の試料片40と、第2の試料片50として、いずれも幅10mm、長さ50mm、厚さ125μmのPEN樹脂基材41、51上の全面に、厚さ100nmとなるようにPEDOT:PSS膜42、52をインクジェット法で形成した。
 これら2枚の試料片40、50を互いにPEDOT:PSS膜42、52形成部分が対向するようにして、重複部分61が10mmとなるようにして重ね、この重複部分の略中央部分に、幅2mmの圧力ヘッド71を、ヘッド温度と押圧力とを変化させて押し当てた。図5(b)における符号62で示した部分が、圧着ヘッド71の押し当て部分を示している。
 ヘッド71の押し当て条件として、ヘッド温度を80℃から160℃まで10℃おきに変化させ、印加圧力は2.5MPa、5.2MPa、7.8MPa、10.2MPaの4段階とした。なお、ヘッド71の押し当て時間は、いずれも条件の場合も180秒で一定にした。
 このようにして作製した試料の接続部分の引張せんだん接着力を、上述のINSTRON(インストロン)社製の万能材料試験機5565(商品型番名)を用いて、同条件で測定した。
 測定結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1において、接続部分の引張せん断接着力が5N以上得られた場合を「○」、5N未満であったものを「×」として示した。
 表1に示すように、試料片の基材の軟化温度である150℃よりも低い温度であっても、印加する圧力を適正範囲とすることにより、導電性配線材料が実用上十分と考えられる接着力を示しており、導電性配線材料が十分に密着していることがわかる。
 なお、発明者らの検討によれば、接続部分を形成する際に印加する圧力の大きさは、引加温度に関係なく印加圧力が大きい方がより高い接着力を示す傾向があり、一方、引加温度は、100℃程度までは接着力に与える影響はほとんどないが、100℃を超えると引加温度が高いほどより高い接着力が得られる傾向があることが確認できた。
 次に、それぞれの試料についての導電性の確認結果を説明する。
 測定は、図5において示されるように、接続部分61を挟んだ位置Aと位置Bとの間、接続部分を介さない位置Bと位置Cとの間で、印加する電圧を異ならせた場合に流れる電流値を測定した。なお、位置AとB、位置BとCとの間の間隔は、いずれも30mmとし、測定は、引張試験を行う前にすべての試料について行っている。
 このうち、上記引張試験結果において5N以上の引張せん断接着力を示した、表1における「○」評価の試料での、印加電圧値と流れた電流値とを図6に示す。
 図6において、符号81として「○」で示したものがAB間の電圧電流特性、符号82として「▲」で示したものがBC間の電圧電流特性である。なお、図6に示したものは、印加温度180℃、印加圧力2.2MPaのものであるが、表5において「○」評価となった試料では、いずれも、AB間の電流値とBC間の電流値との差異が1%以内となり、接続部において試料片表面のPEDOT:PSS膜42、52同士が十分に密着していることが確認できた。なお、図6に示されるように、接続部分を介した符号81で示す測定点AB間の方が、接続部分を介しない符号82で示すBC間よりも、わずかに抵抗値が低くなっている。これは、接続部分では導電性配線が重ね合わさっているために長さあたりの密度(断面積)が大きくなっていることが要因であると考えられる。
 以上、表1と図6に示す結果から、接続部の形成条件を適切に選択することによって、導電性配線材料の高い密着性が得られた場合には、接続部の接着強度と導電特性とがいずれも良好となることが確認できた。
 なお、導電性配線素材として、樹脂製のバインダー内に金属ナノ粒子が分散された材料を用いた場合も、接続部分に圧力と熱を適正条件で加えることにより、上記と同様に導電性と密着性の両方が得られることが確認できた。
 また別の実施例として、図3で説明した密着層114、123を形成した試料を作成し、密着性を評価した。
 具体的には、第1のフレキシブル基板、および、第2のフレキシブル基板として、いずれも幅10mm、長さ50mm、厚さ50μmのPEN製の基材上の一方の端部に、PMMAの密着層を、厚さ1μm、幅10mm(基材の幅と同じ)、端部からの長さ10mmとなるようにグラビアオフセット印刷法で形成し、この密着層上に、インクジェット法によって、PEDOT:PSSの導電性配線が基板の長さ方向において平行に配置されたものを作製した。導電性配線の幅は、上述の実施例のものと同様に200μmとし、導電性配線同士の間隔も200μm、導電性配線の長さは基材の端部から10mm、導電性配線の本数は5本とした。
 なお、導電性配線としては、PEDOT系導電性材料である、径綜研化学株式会社製の有機導電性ポリマー(ベラゾールR:商品名)を用いた。また、材料として用いたPEN、PMMAのガラス転移点について、株式会社日立製作所製の示差走査熱量計DSC7000X(商品名)を用いて実測した結果、PENのガラス転移点は150℃、PMMAのガラス転移点は100℃であった。
 このように形成したサンプルについて、上記と同様に、導電性と密着性の評価を行った結果、接続部分の有無による配線抵抗値の違いが無く、接続部での電気的導通が十分に得られており、また、フレキシブル基板の面方向の引張せん断接着力は、5N以上であることが確認できた。
