JP2000512232A - 回路板用押出し加工芯材積層体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 連続工程による回路板積層体(10)の製造方法は、押出し加工した積層体芯材(12)を利用している。繊維質材料、微小球又は溶融シリカ、触媒、及び熱硬化性樹脂から成る流れが押出し機に供給され、芯材が薄膜状に押出し加工される；外層(18,19)が押出し加工された芯材に貼り付けられる場合がある。

Description

【発明の詳細な説明】 回路板用押出し加工芯材積層体 関連出願に対するクロス・リファレンス 本出願は、出願番号60/045,387出願日1997年5月2日の仮特許出願からの優先権 を主張する。連邦政府後援の研究又は開発に関する供述は適用されない。 発明の背景 電子回路に用いられる回路板は、典型的には、熱硬化性高分子と適切な強化材 料とから成る薄板で作られた多層複合材料で構成される。一般的に、強化材料は 繊維ガラスの様な織ったガラス材料であり、熱硬化性高分子はエポキシ樹脂であ る。多層複合材料の製造において考慮すべき一つの制限事項は積層体の寸法安定 性、特に温度に応じたそれ、の低下である。回路板処理工程での熱サイクルは積 層体を膨張収縮させ、内層間の目標とする接着力や相互接続を失う結果をもたら すことがある。電子装置が効果的に機能を果たすことはこれら相互接続の適正な 位置関係の正確さに依存しているので、相互接続層の故障は多層回路板の廃棄の 理由となる。積層体基板の製造に伴う固有の費用は、必要な高品質保証基準に合 致 しない複合体を廃棄する必要性があることと相まって、先行技術による積層体の 製造を源流部品の割には相対的に高価なものにしている。 米国特許No.5,273,816は改善された寸法安定性を有する積層体を開示しており 、そこでは積層体が、ガラス布の様な強化繊維に比較的高い分子量すなわち850 を超えるエポキシ樹脂を含浸させ、加圧圧縮して製造される。積層体は改善され た寸法安定性を有するが、比較的高い製造費が収益性を低下させる。米国特許No .5,273,816やその他の積層体の製造における有機溶媒の使用は安全と環境上の問 題を起こすことになる。 技術的に要求されていることは、低い誘電率(D_K)と誘電正接(D_F)及び優れた寸 法安定性を有する、印刷回路板用の高品質で押出し加工可能な積層体を、低い費 用で製造する方法である。 発明の要約 本発明の一つの目的は、改善された誘電的性質と共に優れた寸法安定性を有す る押出し加工芯材積層体を提供することである。本発明の更なる目的は、優れた 寸法安定性を有する押出し加工芯材積層体を現在入手できる積層体より低い費用 で製造する方法を提供することである。本発明は積層体の製造における有機溶媒 の使用を排除している。 本発明は押出し加工芯材積層体の製造のための新しい連続工程に関する。押出 し加工芯材積層体は、銅を片面又は両面に、エポキシ・プリプレグを片面又は両 面に、又はプリプレグを片面に銅を反対面に、連続工程で積層することも随意に 可能である。 本発明の押出し加工芯材積層体は基材として、細断ガラス、溶融シリカ、又は 中空微小球を含む。この材料の含有は、積層体中の材料の相対濃度を変化させる ことにより、積層体の望みの誘電率と誘電正接を選ぶことが出来るという利点を 具備している。安価な細断ガラス、溶融シリカ、微小球を積層体製造の原材料と して使うことは製造費を低減する。 積層体押出し機は同時回転双螺子押出し機であり、自己清掃性を有する螺子要 素、最適化された供給装置、及び均一な流動をさせ積層体の寸法安定性と曲げ強 度に寄与するようにガラス繊維を分布させる金型設計、を特徴として備えている 。 押出し加工芯材積層体製造のための本方法の他の一面は、押出し加工された芯 材が押出し機とb-段階化炉との間におかれたカレンダー・ロールにより押出し機 から直接b-段階化炉へと供給されることである。