JP7720166B2 - 発光ないし受光装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂フィルム上に金属箔を積層した積層フィルムに係り、特にフレキシブル基板などに好適な積層フィルムに関する。

ポリイミド等の透明フィルムに直接或いは接着剤を介して銅箔などの金属箔を積層した積層フィルムは、フレキシブル基板（ＦＰＣ）などの材料として広く用いられている。ＦＰＣは、このような積層フィルムの銅箔をエッチング処理することで所望の配線パターンや電極を形成し、半導体素子や発光素子など部品をはんだ付けすることで多くの電子部品に利用されている。

積層フィルムには、大きく分けて、接着剤を用いずに基材フィルムに銅箔を積層したものと、接着剤を介して積層したものとがあり、いずれも優れた屈曲性や耐熱性などが重要な特性であるが、さらにＦＰＣや最終製品である電子部品の製造プロセスや、電子部品が使われる環境に応じて、適切な積層フィルムを用いる必要がある。例えば、発光素子を搭載した発光装置では、基材フィルムには透明性が要求される場合が多い。

透明フィルム上に金属箔を積層した積層フィルムは、一般に、ポリイミド樹脂（硬化前のワニス）を金属箔に塗布して熱硬化させるキャスト法やポリイミドフィルムと金属箔とをポリイミド樹脂や熱硬化性接着剤を用いて貼り合わせる熱ラミネート法、スパッタリング法などの手法で製造される（例えば特許文献１、特許文献２など）。このうちキャスト法や熱ラミネート法は、スパッタリング法に比べ簡易な製造装置で製造することができ、多用されている。

しかし、キャスト法などでは、銅箔などのフレキシブルな材料に対してポリイミド層を形成して硬化させるときに、ポリイミドの厚みが３０μｍ以上になるとは収縮を伴いながら硬化するため、ポリイミドの収縮応力により積層フィルムごと反ってしまうという課題がある。

また熱ラミネートには温度依存性があり、低温度域では、金属箔と基材フィルムとの界面に剥がれが発生したり、高温度域では、フィルム或いは接着用に用いたポリイミドが部分的に破れ、ピンホールや樹脂塊状物が生じる可能性がある。

一方、接着剤を用いて金属箔と透明ポリイミドとを貼り合わせる場合、接着剤としては、接着強度が強く、はんだ等の使用に耐える耐熱性が要求され、例えば、特許文献２には、エポキシ樹脂、ＮＢＲ－フェノール系樹脂、フェノール－ブチラール系樹脂、エポキシ－ＮＢＲ系樹脂、エポキシ－ポリエステル系樹脂、エポキシ－ナイロン系樹脂、エポキシ－アクリル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリアミド－エポキシ－フェノール系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂などが使用可能な樹脂として挙げられている。

特許４５５７５１５号明細書 特開平１０－２３５７８４号公報

特許文献２に列挙されるエポキシ系樹脂や、ウレタン系樹脂のような主鎖が炭素骨格の樹脂は、耐熱温度が２００℃以下である。ＦＰＣにＬＥＤなどの電子素子をはんだ付けする場合の熱は２３０℃以上になり、低温はんだでも１８０℃以上になるため、このような接着剤では、はんだ接合時に接着層が溶解したり分解してしまう。また例えば車載部品などの長期信頼性が求められる用途に対して十分な強度を担保できない。シリコーン樹脂は、炭素骨格の樹脂に比べて高い耐熱性を有しているが、水により膨潤しやすい。特に、ウェットエッチング時や湿式めっき時に用いられる酸を含んだ水により膨潤しやすい。このため、金属箔から配線パターンを形成するためのウェットエッチング時や湿式めっき時において、処理水に浸漬されると、処理液に含まれる水分や酸、溶媒により膨潤し、フィルムの寸法安定性が担保できず、またそのフィルム上に形成した配線パターンの寸法安定性も担保できない。

またＦＰＣの強度や接着強度を高めるためには、接着力を確保するため、接着層はある程度の厚みを持たせる必要があるが、その場合、上述した接着層に起因する問題はさらに増大する。

