JP2011035365A - 有機接着層を有する金属回路配線及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属配線において金属ナノ材料と基板との接着性を高めて電気伝導度に優れた金属配線パターンを有する金属回路基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明による金属配線は、基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で形成された有機接着層と、金属配線と、を含むことを特徴とする。
【選択図】なし
【解決手段】本発明による金属配線は、基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で形成された有機接着層と、金属配線と、を含むことを特徴とする。
【選択図】なし
Description
本発明は、基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で形成された有機接着層と金属配線を含む金属回路配線及びその製造方法に関する。
近来、印刷電子分野が脚光を浴びており、様々な基板上に導電性インクを用いて印刷することや、コーティングされた回路パターンを形成することに関する研究が多く行われている。印刷電子分野の商用化には信頼性のある回路配線を形成する必要があり、何よりも伝導性のよい金属回路パターンと基板との間に優れた接着力を確保することが重要である。通常、印刷電子分野における導電性インクは、金属ナノ粒子が所定の溶媒に分散している状態であり、これらの金属ナノ材料が基板上で焼成されると基板との接着力が弱くて、信頼性のある配線を形成することが困難である。このため、本発明では、電気伝導度及び基板との接着力に優れた金属配線及びその製造方法を提示する。
信頼性のある回路配線を形成するために、回路パターンと基材との間の接着力を増加させるための様々な試みがなされている。従来技術によれば、基材の表面粗さ（roughness）を増加させて金属回路パターンと基材との間の実際の接触面積（effective contact area）を増加させたり、付加的に付着や接着（anchoring）効果を与える方法を用いた。しかし、基材の表面粗さを増加させると、印刷回路パターンが不均一になって、実質的に接着効果を得ることが困難であった。他の方法として、基材表面に化学的官能基を導入して回路パターンとの接着力を増加させる方法があるが、基材及び回路パターンを構成する金属の種類に応じて化学的処理法が異なるという問題点があった。また、基材表面に有機接着層を形成した後に金属配線を印刷する方法が行なわれた。有機接着層を適用すると、基材と金属配線との間の優れた接着力を実現することができるという長所はあるが、有機接着層の熱収縮率が大きい場合には、焼成中で印刷回路パターンにクラックや変形が生じることがあった。また、従来には、ガラス移転温度（glass transition temperature、Ｔｇ）が高く、特別な表面構造（morphology）を有する接着強化フィルムを用いたが、この場合にはフィルムを基材の表面全体に使用することになるため、基材の厚みが厚くなり、コストが上昇する問題があった。また、接着強化フィルムと基材との間の熱膨張係数の差のため基材に反りが生じるという問題があった。
こうした従来技術の問題点に鑑み、本発明は、耐熱性及び耐化学性に優れ、金属に対して親和性を有する有機接着層を導入して金属回路配線を形成することにより、従来、金属配線工程から発生し得るクラックや変形を最小化し、基板上で優れた接着力及び電気伝導度を有する金属回路配線及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で形成された有機接着層と、金属配線パターンと、を含むことを特徴とする有機接着層を有する金属回路配線及びその製造方法が提供される。
本発明の一実施例によれば、上記基板は、ポリイミド、ポリエステル、エポキシ基板、ＢＴ（Bismaleimide-Triazine）、ＰＰ（Polypropylene）、及びＰＶＣ（polyvinyl chloride）からなる群より選択されることができる。
本発明の一実施例によれば、上記有機接着層は０．１〜１００μｍの厚みを有することができる。
また、上記金属は、金、銀、銅、白金、鉛、インジウム、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、タングステン、ニッケル、タンタル、ビスマス、スズ、亜鉛、チタン、アルミニウム、コバルト、鉄、及びこれらの合金からなる群より選択される１種以上にすることができる。
本発明の他の実施形態によれば、基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で有機接着層を形成するステップと、上記有機接着層の形成された基板上に金属ナノ粒子を含むインク組成物で金属配線パターンを形成するステップと、上記金属配線パターンを焼成するステップと、を含むことを特徴とする有機接着層を有する金属回路配線の製造方法が提供される。