加えて、芯材はプリプレグ及び ／又は銅と一緒にb-段階化炉に同時供給され、炉中で積層される。 図面の簡単な説明 図１は、本発明に従って構成された積層体の断面図である。 図２は、本発明の押出し加工芯材積層体の構成のための全工程設計を示す概略 工程図である。 図３は、図１の工程で用いられる双螺子押出し機の側平立面図である。 図４Ａは、図１の工程で用いられる押出し金型の上平面図である。 図４Ｂは、図１の工程で用いられる押出し金型の側面図である。 図５は、押出し加工積層体の粘度を時間の関数としてグラフ表示したものであ る。 図６は、本発明に従って構成されたb-段階化炉のある程度の詳細を示す。 図７は、図５の炉で用いられるベルトの断面図である。 発明の詳細な説明 本発明は回路板やチップ・キャリヤーの様な電子実装接続材料に使用するため の押出し加工芯材積層体基板に関する。押出し加工芯材積層体基板は、プリプレ グとして知られる回路板積層材料、又は銅の層、又は両者、又は両者の組み合わ せで、両面を積層した押出し加工芯材 で形成されている。図１には、本発明に従って作成された回路板積層体10が示さ れている。積層体10は一から四枚の追加積層体層が接着された積層体芯材12から 成り立っている。図１では、最大の四層が示されており、内側の二層14と16は同 業者間でプリプレグとして知られた、不完全（部分的）硬化状態の織った繊維と エポキシとを基材とする回路板積層体の薄板である。外側の層18と19は銅箔の層 である。 回路板積層体10は、先行技術の回路板積層体と主として積層体芯材12の構成の 点で異なっている。積層体芯材12は普通の織った芯材ではなく、材料を押出し加 工した不織の薄板である。芯材は四つの主成分、繊維質材料成分、熱硬化性樹脂 と触媒、から構成されており、微小球又は溶融シリカの様な誘電的性質を改善す るためのその他の材料を含んでもよい。繊維は、細断紙から作るセルローズ繊維 のように耐久性があり強度と安定性を与えるものであれば、如何なる繊維質材料 でも良いが、望ましくは細断された繊維ガラスが良い。随意に添加される微小球 は、空気で満たされた中空の球で、芯材の重量を低減し誘電的性質を増強する。 望ましい微小球は寸法が１ミクロンから100ミクロンで、中空のガラスから形成 されている。溶融シリカも亦約１ミクロンから100ミクロンの寸法範囲である。 熱硬化性樹脂は回路板製品に使われる熱硬化性樹脂であれば如何なるものでもよ いが、典型的なのはエポキシ樹脂である。触媒は選んだ熱硬化性樹脂と 一緒に使用したときその硬化に触媒作用を及ぼすように選んだ触媒であるが、自 己触媒性の樹脂が使用されて、触媒を必要としない場合も考えられる。これらの 材料を不織の押出し加工芯材12に使用すると、完成積層体材料は約2.5から3.5の 範囲の誘電率(D_K)と0.001から0.008の範囲の誘電正接(D_F）を具備することが可 能となる。相対的な量として、押出し加工芯材の体積に対する四成分の寄与率は 凡そ以下の比である。 繊維質材料 10％から50％ 溶融シリカ 0％から40％ 微小球 0％から40％ 熱硬化性樹脂 25％から60％ 触媒 0％から 5％ 他の優れた誘電的性質を有する材料、例えば水晶、で置換したり又は添加して もよい。 図２に押出し加工芯材積層体基板の生産に用いられる全工程の概略図が示され ている。 普通の銅箔の代わりに他の代替物を外側の層18と19に使用してもよい場合が考 えられる。他の金属伝導層も亦使用できる。伝導層は完成後の押出し芯材にスパ ッタリング又は真空蒸着で付けることが出来る。 図２に押出し機22が配置されている。押出し機22への供給は、基板の押出し加 工芯材の四つの基本成分用の適 切な供給槽による。