JP2006049893A - フレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた接着性、耐熱性および寸法安定性を有し、生産性の向上にも寄与することが可能なフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】ベースフィルム上に表面処理を施した後、タイ層を形成するフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法において、前記ベースフィルムに、酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームを照射して表面処理することを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、フレキシブル回路基板（Flexible Printed Circuit Board；ＦＰＣＢ）の製造に用いられるベースフィルムと金属薄膜からなる積層構造体の製造方法に係り、さらに詳しくは、優れた接着性、耐熱性、寸法安定性を持つようにベースフィルムの表面処理を施す、フレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法に関するものである。

最近、電子製品の軽量化、小型化、高機能化に伴ってプリント回路基板の使用が増加しつつあるが、その中でも、フレキシブル回路基板は、柔軟で薄い材質であって狭い空間に効果的に回路を構成することができるため、その需要が急増しているのが実情である。
一般に、フレキシブル回路基板のベースフィルム材質としては、ポリイミド、ポリエステル、ポリパラビニル酸フィルムなどが使用され、導電用金属薄膜としては、銅、アルミニウム、鉄、ニッケルなどが使用されるが、ベースフィルムは、熱的、電気的、機械的特性に優れるポリイミドフィルムが主に用いられる。

従来のフレキシブル回路基板としては、銅薄膜と接着剤によってポリイミドフィルム上に結合している３層基板が知られている。３層基板は、パターン形成の際に加熱工程と湿式化学処理工程（例えば、エッチング、メッキ、現像、はんだ付けなど）を経る。この場合、接着剤と銅薄膜およびポリイミドフィルム間の熱膨張係数差によって寸法正確度が低下し、化学処理に起因する接着力の低下が発生するなどの問題があった。
電子製品、特に携帯電話やＬＣＤなどのディスプレイ素子の規格は、さらに複雑で稠密になっている。同時に、素子を駆動するドライバーＩＣの数字と集積度がさらに高くなり高密度回路パターンが要求されている。３層基板は、接着剤による前記のような問題点があるため、高密度回路パターンには使用することができない。

かかる問題点を改善するために、蒸着、スパッタリング、イオンメッキまたは銅メッキによって金属層を形成させた接着剤を使用していないフレキシブル回路２層基板に関する研究が行われてきた。
フレキシブル２層基板の製造方法は、キャスティング法とメッキ法に大別される。キャスティング法は、金属層上にポリイミド液をコートし、これを乾燥および硬化させた後、フィルム形状に製造する方法である。メッキ法は、ポリイミドフィルム上に接着力を向上させる表面処理を施し、ここに金属を真空コートした後、これを通電層として電気メッキを施して金属薄膜を製造する方法である。

接着剤を使用していない２層基板の場合には、３層基板と同様に接着剤と金属薄膜およびポリイミドフィルム間の熱膨張係数差によって寸法正確度が低下するという問題点は解消されるが、金属薄膜とポリイミドフィルム間の接着力が著しく低下するという問題点が発生する。
フィルムと蒸着金属間の接着を改善するためには、表面処理されたポリイミドフィルムを使用し、あるいは蒸着の前にポリイミドフィルムを表面処理することが好ましい。このようにポリイミドフィルムの表面処理は、洗浄だけでなく、ポリイミドフィルムと蒸着金属間の接着を改善するために行われる。

フィルムに対する特定の表面処理手段には、ブラスティング(blasting)、ヘアライン(hair line)処理およびエンボシングなどの機械的処理、コロナー放電、プラズマ処理などの化学的処理、溶媒、酸またはアルカリなどを用いた化学溶液処理を含む。これらの手段の中でも、真空下の処理である酸素プラズマ処理が、後続段階との連続性、生産性、耐汚染性、接着、フィルムの劣化などを考慮して多く用いられている。酸素プラズマ処理は、フィルムが移送される間に連続的に行われた後真空蒸着されるか、あるいは独立的に行われる。

このようにプラズマ処理は、洗浄およびより良好な接着のための２つの目的のために行うが、依然として接着性と耐熱性が満足すべき程向上しないという問題点があった。
また、プラズマによってベースフィルムを表面処理する場合、フィルムの表面処理速度が約１ｍ／ｍｉｎ程度なので、生産性の向上のために処理速度を増加させなければならないという問題点を抱えている。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、フレキシブル回路基板の製造に使用されるベースフィルムと金属薄膜との間により向上した接着性、耐熱性、寸法安定性を持つように、ベースフィルムを表面処理するフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、フレキシブル回路基板の製造の際に従来のプラズマを用いた表面処理の場合より処理速度を増加させて生産性を向上させることが可能なフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、ベースフィルムに、酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームを照射して表面処理することを特徴とする、フレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法を提供する。
また、前記ベースフィルムは、ポリイミドフィルムであることを特徴とする。
また、前記酸素アルゴン混合ガスは、好ましくは酸素含量が５０％以下、より好ましくは２０％〜４０％であることを特徴とする。