本発明は、金属箔と基材フィルムとを接着剤を用いて接合した構造の積層フィルムであって、積層フィルム製造時の剥がれや破れの問題を回避することができ、且つ耐熱性、寸法安定性及び長期信頼性の高い積層フィルムを提供することを課題とする。

本発明は、低吸水率のバリア層を含む四層構造の積層フィルムとすることにより上記課題を解決する。

すなわち本発明の積層フィルムは、耐熱性フィルムの上に接着層を介して金属箔を積層した積層フィルムであって、金属箔と接着層との間に、吸水率（JIS：K7209:2000）１％以下の樹脂からなり、耐酸性を有するバリア層を含むことを特徴とする。本発明の積層フィルムの態様では、接着層として、耐熱性の高いシリコーン系接着剤を用いる。またバリア層としてポリイミドを用いる。

また本発明の発光装置は、上述した積層フィルムの金属箔に配線パターンが形成されたフレキシブル基板を用いたものである。

本発明の発光装置の製造方法は、上述した積層フィルムの金属箔にウェットエッチングにより配線パターンを形成するステップと、配線パターンの上に導電性接着剤を介して発光素子の端子を接合するステップとを含む。

本発明は、金属箔と接着層との間にバリア層を介在させた四層構造とすることで、フィルムの剥がれや破れを抑制することができ、接着剤層としてシリコーン系接着剤を用いた場合にも、膨潤による寸法変化を招くことなく、耐熱性及び長期信頼性の高い積層フィルムを提供することができる。

本発明の積層フィルムの一実施形態を示す断面図。 積層フィルムの製造方法の一例を示す図。 本発明の積層フィルムを用いた発光装置の製造方法の一例を示す図。 実施例及び比較例の積層フィルムの全光線透過率を示す図。 実施例２における接着層の厚みと剥離（ピール）強度との関係を示すグラフ。

以下、本発明の積層フィルムの実施形態を説明する。
本実施形態の積層フィルム１０は、図１に示すように、耐熱性の基材フィルム１１と、金属箔１４とを接着剤で貼り合わせた構造の積層フィルムであり、接着層１２と金属箔１４との間に低吸水性のバリア層１３を介在させたものである。

基材フィルム１１は、２００℃以上の温度に対して耐熱性のある樹脂、具体的には、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、液晶ポリマーなどを用いることができるが、特に耐熱性、屈曲性、耐酸性の観点からポリイミドフィルムが好適である。基材フィルムは発光装置などの用途では透明であることが要求される場合もあるが、透明性が要求されない用途では、有色フィルム（例えばカプトン（商標名）：有色ポリイミドなど）を用いてもよい。

基材フィルム１１の厚みは、限定されるものではないが、ＦＰＣ用として用いる場合、１０～５０μｍの範囲のものを用いることが好ましい。このような厚みとすることで、高い屈曲性が得られ、且つ積層したときの反りの発生を抑制することができる。

接着層１２は、接着強度、耐熱性、柔軟性などの観点からシリコーン系接着剤が好ましい。シリコーン系樹脂は、ポリシロキサン構造を基本として、ケイ素にアルキル基などの官能基が結合したものであるが、一部フェニル基が結合したものや、エポキシ変性シリコーン樹脂などを用いてもよい。接着層１２の厚みは、シリコーン系接着剤を用いる場合、乾燥厚みとして４０μｍ以上であることが好ましい。厚みを４０μｍ以上とすることで柔軟性を保ちつつ十分な接着強度を得ることができる。

バリア層１３は、接着層１２に対し、水分のバリアとして機能する層であり、吸水率が低い樹脂で構成される。吸水率は、１％以下、好ましくは０．９％以下のものを用いる。吸水率は、ＪＩＳ：Ｋ７２０９：２０００に準じて計測することができ、具体的には、バリア層を構成する樹脂からなる試験片を、２３℃の蒸留水に所定時間（２４時間）浸した後の、試験片の質量の変化（初期質量との差）を初期質量で割った値（％）として求めることができる。