本発明の一実施例によれば、上記有機接着層の形成方法としては、スクリーン印刷（screen printing）、ドクターブレード、スピンコーティング（spin coating）、スプレーコーティング（spray coating）、及びディップコーティング（dip coating）からなる群より選択される方法を用いることができる。
また、上記有機接着層を形成するステップは、室温〜２００℃の温度範囲で熱処理する過程を含むことができる。本発明における室温とは、約２４℃〜２５℃の温度をいう。
本発明の一実施例によれば、上記金属配線パターンの形成方式としては、スクリーン方式、インクジェット印刷（ink jet printing）方式、グラビア方式、スプレーコーティング方式、及びオフセット印刷方式からなる群より選択される方式を用いることができる。
本発明の実施形態によれば、金属配線において金属ナノ材料と基板との接着性を高めて電気伝導度に優れた金属配線パターンを有する金属回路基板を提供することができる。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の一実施形態によれば、基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で形成された有機接着層と、金属ナノ粒子を含むインク組成物で形成された金属配線パターンと、を含むことを特徴とする有機接着層を有する金属回路配線を提供する。
本発明の一実施形態によれば、基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で形成された有機接着層と、金属ナノ粒子を含むインク組成物で形成された金属配線パターンと、を含むことを特徴とする有機接着層を有する金属回路配線を提供する。
ここで、基板は、一般的に印刷回路基板の基板基材としてポリイミド、ポリエステル、エポキシ基板、ＢＴ、ＰＰ、ＰＶＣなどの様々な有機材料をからなった基板を用いることができる。
アクリル樹脂、クロロプレン系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂などは、金属のような極性材料に対する接着性が非常に優れるため、これらの接着層上に金属回路配線を形成することにより、優れた接着力を確保することができる。さらに、高温での耐熱性、耐燃焼性、耐化学性に優れるため、印刷金属配線の焼成時、クラックや変形の発生を防止できるようになり、電気的特性に優れた金属配線を製造することができる。
また、上記有機接着層は、金属配線の形状あるいは厚みに応じて０．１〜１００μｍ範囲の厚みを有することが好ましい。厚みが０．１μｍより薄いと、十分な接着力を得難くなり、１００μｍ以上であると、金属配線の電気伝導度が低下する恐れがある。
本発明の一実施例によれば、上記金属配線は、金属ナノ粒子を含むインク組成物から形成され、該金属は、金、銀、銅、白金、鉛、インジウム、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、タングステン、ニッケル、タンタル、ビスマス、スズ、亜鉛、チタン、アルミニウム、コバルト、鉄、及びこれらの合金からなる群より選択される１種以上であることが好ましい。
本発明の他の実施形態によれば、基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で有機接着層を形成するステップと、上記有機接着層の形成された基板上に金属ナノ粒子を含むインク組成物で金属配線パターンを形成するステップと、上記金属配線パターンを焼成するステップと、を含むことを特徴とする有機接着層を有する金属回路配線の製造方法を提供する。
本発明の一実施例によれば、上記有機接着層の形成方法としては、基板上に均一な接着層を形成できる方法であれば制限なく用いることができる。好ましくは、スクリーン印刷、ドクターブレード、スピンコーティング、スプレーコーティング、及びディップコーティングからなる群より選択される方法を用いることができる。
好ましくは、上記有機接着層を形成するステップは室温〜２００℃の温度範囲で熱処理する過程を含むことができる。
本発明の好ましい実施例によれば、金属配線の形成方式としては、スクリーン方式、インクジェット印刷方式、グラビア方式、スプレーコーティング方式、またはオフセット印刷方式を用いることができる。これらの方式で均一な金属配線を形成することができれば、制限なく用いることができる。
本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、本願では特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変換、均等物及び代替物を含むものとして理解されるべきである。本発明を説明するに当たって、係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をかえって不明にすると判断される場合、その詳細な説明を省略する。
下記実施例に適用した代表的な熱処理条件は１００℃、１０分とし、樹脂の種類に応じて熱処理条件が少し異なり得るため、室温〜２００℃の温度範囲に熱処理温度を調節することができる。熱処理温度に応じて樹脂の硬化程度が異なって接着力に影響を及ぼすことがある。