上記した本発明のフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法によれば、フレキシブル回路基板の製造の際にベースフィルムに、酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームを照射して表面処理することにより、フィルムと金属との間に優れた接着力と耐熱性を有するフレキシブル回路基板用積層構造体を製造することができる。
また、本発明の製造方法によれば、酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームを照射してベースフィルムの表面処理を施す場合が、プラズマで処理する場合より約２〜３倍増加した速度で表面処理することが可能なので、生産性の向上に寄与することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施例について詳細に説明する。
図１はフレキシブル回路２層基板の一例を示す断面図である。
フレキシブル回路２層基板は、下部のベースフィルム２上に厚さ５ｎｍ〜２０ｎｍのタイ層４を積層させ、さらにタイ層４上に金属通電層６を積層させた後、金属通電層上にフォトレジスト組成物でメッキして金属メッキ層８を積層する構造を取っている。
ここで、タイ層４は、積層される金属の拡散を防止し且つ接着力を増大させるためのものである。このタイ層４にはＣｒ、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｍｏｎｅｌ（Ｎｉ−Ｃｕ合金）などが使用される。本発明では、タイ層としてＣｕ−Ｔａ−Ｚｎ合金やＣｕ−Ｖ−Ｚｎ合金（以下、これらを「ＣＡＴ合金」という）を最初に使用して実験を行った。Ｃｕ−Ｔａ−Ｚｎ合金は、Ｃｕ：Ｔａ：Ｚｎの％比率が重量比で９５：１：４のときに最も優れた効果を示し、Ｃｕ−Ｖ−Ｚｎ合金は、Ｃｕ：Ｖ：Ｚｎの％比率が９５：２：３のときに最も優れた効果を示す。
前記金属通電層６および金属メッキ層８に好ましい金属としてはアルミニウム、銅、金および銀などが含まれるが、通常、銅が使用される。

フレキシブル回路２層基板において、ベースフィルム２は、主に、付加重合体、縮重合体、天然重合体、処理されたフィルム、熱硬化性または熱可塑性樹脂を含む、通常の各種重合成フィルムから製造することが可能な有機フィルムを形成するための組成物からなる。その中でも、ポリイミドフィルムがベースフィルムとして使用されることが好ましい。
ここで、所定の接着力と耐熱性を有する積層構造体を製造するためには、表面処理されたベースフィルムを使用し、あるいは蒸着の前にベースフィルムの表面を処理することが好ましい。本発明では、ベースフィルムの表面処理の際に、イオンビームを用いた表面処理方式を採用した。

薄膜製造において、イオンビーム処理方法では、高いエネルギー（数十ＫｅＶ〜数ＭｅＶ）を用いたイオン注入(Ion Implantation)またはイオンビーム照射(Ion Irradiation)、低いエネルギー（０〜数ＫｅＶ）の粒子を生成するイオンソース(Ion Source)をターゲットに照射し、蒸着しようとする物質を生成するイオンビームスパッタリング(Ion Beam Sputtering Deposition)方式などがある。本発明では、イオンビームスパッタリング方式を採用した。

該方式によれば、ベースフィルムの表面にイオンビームを照射したとき、イオンガンから放出されるガスが加速されると同時に、表面処理を施そうとするベースフィルムへの電圧印加によって、イオンガンからの発生イオンと試料表面との間に引力(attraction force)または斥力(repulsive force)が形成されて電荷変形が行われることにより、試料表面の組成と模様を改質させる。
本発明の実施例では、イオンガンから放出されるガスにはＡｒ、Ｏ_２、Ａｒ＋Ｏ_２がある。

図２は、本発明のイオンビームによるフィルム表面処理時と従来の酸素プラズマによるフィルム表面処理時のソースの長手方向に沿うイオンビームの均一度をイオンビーム電流密度で比較したグラフである。
従来のプラズマによるフィルム表面処理の場合、ベースフィルムとしては幅１，０２４ｍｍのポリイミドフィルムが使用され、反応性ガスとしては酸素が使用された。
これに対し、本発明のイオンビームによるフィルム処理の場合、ベースフィルムとしては従来の場合と同様に幅１,０２４ｍｍのポリイミドフィルムが使用され、イオンビームで照射されるガスとしては酸素アルゴン混合ガスが使用された。この際、酸素の含量は３０％であった。

