JP2005159239A - 高周波用銅箔、それを用いた銅張積層板 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁基板との接着性に優れ、かつ高周波信号の伝送損失も低減する高周波用銅箔を提供する。
【解決手段】 片面または両面における面内の長手方向とそれに直交する方向につき、ＪＩＳ Ｚ ８７４１で規定する方法４で鏡面光沢度を測定したときに、いずれの方向においても、４５度鏡面光沢が２５０以上である高周波用銅箔。
【選択図】 なし

Description

本発明は高周波用銅箔とそれを用いた銅張積層板に関し、更に詳しくは、高周波信号、とりわけＧＨｚ帯域の高周波信号が導体回路に伝送されるプリント配線板の当該導体回路用の銅箔として用いて好適な高周波用銅箔と、それを用いた銅張積層板に関する。

プリント配線板は、通常、次のようにして製造されている。まず、樹脂材料または樹脂材料とガラス繊維の複合材料である絶縁基板の表面（片面または両面）に所定厚みの銅箔を熱圧プレスして接着することにより銅張積層板を製造する。そして、その銅箔に対し、フォトリソグラフィーとエッチング処理を行うことにより所定パターンの導体回路を形成してプリント配線板にする。

その場合、プリント配線板に実装される半導体チップなどの実装密度を高めるために、当該プリント配線板に形成する導体回路のファインパターン化が追求されている。
このファインパターン化にとって重要な問題は、銅箔表面の平滑性を確保しながらも形成された導体回路が絶縁基板から剥離しないように、銅箔と絶縁基板との接着性を高めることである。

銅箔と絶縁基板との接着性を高める方法に関しては、従来から様々な方法が提案されているが、その１つの方法として、銅箔の表面を粗化することにより全体の接着表面積を大きくし、その粗化面を絶縁基板の表面に喰い込ませてアンカー効果を発揮させる方法がある。
その場合、銅箔の粗化面の粗度（凹凸の程度）が大きければ大きいほどアンカー効果は有効に発現する。しかしながら、導体回路のファインパターン化の実現という問題との関係では、銅箔表面の粗度が大きいことは、逆に、導体回路のファインパターン化を阻害することになる。

このようなことから、絶縁基板との間での接着性を確保しつつ、導体回路の形成に際してはそのファインパターン化を可能にすることを目的として、次のような銅箔が提案されている。
例えば、銅箔として電解銅箔を用い、その表面にコブ付け処理を行って銅電着物を結成することにより、表面粗度（Rz）を１.５〜２.０μｍにした銅箔である（特許文献１を参照）。

この銅箔は、その表面粗度（Rz）は小さい、すなわち、銅箔の表面凹凸における山と谷の差が小さいとはいえ、銅箔表面には微細な凹凸が存在しているので全体の表面積は大きくなり、そのため、絶縁基板との接着性が高くなるという効果を発揮する。
一方、現在、携帯電話の小型化・多機能化が急速に進み、またパソコンを中心としたネットワークシステムの構築が進められているが、それは、導体回路のファインパターン化という問題と並んで、短時間で大容量の情報を伝送することを促進している。

そしてそのことに伴って、伝送信号の高速化、すなわち高周波数化が進んでいる。したがって、これらシステムを構成する各種の電気・電子機器に組み込まれるプリント配線板の導体回路には高周波信号が伝送されることになる。
しかしながら、導体回路に高周波信号が流れると、その周波数が高くなればなるほど、導体の表層部に電流分布が集中して、電流密度は導体の表面から深い位置ほど小さくなるという表皮効果が発現する。

このような表皮効果が発現すると、高周波信号は導体の表層部に集中して流れるので、導体回路の表皮抵抗は増大し、導体に伝送されている信号の伝送損失は大きくなる。
なお、電流密度が表面の値の１／ｅ（ｅは自然対数）となるまでの深さをスキンデプス（skin depth）と呼んでおり、このスキンデプスは信号が高周波数化すればするほど小さい値になる。

そして、導体回路と絶縁基板との接着性を高めるために、銅箔の表面粗度を大きくした場合、それは導体回路のファインパターン化を阻害することになるが、他方では、伝送信号の高周波数化が進んで、そのときの導体回路のスキンデプスが導体表面の粗度よりも小さくなると、表皮抵抗は極めて大きくなり、しかも伝送信号は導体回路の凹凸表面に沿って流れることになるので、伝送距離は長くなり、したがって伝送時間も長くなるという問題が発生してくる。

