JP6323982B2

JP6323982B2 - 伸縮性基板を備える電子部品及びその製造方法

Info

Publication number: JP6323982B2
Application number: JP2013035559A
Authority: JP
Inventors: 半村　哲; 哲半村
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2033-02-26
Also published as: JP2014162124A

Description

本発明は、伸縮性基板を備える電子部品及びその製造方法に関する。

近年、伸縮性エレクトロニクスあるいはストレッチャブル・エレクトロニクスと呼ばれる技術分野が注目されている。この技術分野は、伸縮性を有する基板上に複数の素子を搭載し、それらを配線で接続して電子部品・機器を作製するものである。
従来のフレキシブル基板では、基板自体がフレキシブルではあっても伸縮性を有していないため、人体に密着して配置され、人体の動作に追随させる用途や、複雑な形状の物体の表面を覆うように配置される用途に用いることは困難であった。

ストレッチャブル・エレクトロニクスを実現するには、伸縮性を有する基板、及び基板上に搭載された素子間を接続する伸縮性を有する配線が必要である。伸縮性を有する基板としては、エラストマーからなるフィルムやシートがあり、伸縮性を有する配線を形成する手法も知られている。しかし、伸縮性を有する素子はこれまで知られておらず、エラストマーからなる伸縮性基板上に素子を搭載し、伸縮性配線により接続した場合、基板を伸縮させると、素子が破壊されてしまう。

これを防止するため、基板の表面に伸縮性を有しないアイランドを複数個配置し、これらの上に回路要素を搭載し、これら回路要素を接続部で接続する、弾性変形可能な集積回路装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、従来技術による構造では各アイランドが基板表面から突出しているため、配線がアイランドと基板表面との境界を跨ぐように形成されている場合、アイランドと基板表面との段差部分において配線の一部が垂直方向に形成されることになる。そのため、基板の伸縮を繰り返すうちに段差部分で配線の断線が生じやすいという問題がある。

特表２００９−５３３８３９公報

本発明は、以上の事情を考慮してなされ、基板を伸縮した際の素子の破壊及び配線の断線を防止した伸縮性基板、その製造方法、及び伸縮性基板を備える電子部品を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、伸縮性を有する材料からなる基材と、前記基材よりもヤング率の大きい材料からなるアイランドとを具備し、前記アイランドが、前記基材の一方の主面に露出した状態で、前記基材に埋め込まれていることを特徴とする伸縮性基板を提供する。
以上のように構成される伸縮性基板において、アイランドを、その表面と基材の一方の主面との境界に段差が形成されることなく平坦になるように基材内に埋め込んだ構成とすることができる。

伸縮性を有する材料として、エラストマーを用いることができる。また、エラストマーとして、シリコーンゴムを用いることができる。
基材よりもヤング率の大きい材料として、基材を構成するエラストマーと同一のエラストマーを主成分として含むものを用いることができる。この場合、基材よりもヤング率の大きい材料として、基材を構成するエラストマーと同一のエラストマーにフィラーを添加したものを用いることができる。フィラーとしては、シリカ粉末を用いることができる。

あるいは、前記基材よりもヤング率の大きい材料として、前記基材を構成するエラストマーに用いた場合よりも多い配合比の架橋剤又は硬化剤を用いて調製したエラストマーを用いることができる。
本発明の第２の態様は、上述した本発明の第１の態様に係る伸縮性基板を製造する方法であって、前記基材よりもヤング率の大きい材料からなるアイランドを形成する工程と、伸縮性を有する材料からなる基材の一方の主面に露出するように、前記基材に前記アイランドを埋め込む工程を具備することを特徴とする伸縮性基板の製造方法を提供する。

以上のように構成される伸縮性基板の製造方法において、アイランドを下地基板上に形成し、基材内にアイランドを埋め込む工程を、アイランドが形成された下地基板の周囲に液状基材材料を注型した後、硬化させ、次いでアイランドが露出するように下地基板を除去することにより行うことができる。
下地基板上へのアイランドの形成を、印刷により行うことができる。この場合、印刷として、メタルマスク印刷又はスクリーン印刷を用いることができる。