図２に示すように、本発明に係る酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームによってフィルム表面処理を施す場合、−３０ｃｍ〜３０ｃｍの幅で酸素プラズマによってフィルム表面処理を施す場合より非常に均一な電流密度値を得ることができる。本発明の場合、−３０ｃｍまたは３０ｃｍを超過すれば電流密度が急激に増加する理由は、この部分でイオンビーム放出ガスとしての酸素アルゴン混合ガスが重なって照射されるためである。この部分を除いてベースフィルムとして使用する場合、均一な高電流密度によって優れた表面粗さを有するベースフィルムを生産することができる。

図３は本発明に係る酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームによるフィルム表面処理時と従来の酸素プラズマによるフィルム表面処理時の接触角(wetting angle)を比較したグラフである。
液滴方法によって接触角を得るには通常の接触角計測器を使用した。従来の酸素プラズマによるフィルム表面処理の場合には、接触角が約２０°〜４０°と大きいながら変化の激しい波形を示している。ところが、本発明に係るイオンビームによるフィルム表面処理を施した場合、−３０ｃｍ〜３０ｃｍの間で約１０°未満の小さくて均一な接触角を示している。
このように、表面処理されたフィルムが小さくて均一な接触角を持つ場合、蒸着される金属との接触点が増加するにつれて接着強度が増加するといえる。

図４は本発明に係るベースフィルム表面へのイオンビームの照射時のイオンビーム成分ガス別イオン注入量による接触角の変化を示すグラフである。
本実施例では、イオンビーム照射時の成分ガスとしてアルゴンガス、窒素ガス、酸素アルゴン混合ガスを用い、特に酸素アルゴン混合ガスの場合は酸素含量が３０％であった。
本実施例によれば、酸素アルゴン混合ガスをイオンビームの成分ガスとして用いる場合、アルゴンガスまたは窒素ガスをイオンビームの成分ガスとして用いる場合より著しく小さい１０°以内の優れた接触角を得ることができることが分かる。また、イオン照射量の範囲は１０^１５〜１０^１８ｉｏｎｓ／ｃｍ^２が好ましいことが分かる。

図５は本発明に係る酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームを、酸素含量を調節してベースフィルムに照射した場合の初期接着強度を示すグラフである。
図５に示すように、Ｃｕ／Ｎｉ−Ｃｒ／Ｐｉ構造体またはＣｕ／ＣＡＴ／Ｐｉ構造体の場合、酸素含量が５０％以下のときに接着強度が高いことが分かる。特に、酸素含量が３０％であれば、３構造体とも最も高い接着強度を得ることができた。

表１は本発明に係るイオンビームによるベースフィルム表面処理時と従来の酸素プラズマによるベースフィルム表面処理時の銅薄膜とベースフィルム間の初期接着強度を示す。

（表１） （単位：ｋｇｆ／ｃｍ）

表１から分かるように、Ｃｕ／Ｐｉ、Ｃｕ／Ｎｉ−Ｃｒ／Ｐｉ、Ｃｕ／ＣＡＴ／Ｐｉなどいずれの積層構造体でも、酸素アルゴン混合ガスを使用したイオンビーム照射の場合が最も高い接着強度を持つ。特に、Ｃｕ／ＣＡＴ／Ｐｉ積層構造体の場合、酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビーム照射の場合が、アルゴンガスを用いたイオンビーム照射または酸素プラズマによる表面処理の場合より接着強度が非常に高かった。

図６は、従来の酸素プラズマによってフィルム表面処理を施した積層構造体の耐熱性テスト結果を示すグラフである。
プラズマ処理の際に、酸素を反応性ガスとして用い、Ｃｕ／ＣＡＴ／Ｐｉ、Ｃｕ／Ｎｉ−Ｃｒ／Ｐｉ、Ｃｕ／Ｐｉ積層構造体を対象構造体として用いた。耐熱性テストでは、１５０℃のオーブンに入れて時間帯別に構造体の接着強度を測定した。
図６のグラフに示すように、Ｃｕ／ＣＡＴ／Ｐｉ積層構造体の場合、初期接着強度０．６５ｋｇｆ／ｃｍで耐熱性テストを１６８時間（７日）実施した後の接着強度は約０．３９ｋｇｆ／ｃｍ程度であった。また、Ｃｕ／Ｎｉ−Ｃｒ／Ｐｉ積層構造体の場合も、初期接着強度０．６０ｋｇｆ／ｃｍで耐熱性テストを１６８時間実施した後の接着強度は約０．３３ｋｇｆ／ｃｍに下がった。