24に示したのはガラス繊維のような繊維質材料用の槽である 。26に示したのは微小球用の槽で在る。28に示したのは触媒用の供給槽である。 30に示したのは熱硬化性樹脂用の供給槽である。供給槽24,26,28,及び30それぞ れからの供給物は個別に押出し機に供給される。押出し機の出口には押出し機金 型32が在り、そこから押出し機の産出物が出る。押出し機の産出物は、積層体芯 材材料の34で示した押出し加工網状体である。 網状体は次いで段階化領域36に通される。段階化領域36には、最大二本までのプ リプレグ薄板材料の供給ロール38及び、最大二本までの銅箔薄板材料の供給ロー ル40が置かれている。芯材に積層される適切な薄板材料、プリプレグ又は銅箔の 何れか又は両方は、適切な供給ロールから出て、押出し加工積層体芯材の片面又 は両面に隣接した状態で一対のロール42により加圧圧縮される。積層体芯材の如 何なる利用法に置いても、特別な用途に必要な積層体を選択するのに伴って、ゼ ロから二層までのプリフレグ及びゼロから二層までの銅箔が在りうることは、理 解できるであろう。 ここで、押出し加工積層体芯材とそれに加えて芯材にプリプレグ及び銅の層の 何れかを貼り付けたものから構成されている積層体（ラミネート）は、b-段階硬 化炉44を通過する。積層体材料が炉をから出ると、46で剪断機により切断され、 次いで最終の加圧圧縮と硬化のためにプレスの中に装入される。これらの二つの 工程は技術的 に良く知られているのでここでは更に詳しくは説明しない。 図３に示したのは押出し機12の一実施例の幾らか詳細なものである。押出し機 12は二つの螺子52と54から成り、螺子のそれぞれは56,58,62,64,66,68,70,及び7 2と名付けた一連の組合わせ部分から成り立っている。螺子の各部分に置いて二 つの螺子のピッチと間隙は一致している。螺子山は、螺子が互いに自己洗浄性を 持つように交互に配置されている。本発明の押出し加工積層体材料への最初の二 成分の供給品目は、押出し端から最も離れた、図３の左側に相当する、押出し機 螺子の端部に添加される様に特に考慮されている。。添加される最初の材料は繊 維である。この繊維は望ましくは細断繊維ガラスである。押出し機螺子の上流端 に微小球供給槽26から微小球が添加される。微小球は押出し加工積層体の全重量 を軽くし、誘電率を増強させる。 押出し機螺子52を更に下ったところに触媒供給槽28からの触媒の入り口がある 。触媒は押出し機螺子要素60,62,64又は66のどれかから押出し機螺子に入る。触 媒は触媒供給槽28から最初に注入され、エポキシ供給槽からのエポキシがすぐ後 に続く。エポキシ樹脂は触媒から約一インチ下流に注入される。この様な方法を 取ることによって、繊維と微小球とがエポキシと触媒の添加される前に良く混合 されることが保証される。この混合は、供給材料が異なった重量と溶解度を有す るにも関わらず、達 成される。これらの違いは原料の流入の相対位置によって解決することが出来る 。この様にして、均一な特性の積層体材料が創造される。 押出し機螺子52と54は積層体用の組み合わせ材料を図４Ａと４Ｂにより一層詳 細に示した押出し機金型32に供給する。押出し機金型は材料を横方向に広げ且つ 薄い板材料に迄薄くする。押出し機金型の入り口74は押出し機螺子からの材料を 受け取る。大量の材料が押出し機金型を通過して薄くなった端部76へ向かい、生 で未硬化状態の押出し加工積層体芯材の薄板がそこから出てくる。 押出し温度はエポキシ樹脂によって変わる。最も望ましい範囲は樹脂の融体粘 度の温度依存性によって限定される。本発明の実施においては、室温以上で固体 化する如何なる樹脂でも使用できる。同様に、押出し温度と同じく触媒の種類と 量は処理条件を限定する。XUR臭素化エポキシ(Dow社製)を用いた望ましい実施態 様に対して処理条件のグラフ表示が図４に示されており、適正な押出し温度は80 ℃で約十分間で在ることを示している。