(57)【要約】  【課題】  樹脂フィルムと金属導体層から形成されたフレキシブルプリント基板において、樹脂フィルムと金属導体層の間に密着性を高めるための接着層や中間層を設けず、また樹脂フィルム表面に深い改質層も設けずに、樹脂フィルムに対して高い密着性を持つ金属導体層を形成することが困難であった。【解決手段】窒素ガスを用いて窒素プラズマを発生させ、樹脂フィルム面をプラズマ処理して前記樹脂フィルム表面を粗化した後、前記樹脂フィルム面に銅イオンを打ち込みこんで銅金属と前記樹脂フィルム樹脂の混合層を形成し、前記混合層に接して金属導体層を形成するするフレキシブルプリント基板において、前記樹脂フィルム表面の表面粗さが０．００２μｍから０．００５μｍ迄で、前記混合層の厚さが０．０１μｍ以内とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高純度の窒素ガスを用いて窒素プラズマを発生させ、樹脂フィルム面をプラズマ処理して前記樹脂フィルム表面を粗化した後、前記樹脂フィルム面に銅イオンを打ち込みこんで銅金属と前記樹脂フィルム樹脂の混合層を形成し、前記混合層に接して金属導体層を形成するフレキシブルプリント基板において、
前記樹脂フィルム表面の表面粗さが０．００２μｍから０．００５μｍ迄で、前記混合層の厚さが０．０１μｍ以内であることを特徴とするフレキシブルプリント基板。
【請求項２】
前記窒素ガスは９９.９％以上であることを特徴とする請求項１に記載のプレキシブル回路基板。
【請求項３】
前記金属体層を形成する速度が０.１ｎｍから１.０ｎｍ／ｓｅｃ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。
【請求項４】
前記混合層は、前記樹脂フィルム面上に打ち込まれた銅イオンが結合して結晶成長して所定の厚さに形成され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。
【請求項５】
前記混合層面上に形成される金属胴体層は、真空蒸着プロセスにより混合層に接して金属層を形成され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。
【請求項６】
前記混合層面上に形成される金属導体層は、真空蒸着プロセスにより前記樹脂フィルム基板表面に接して形成される金属導体の薄膜層と当該薄膜層上に湿式めっきにより形成されるめっき膜層から構成されてい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。
【請求項７】
高純度の窒素ガスを用いて窒素プラズマを発生させ、樹脂フィルム面をプラズマ処理して前記樹脂フィルム表面の粗さを０．００２μｍから０．００５μｍに粗化し、次に前記樹脂フィルム面に銅イオンを打ち込みこんで銅金属と前記樹脂フィルム樹脂の混合層を形成し、前記混合層に接して金属導体層を形成するするフレキシブルプリント基板の製造方法。
【請求項８】
前記混合層の厚さが０．０１μｍ以内であることを特徴とする請求項７に記載のフレキシブルプリント基板の製造方法。
【請求項９】
前記窒素ガスは９９.９％以上であることを特徴とする請求項７に記載のプレキシブル回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁性樹脂表面に金属導体層を形成した電気回路基板に関し、特に絶縁性樹脂表面を粗化し、更に樹脂表面への金属イオンの打ち込みを行った後に金属導体層を形成するフレキシブル回路基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のフレキシブルプリント基板の多くは金属導体層に銅を用い、樹脂としてポリイミドを用いている。銅とポリイミドは密着性が悪いために銅とポリイミドの間に接着材を入れて密着性を高めたフレキシブルプリント基板が多く市販されている。またポリイミドとの密着性が比較的良いニッケルやクロムなどの金属をポリイミド上に形成し、ニッケル、クロム上に銅を形成したフレキシブルプリント基板も市販されている。さらに、樹脂上に金属を直接形成するフレキシブルプリント基板の製造方法としてポリイミド上に金属イオンを打ち込みポリイミド表面に０．１μｍ以上の厚みの改質層を形成し、改質層上に金属導体層を形成するフレキシブルプリント基板の製造方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）