このようなことから、最近のプリント配線板においては、導体回路と絶縁基板との接着性は確保しつつ、高周波信号の伝送時に発生する伝送損失の増大や伝送遅れの発生という問題を解決することが新たに要求されるようになっている。
このような問題に対処することを目的として、例えば導体回路の粗化面における凹凸の頂角を大きくすることにより、表面の凹凸をなだらかにし、それを表面長さ率というファクタを用いて特定した銅箔が提案されている（特許文献２を参照）。

いずれにしても、導体回路のファインパターン化のためには、用いる銅箔の表面に凹凸を形成することが必要であるが、他方では、高周波信号の伝送時における表皮効果に基づく伝送損失の増大を抑制するために、導体回路用の銅箔に関しては、絶縁基板との接着性を確保しつつもその表面凹凸を最小化することが必要になる。
したがって、銅箔の製造・出荷に際しては、上記したような表面凹凸となるように、当該銅箔の製造・管理をすることが要求される。

その場合、銅箔表面の凹凸状態を把握することが必要になるが、銅箔の表面凹凸を表す指標に関しては、従来からＲｚ値、Ｒａ値が一般に使用されており、また新たな指標として前記した特許文献２では表面長さ率が提案されている。
特許第３１５５９２０号公報 特開平５−５５７４６号公報

ところで、上記した指標は、いずれも、銅箔表面の２点間を結ぶ直線上で計測される凹凸の状態を示す指標である。
しかしながら、実際の銅箔の表面凹凸は３次元形状をしているので、２次元の直線上で測定される上記した指標は、３次元形状をしている凹凸の状態を正しく表現しているか否かという点で信頼性に欠けるという問題がある。

例えば、Ｒａ値、Ｒｚ値の場合、実際の表面凹凸がなだらかであろうと、峻厳であろうとも、２点間の直線上の計測点における凹凸の上下振幅が同じであれば、同じＲａ値、Ｒｚ値として測定されることになるからである。
したがって、上記した指標が適正な値として計測された銅箔であったとしても、その銅箔が、実際に、絶縁基板との良好な接着性と高周波信号の伝送損失の増大の抑制機能を両立させる銅箔であるのか否かということは不明確である。

本発明は、銅箔の表面凹凸は３次元形状をしているということに着目し、この表面状態を表す指標として後述の鏡面光沢度を採用することにより、従来の指標の採用によって生じていた上記した問題を解決し、この鏡面光沢度を規定することにより、絶縁基板との接着性が優れ、かつ高周波信号の伝送時における表皮効果に基づく伝送損失の増大も低減することができる高周波用銅箔とそれを用いた銅張積層板の提供を目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明においては、片面または両面における面内の長手方向とそれに直交する方向につき、ＪＩＳ Ｚ ８７４１で規定する方法４で鏡面光沢度を測定したときに、いずれの方向においても、４５度鏡面光沢が２５０以上であることを特徴とする高周波用銅箔（以下、銅箔１という）が提供される。
また、本発明においては、前記銅箔１の前記片面または両面に、粒径０.１〜７μｍの銅粒子が付与されていることを特徴とする高周波用銅箔（以下、銅箔２という）が提供され、更に、前記銅箔１の前記片面または両面に、銅酸化物の皮膜が形成されていることを特徴とする高周波用銅箔（以下、銅箔３という）が提供される。

また、本発明においては、前記銅箔２または前記銅箔３の前記片面または両面に、絶縁基板が接着されていることを特徴とする銅張積層板が提供される。

この銅箔の表面凹凸を表す指標は４５度鏡面光沢であるので、３次元形状をなして存在する表面凹凸の大小を正確に表示することができる。
４５度鏡面光沢の値が小さいということは、光沢度の測定時に入射した光束の散乱が大きくなって、受光器で測定される光量が少ないということ、すなわち、銅箔の表面は大きな光束散乱を起こすほどに３次元形状の凹凸が大きく存在しているということである。

本発明の銅箔の場合は、この４５度鏡面光沢が２５０以上と大きな値であるため、表面凹凸は小さくなっている。そのため、高周波信号の伝送損失は低減することになる。

本発明の銅箔は、圧延銅箔、電解銅箔のいずれであってもよい。
圧延銅箔の場合は、厚みが１００μｍ程度の例えばＣ１１００（タフピッチ銅）の銅条を冷間圧延して例えば厚み９〜３５μｍの銅箔として製造される。
なお、本発明では、このような圧延銅箔の製造時における圧延方向を銅箔の長手方向と呼ぶ。