実施例１〜６：アクリル樹脂、クロロプレン系樹脂、シリコーンゴム系樹脂からなる接着層を有する金属配線の製造
平均粒径７ｎｍのＣｕ及びＡｇナノ粒子が均一に分散している４０ｗｔ％濃度のＣｕ及びＡｇナノインクを製造した。また、上記接着剤の代表的な物質として、ＦＡ７００（アクリル樹脂）（（株）五公社製）、８０５ＳＤ（クロロプレンゴム系樹脂）（（株）東部精密化学社製）、ＭＥ１５１（シリコーンゴム系樹脂）（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製）を用いてポリイミド基板上にスピンコーティング法で１〜５μｍ厚みのコーティング層を形成し、所定の熱処理を施して接着層を形成した。
次に、金属ナノインク及びインクジェットヘッドを用いて長さ１ｃｍ、幅２００μｍの印刷配線を形成した後、Ａｇ配線は、空気雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を施し、Ｃｕ配線は、還元雰囲気下で２００℃、１時間の熱処理を施した。
このような過程により、アクリル樹脂（ＦＡ７００）、クロロプレンゴム系樹脂（８０５ＳＤ）、シリコーンゴム系樹脂（ＭＥ１５１）の有機接着層が形成された金属配線を製造した。
平均粒径７ｎｍのＣｕ及びＡｇナノ粒子が均一に分散している４０ｗｔ％濃度のＣｕ及びＡｇナノインクを製造した。また、上記接着剤の代表的な物質として、ＦＡ７００（アクリル樹脂）（（株）五公社製）、８０５ＳＤ（クロロプレンゴム系樹脂）（（株）東部精密化学社製）、ＭＥ１５１（シリコーンゴム系樹脂）（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製）を用いてポリイミド基板上にスピンコーティング法で１〜５μｍ厚みのコーティング層を形成し、所定の熱処理を施して接着層を形成した。
次に、金属ナノインク及びインクジェットヘッドを用いて長さ１ｃｍ、幅２００μｍの印刷配線を形成した後、Ａｇ配線は、空気雰囲気下で２５０℃、１時間の熱処理を施し、Ｃｕ配線は、還元雰囲気下で２００℃、１時間の熱処理を施した。
このような過程により、アクリル樹脂（ＦＡ７００）、クロロプレンゴム系樹脂（８０５ＳＤ）、シリコーンゴム系樹脂（ＭＥ１５１）の有機接着層が形成された金属配線を製造した。
比較例１〜４：有機接着層の種類による接着力と電気的特性の比較
実施例とは異なる条件で接着層を形成したり、他の樹脂を用いてＡｇ及びＣｕ印刷配線を製造した。
比較例としては、ＢＬ−１（ポリビニルブチラール樹脂）（（株）積水社製）、ＨＴＬ（ポリエステル樹脂）（（株）エボニックデグサ社製）、Macromelt（ポリアミド樹脂）（ヘンケル社製）、ＹＤ−１２８（エポキシ樹脂）（国都化学社製）を用いて有機接着層を有する金属配線を製造した。
実施例とは異なる条件で接着層を形成したり、他の樹脂を用いてＡｇ及びＣｕ印刷配線を製造した。
比較例としては、ＢＬ−１（ポリビニルブチラール樹脂）（（株）積水社製）、ＨＴＬ（ポリエステル樹脂）（（株）エボニックデグサ社製）、Macromelt（ポリアミド樹脂）（ヘンケル社製）、ＹＤ−１２８（エポキシ樹脂）（国都化学社製）を用いて有機接着層を有する金属配線を製造した。
実施例により製造された印刷配線及び比較例により製造された金属配線に対して標準接着力テスト及び比抵抗測定を施して配線の接着強度及び電気的特性を観察した。
ここで、接着力測定は３ＭテープとBYK gardenerを用いて行った。
３Ｍテープの接着強度０．６５ｋＮ／ｍのテープを用いてテストを行い、ＡＳＴＭ Ｄ３３５９（Measuring Adhesion by Tape Test）を用いて測定した。接着力の評価基準は下記の通りである。
＜接着力の評価基準＞
−５Ｂ：格子及び切開線に何ら異常なし
−４Ｂ：格子または線から小さな塗膜片が５％以下に発生
−３Ｂ：格子または線から小さな塗膜片が５〜１５％程度発生
−２Ｂ：格子や線から塗膜片が１５〜３５％程度発生
−１Ｂ：大きい帯状や四角状の塗膜片が３５〜６５％程度発生
−０Ｂ：１Ｂよりも悪い状態
ここで、接着力測定は３ＭテープとBYK gardenerを用いて行った。
３Ｍテープの接着強度０．６５ｋＮ／ｍのテープを用いてテストを行い、ＡＳＴＭ Ｄ３３５９（Measuring Adhesion by Tape Test）を用いて測定した。接着力の評価基準は下記の通りである。
＜接着力の評価基準＞
−５Ｂ：格子及び切開線に何ら異常なし
−４Ｂ：格子または線から小さな塗膜片が５％以下に発生
−３Ｂ：格子または線から小さな塗膜片が５〜１５％程度発生
−２Ｂ：格子や線から塗膜片が１５〜３５％程度発生
−１Ｂ：大きい帯状や四角状の塗膜片が３５〜６５％程度発生
−０Ｂ：１Ｂよりも悪い状態
基板に有機接着層を使用すると、通常電気的特性が劣化する。実際、電気伝導度の最も好ましい構造は、表１の対照群１、２のように有機接着層のないものである。しかし、この場合は、電気的特性は優れるが、接着力がないため、実施可能性がない。したがって、有機接着層を適用した後でも、接着層のない場合と同様の電気的特性を示すことが重要である。