また、ポリイミドフィルムの一方の面に酸素を含むプラズマによりプラズマ処理を行った後のポリイミドフィルムの表面粗さが５ｎｍから１００ｎｍのフレキシブル回路基板の記載がある。（特許文献２参照）
【特許文献１】特開２００３−４９０１３号公報（第２４−３０頁、第１図、第２図）
【特許文献２】特開平９−５１１６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、接着材を用いる前記従来の構成では、金属導体層を必要な電気回路パターンに加工した場合、導体層を構成する金属成分が接着材内に拡散しやすいため、接着剤部分で電気抵抗が低下し、電気回路パターンの中で絶縁される必要がある部分で絶縁不良を引き起こすという問題があった。またニッケルやクロムなどの金属上に銅を形成する従来の構成では、銅を所望の電気回路パターンにエッチング加工する時にニッケルやクロムが残渣として残る。ニッケルやクロムは電気導電性があるため、電気回路パターン内に残ったニッケルやクロムの残渣による電気回路パターンの絶縁不良を生じるという問題がある。残渣の問題はニッケルやクロムの残渣を除去するエッチング加工を行うことで解決できるが、追加の工程が必要になるため余分な加工コストが必要な上、ニッケルやクロムの残渣の除去時に銅の電気回路パターンが余分に加工されるという問題がある。銅の電気回路パターンが余分に加工されると必要な銅配線寸法が得られなくなる。
【０００４】
また特許文献１の製造方法ではポリイミド表面に銅の打ち込まれた深い改質層を形成するため、打ち込まれた銅によりポリイミド表面の電気抵抗が低下し、電気回路パターンの絶縁不良を生じるという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電気回路パターンの絶縁性を保持した状態で金属導体層と樹脂の間に高い密着性を得られるフレキシブルプリント基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記従来の課題を解決するために、本発明のフレキシブルプリント基板では、高純度の窒素ガスを用いて窒素プラズマを発生させ、樹脂フィルム面をプラズマ処理して前記樹脂フィルム表面を粗化した後、前記樹脂フィルム面に銅イオンを打ち込みこんで銅金属と前記樹脂フィルム樹脂の混合層を形成し、前記混合層に接して金属導体層を形成するフレキシブルプリント基板において、前記樹脂フィルム表面の表面粗さが０．００２μｍから０．００５μｍ迄で、前記混合層の厚さが０．０１μｍ以内であることを特徴としたものである。
【０００７】
また、本発明のフレキシブルプリント基板の製造方法は、高純度の窒素ガスを用いて窒素プラズマを発生させ、樹脂フィルム面をプラズマ処理して前記樹脂フィルム表面の粗さを０．００２μｍから０．００５μｍに粗化し、次に前記樹脂フィルム面に銅イオンを打ち込みこんで銅金属と前記樹脂フィルム樹脂の混合層を形成し、前記混合層に接して金属導体層を形成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のフレキシブルプリント基板の製造方法によれば、金属導体層と樹脂との間に高い密着性を保持しながら、電気配線パターンの絶縁不良を生じないフレキシブルプリント基板を作製可能である。さらに電気回路パターンの絶縁不良をなくすための特別な加工を必要としないため電気回路パターンの加工費用も安価である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明のフレキシブルプリント基板及びその製造方法について実施の形態を図面ともに詳細に説明する。