図７は、本発明に係る酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームによってフィルム表面処理を施した積層構造体の耐熱性テスト結果を示すグラフである。
フィルム表面処理の際に、イオンビーム用ガスとして酸素アルゴン混合ガスを用い、対象構造体としてＣｕ／ＣＡＴ／Ｐｉ、Ｃｕ／Ｎｉ−Ｃｒ／Ｐｉ、Ｃｕ／Ｐｉ積層構造体を用いた。耐熱性テストでは、１５０℃のオーブンに入れて時間帯別に構造体の接着強度を測定した。

図７のグラフに示すように、Ｃｕ／ＣＡＴ／Ｐｉ積層構造体の場合、初期接着強度０．８５ｋｇｆ／ｃｍで耐熱性テストを１６８時間（７日）実施した後の接着強度が約０．６ｋｇｆ／ｃｍであって、従来の酸素プラズマ処理による場合より非常に高い接着強度を維持していた。また、Ｃｕ／Ｎｉ−Ｃｒ／Ｐｉ積層構造体の場合も、初期接着強度０．６５ｋｇｆ／ｃｍで耐熱性テストを１６８時間実施した後の接着強度が約０．４７ｋｇｆ／ｃｍであって、従来の酸素プラズマ処理による場合より非常に高い接着強度を維持していた。
その結果、本発明のイオンビームによってフィルム表面処理を施した積層構造体の場合、従来の酸素プラズマによってフィルム表面処理を施した場合より耐熱性に非常に優れることが分かった。

図８ａは、酸素プラズマで表面処理したフィルムのサンプルを示すＳＥＭ写真である。図８ｂは、酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームによって表面処理したフィルムのサンプルを示すＳＥＭ写真である。
図８ａおよび図８ｂに示すように、酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームによって表面処理した場合、酸素プラズマで表面処理した場合より表面粗さおよび表面ならしが向上したことが分かる。
また、酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームを照射してベースフィルムを表面処理する場合の速度は約２．５〜３ｍ／ｍｉｎ、酸素プラズマで表面処理する場合の速度は約１ｍ／ｍｉｎであって、表面処理速度の増加による生産性の向上にも寄与することができる。

以上、本発明を具体的な実施例によって詳細に説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で通常の知識を有する者によって各種変形が可能である。

本発明に係るフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法は、電子製品の全分野、例えばフレキシブル回路基板だけでなく、ＴＡＢ、ＣＯＦおよびＢＧＡなど結合を要する回路基板にも適用できる。

フレキシブル回路２層基板の一例を示す断面図である。 本発明に係る酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームによるベースフィルム表面処理時と従来の酸素プラズマによるベースフィルム表面処理時のソースの長手方向に沿うイオンビームの均一度をイオンビーム電流密度で比較したグラフである。 本発明に係る酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームによるベースフィルム表面処理時と従来の酸素プラズマによるベースフィルム表面処理時の接触角を比較したグラフである。 本発明に係る各イオンを使用したベースフィルム表面へのイオンビーム照射時のイオン注入量による接触角を示すグラフである。 本発明に係る酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームを酸素含量を調節して照射した場合の初期接着強度を示すグラフである。 従来の酸素プラズマによってベースフィルムを表面処理した積層構造体の耐熱性テスト結果を示すグラフである。 本発明に係る酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームによってベースフィルムを表面処理した積層構造体の耐熱性テスト結果を示すグラフである。 酸素プラズマで表面処理したベースフィルムのサンプルを示すＳＥＭ写真である。 酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームによって表面処理したベースフィルムのサンプルを示すＳＥＭ写真である。

符号の説明

２ ベースフィルム
４ タイ層
６ 金属通電層
８ 金属メッキ層

Claims (4)

1. ベースフィルム上に表面処理を施した後、タイ層を形成するフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法において、
   該ベースフィルムに、酸素アルゴン混合ガスを用いたイオンビームを照射して表面処理することを特徴とする、フレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法。
2. 前記ベースフィルムは、ポリイミドフィルムであることを特徴とする、請求項１に記載のフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法。
3. 前記酸素アルゴン混合ガスは、酸素含量が５０％以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法。
4. 前記酸素アルゴン混合ガスは、酸素含量が２０〜４０％であることを特徴とする、請求項３に記載のフレキシブル回路基板用積層構造体の製造方法。