JP4668232B2 - フレキシブルプリント基板 - Google Patents

Description

本発明はハードディスクの配線等に使用されるフレキシブルプリント基板に関し、特に、耐屈曲性の向上を図ったフレキシブルプリント基板に関する。

従来、フレキシブルプリント回路が形成されたフレキシブルプリント基板が使用されている。フレキシブルプリント基板は、曲げ、ねじり、巻き付け及び重ね等を可能とした軟らかく曲げることができるプリント基板である。具体的には、コンピュータ関連製品、電子通信機器及びオーディオ・ビジュアル製品等のマルチメディア製品、カメラ並びに自動車等の配線に使用されている。

近時、フレキシブルプリント基板は、特に高屈曲性が要求される分野において使用されるようになっている。例えば、ハードディスク装置内部の磁気ヘッドと本体回路との間の配線として使用されている。このような用途においては、何回もの繰り返し屈曲を受けながら機器又は素子間の電気的導通を確保する必要がある。

図４は従来のフレキシブルプリント基板の製造方法を示す模式図である。従来、フレキシブルプリント基板を製造する際には、先ず、ポリイミド樹脂又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂等からなる柔軟性を有するベースフィルム２１上に接着剤２２を使用して銅箔を貼り付ける。ベースフィルム２１は、ＣＣＬ（Copper Composite Laminate）ともよばれる。

その後、銅箔にリソグラフィ技術等により目的に応じた電子回路２３を形成する。次いで、ポリイミド樹脂又はＰＥＴ樹脂等からなる柔軟性を有するベースフィルム２５に予め接着剤２４が塗布された保護用シートを接着剤２４が下側になるようにしてベースフィルム２１上に被せる。そして、適度な温度下で適当な圧力でベースフィルム２１及び２５を挟持しながら接着剤２４を硬化させる。ベースフィルム２５は、ＣＬ（Cover Layer）ともよばれる。

このようにして製造された従来のフレキシブルプリント基板は、図４に示すように、電子回路２３を接着剤２２及び２４並びにベースフィルム２１及び２５で挟み込んだ構造を有している。全体の厚さは０．１ｍｍ以下であることが多く、柔軟性及び信頼性を具備している。

特開平３−１９９３５３号公報 特開昭５８−１０８７８５号公報 特開平７−１８８９６９号公報 特開平８−２７７４８５号公報

しかしながら、小さな曲げ半径で繰り返し屈曲を従来のフレキシブルプリント基板に与えると、導体回路（電子回路）が疲労によって劣化し、条件が厳しい場合には、導体回路内にクラックが発生して断線が生じる場合もあるという問題点がある。

一般に、疲労特性を向上させるために銅箔は圧延により製造しているが、クラックは一旦発生すると銅箔の裏面まで貫通することが多く、厳しい屈曲条件下で使用される場合の信頼性は十分なものではない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、クラックの進展を抑制し高い耐屈曲性を得ることができるフレキシブルプリント基板を提供することを目的とする。

本発明に係るフレキシブルプリント基板は、屈曲を受ける用途に使用されるフレキシブルプリント基板であって、ベースフィルムと、このベースフィルム上に設けられた圧延銅合金箔により構成された導体回路と、を有し、前記銅合金箔は、厚さ方向における平均結晶粒径が２．１μｍ以上１０μｍ以下であり断面において表面から裏面まで結晶粒界をなぞったときにいずれの径路をとっても４個以上の分岐点を経由するものであり、３個以上の結晶粒が相互に接することにより形成され複数の結晶粒界が直線状ではなく丁字状に重なる領域が導入されていることを特徴とする。

本発明においては、導体回路にその表面側からクラックが発生し結晶粒界に沿って導体回路の裏面側に進展しようとしても、４個以上の分岐点が裏面に達するまでに存在するので、その進展が妨害される。このため、裏面までのクラックの進展が著しく低減され、耐屈曲性が向上する。

前記平均結晶粒径は８．９μｍ以下であることが好ましい。なお、本発明においては、前記銅合金箔は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ａｇ及びＮｂからなる群から選択された少なくとも１種の元素を０．０５質量％以上含有することができる。

以上詳述したように、本発明によれば、疲労によりクラックが導体回路の表層又は表面側から発生し導体回路の下層又は裏面側に進展しようとしても、複数の結晶粒界が交差する領域でその進展を抑制することができる。このため、最下層又は裏面までのクラックの進展を著しく低減することにより、疲労寿命を著しく長くすると共に、耐屈曲性を向上させることができる。