本発明で用いられるフレキシブルプリント基板の樹脂フィルム材料としては、ポリイミド、ポリエステル、ポリカボネート、ポリアミド、エポキシ樹脂液晶ポリマーなどを使用することができる。また、本発明で用いられる金属イオンとしては、銅、金、銀、アルミニューム、ニッケル、クロム、チタン、亜鉛などを使用することができる。実施例においては、ポリイミドフィルムと銅金属を用いた場合を説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施例におけるフレキシブルプリント基板の構成図を示す。
【００１１】
図１において１は樹脂フィルムであり、本実施の形態ではポリイミドフィルムを用いた。ポリイミドフィルムとしては具体的に宇部興産製の商品名ユーピレックスやデュポン製の商品名カプトンや鐘淵化学の商品名アピカルなどが使用可能である。本実施の形態では宇部興産製のユーピレックスを使用した。また２は金属導体層であり、本実施の形態では銅を使用した。また３はポリイミド樹脂表面に形成された銅を打ち込んだ混合層である。
【００１２】
図２は図１に示すフレキシブルプリント基板の製造手順を示している。また図２に示す製造手順において使用するフレキシブルプリント基板の製造装置を図３に示す。
【００１３】
図３で９は真空チャンバーであり、１０はポリイミドフィルムを固定するための導体で構成された基板ホルダーであり、１１は導電体で構成された基板ホルダー１０に高周波電力を印加する高周波電源であり、１２は真空チャンバー９を真空に排気する排気装置であり、１３は真空チャンバー９と排気装置１２を接続するメインバルブであり、１４は金属を加熱蒸発させる蒸着用ボートであり、１５は蒸着用金属であり、１６は真空チャンバー内に所定のガスを導入するガス導入管であり、１７はポリイミドフィルムであり、１８は前記ポリイミドフィルムを加熱脱水するための加熱機構であり具体的にはタングステンボートを用いた抵抗加熱機構や赤外線ランプが使用可能である。また１９は電気的な接地部である。
【００１４】
図２、図３を用いて図１に示した本発明の構成のフレキシブルプリント基板の製造手順について詳しく説明する。
【００１５】
図２において、最初、ステップ４において、真空チャンバー９内を真空引きする。真空チャンバー９内の圧力は１．０×１０-3Ｐａ以下にする。ポリイミドフィルム１７は図３に示すように基板ホルダー１０に接して固定しておく。
【００１６】
次に図２のステップ５において、ポリイミドフィルム１７の脱水を行う。脱水は加熱機構１２を用いてポリイミドフィルム１７を１４０℃で３時間加熱した。加熱後に真空チャンバー９内の温度が３０℃以下になるまで冷却し、さらに真空チャンバー９内の圧力が１．０×１０-4Ｐａ以下になるまで真空引きを行う。
【００１７】
次に図２のステップ６に示すようにポリイミド表面をプラズマ処理する。そして、このプラズマ処理はポリイミド表面を粗化するものである。プラズマ処理時には真空チャンバー９内に純度９９．９％以上の窒素ガスを導入し、圧力を５．０×１０-2Ｐａにし、安定放電手段によりポリイミドフィルム１７を支持する基板ホルダー１０に高周波電力を印加する。高周波電力の印加により、真空チャンバー９内にグロー放電が生じ、窒素プラズマが発生する。
【００１８】
図１に示すフレキシブルプリント基板において、窒素プラズマの発生とともにポリイミドフィルム１に第１の負のバイアス電圧が誘起され、ポリイミドフィルム１が窒素プラズマ処理される。ポリイミド表面は負のバイアスで加速された窒素イオンが表面に衝突することにより物理的にエッチングされるとともに、窒素プラズマにはポリイミドに対する化学反応性があるため、ポリイミド表面が化学的にもエッチングされる。化学的なエッチング効果によりポリイミドの高分子の一部分が選択的にエッチングされるため、ポリイミド表面には窒素プラズマによりエッチングされやすい部分とエッチングされにくい部分の差に起因した微細な凹凸が形成される。本実施の形態では第１の負のバイアス電圧を４００Ｖにして５分間のプラズマ処理を行ったが、第１の負のバイアス電圧として２００Ｖから１０００Ｖの値を用いることが可能であり、本実施の形態の効果と同程度の効果を得ることができる。本実施の形態の窒素プラズマ処理後のポリイミドフィルム表面の粗さは算術平均粗さで２．８ｎｍであった。
