5G用フレキシブルプリント配線基板を作製できる高強度異種材料接合技術を開発 産総研

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産業技術総合研究所は2019年3月12日、新技術研究所と共同で、高周波用のフレキシブルプリント配線基板(FPC)を作製できる高強度な異種材料接合技術を開発したと発表した。同技術は、伝送損失が少ない優れた特性をもつ第5世代通信(5G)用プリント配線基板開発への応用が期待される。

FPCは、絶縁性を持った薄く柔らかいベースフィルムと銅箔などの導電性金属を張り合わせた基材に電気回路を形成した基板。スマートフォンやタブレットなどの電子機器に使用され、情報通信に欠かせない部材だ。近年、特に高周波特性に優れた5G用基板の開発において注目されている。一般的に、FPCの絶縁層にはポリイミド膜やポリエステル膜などの薄くて柔軟性のあるポリマー膜が、配線層には銅材料が、それぞれ用いられている。

信頼性の高い基板を開発するためには、ポリマー膜と銅配線の接合力を高める必要があり、これまでに様々な接合技術が研究されている。例えばFPCに使用する基材として、ポリマー膜の片面または両面に銅箔を接着・接合したFCCLがある。しかし、高周波でも伝送損失の少ない平滑性が高い銅箔とポリマー膜とを高強度で接合できる方法は開発されていなかった。

産総研はこれまで、主に紫外光による表面化学修飾(化学的処理により固体表面に官能基を導入する技術)を用いたカーボン系やポリマー材料表面への各種官能基導入技術の開発に取り組んできた。この技術により、常温処理で基材の劣化を回避しつつ、撥水性や親水性などをもつ表面を構築できる。

一方、新技術研究所は金属の化学的表面処理を中核技術として、様々な金属製品の機能性を向上させた。近年は金属やガラス、セラミックスの表面に分子接合剤を利用したCB(chemical bonding)技術に重点を置き、既存技術では十分な接着強度が得られなかった材料同士を接着剤なしでも強固に接合させることに成功している。

今回、両者は紫外光による表面化学修飾ナノコーティング技術により官能基を導入したポリマー材料表面を異種材料接合(性質の異なる材料を接着剤やネジを使わずに直接、強固に接合すること)に用いる研究開発に取り組んだ。

FCCLでは接合強度を上げるためにアンカー効果を用いる。この方法では銅箔表面を粗くし、その粗面の凹凸に接着剤か加熱したポリマー表面を密着させる。しかし、接着剤を使用する場合、接合部材が透明性に欠けることや経時的変化により接着剤が劣化するなど耐久性に課題がある。また、高周波信号は配線の表面層を流れるため、銅箔表面の凹凸により伝送距離が長くなり伝送損失が大きくなってしまう。

このため、FPCで重要な低伝送損失を達成するには、平滑性が高い銅箔表面とポリマー膜とを高強度で接合する必要がある。銅箔表面の粗化をせずに表面処理剤を使う方法も開発されているが、既存の表面処理剤でポリエステル系ポリマー膜と銅箔とを接合しても接合強度のばらつきが大きく、十分な接合強度が得られないという問題があった。

ポリマー膜と銅箔の異種材料接合技術

研究グループは今回、FPCに使用するポリマー膜であるポリエステル膜表面に、紫外光照射による化学ナノコーティング技術を応用して酸素官能基を導入。その後、接合前後のポリマー膜と銅箔の詳細な表面分析による接合機構解析の結果をフィードバックすることで、銅箔と反応性の高い表面化学構造を構築した。酸素官能基導入技術では、ポリエステル膜と酸化剤を共存させて紫外光を照射することにより、ポリエステル膜表面に共有結合で強固に固定された水酸基などの酸素官能基を効率的に導入できる。

従来の酸素官能基導入技術には酸素プラズマ処理、オゾン処理、コロナ放電処理などがある。しかし、大型装置が必要、ポリマー膜へのダメージ発生、表面改質特性の経時的変化などの課題があった。一方、今回開発した化学ナノコーティング法は、簡便な装置で効率よく酸素官能基を導入できる。使用する酸化剤も少なく、表面改質特性の持続時間が長い。

酸素官能基化したポリエステル膜と銅箔をヒートプレスしたところ、ポリエステル膜表面に多数存在する酸素官能基と銅が化学反応により強固に結合し、接着剤フリーでも高強度で接合した。接合の強さを示す剥離強度は開発目標値(JPCA規格:0.7N/mm)以上を達成した。

接合の強さの比較(左) 結合様式の模式図(右上) 作製した接合部材(右下)

今回開発された接合技術は、接合剤を利用した従来処理よりも接合強度が高いうえに、伝送損失や接合温度、コストを大幅に下げられる見込みだ。産総研は今後、高周波特性に優れた5G用基板の環境負荷の小さい高効率の量産プロセスを開発する予定だ。また、多様な官能基が材料表面に導入可能な表面化学修飾ナノコーティング技術を用いて、様々な異種材料接合技術や社会ニーズの高い表面撥水、親水化技術の応用も進めるという。

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