フレキシブルPCBの主要材料

近年、フレキシブルPCB（プリント基板）は急速に発展しており、市場シェアが拡大するとともに、技術面でも大きな進歩が見られます。新しいフレキシブルPCB製造技術の登場により、フレキシブルPCBは軽量・薄型・柔軟性といった利点を発揮し、幅広い分野で応用されるようになっています。

PCB の基本的な特性は基板材料の性能に依存しているため、PCB の技術的性能を真に向上させるには、まず基板材料の性能を改善することが最も重要であり、これはフレキシブル PCB にも当てはまります。

一般的なフィルム基板材料の性能向上

フィルム基板材料の機能は、導体のキャリアおよび回路間の絶縁媒体を提供する能力にあります。さらに、それは曲げたり巻いたりできる必要があります。

フレキシブルPCBに通常使用される基材には、PI（ポリイミド）フィルムおよびPET（ポリエステル）フィルムが含まれ、それ以外にもPEN（ポリエチレンナフタレート）、PTFE、アラミドなどのポリマーフィルムが利用可能である。基材フィルムは、その性能とコストに基づいて選定する必要がある。

主要な基板材料であるフレキシブル銅張積層板（FCCL）PI を含むカバーは、加熱しても軟化したり流動したりする温度に達しない熱硬化性樹脂の一種です。しかし、多くの熱硬化性樹脂とは異なり、熱重合後も柔軟性と弾性を維持することができます。PI は高い耐熱性と優れた電気特性を有しています。一方で、PI は吸湿率が高く、引き裂き強度が低いという欠点があり、これらは改善が必要です。改良型 PI フィルムは、吸湿率が 0.7% と、一般的な 1.6% に比べて大幅に低く、寸法安定性も ±0.04% から ±0.02% へと向上しています。

フレキシブルCCLとリジッドCCLの両方には、ハロゲンフリーという環境要件が求められており、これは電子産業における必然的かつ厳格な潮流となっている。EU（欧州連合）および多くの国々が公布した規制に基づき、2006年7月以降、電子機器には6種類の有害物質の使用が禁止されており、フレキシブルPCBを含むPCBには臭素系難燃剤を含有してはならない。

PET樹脂は良好な機械的および電気的特性を有していますが、最大の欠点は耐熱性が低いことであり、そのため直接はんだ付けや組み立てには使用できません。PENの性能はPETより優れ、PIより劣るため、PENの用途は増加し続けています。

世界には、適用可能なプラスチックフィルムの種類が2000を超えて存在しており、その中にはフレキシブルPCB製造に適したタイプも必ず含まれています。したがって、フレキシブルPCBの用途が拡大するにつれて、新たなフレキシブルPCB用基板材料が使用されるようになるでしょう。

接着剤は銅箔と基材フィルムの接着に用いられ、その一般的な分類には PI 樹脂、PET 樹脂、変性エポキシ樹脂およびアクリル樹脂が含まれます。このうち、変性エポキシ樹脂とアクリル樹脂は接着力が高いため、より多く使用されています。

二層PI基板材料

フレキシブルCCLは通常、ポリイミド、接着剤、銅箔の3層で構成される。接着剤は、特に電気的特性や寸法安定性など、フレキシブルPCBの性能を低下させる傾向があるため、接着剤を用いない2層フレキシブルCCL（2L-FCCL）が開発された。さらに、2L-FCCLにはハロゲンを含む可能性のある接着剤が含まれていないため、環境保護に優れており、耐熱温度を220°Cから260°C、さらには300°Cへと向上させることで、鉛フリーはんだ付けの要求を満たすことができる。接着剤なしの2L-FCCLと接着剤ありの3L-FCCLの性能比較を、下記の表1にまとめる。

2L-FCCLの製造方法には、次の3種類があります。
・電気めっき
・フィルムコーティング
・ラミネーション

3つの方法を比較すると、ポリイミドフィルム上に析出させた電解めっき金属層は、圧延およびより薄い基材の製造が容易であり、銅箔を低コストで取り出すことができると結論づけられる。フィルムコーティングは、低コストで大量生産に適している。ラミネーションは、両面基板の製造においてより良好に機能する。