【００１９】
本発明の表面粗さとは算術平均粗さであり、測定には、Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ製ＡＦＭを用いた。測定条件は、２５６×２５６ラインで、測定範囲１μｍである。特開平９−５１１６３ではポリイミド表面をＡＦＭで測定した場合に２０μｍの測定範囲で５ｎｍから１００ｎｍの表面粗さを形成することで密着性を改善できることが開示されているが、開示の条件で測定する場合ＡＦＭの分解能は０．１μｍ程度になる。この分解能で銅の食い込みによる密着性改善を評価するのは不適切であるため、発明者は測定範囲１μｍで評価を行ない、本発明の条件を発見した。
【００２０】
本発明の条件で作製したフレキシブルプリント基板の銅薄膜の結晶の大きさを電子顕微鏡で観察した結果、結晶の大きさはポリイミド表面の混合層に近接する部分で３０ｎｍ程度であった。銅結晶の表面への食い込み効果による密着性改善を評価するためには銅の結晶の大きさ程度のポリイミド表面の凹凸を考慮する必要がある。つまり、最低でも３０ｎｍ程度の分解能が必要である。本発明の条件では４ｎｍ程度の分解能があるために評価方法に問題はない。
【００２１】
次に図３のステップ７において、銅の打ち込みを行うが、本実施の形態ではステップ８の銅成膜とステップ７の銅の打ち込みを連続して行った。手順及び条件は以下のとおりである。前述の窒素プラズマ処理後に、まず真空チャンバー９内の圧力を１．０×１０-4Ｐａ以下まで真空引きする。真空引き後にアルゴンガスを導入し、真空チャンバー９内の圧力を１．０×１０-2Ｐａとし、蒸着用ボート８から銅を蒸発させると同時にポリイミドフィルム１７を支持する基板ホルダー１０に高周波電力を印加する。高周波電圧の印加により真空チャンバー９内にグロー放電が生じ、アルゴンと銅のプラズマがチャンバー内に発生する。アルゴンと銅のプラズマの発生とともにポリイミドフィルム１７には第２の負のバイアス電圧が誘起されるため、プラズマ中のアルゴンイオンおよび銅イオンは前記第２の負のバイアス電圧で加速されてポリイミドフィルム表面に衝突する。本実施の形態では第２の負のバイアス電圧を４００Ｖにして銅成膜を行った。銅イオンがポリイミドフィルム表面に衝突して銅薄膜を形成する効果とイオン化していない銅が真空蒸着される効果によりポリイミドフィルム表面に銅薄膜が形成される。
【００２２】
本実施の形態では銅薄膜を形成させる速度を０．１ｎｍ／ｓｅｃ〜１．０ｎｍ／ｓｅｃの間で制御した。上記の操作により銅薄膜が形成されるが、銅成膜の初期においてはポリイミド表面にイオン化した銅の一部が打ち込まれることから上記の手順及び条件によりポリイミドの表面に銅の打ち込まれた混合層３が形成され、成膜を続けることで混合層３上に銅薄膜を形成している。
【００２３】
発明者は以下のような銅薄膜の形成メカニズムのために本実施の形態で高い剥離強度を得られると推定している。銅薄膜形成の初期で、第２の負のバイアス電圧により加速された銅イオンはポリイミド表面に衝突し、一部は銅薄膜として表面に付着し、一部はポリイミド内部に打ち込まれ、一部は表面に衝突後反射される。ポリイミド内部に打ち込まれる銅イオンに関して、銅イオンの打ち込まれる深さはフィルムに誘起される第２の負のバイアス電圧の大きさに比例する。第２の負のバイアス電圧が大きいほど銅イオンの打ち込まれる深さは深くなる。銅薄膜形成の過程において初期では前述したように、ポリイミド内部に銅イオンが打ち込まれながらポリイミド表面には銅薄膜が形成される。さらに成膜を続けるとポリイミド表面に打ち込まれた銅イオンの総量が増えて打ち込まれた銅イオンが結合して結晶成長する。ポリイミド表面の銅薄膜は膜厚が厚くなっていく。またポリイミド内部で成長した銅結晶の一部はポリイミド表面の銅薄膜と結合する。ポリイミド内部で成長した銅結晶とポリイミド表面の銅薄膜が結合することで銅薄膜の一部がポリイミド内部に食い込んだ構造になるため、アンカー効果により銅薄膜とポリイミドの密着性が向上する。銅結晶がポリイミド内部の深い部分まで形成されているほど密着性が向上するため、高い密着性を得るためにはポリイミドフィルム１７に誘起される第２の負のバイアス電圧を大きな値にすることが効果的である。