このような低吸水率のバリア層１３を金属箔１４と接着層１２との間に設けることで、金属箔１４をウェットエッチングしたり湿式めっきを行ったりしたときに、それらの処理で使用する処理液が接着層１２に侵入するのを阻止し、接着層１２の膨潤を防止し、寸法安定性を確保することができる。このようなバリア層１３を構成する樹脂として、例えば、基材フィルム１１及び接着層１２を構成する樹脂と同程度の耐熱性を持ち、且つ接着層１２との間で高い接着強度が得られる材料が好ましい。このような低吸水率の樹脂として、具体的には、基材フィルム１１と同様の樹脂材料、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、液晶ポリマーなどを用いることができ、特にポリイミド樹脂が好適である。

バリア層１３の厚みは、安定なバリア層を形成するために３μｍ以上であることが好ましく、また積層フィルムにバリア層１３に起因する反りを生じさせないために２０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、５～１５μｍ、さらに好ましくは５～１３μｍとする。

金属箔１４としては、銅箔が一般的であるが、接着剤を介して基材フィルムと積層することが可能で、且つエッチングにより配線パターンを形成可能な導電性金属であれば、銅箔に限定されず、アルミ箔、ステンレス箔、ニッケル箔なども使用することができる。金属箔１４は、通常厚みが１２～３５μｍのものを用いる。

なお図１では、基材フィルム１１、接着層１２、バリア層１３及び金属箔１４の四層からなる積層フィルムを示したが、必要に応じて、基材フィルム１１と接着層１２との接着性を高めるための層（易接着層）を設けたり、基材フィルム１１の表面に易接着処理を施してもよい。また図では、基材フィルム１１の片面に金属箔１４等を接着した積層フィルムを示したが、両面に金属箔１４等を積層することも可能であり、そのような積層フィルムも本発明に包含される。

次に本実施形態の積層フィルムの製造方法の一例を説明する。
図２に示すように、バリア層１３を構成する樹脂に溶剤を加えて液状にしたもの（ワニス）を金属箔１４の上に均一に塗布し、加熱乾燥して透明なバリア層１３を形成する。塗布は、ダイコート、スピンコート、バーコート、スプレーコートなど一般的な塗布方法を用いることができ、ウェット時厚みを２０μｍ以下とし、乾燥時厚みが５～２０μｍのバリア層を形成する。バリア層の乾燥条件は、例えば酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の低酸素条件で、温度を例えば昇温速度：５℃／minで上昇させながら１００℃で３０分、３００度で３０分など段階的に行う。

バリア層１３の上にシリコーン樹脂を含む接着剤組成物をウェット時厚み５０～６０μｍとなるように塗布する。塗布方法は、バリア層のワニス塗布と同様の手法を用いることができる。接着剤組成物を塗布後直ちに、その上に透明な基材フィルム（厚み２５～５０μｍ）を貼り合わせて、接着剤組成物を真空貼り合わせさせ、乾燥させる。他に加圧による貼り合わせも可能で、例えば、１２０℃、１Ｎ／ｍｍ^２で３０分加圧し、その後大気圧下で１５０℃、３０分乾燥を行う。このように段階的に加熱硬化させることで、接着層中のボイドの発生を防止できる。

以上の工程により金属箔１４と基材フィルム１１とがバリア層１３及び接着層１２を介して積層された四層構造の積層フィルムが得られる。

但し、本発明の積層フィルムの製造方法は上述した製造方法に限定されるものではなく、例えば、金属箔１４とバリア層１３との積層体を製造しておき、基材フィルム１１の上に接着剤組成物を塗布後に、この積層体をそのバリア層１３が接着剤塗布面に接するように貼り合わせることも可能である。