LCP基板材料

ポリイミド基板材料の本質的な欠点を改善するために、新たに液晶ポリマー（LCP）が開発された。熱可塑性LCPフィルムに銅箔を被覆し、その後、一定の熱圧着を行うことで、片面または両面のCCL得られます。このタイプのCCLは、吸水率がわずか0.04％で、誘電率は2.85（1GHz）となっており、高周波デジタル回路の要求に適合しています。

ポリマーは液体状態を有しており、加熱されると溶融液晶ポリマー（TLCP）へと溶けます。TLCP の利点としては、射出成形による成形が可能であり、プレス加工によって薄膜に成形して PCB およびフレキシブル PCB 用の基板材料とすることができる点が挙げられます。さらに、二次加工が可能で、リサイクルおよび再利用も行えます。TLCP は吸湿性が低く、高周波特性に優れ、熱次元安定性も高いため、フレキシブル PCB への適用が始まっています。

環境要件に適合したハロゲンフリー柔軟基板材料

早くも2003年の時点で、EU は RoHS および WEEE を公布し、6種類の有害物質の使用と、廃電気・電子機器の処理を禁止しました。RoHSは、プリント基板の難燃剤として使用される臭素および表面コーティング中の鉛に関係しています。

ハロゲンフリー基板は、リジッドPCBとフレキシブルPCBの両方で開発・適用されている。FCCL、カバーレイ、プリプレグ、ソルダーレジストおよび補強板などのフレキシブル基板材料は、難燃性を備え、かつハロゲンフリーでなければならない。

新型銅箔

フレキシブルPCBの主要な導電材料は銅または銅箔であり、場合によってはアルミニウム、ニッケル、金、銀などの合金も使用される。導電性に加えて、導体層は屈曲に対する耐性を備えていなければならない。製造方法の違いに応じて、銅箔は電解（ED）銅箔と圧延焼鈍（RA）銅箔に分類される。これら2種類の銅箔の違いは結晶形状の違いにあり、RA銅箔は柱状配列の形状を有し、構造が均一かつ平坦で、粗化およびエッチング処理がしやすい。ED銅箔は魚のうろこ状の形状を有し、平滑で靭性に優れるが、粗化やエッチング処理には適さない。高い柔軟性が求められる動的フレキシブルPCBに関しては、通常RA銅箔が用いられる。

現在、高密度フレキシブルPCBは主に電解銅箔（ED銅箔）に依存しています。ピッチが40μmから50μmの範囲にあるPCBの量産要求に対応するために、新たな要件が求められています。1つは銅箔表面の低粗さであり、もう1つは銅箔の超薄化です。

導電性銀ペースト

During theフレキシブルPCB製造のプロセス導電性インクは、ワイヤーまたはシールド層を形成するために絶縁フィルム上に印刷され、この種の導電性インクは主に導電性銀ペーストである。印刷された導電層には、低抵抗であること、確実な接続性を有すること、および柔軟性が求められる。さらに、印刷が容易に行えることと、硬化が迅速であることが必要である。

新しい導電性銀ペーストは、低抵抗性と柔軟性の要求を満たし、熱硬化性または熱可塑性ポリマーフィルム、布地および紙の上に形成される導電性画像の作製が可能です。また、RFID製品に使用されるグラフィックの作製も可能です。導電性銀ペーストを用いた最終製品は、高温保存、湿度試験、および高温・低温サイクル性能の面で適合しています。導電性インクは、環境保護および低コストの要件にも適合した技術の一種でもあります。

感光性PIカバーレイ

従来のPI／接着剤カバーレイでは、高密度、高い寸法安定性、環境保護といったフレキシブルPCBの要求を満たすことができないため、ソルダーレジストインクに類似した高い柔軟性と耐性を備えたPIC（感光性カバーレイ）が開発されました。

これまで、変性エポキシ樹脂またはアクリル樹脂をベースとした液状またはフィルムタイプのPICは、高解像度、優れた接着力および柔軟性を有するため、広範な研究と応用が行われてきた。 しかし、変性エポキシ樹脂またはアクリル樹脂をベースとしたPICは、高密度PCBに適用した場合の寸法安定性が低く、Tgが低いことや耐熱性が低いことが欠点である。

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