【００２４】
しかし銅結晶がポリイミド内部の深い部分にまで形成された構造のフレキシブルプリント基板をエッチング加工して電気回路パターンを形成すると、ポリイミド内部の深い部分の銅結晶はエッチングされにくいため残渣として残りやすくなる。エッチングされずにポリイミド内部に残った銅結晶はポリイミドの絶縁性を低下させ、電気回路パターンの絶縁不良を引き起こす要因となる。そのため剥離強度を向上させながら、電気回路基板としての絶縁性を保つためには、ポリイミド内部への銅結晶の食い込み深さを電気回路パターン作製時のエッチング加工で残渣を残さずにエッチング除去できる一定の深さ範囲に制御する必要がある。
【００２５】
電気回路パターン作成時のエッチング加工で残渣を残さないためには、浅いほうが良く、また、アンカー効果により銅薄膜とポリイミドの密着性を向上させるためには深い方がよく、それぞれの相反する要求より、一定の深さ範囲に制御する。
【００２６】
本実施の形態の方法で作製したフレキシブルプリント基板では、銅結晶は深さ０．０１μｍ以下の表面付近に形成することにより所望の性能が得られることが判明した。
【００２７】
本実施の形態の方法で作製した基板では、銅結晶は深さ０．０１μｍ以下の表面付近に形成されていた。本実施の形態の方法で作製されたフレキシブルプリント基板の剥離強度をＪＩＳ  Ｃ６４７１に示される剥離強度試験法で評価した結果、１．０Ｎ／ｍｍである。従来のニッケルやクロムを中間層として使用するフレキシブルプリント基板の剥離強度を同様の方法で評価した場合、剥離強度は０．７Ｎ／ｍｍであるため、本発明の方法により従来のフレキシブルプリント基板と同程度の剥離強度を得られることが分かった。
【００２８】
特許文献１に記載されている従来の方法では十分な剥離強度を得るためには、０．１μｍ以上の銅が打ち込まれた改質層が必要であるが、本願発明のフレキシブルプリント基板は、０．０１μｍという薄い改質層で従来程度の剥離強度が得られる。
【００２９】
本発明の製造方法で得られるフレキシブルプリント基板は、銅成膜前にポリイミド表面を窒素プラズマ処理し、ポリイミド表面の粗さを算術平均粗さで０．００２μｍから０．００５μｍに粗化しているために特許文献１の条件より薄い改質層でも高い剥離強度が得られていると考えている。この推定の検証のために銅薄膜形成前のポリイミドフィルム表面の表面粗さを変更したサンプルに対して本発明の銅成膜条件と同じ条件で銅薄膜を形成し、剥離強度を評価した。
【００３０】
評価結果を図４に示す。表面粗さが算術平均粗さで０．００２μｍから０．００５μｍの範囲の場合に従来のフレキシブルプリント基板と同程度の剥離強度０．７Ｎ／ｍｍを得られることが分かった。つまり表面粗さが剥離強度向上に大きく寄与していることが判明した。
【００３１】
ポリイミド表面を０．００２μｍから０．００５μｍに粗化するには窒素プラズマ処理が有効である。窒素ガスは不活性だが、プラズマ化するとポリイミドと若干の反応性を示し、ポリイミド表面を選択的に加工する。そのため短時間で必要な表面粗さを形成することが可能である。比較のために表面処理に通常用いられるアルゴンプラズマ処理と窒素プラズマ処理の表面処理後の粗さを比較した。５分間の表面処理でアルゴンプラズマ処理では１．５ｎｍであり、窒素プラズマ処理では２．８ｎｍであった。アルゴンプラズマで２ｎｍ以上の表面粗さを得るには１０分以上の時間が必要であった。つまり窒素プラズマ処理では、通常使用されるアルゴンプラズマ処理の半分の時間で同じ効果が得られることが分かった。