上述したように本発明の積層フィルムは、金属箔１４と接着層１２との間に、低吸水率のバリア層１３を配置したことにより、本発明の積層フィルムの金属箔に対しエッチング処理などを行った場合に、塩化第二鉄水溶液や水酸化ナトリウム水溶液などのエッチング処理液に晒されても、接着層１２が処理液中の水分を吸収して膨潤することが抑制される。またエッチング後は、接着層１２が露出するが、後工程で湿式めっきなどを行った場合にも、湿式めっきに用いられる塩酸や硫酸などの酸（水溶液）からの水分の侵入とそれに伴う膨潤を抑制することができる。

本発明の積層フィルムは、一般的な金属箔ラミネートフィルムと同様に、車載灯具や一般照明に用いられる発光装置の基板、ウエアラブルデバイスのような電子機器等のフレキシブル基板、フレキシブルケーブル、面状発熱体、電磁シールド材料など用いることができ、各用途において、信頼性の高い製品が得られるとともに、長時間高温や高湿の環境に曝されても信頼性を保つことができる。

次に本発明の積層フィルムを用いた製品の一例として発光装置の実施形態を説明する。ここでは一例として、金属箔１４が銅箔、基材フィルム１１がポリイミド、接着層１２がシリコーン系樹脂からなる接着層、バリア層１３がポリイミドである場合を説明する。

本実施形態の発光装置２０は、図３に示すように、ウェットエッチングにより積層フィルム１０の銅箔１４に所定の配線パターン１４ａを形成する。ウェットエッチングは、銅箔にフォトレジストなどのマスク１５を施した状態で（ステップ301）、銅箔を腐食させる酸（例えば塩化第二鉄水溶液）やアルカリ（例えば水酸化ナトリウム水溶液）などのエッチング液に、所定時間浸漬して行われる（ステップ302）。この際、銅箔が除去されることにより、その下にあるバリア層が露出するが、バリア層は低吸水性の樹脂で構成されているので、バリア層を介して、エッチング液中の水分がバリア層の下の接着層に浸透するのを防止し、シリコーン系樹脂からなる接着層１２の膨潤を抑制する。

その後、配線パターン上に残ったマスク１５を除去し（ステップ303）、必要に応じて配線パターンとして残った銅箔の一部または全部にＮｉ、Ａｕ等を電気メッキ或いは無電解メッキ等の手法により付着させてメッキ層１６を形成する（ステップ304）。無電解メッキの場合には、例えば、酸性脱脂処理、硫酸や塩酸を用いた酸洗浄、活性化剤を用いたPd活性化処理を行った後、無電解ニッケルめっき液（ICPニコロンなど）を用いた無電解ニッケルメッキと、建浴液を用いた置換Ａｕメッキ及び還元Ａｕメッキなどを行う。このようにメッキ時は、配線パターンを含む積層フィルムは数十秒～数十分に亘って各種処理液に浸漬されるが、ここでも処理液中の水分が接着層に浸透するのをバリア層が防止し、接着層の膨潤とそれにより積層フィルムの寸法の変化を抑制する。

次いで配線パターンのＬＥＤ素子或いは受光素子（以下、チップという）等の電子部品２１が搭載される位置（例えばＡｕバンプなどで形成された給電点）にはんだ１７を施し、裏面に給電端子があるチップ（ＳＭＤチップ）２１をリフローによりはんだ付け固定する（ステップ305）。図示する例では、代表して一つのチップ２１が固定された状態を示しているが、複数のチップを固定する場合もある。なお、図３では、チップ２１をはんだ付けで固定する場合を示したが、接合材としてＡｇナノ粒子を使用し、チップ側から圧力をかけ、パルス通電を行うダイレクトボンディングにより接合を行うことも可能である。

出来上がった発光ないし受光装置は、ＬＥＤ素子或いは受光素子が搭載された側と反対側から耐熱性の基材フィルム１１、接着層１２、バリア層１３の順に積層され、その上に配線パターン１４ａが形成されている。配線パターン１４ａ上にＬＥＤ素子或いは受光素子が搭載され、配線パターン１４ａの間隙ではバリア層１３が露出されている。