 以上説明したように、本実施形態にかかる電子デバイスは、フレキシブル基板の基材として可撓性を有する部材を用い、基材上に形成される導電性配線の材料として柔軟性を有する部材を用い、導電性配線同士を接続部で密着させることで、接続部を含んだフレキシブル基板全体での可撓性を有する電子デバイスとすることができる。このため、フレキシブル基板に搭載される電子素子として、例えば有機性膜による抵抗素子や、有機半導体素子などの可撓性を有する部材を用いることで、全体で良好な可撓性を有する電子デバイスを構成することができる。
 また、例えば、有機ELを用いたディスプレイデバイスなど、自体が可撓性を有する電子素子に接続された場合でも、接続部を含んだ電子デバイス全体での可撓性を確保することができる。
 さらに、フレキシブル基板上に形成された導電性配線同士を重ね合わせて、所定の温度条件下で所定の圧力を印加することで、接着力と電気的導電性に優れた接続部を形成することができる。このため、従来のフレキシブル基板等で接続部に用いられていた、異方性導電性フィルム(ACF:Anisotropic Conductive Film)のように、接続部における導電性材料の方向性を制御した接続工程が不要となり、材料面と工法面との両方における低コスト化を実現することができる。
 なお、図3に示す電子デバイスの一部である第2のフレキシブル基板120のように、本実施形態で説明したフレキシブル基板としては、基材上に電子素子が搭載されていない、配線基板としても実現することができる。本実施形態で説明するフレキシブル基板は、図3に示した第1のフレキシブル基板110のような電子素子が搭載された本実施形態で説明するフレキシブル基板と接続される場合、また、接続相手が例えば可撓性を有する有機ELを用いたディスプレイデバイスに本実施形態で説明した導電性配線部材による接続部を形成することによって、上述のような異方性導電性フィルムなどの接続部材を用いることなく、接続部を含めた全体が可撓性を有する電子デバイスを構成することができる。
 また、本実施形態にかかる電子デバイスでは、フレキシブル基板として樹脂製の基材上に、印刷工程によって導電性配線が形成されるため、基板に搭載される電子素子が印刷法によって作成可能な場合には、電子素子を含めたフレキシブル基板全体を印刷工程によって製造することが可能となる。このため、特に、基板に搭載される電子素子が小さい場合に、従来高い精度が必要であったチップマウント工程が不要となり、実装コストを含めた低コストでのフレキシブル基板の製造が可能となる。
 以上、本願で開示する、フレキシブル基板、電子デバイス、電子デバイスの製造方法は、低コストで全体として可撓性を有する電子デバイスを実現することができる。このため、小型・低コスト化、省エネルギー化、フレキシブル化が求められている現在において、高い産業上の利用可能性を有している。
  10 第1のフレキシブル基板
  11 基材
  12 電子素子
  13 導電性配線
  20 第2のフレキシブル基板
  21 基材
  22 電子素子
  23 導電性配線
  31 接続部
 100 電子デバイス

Claims (10)

  1.  可撓性を有する基材と、
     前記基材上に導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線とを備え、
     前記導電性配線の一部が他の電子部材との接続部となることを特徴とするフレキシブル基板。
  2.  可撓性を有する基材と、
     前記基材上に導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線と、
     前記導電性配線に接続された電子素子とを備え、
     前記導電性配線の一部が他の基板との接続部となることを特徴とする電子デバイス。
  3.  前記導電性配線が形成された複数の前記基材と、
     前記導電性配線同士が直接接触することで前記接続部が形成され、
     前記複数の基材の内の少なくとも一つにおいて、前記電子素子が前記導電性配線に接続されている、請求項2に記載の電子デバイス。
  4.  前記導電性配線が、導電性ポリマー材料からなる、請求項2または請求項3に記載の電子デバイス。
  5.  前記導電性配線が、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレンのいずれか、またはそれらの誘導体のいずれかを主成分として構成される、請求項4に記載の電子デバイス。
  6.  前記導電性配線が、高分子材料のバインダー内に導電性粒子が分散された複合材料からなる、請求項2または3に記載の電子デバイス。
  7.  前記接続部において、前記基材と前記導電性配線との間に、絶縁体からなる密着層を有する、請求項2~6のいずれかに記載の電子デバイス。
  8.  前記密着層をなす材料の耐熱温度が、前記基材の耐熱温度より低い、請求項7に記載の電子デバイス。
  9.  導電性を有する有機化合物により形成された導電性配線が形成された複数の基材と、
     前記複数の基材の内の少なくとも一つにおいて、電子素子が前記導電性配線と接続され、
     前記複数の基材が、前記導電性配線を接続部として接続された電子デバイスの製造方法であって、
     前記基材上の前記導電性配線同士を直接接触させた状態で熱と圧力を印加して、異なる前記基材上の前記導電性配線同士が接続された接続部とすることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
  10.  印加する熱が、前記導電性配線を構成する材料のガラス転移点以下の温度である、請求項9に記載の電子デバイスの製造方法。
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