本発明の第３の態様は、上述した本発明の第１の態様に係る伸縮性基板上に、素子及び／又は配線が形成されてなることを特徴とする電子部品を提供する。
以上のように構成される電子部品において、素子をアイランド上に形成することができる。また、前記配線を、前記アイランドと基材の境界を跨ぐように形成することができる。この場合、配線として伸縮性配線を用いることができる。

本発明によれば、伸縮した際の素子の破壊及び配線の断線を防止した伸縮性基板、その製造方法、及び伸縮性基板を備える電子部品が提供される。

本発明の一実施形態に係る伸縮性基板を示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る電子部品を示す断面図である。本発明の更に他の実施形態に係る伸縮性基板の製造方法を工程順に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る伸縮性基板１を示す断面図である。図１に示す伸縮性基板１は、基材２と、その表面内部に埋め込まれたアイランド３ａ，３ｂとから構成されている。アイランド３ａ，３ｂは、その上面が基材２の一方の主面に露出するように、かつ、アイランド３ａ，３ｂの上面と基材２の一方の主面とが段差がないように埋め込まれていることが好ましい。なお、完全に段差がない場合に限らず、配線の接続に影響がない範囲で、多少の段差の存在は許容される。

基材２は伸縮性を有する材料からなり、そのような材料として、エラストマーを用いることができる。エラストマーとしては、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、天然ゴム、アクリルゴム、熱可塑性エラストマー等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
アイランド３ａ，３ｂを構成する材料は、基材２を構成する材料よりもヤング率の大きい材料であればよく、特に限定されない。エラストマー、樹脂、セラミック等を用いることができる。導電性を有していてもよい用途では、金属を使用することも可能である。

また、アイランド３ａ，３ｂを構成する材料は、基材２を構成する材料のヤング率の2倍以上のヤング率を有することが好ましい。具体的には、基材２を構成する伸縮性を有する材料は、通常、０．１〜１０ＭＰａのヤング率を有しており、アイランド３ａ，３ｂを構成する材料は、０．２MPa以上のヤング率を有していることが好ましい。

なお、アイランド３ａ，３ｂを構成する材料として、基材２を構成するエラストマーと同一のエラストマーを主成分とするものを用いることが好ましい。そうすることにより、基材２とアイランド３ａ，３ｂとの密着性を向上させることができ、基板１の伸縮を繰り返しても、基材２からアイランド３ａ，３ｂが剥離するのを防止することができる。

基材２を構成するエラストマーと同一のエラストマーを主成分とするものとして、基材２を構成するエラストマーと同一のエラストマーにフィラーを添加したものを用いることができる。このようにフィラーを添加することにより、主成分が基材２を構成するエラストマーと同一でありながら、ヤング率を大きくすることができる。フィラーとしては、シリカ粉末、カーボンブラック、アルミナ粉末等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。フィラーの添加量は、所望のヤング率を得られる範囲で適宜選択してよいが、通常は、当該アイランドの材料の全重量に対して１〜６０重量％である。

基材２を構成するエラストマーと同一のエラストマーを主成分とするものとして、基材２を構成するエラストマーに用いたよりも多い配合比の架橋剤又は硬化剤を用いて調製したものを用いることができる。このように、架橋剤又は硬化剤の配合比を多くすることによっても、ヤング率を大きくすることができる。この場合、アイランド３ａ，３ｂを構成する材料のエラストマーの架橋剤又は硬化剤の配合比は、所望のヤング率を得られる範囲で適宜選択してよい。

図１では、基材２に２個のアイランドを埋め込んだが、アイランドの数は特に限定されず、必要に応じて選択することができる。また、アイランドの配置も必要に応じて選択することができる。アイランドの形状、サイズ、厚さについても、必要に応じて任意に選択することができる。