【００３２】
また本実施の形態の方法で作製したフレキシブルプリント基板と本実施の形態と同じ窒素プラズマ処理後に成膜時のバイアス電圧を１０００Ｖにし０．０５μｍの深さまで銅イオンを打ち込んだフレキシブルプリント基板に、同じ電気回路パターンをエッチングで形成し、エッチング部の混合層を観察した結果、本実施の形態の方法で作製したフレキシブルプリント基板では５分で混合層内の銅がエッチング除去されたのに対して、０．０５μｍの深さまで銅イオンを打ち込んだサンプルでは１０分のエッチング時間が必要であった。エッチングには液温４０℃の塩化第二鉄液を用いた。
【００３３】
つまり本実施の形態で作製したフレキシブルプリント基板は改質層を０．１μｍ以上形成する特許文献１記載の製造方法で作製されたフレキシブルプリント基板に比較して短時間で電気回路パターンをエッチング加工可能であると言える。そのため加工コストが安くなる。さらにエッチング時間が短いため、混合層内の銅をエッチングする間に、エッチング加工が完了している電気回路パターン部の過剰なエッチングによる寸法変化も小さく抑えられる。また容易に混合層内の銅をエッチング除去でき、混合層内に銅がほとんど残留しないため、絶縁性低下による不良も生じにくい。
【００３４】
以上のようにして作製したポリイミド上に銅薄膜を形成した基板を電気回路パターン加工して使用するには銅薄膜の厚みを１０μｍ程度にする必要がある。本実施の形態では、５０００Åの銅薄膜を図３の装置で形成し、その後に電気めっきにより銅薄膜を厚く形成した。電気めっきの銅薄膜形成速度は図３のような真空成膜装置に比較して１０倍程度早いために短時間で製品を作製できる。そのため安価に製品作製が可能である。
【００３５】
以上説明したように、本発明のフレキシブルプリント基板は、樹脂フィルムと金属導体層から形成され、樹脂フィルムと金属導体層の間に密着性を高めるための接着層や中間層を設けず、窒素プラズマ処理で樹脂表面の表面粗さを０．００２μｍから０．００５μｍとすることにより樹脂フィルムに対して所望の密着性を持たすことができる。そして樹脂フィルム表面に混合層の厚さが０．０１μｍ以内の浅い改質層を生成して、エッチング加工後の改質層での絶縁不良をなくすることができるフレキシブルプリント基板を実現することができる。
【００３６】
即ち、所定の剥離強度を有するとともに、改質層が薄いため、エッチング加工後の改質層での絶縁不良をなくすることができるフレキシブルプリント基板を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明にかかるフレキシブルプリント基板及びその製造方法により、絶縁性に優れ、剥離強度も十分なフレキシブルプリント基板を提供することができ、電子機器内部の電気配線用材料として有用であり、特に微細な電気回路パターンを持つ電子機器内部の電気配線用材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態１におけるフレキシブルプリント基板の断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるフレキシブルプリント基板の製造方法を示すフロー
【図３】本発明の実施の形態１におけるフレキシブルプリント基板の製造装置を模式的に示す図
【図４】本発明の実施の形態１におけるポリイミドフィルム表面の表面粗さと剥離強度の関係を示す図
【符号の説明】
【００３９】
１  樹脂フィルム
２  金属導体層
３  混合層
９  真空チャンバー
１０  基板ホルダー
１１  高周波電源
１２  排気装置
１３  メインバルブ
１４  蒸着用ボート
１５  蒸着用金属
１６  ガス導入管
１７  ポリイミドフィルム
１８  加熱機構
１９  電気的な接地部
【図１】
2005057183.tif 000003
【図２】
2005057183.tif 000004
【図３】
2005057183.tif 000005
【図４】
2005057183.tif 000006