このようにして製造された発光装置２０は、その製造の各ステップにおいてＦＰＣが種々の薬液に曝されても、接着層がこれら薬液に直接触れるのを防止できるので、接着層として水分に膨潤しやすいシリコーン樹脂を用いた場合にも、その高い耐熱性や接着強度を保ったまま安定した形状の発光装置を得ることができる。また製造された発光装置は、ＦＰＣの配線パターンと基材フィルムとを接合する接着層がシリコーン樹脂であり且つその表面はバリア層で保護されているため、高温多湿の過酷な環境に長時間置かれても、侵されることなく、発光装置の長期信頼性を保つことができる。

以下、本発明の積層フィルムの実施例を説明する。

＜実施例１＞
銅箔（厚み３５μｍ）の上に、透明ポリイミドワニス（ネオプリムS100：三菱ガス化学製）を塗布幅２００ｍｍのダイコーターを用いて、ウェット厚み１０５μｍ、塗布長２７０ｍｍで塗布した。次いで低酸素雰囲気下（Ｏ_２濃度：１００ｐｐｍ以下）、１００℃で３０分乾燥した後、昇温速度５℃/分で３００℃まで昇温して、さらに３０分乾燥し、ポリイミドからなるバリア層を形成した。バリア層の乾燥後厚みは１０μｍであった。

次いで上述のように形成したポリイミドバリア層にシリコーン樹脂（ジメチルシリコーン樹脂：信越化学製）を塗布幅２００ｍｍのダイコーターでウェット厚み５８μｍ、塗布長２７０ｍｍで塗布した。シリコーン樹脂を塗布後直ちに、透明ポリイミド単膜（厚み：５０μｍ）を貼り合わせて、６０℃で４時間加熱した後、昇温速度２℃/分で１５０℃まで昇温し、さらに４時間乾燥を行い、銅箔－ポリイミドフィルム積層体を作製した。なお、透明ポリイミド単膜は、バリア層に用いた透明ポリイミドワニスと同じ材料をフィルム化してものを用いた。

得られた積層体における接着層（シリコーン樹脂の層）の厚みは４０μｍであった。

＜比較例１＞
実施例１と同じ銅箔及び透明ポリイミド単膜を用いて、バリア層を設けることなく、両者を実施例１と同じシリコーン樹脂で貼り合わせて銅箔－ポリイミドフィルム積層体を作製した。

＜比較例２＞
実施例１と同様の銅箔を用意し、実施例１の透明ポリイミド単膜と同じ厚み（５０μｍ）になるように、透明ポリイミドワニス（ネオプリムS100：三菱ガス化学製）を塗布幅２００ｍｍのダイコーターを用いて、ウェット厚み２８０μｍ、塗布長２７０ｍｍで塗布した。次いで低酸素雰囲気下（Ｏ_２濃度：１００ｐｐｍ以下）、１００℃で３０分乾燥した後、昇温速度５℃/分で３００℃まで昇温して、さらに３０分乾燥し、銅箔－ポリイミドフィルム積層体を作製した。

＜評価＞
実施例１及び比較例１、２の積層体について次の項目を評価した。
反り及びカールの発生：貼り合わせ終了後に、そのまま平坦な形状を保つか否かを目視で確認した。
接着強度：C5016：1994の90度剥離試験により接着強度（Ｎ/ｃｍ）を測定した。
透明度紫外可視分光光度計（日立ハイテクサイエンス製、UH4150）を用いて全光線透過率Ｔｔを測定した。
耐溶剤性：積層体を無電解ニッケルめっき液（ICPニコロンなど）に４５分間浸漬し、剥離の有無を確認した。

結果を表１に示す。透明度については、結果を図４に示し、表１では波長４４５ｎｍにおける透明度の値のみを示す。

表１に示すように、実施例１及び比較例１では、反りやカール（丸まってしまう状態）が発生しなかったが、比較例２では接合時に樹脂の硬化収縮の影響で反りが発生した。接着強度は、比較例２が最も強固であったが、実施例１及び比較例１についても、積層フィルムとしての使用において十分な接着強度９（N／ｃｍ以上）の接着強度が得られることが確認された。耐溶剤性については、バリア層を有しない比較例２では、メッキ処理液によりシリコーン接着層が劣化し接着強度が低下した。