図２は、以上説明した図１に示す伸縮性基板１を用いて構成された電子部品である。図２に示す電子部品４において、アイランド３ａ，３ｂ上にはそれぞれ素子５ａ，５ｂが搭載されており、それぞれの素子５ａ，５ｂ間は、配線６により接続されている。配線６としては、伸縮性配線を用いることが好ましい。伸縮性配線としては、カーボンや金属等からなる導電性粒子を含む樹脂からなるものを挙げることができる。

以上のように構成される電子部品では、基材２が伸縮したとしても、それに埋め込まれたアイランド３ａ，３ｂは、基材２よりも高いヤング率を有するため、基材２の伸縮に追随せず、そのため、アイランド３ａ，３ｂ上に搭載された素子５ａ，５ｂが破壊されることはない。また、アイランド３ａ，３ｂと基材２の表面との境界における段差が無いか、もしくは十分小さいため、アイランドと基材との境界上で伸縮により配線６が断線することもない。更に、アイランド３ａ，３ｂは基材２に埋め込まれているため、基材２の伸縮が繰り返されても、アイランド３ａ，３ｂが基材２から剥離することがなく、このような伸縮性基板自体、従来の伸縮性基板に比べ、高強度を確保することができる。

次に、以上説明した伸縮性基板の製造方法について、図面を参照して説明する。
図３は、本発明の他の実施形態に係る伸縮性基板の製造方法を工程順に示す断面図である。
まず、図３（ａ）に示すように、下地１０上にアイランド１３を形成する。図３では、１個のアイランドを形成した例を示すが、上述したように、アイランドの数及びその配置は任意であり、適宜選択することができる。
下地１０の材質は、特に限定されず、その上にアイランド１３が形成できればよく、たとえば、ガラス基板、金属基板、樹脂基板等を用いることができる。

アイランド１３の材質は、上述したものを用いることができる。アイランド１３の形成方法は、特に限定されず、例えば、アイランド材料を印刷した後、硬化する方法により形成することができる。印刷方法は、材料の特性等に応じて任意の印刷法を選択することができる。例えば、金属マスクを用いた金属マスク印刷法及びスクリーン印刷に代表される孔版印刷法は、厚膜の印刷が可能であるため、アイランドの厚膜化が容易になるという利点を有する。なお、金属マスク印刷法における金属マスクの厚さは、アイランドの厚さに合わせて設定する必要がある。また、印刷方法としては、ディスペンサー、インクジェット等を用いる無版印刷を用いることも可能である。

アイランド１３の形成は、印刷法によらず、アイランド材料を型に入れて硬化させるなどの方法であらかじめ別途形成したアイランド１３を下地１０表面に張り付けることにより行うことも可能である。
次いで、図３（ｂ）に示すように、アイランド１３が形成された下地１０を容器２０内に収容し、その中に液状の基材用材料２２を流し込む。基材用材料２２としては、上述した基材２を構成するエラストマーの硬化前の液状エラストマーを用いることができる。その後、常温で放置あるいは加熱することにより、液状エラストマーを硬化させる。

次に、硬化したエラストマーの不要部分を除去し、下地１０から剥離することにより、図３（ｃ）に示すように、基材１２内にアイランド１３が埋め込まれた伸縮性基板１１が完成する。
なお、以上の実施形態では、液状の基材用材料、例えば液状エラストマーを用い、アイランド１３が形成された下地１０を収容する容器内に注入したが、必要に応じて、液状エラストマー以外のエラストマーを用いることも可能である。例えば、金型内にアイランドと架橋剤を配合した原料エラストマーを圧入し、加硫成型処理を行うことによっても、基材内にアイランドが埋め込まれた伸縮性基板を得ることができる。