表１の比較例で使用された有機接着層は、ポリビニルブチラール（polyvinyl butyral）系樹脂であるＢＬ−１（積水社製）、ポリエステル系樹脂であるＨＴＬ（（株）エボニックデグサ社製）、ポリアミド系樹脂であるMacromelt（ヘンケル社製）、エポキシ系樹脂であるＹＤ−１２８（國都化学社製）を用いたものである。しかし、これらの有機接着層では、電気的特性と、接着力の特性が同時に優れたものとすることができなかった。接着力に優れる場合は、接着剤の配線への浸透や、接着剤流動による配線クラックから比抵抗が高くなることが多く、相対的に比抵抗に優れる場合は、配線への浸透やクラックの影響は少ないが接着力が弱い結果を示した。
しかし、表１の結果から分かるように、本発明による実施例１〜６の接着層を導入した金属配線の場合は、対照群及び比較例に比べて優れた接着力及び電気的特性を示しており、本発明による有機接着層の信頼度が確認できる。
表１の比較例で使用された有機接着層は、ポリビニルブチラール（polyvinyl butyral）系樹脂であるＢＬ−１（積水社製）、ポリエステル系樹脂であるＨＴＬ（（株）エボニックデグサ社製）、ポリアミド系樹脂であるMacromelt（ヘンケル社製）、エポキシ系樹脂であるＹＤ−１２８（國都化学社製）を用いたものである。しかし、これらの有機接着層では、電気的特性と、接着力の特性が同時に優れたものとすることができなかった。接着力に優れる場合は、接着剤の配線への浸透や、接着剤流動による配線クラックから比抵抗が高くなることが多く、相対的に比抵抗に優れる場合は、配線への浸透やクラックの影響は少ないが接着力が弱い結果を示した。
しかし、表１の結果から分かるように、本発明による実施例１〜６の接着層を導入した金属配線の場合は、対照群及び比較例に比べて優れた接着力及び電気的特性を示しており、本発明による有機接着層の信頼度が確認できる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
Claims (11)
- 基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で形成された有機接着層と、
金属配線パターンと、
を含むことを特徴とする有機接着層を有する金属回路配線。 - 前記基板が、ポリイミド、ポリエステル、エポキシ基板、ビスマレイミドトリアジン、ポリプロピレン、及びポリ塩化ビニルからなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の有機接着層を有する金属回路配線。
- 前記有機接着層が０．１〜１００μｍの厚みを有することを特徴とする請求項１または２に記載の有機接着層を有する金属回路配線。
- 前記金属が、金、銀、銅、白金、鉛、インジウム、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、タングステン、ニッケル、タンタル、ビスマス、スズ、亜鉛、チタン、アルミニウム、コバルト、鉄、及びこれらの合金からなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の有機接着層を有する金属回路配線。
- 基板上にアクリル樹脂、クロロプレンゴム系樹脂、及びシリコーンゴム系樹脂からなる群より選択される樹脂で有機接着層を形成するステップと、
前記有機接着層が形成された基板上に金属ナノ粒子を含むインク組成物で金属配線パターンを形成するステップと、
前記金属配線パターンを焼成するステップと、
を含む有機接着層を有する金属回路配線の製造方法。 - 前記基板が、ポリイミド、ポリエステル、エポキシ基板、ビスマレイミドトリアジン、ポリプロピレン、及びポリ塩化ビニルからなる群より選択されることを特徴とする請求項５に記載の有機接着層を有する金属回路配線の製造方法。
- 前記有機接着層が０．１〜１００μｍの厚みを有することを特徴とする請求項５または６に記載の有機接着層を有する金属回路配線の製造方法。
- 前記金属ナノ粒子が、金、銀、銅、白金、鉛、インジウム、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、タングステン、ニッケル、タンタル、ビスマス、スズ、亜鉛、チタン、アルミニウム、コバルト、鉄、及びこれらの合金からなる群より選択される１種以上であることを特徴とする請求項５から７の何れか１項に記載の有機接着層を有する金属回路配線の製造方法。
- 前記有機接着層の形成が、スクリーン印刷、ドクターブレード、スピンコーティング、スプレーコーティング、及びディップコーティングからなる群より選択される方法で行われることを特徴とする請求項５から８の何れか１項に記載の有機接着層を有する金属回路配線の製造方法。
- 前記有機接着層を形成するステップが２４〜２００℃の温度範囲で熱処理する過程を含むことを特徴とする請求項５から９の何れか１項に記載の有機接着層を有する金属回路配線の製造方法。
- 前記金属配線パターンの形成が、スクリーン方式、インクジェット印刷方式、グラビア方式、スプレーコーティング方式、及びオフセット印刷方式からなる群より選択される方式であることを特徴とする請求項５から１０の何れか１項に記載の有機接着層を有する金属回路配線の製造方法。
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