本願発明者等が前記課題を解決すべく、フレキシブルプリント基板の疲労試験を行い、クラックの進展の様子を観察した。この結果、クラックは、曲げによる歪みが大きい銅箔表面において発生し、銅箔内の結晶粒界に沿って内部から裏面まで進展していることに想到した。

従来使用されている多くの圧延箔では、結晶粒径の制御を意図的に行っているわけではなく圧延加工直後には結晶粒が圧延方向に薄く伸びた組織が観察される。しかし、ベースフィルム（ＣＬ）を貼り付けた後の熱処理は、温度が１００乃至１８０℃、時間が数十分乃至数時間の条件でプレス加圧下で行われている。また、接着剤を更に硬化させるために、温度が１００乃至１８０℃、時間が数十分乃至数時間の条件で更なる熱処理が行われることもある。これらの熱処理により再結晶が起こり、銅箔の厚さ方向の平均結晶粒径が１０μｍを超えることが多い。従って、用途により厚さが５乃至３５μｍ程度とされている銅箔においては、その厚さ方向に僅か数個の結晶粒が存在しているにすぎないことになる。このため、クラックは極めて容易に表面から裏面へと結晶粒界に沿って進展することが可能となっているのである。

また、導体回路に使用される銅箔の作製方法としては、圧延法の他に電解法があるが、電解法で作製された金属箔には、電着時に厚さ方向にデンドライト状に成長した結晶が存在しているため、結晶粒界は厚さ方向に単純な径路でつながっており、前述の熱処理により再結晶が進行すると圧延箔よりも容易にクラックが進展してしまっている。

そこで、本願発明者等が、更に鋭意実験研究を重ねた結果、回路を構成する導体層を３層以上の積層体とするか、又は厚さ方向における平均結晶粒径を２．１μｍ以上１０μｍ以下とし結晶粒界の分岐点の数を４個以上とすることにより、フレキシブルプリント基板の耐屈曲性を向上させることができることを見出した。

以下、本発明の実施例に係るフレキシブルプリント基板について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の参考例に係るフレキシブルプリント基板を示す模式図である。

参考例においては、ポリイミド樹脂又はＰＥＴ樹脂等からなるベースフィルム１上に接着剤２が塗布されており、その上に多層導体回路３が形成されている。多層導体回路３は３層以上の金属箔の積層体からなり、例えば５層構造である。各金属箔３ａ乃至３ｅは、例えば銅箔又は銀箔から形成されている。これらの積層方法は、特に限定されるものではなく全て銅箔であっても良く、銅箔と銀箔とが交互に積層されていてもよい。

更に、ポリイミド樹脂又はＰＥＴ樹脂等からなるベースフィルム５が多層導体回路３を覆う接着剤４によりベースフィルム１上に貼り付けられている。

このように構成された参考例においては、例えクラックが最表層に位置する金属箔３ｅに発生し金属箔３ｅ内をその結晶粒界に沿って完全に貫通したとしても、第２層目に位置する金属箔３ｄの結晶粒界が金属箔３ｅのクラック貫通位置に存在する確率は低いので、多くの場合、金属箔３ｅと金属箔３ｄとの界面においてクラックの進展は停止する。更にクラックが金属箔３ｄを貫通したとしても、多くの場合、金属箔３ｃとの界面においてその進展が停止する。従って、最表層に位置する金属箔３ｅで発生したクラックが全ての金属箔を貫通する確率は極めて低いものである。この結果、多層導体回路３の耐屈曲性、延いてはフレキシブルプリント基板の耐屈曲性が著しく向上する。

但し、金属箔の積層体が２層構造である場合には、１界面をクラックが乗り越えることができれば、全体を容易に貫通してしまうので、積層体には３層以上の金属箔が必要である。

なお、金属箔の積層体は、以下の方法により製造することができる。第１の方法は、予め３層以上の所定層数の箔を重ね合わせておき、所望の厚さまで圧延加工する方法である。第２の方法は、中断及び再開を繰り返しながら電気メッキを行うことにより、同一の材料で積層体を製造する方法である。第３の方法は、電解液を交換しながら電気メッキを行うことにより、複数種の材料で積層体を製造する方法である。また、真空蒸着法又はスパッタリング法等の真空プロセスによって前記第２又は第３の方法と同様に積層体を製造することも可能である。