以下、本発明の実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。
実施例１
まず、アイランド材料を調製する。アイランド材料は、フィラーを含む液状エラストマーからなり、フィラーとして下記のシリカ粉末を、液状エラストマーとして下記の液状シリコーンゴムを用いた。

液状シリコーンゴム：Sylgard 184（商品名、東レ・ダウコーニング社製）
シリカ粉末：Carplex CS-7(商品名、ＤＳＬジャパン社製)
Sylgard 184は、主剤と硬化剤からなる２液式の液状シリコーンゴムであり、主剤と硬化剤を混合することにより硬化が進行する。硬化前は常温で液状であり、硬化により伸縮性を有するシリコーンゴムとなる。

アイランド材料の調製は、Sylgard 184の主剤と硬化剤、及びシリカ粉末を混合することにより行った。配合比は、主剤：硬化剤＝１０：１（重量比）とし、混合物中のシリカ粉末の割合を４０重量％とした。
以上のように調製したアイランド材料を、図３（ａ）に示すように、寸法４×４ｃｍのガラス基板１０のほぼ中央に印刷し、１個のアイランド１３を形成した。印刷方法は、厚さ０．２ｍｍのメタルマスクを用いた印刷であり、アイランド１３の形状は、直径５ｍｍの円形とした。なお、厚さ０．４ｍｍのメタルマスクを用いてもよく、またアイランド１３の形状を、直径８ｍｍの円形、５ｍｍ角又は８ｍｍ角の正方形としてもよい。

次いで、図３（ｂ）に示すように、アイランド１３が形成されたガラス基板１０を容器２０内に収容し、その中に液状の基材用材料２０としてSylgard 184を流し込んだ。Sylgard 184は、主剤：硬化剤＝１０：１（重量比）となるように混合したものであり、シリカ粉末は添加していない。Sylgard 184を流し込む量は、形成される基材の厚さが１ｍｍになるように計算した液量とした。

次に、室温又は加熱条件下でSylgard 184を硬化させた。硬化したSylgard 184のヤング率は１．４ＭＰａであった。なお、アイランド１３を構成する硬化したシリカ粉末含有Sylgard 184のヤング率は２４ＭＰａであった。
その後、硬化したSylgard 184の不要部分を除去し、ガラス基板１０から剥離することにより、図３（ｃ）に示すように、基材１２内にアイランド１３が埋め込まれた伸縮性基板１１が完成した。

このようにして得られた伸縮性基板１１では、アイランド１３は基材１２内に埋め込まれているため、アイランド１３と基材１２表面とは段差がなく、平坦な構造であった。この伸縮性基板１１のアイランド１３の上に素子を搭載し、伸縮性基板１１を伸縮させた場合であっても、素子が破壊されることはない。また、伸縮性基板表面においては、埋め込まれたアイランドの素子実装面とその周囲の基材主面との境界部分が平坦であるため、伸縮性基板の伸縮を繰り返しても、前記境界を跨いで形成された伸縮性配線が断線することはなかった。更に、アイランド１３と基材１２とは密着しているため、アイランド１３が基材１２から剥離することもなかった。

実施例２
実施例１では、ガラス基板上にシリカ粉末を含むSylgard 184を印刷し、硬化させてアイランド１３を形成したが、本実施例では、あらかじめチップ状に成型し、硬化させた後のアイランド１３をガラス基板１０上に張り付けることによりアイランド１３を形成した。
即ち、実施例１で用いたのと同様のアイランド材料を型に注入し、加熱硬化させた後、型から取り出し、ガラス基板１０に張り付けた。

その後は、実施例１と同様の手順で、アイランド１３が形成されたガラス基板１０を収容する容器２０内にSylgard 184を流し込み、硬化させ、硬化したSylgard 184の不要部分を除去し、ガラス基板１０から剥離することにより、図３（ｃ）に示すように、基材１２内にアイランド１３が埋め込まれた伸縮性基板１１が完成した。