それ故押出し加工は押出し機及び金型内 で60から90℃で行なわれる。より望ましい温度範囲は65から73℃で、最も望まし い範囲は68から70℃である。接触時間は押出し機内では4分間で、金型内では2分 間である。これにより2-エチル4-メチル・イミダゾール触媒の使用が可能となり 、この触媒は選んだエポキシ樹脂と共用でき且つそれに溶解性があるものである 。この計算とグラフは説明目的 のみで提出したものであり、この型の積層体に対する温度条件と処理時間を決め ることは、十分当業者の能力の範囲内である。 押出し加工芯材34が押出し加工金型から出るや否や、積層体に付加される他の 薄板と一緒にカレンダー・ロール42に取り込まれる。同業者間でb-段階芯材と呼 ばれる不完全（部分的）硬化芯材の最終厚さは、炉４８の入り口で螺子によって 制御される。未硬化積層体はa-段階と呼ばれ、完全硬化積層体はc-段階と呼ばれ る。この技術で良く知られた方法で炉の入り口に片寄りローラーが配置され、片 寄りローラーの片寄りを調節してb-段階積層体全体の厚さが制御できる。ローラ ーが加熱域を通った積層体を通過させ、その後積層体は更に冷却域を通過するこ とを簡単に図示した図６に、この炉についての説明がなされている。高温加熱域 は約175℃に制御されている。炉は冷却又は低温域を備えている。冷却箇所はb- 段階の芯材を冷却するのに使用される。冷却域は特殊な用途においては必ずしも 必要ではないが、押出し加工芯材をa-段階材料として維持したいときには有効で ある。銅箔、プリプレグ層、又は両者は、押出し加工芯材と一緒にb-段階炉の中 へ同時供給できる。炉の高温域において全ての層が予備積層される。 実施例b- 段階芯材を製造するための標準工程 b-段階押出し加工芯材積層体の連続生産に有効であると認められた設備は、図 ２に示した様な螺子要素形状を有するLeistritz社製の34mm同時回転双螺子押出 し機、巻き取りロール、及びb-段階化炉から成っている。双螺子押出し機は次の 部品を備えている：1)定速供絵機(KtronK社製,2LDS-T20)；2)校正した螺子供給 機(Ktron社製,T20-87-035-F1)；3)温度制御炉内に収納されたポンプと容器に連 結された触媒の注入口；4)温度制御炉内に収納されたポンプと容器に連結された エポキシ樹脂の注入口、及び薄板鋳造用の金型。 押出し加工芯材積層体の生産に用いられる原材料は、細断E-ガラス(3/16、Cer tainteed社製）、ガラス中空微小球(B38/4000、3M社製)、エポキシ樹脂(XUR1544 -53744-6、Dow社製)、及び触媒(2E4MI、Aldrich社製）を含むものであった。 触媒とエポキシ樹脂は、それぞれの容器中に入れられ、容器を収納した炉は10 0℃に加熱され、そこで保持された。触媒槽は窒素で10psigに加圧され、エポキ シ槽は窒素で60psigに加圧された。ポンプから対応する注入口迄の配管は80℃二 加熱され、そこで保持された。押出し機と金型の温度は70℃に設定された。両供 給機とも12g/minに設定された。押出し機の速度は50rpmに設定された。 生産は以下の様に行なわれた。第一にエポキシ用ポンプを5rpmで運転開始しゆ っくりと28rpmまで増加した。 次に、細断ガラスと微小球供給機を運転開始した。安定化された押出し機金型か ら材料が流れ出た後で、押出し加工薄板は巻き取りロールと間隙を狭めたロール との間に配置された。薄板の厚さが安定化した後、触媒ポンプを運転開始した。 放出した触媒の量はエポキシ樹脂含有量を基準として1.2％（重量比）であった 。巻き取りロールからの産出物は次いでb-段階化炉に供給される。b-段階化炉内 の接触時間は5分間である。