透明性については、図４に示すように、バリア層を有する実施例１はバリア層を有しない比較例１より透過率が若干低下するものの、波長４４５ｎｍで透過率８５％以上であるため、青色ＬＥＤなどを搭載する材料としての性能は十分であることが確認された。

＜実施例２＞
実施例１のバリア層を形成する工程において、透明ポリイミドワニスの塗布量を変えて、それ以外は実施例１と同様にして、バリア層の乾燥厚みが、それぞれ、２０μｍ（実験例１）、２５μｍ（実験例２）、３５μｍ（実験例３）の銅箔－ポリイミドフィルム積層体を作製した。

これら積層体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、いずれもカール以外の項目は実施例１と同様の結果が得られたものの、実験例２、３は積層後に積層体が筒状になってしまった。この結果から、バリア層の厚みは２５μｍ未満であることが好ましく、２０μｍ以下であることがさらに好ましいことがわかった。

＜実施例３＞
実施例１の接着層を形成する工程において、シリコーン樹脂の塗布量を変えて、それ以外は実施例と同様にして、接着層の厚みが異なる銅箔－ポリイミドフィルム積層体を作成し、接着層の接着強度（90度剥離試験）を測定した。結果を図５に示す。

図５の結果からわかるように、接着層の厚みが２μｍでは十分な接着強度が得られないが、１０μｍ以上で６Ｎ/ｃｍ以上の接着強度が得られ、３５μｍ以上で１０Ｎ/ｃｍの接着強度が得られた。この結果から、シリコーン樹脂を用いた接着層では、厚みを３５μｍ以上であることが好ましいことがわかった。

１０：積層フィルム、１１：基材フィルム（ポリイミドフィルム）、１２：接着層、１３：バリア層（ポリイミド層）、１４：金属箔（銅箔）、１５：マスク、１６：メッキ層、２０：発光装置、２１：発光素子（チップ）

Claims (7)

1. 耐熱性フィルムの上に接着層を介して金属箔を積層した積層フィルムの、前記金属箔に配線パターンを形成した光透過性のフレキシブル基板と、当該フレキシブル基板の配線パターンの上に搭載された発光素子または受光素子とを含む発光ないし受光装置であって、
   前記積層フィルムは、前記金属箔と接着層との間に、吸水率（JIS：K7209:2000）１％以下の樹脂からなるバリア層を含み、
   前記耐熱性フィルムが、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、液晶ポリマーの何れかの材料からなり、
   前記接着層が、シリコーン系接着剤であり、
   前記配線パターンは、前記金属箔をエッチングにより形成した導電性金属を含み、
   前記バリア層は、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、液晶ポリマーの何れかの材料からなり、且つ、厚みが２５μｍ未満であり、
   前記配線パターンの間隙では前記バリア層が露出している発光ないし受光装置。
2. 請求項１記載の発光ないし受光装置であって、
   前記発光ないし受光素子が、前記配線パターンを跨いで当該配線パターンに接続されていることを特徴とする発光ないし受光装置。
3. 請求項1又は２に記載の発光ないし受光装置であって
   前記接着層の厚みが、４０μｍ以上であることを特徴とする発光ないし受光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光ないし受光装置であって、
   前記バリア層を構成する樹脂が、ポリイミド樹脂であることを特徴とする発光ないし受光装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発光ないし受光装置であって、
   前記バリア層の厚みが、２０μｍ以下であることを特徴とする発光ないし受光装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発光ないし受光装置であって、
   前記耐熱性フィルムが、光透過性のポリイミドフィルムであることを特徴とする発光ないし受光装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の発光ないし受光装置であって、
   前記配線パターンを構成する金属箔の上に、当該金属箔とは異なる金属からなるメッキ層を有することを特徴とする発光ないし受光装置。