実施例３
実施例１では、アイランド材料として、シリカ粉末を添加したSylgard 184を用いたが、本実施例では、シリカ粉末を添加せず、基材材料としてのSylgard 184よりも硬化剤の配合比を多くしたSylgard184を用い、基材よりも高いヤング率のアイランド１３を形成した。

即ち、アイランド材料として、主剤と硬化剤の配合比＝５：１（重量比）のSylgard 184を用い、基材材料として、主剤と硬化剤の配合比＝１５：１（重量比）のSylgard 184を用いたことを除いて、実施例１と同様の手順で、伸縮性基板を形成した。
なお、硬化後のアイランド１３のヤング率は１．５ＭＰａ、硬化後の基材１２のヤング率は０．５７ＭＰａであった。

１，１１…伸縮性基板
２，１２…基材
３ａ，３ｂ，１３…アイランド
４…電子部品
５ａ，５ａ…素子
６…配線
１０…ガラス基板
２０…容器
２２…基材用材料。

Claims

エラストマーからなる基材と、エラストマー、樹脂、及びセラミックからなる群から選択された、前記基材よりもヤング率の大きい材料からなる第１のアイランド及び第２のアイランドとを具備し、前記第１及び第２のアイランドの上面が前記基材の一方の主面に露出した状態で、前記第１及び第２のアイランドが前記基材に埋め込まれている伸縮性基板、
前記第１及び第２のアイランド上にそれぞれ形成された第１の素子並びに第２の素子、及び
一端が前記第１の素子に接続され、他端が前記第２の素子に接続され、前記第１のアイランド表面、前記基材表面、及び前記第２のアイランド表面に、前記第１のアイランドと基材及び前記第２のアイランドと基材を跨いで形成された伸縮性配線
を備え、
前記エラストマーが、シリコーンゴムであり、
前記基材よりもヤング率の大きい材料が、前記基材を構成するエラストマーと同一のエラストマーを主成分として含む
ことを特徴とする電子部品。
前記第１及び第２のアイランドは、その表面と前記基材の一方の主面との境界に段差が形成されることなく平坦になるように前記基材に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
前記基材よりもヤング率の大きい材料が、前記基材を構成するエラストマーと同一のエラストマーにフィラーを添加してなることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
前記フィラーはシリカ粉末であることを特徴とする請求項３に記載の電子部品。
前記基材よりもヤング率の大きい材料が、前記基材を構成するエラストマーに用いたよりも多い配合比の架橋剤又は硬化剤を用いて調製されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
請求項１〜５のいずれかに記載の電子部品を製造する方法であって、
エラストマー、樹脂、及びセラミックからなる群から選択された、前記基材よりもヤング率の大きい材料からなる第１及び第２のアイランドを形成する工程と、
エラストマーからなる基材の一方の主面に露出するように、前記基材に前記第１及び第２のアイランドを埋め込む工程と、
前記第１及び第２のアイランド上にそれぞれ第１の素子及び第２の素子を形成する工程と、
一端が前記第１の素子に接続され、他端が前記第２の素子に接続され、前記第１のアイランド表面、前記基材表面、及び前記第２のアイランド表面に、前記第１のアイランドと基材及び前記第２のアイランドと基材を跨いで伸縮性配線を形成する工程
を具備することを特徴とする電子部品の製造方法。
前記第１及び第２のアイランドは下地基板上に形成され、前記基材に前記第１及び第２のアイランドを埋め込む工程は、前記第１及び第２のアイランドが形成された下地基板の周囲に液状基材材料を注型した後、硬化させ、次いで前記第１及び第２のアイランドが露出するように前記下地基板を除去することにより行うことを特徴とする請求項６に記載の電子部品の製造方法。
前記下地基板上への第１及び第２のアイランドの形成は、印刷により行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の電子部品の製造方法。
前記印刷は、メタルマスク印刷又はスクリーン印刷であることを特徴とする請求項８に記載の電子部品の製造方法。