b-段階芯材の硬化は175℃で500又は1000psigにおい てプレス中で行なった。 Dow社製の樹脂を用いた完全cured芯材は、用いた触媒の量に依存して約145か ら180℃の範囲のTgを有し、細断ガラスに対する微小球の比に依存して約2.5から 3.5の範囲のD_Kを有していた。 本方法で作成した押出し加工芯材積層体（コアラミネート）は、単独で、又は 銅を張って積層芯材回路板として使用でき、多層基板に組み込まれる積層部品と して供給される場合もある。押出し加工芯材基板は寸法的に安定で、従来のプリ プレグを積み重ねて作る類似の厚さの積層体より低い誘電率と少ない製作費を具 備している。 本発明がここに説明した特別の実施態様に限定されず、以下の特許請求の範囲 内で考えられる実施態様を変更修正した全ての形を包含することは理解されねば ならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２９Ｋ 105:06 Ｈ０５Ｋ 1/03 ６１０Ｔ 63:00 Ｂ２９Ｌ 31:34 Ｂ２９Ｂ 11/16 Ｈ０５Ｋ 1/03 ６１０ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 マレス、フランク アメリカ合衆国 07981 ニュージャージ ー州 ホィッパニー ヴァリー フォーグ ドライブ 32 (72)発明者 プラット、ジェフリー ディー. アメリカ合衆国 07828 ニュージャージ ー州 バッド レイク アルクレスト ア ヴェニュー 18 (72)発明者 オルソン、ラリー ディー. アメリカ合衆国 54665 ウィスコンシン 州 ヴィロカ（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．以下の各ステップを具備する不完全硬化回路板積層体の製造方法。 (1)繊維質材料、(2)誘電体材料の中空微小球と溶融シリカから成る群から選ん だ一要素、(3)触媒、及び(4)熱硬化性樹脂の連続的流れを押出し機に添加するス テップ。 押出し機から積層体芯材材料の押出し加工した薄い膜を押出すステップ。 未硬化押出し加工芯材回路積層体を形成するために、押出し加工積層体芯材材 料の少なくとも一つの面にプリプレグ積層体層と金属伝導性層から成る群から選 んだ少なくとも一つの層を置くステップ。 少なくとも不完全に硬化した押出し加工芯材回路板積層体材料を形成するため に、積層された芯材を圧力下で加熱するステップ。 ２．細断ガラスが細断E-ガラスであることを特徴とする、請求項１の方法。 ３．微小球がガラスの中空微小球であることを特徴とする、請求項１の方法。 ４．微小球と溶融シリカの両者が工程(a)において添加 されることを特徴とする、請求項１の方法。 ５．エポキシ樹脂が臭素化エポキシ樹脂であり、触媒が臭素化エポキシ樹脂に 可溶性の触媒であることを特徴とする、請求項１の方法。 ６．触媒が樹脂の体積の約0から5％（体積比）添加されることを特徴とする、 請求項４の方法。 ７．以下を具備する多層回路板に用いられる積層体。 （Ａ）繊維質材料と熱硬化性エポキシ樹脂から形成された押出し加工芯材積層 体、ここで芯材はガラス微小球と溶融シリカから成る群から選ばれた充填材料を 積層体芯材の体積の１％から40％の範囲で混合されている。 （Ｂ）積層体芯材の少なくとも一つの面に張り付けられた一から四の追加薄板 層、ここで薄板層はプリプレグ薄板層と銅箔から成る群から選ばれたものである 。 ８．繊維質材料が繊維ガラスであることを特徴とする、請求項７の積層体。 ９．ガラス微小球が寸法で約１ミクロンから100ミクロンであることを特徴と する、請求項７の積層体。 １０．積層体が約2.5と3.5の間の誘電率を有すること を特徴とする、請求項７の積層体。 １１．積層体が約0.001と0.008の間の誘電正接を有することを特徴とする、請 求項７の積層体。