フレキシブルプリント基板を製造する際には、先ず、ポリイミド樹脂又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂等からなる柔軟性を有するベースフィルム１上に接着剤２を使用して上述のようにして製造された金属箔３ａ乃至３ｅの積層体を貼り付ける。

その後、積層体にリソグラフィ技術等により目的に応じた多層導体回路３を形成する。次いで、ポリイミド樹脂又はＰＥＴ樹脂等からなる柔軟性を有するベースフィルム５に予め接着剤４が塗布された保護用シートを接着剤４が下側になるようにしてベースフィルム１上に被せる。そして、適度な温度下で適当な圧力でベースフィルム１及び５を挟持しながら接着剤４を硬化させることにより、第１の実施例に係るフレキシブルプリント基板を製造することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。本発明の実施例には、多層導体回路３の替わりに微細結晶粒を有する微細結晶粒導体回路６が設けられている。図２は本発明の実施例に係るフレキシブルプリント基板を示す模式図である。なお、図２に示す実施例において、図１に示す参考例と同一の構成要素には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

本発明の実施例においては、ポリイミド樹脂又はＰＥＴ樹脂等からなるベースフィルム１上に接着剤２が塗布されており、その上に微細結晶粒導体回路６が形成されている。微細結晶粒導体回路６は、結晶粒の厚さ方向における平均粒径が２．１μｍ以上１０μｍ以下、例えば２．１乃至３μｍである銅合金箔から形成されている。また、いずれの断面においても、銅合金箔の表面から裏面まで結晶粒界をなぞったときにいずれの径路をとっても４個以上の分岐点が存在している。銅合金箔においては、Ｃｕに、例えば０．０５質量％以上のＳｎ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ａｇ又はＮｂが単独又は複合して添加されている。

このように構成された本発明の実施例においては、従来の導体回路と比して単位体積当たりの結晶粒数が多く、３個以上の結晶粒が相互に接することにより形成され複数の結晶粒界が直線状ではなくＴ字状に重なる領域が無数に導入されている。このような重なり領域では、例えば厚さ方向に延びる一の結晶粒界に沿って進展してきたクラックは、その進展方向を、例えば垂直な方向に変更せざるを得なくなる。従って、クラックは交差する結晶粒界に乗り移りにくくなるので、それ以上の厚さ方向への進展が困難となる。このようにクラックの厚さ方向への進展が妨害される結果、微細結晶粒導体回路６の耐屈曲性、延いてはフレキシブルプリント基板の耐屈曲性が著しく向上する。

なお、銅合金箔は、以下の方法により製造することができる。第１の方法は、Ｃｕの再結晶温度を上昇させるＳｎ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ａｇ又はＮｂ等の元素が単体又は複合して添加された銅合金材を圧延加工することにより、銅合金箔とする方法である。この時の添加元素の種類及びその量は、フレキシブルプリント基板製造時の後の熱処理における温度よりも銅合金箔の再結晶温度が高くなるように設定する。圧延加工により箔の厚さ方向の粒径は微細になるため、圧延後の再結晶化が防止されれば、フレキシブルプリント基板が製造された後においても、圧延方向における平均結晶粒径は１０μｍ以下となっている。なお、添加元素の種類は、上記に限定されるものではない。第２の方法は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ａｇ又はＮｂ等の元素が単体又は複合して添加されたメッキ浴中を使用して電着を行う方法である。この方法により製造された銅合金箔はすでに市販されている。なお、電着により得られた銅合金箔は第１の方法によるものよりも再結晶化しにくいため、上記の元素は添加されていなくてもよい。但し、品質の安定化のために添加されていることが望ましい。また、添加元素の種類は、上記に限定されるものではない。

前述のように、添加元素はフレキシブルプリント基板製造時の後の熱処理における再結晶を防止するために添加するものである。逆に言えば、フレキシブルプリント基板製造時の接着剤を硬化させるための熱処理は、銅合金箔の再結晶温度以下の温度で行う。

なお、本発明の実施例のように厚さ方向における平均結晶粒径が２．１μｍ以上１０μｍ以下の金属箔が、３層以上積層されて導体回路が形成されていてもよい。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。図３は疲労試験の方法を示す模式図である。

先ず、相互に平行に配設された下部治具１２及び上部治具１３に試験対象であるフレキシブルプリント基板１１をその曲げ半径が２ｍｍとなるようにして貼り付けた。なお、フレキシブルプリント基板１１の上下２枚のポリイミド樹脂からなるベースフィルムの厚さはいずれも２５μｍ、導体回路の厚さは３５μｍ、導体回路と２枚のベースフィルムとの間の接着剤の厚さはいずれも１５μｍとした。

そして、下部治具１２を固定し、上部治具１３を２０ｍｍのストローク、１５００回／分の速度で水平方向に往復運動させた。この間、導体回路中の抵抗値の変動を測定し、初期値から１０％増加したときの往復回数を測定した。

参考例
参考例では、試験対象のフレキシブルプリント基板として、図１に示す参考例のような多層導体回路を有するものを使用した。なお、多層導体回路は、厚さが０．５ｍｍの箔を所定層数積層した後、全体の厚さが前述のように３５μｍとなるまで圧延加工を繰り返すことにより作製したものである。このときの積層数及びその積層条件を下記表１に示す。また、前述の測定回数を下記表２に示す。

上記表２に示すように、参考例の寿命は、単層である比較例１１のものの２倍以上となった。そして、参考例２及び３のように、寿命は積層数の増加につれて飛躍的に延びた。また、参考例４乃至６のように、銅箔と銀箔とが交互に積層された場合でも、積層数の増加につれて長寿命化していた。

更に、各参考例及び比較例について、疲労試験を１００万回、５００万回又は１０００回で中止したものの断面を観察したところ、いずれの実施例においても、疲労によって表層側に発生したクラックの進展は、下層との界面において食い止められていた。

実施例
実施例では、試験対象のフレキシブルプリント基板として、図２の実施例のような微細結晶粒導体回路を有するものを使用した。このときの厚さ方向における平均結晶粒径、表面から裏面までの結晶粒界の最小分岐点数及びその内容を下記表３に示す。また、前述の測定回数を下記表４に示す。

上記表４に示すように、実施例７乃至９においては、０．０５質量％以上の再結晶温度を上昇させる元素（Ａｇ、Ｓｎ又はＮｂ）が添加され厚さ方向における平均結晶粒径が１０μｍ以下の圧延箔を使用して導体回路が形成されているので、屈曲寿命が１０００万回を超えた。Ｚｎ、Ｂｅ及びＣｄの添加によっても結晶粒は微細化されるので、同様の効果が得られるものと考えられる。

一方、比較例１２においては、Ｃｕの含有量が９９．８質量％で厚さ方向における平均結晶粒径が本発明範囲の上限を超える市販圧延箔を使用して導体回路が形成されているので、厚さ方向に結晶粒は１又は２個程度しか存在せず、クラックが容易に裏面に達するまで進展したので、屈曲寿命が２１８万回と極めて短かった。

比較例１３においては、金属組織が粗大なデンドライト状組織で厚さ方向における平均結晶粒径が本発明範囲の上限を超える市販電解箔を使用して導体回路が形成されているので、屈曲寿命が比較例１２と比しても著しく低かった。

更に、各実施例及び比較例について、疲労試験を１００万回、５００万回又は１０００回で中止したものの断面を観察したところ、疲労によって発生したクラックは結晶粒界に沿って進展しており、いずれの実施例においても、その進展は金属組織内に多数存在する粒界の交差点において食い止められていた。

本発明の参考例に係るフレキシブルプリント基板を示す模式図である。 本発明の実施例に係るフレキシブルプリント基板を示す模式図である。 疲労試験の方法を示す模式図である。 従来のフレキシブルプリント基板の製造方法を示す模式図である。

符号の説明

１、５、２１、２５；ベースフィルム
２、４、２２、２４；接着剤
３、６、２３；回路
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ；金属箔
１１；フレキシブルプリント基板
１２、１３；治具

Claims (3)

1. 屈曲を受ける用途に使用されるフレキシブルプリント基板であって、ベースフィルムと、このベースフィルム上に設けられた圧延銅合金箔により構成された導体回路と、を有し、前記銅合金箔は、厚さ方向における平均結晶粒径が２．１μｍ以上１０μｍ以下であり断面において表面から裏面まで結晶粒界をなぞったときにいずれの径路をとっても４個以上の分岐点を経由するものであり、３個以上の結晶粒が相互に接することにより形成され複数の結晶粒界が直線状ではなく丁字状に重なる領域が導入されていることを特徴とするフレキシブルプリント基板。
2. 前記平均結晶粒径が８．９μｍ以下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プリント基板。
3. 前記銅合金箔は、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ａｇ及びＮｂからなる群から選択された少なくとも１種の元素を０．０５質量％以上含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のフレキシブルプリント基板。

Images