この冷間圧延時に、例えば圧延の圧下率を２０％以下、圧延速度を１５０ｍ／min以下にするなどにより、銅箔表面の光沢度が調整される。
すなわち、得られた銅箔の表面の任意箇所で、長手方向（圧延方向）とそれに直交する方向（銅箔の幅方向）につき、ＪＩＳ Ｚ ８７４１で規定する方法４に基づいて鏡面光沢度を測定したときに、長手方向、幅方向のいずれの方向においても、４５度鏡面光沢（Ｇｓ４５°）が２５０以上となるように、圧下率や圧延速度が制御される。

一般に、圧下率を低くし、圧延速度を低くすることにより、光沢度の大きい圧延銅箔にすることができる。
電解銅箔の場合は、電解めっき液として硫酸銅と硫酸の混合溶液を用い、これに銅析出形状を整えるために例えばにかわやゼラチンのような添加剤を適量添加し、チタンまたはステンレス鋼の回転ドラムをカソードとし、対極に鉛や酸化イリジウムで被覆したチタンから成る不溶性アノードを用い、両極間に直流電流を通電することにより、一定厚みの電解銅箔を連続的に製造することができる。

製造された電解銅箔のドラム側の面（Ｓ面）は、ドラム表面のレプリカ（ただし凹凸は逆転している）となるので、ドラム表面の凹凸を調整することにより、電解銅箔のＳ面のＧｓ４５°値を２５０以上にする。
なお、電解銅箔の析出面（Ｍ面）は、上記した添加剤を適宜選択して析出銅の形状を調整することにより、その表面凹凸を極小にすることができる。すなわち、Ｓ面の表面凹凸を小さくすることにより、Ｍ面の表面凹凸も小さくすることが可能である。

したがって、ドラムの表面凹凸を小さくし、また添加剤を適切に選択することにより、Ｓ面、Ｍ面の両面におけるＧｓ４５°値を２５０以上にすることができる。
なお、本発明では、得られた電解銅箔において、回転ドラムの回転方向を銅箔の長手方向という。
このようにして、本発明の銅箔１が製造されるが、この銅箔１の表面（片面または両面）は、その長手方向とそれに直交する方向のいずれにおいても、Ｇｓ４５°値が２５０以上の光沢度になっている。

このＧｓ４５°値が２５０より小さい場合には、銅箔１の表面における３次元形状の凹凸が実質的に大きくなっていて、高周波信号の伝送時における伝送損失が増大してしまう。
本発明の銅箔２は、銅箔１の表面に銅粒子を一層ないしは層状に付与することにより、絶縁基板との接着性を銅箔１に比べて高めた銅箔である。

その場合、銅粒子の大きさは０.１〜７μｍの範囲内に制御される。この大きさが０.１μｍより小さい場合は、絶縁基板との接着性が銅箔１に比べてそれほど向上せず、また７μｍより大きくすると、高周波信号の伝送時における伝送損失の増大が認められるからである。
銅箔表面へのこの銅粒子の付与は、例えば次のようにして実施される。

すなわち、銅箔１の表面には例えば５％硫酸を用いて酸処理したのち、この銅箔１を、銅イオン濃度が例えば５ｇ／dm³程度と比較的低濃度に調整された硫酸銅と硫酸の混合溶液の中で、電流密度５〜１５Ａ／dm²で５〜６０秒間カソード分極させることにより、銅箔１の表面に銅粒子を析出させる。このとき、硫酸銅濃度や電流密度などを適宜調整することにより、析出する銅粒子の大きさを制御する。

なお、銅箔が圧延銅箔である場合は、表面に圧延油が付着しているので、酸処理に先立ち、有機溶剤による脱脂、電解脱脂、またはそれら双方の脱脂を行って油分の残留を防止することが必要である。
銅箔３は、銅箔１の表層部を銅酸化物から成る皮膜に化成することにより、その皮膜の働きで絶縁基板との接着性を高めた銅箔である。

例えば、ＮａＣｌＯ₂、Ｎａ₃ＰＯ₄、ＮａＯＨの混合溶液の中に、液温９０℃以上で３〜１５分間銅箔１を浸漬することにより、表層部の銅を酸化銅に転化する。
この銅箔３の場合、銅箔２が銅粒子の付与で接着性を高めているのに対し、銅箔１の表面凹凸を変化させることなく、その表層部を銅酸化物に転化して形成した酸化皮膜で接着性を高めているので、高周波信号の伝送損失の増大の抑制効果は銅箔１の場合と略同等になる。

しかしながら、この銅酸化物の比誘電率は７〜１０程度と大きいので、皮膜が厚くなると、高周波信号の伝送損失は増大する。したがって、皮膜は、銅箔の処理時に混合溶液への浸漬時間を短くしたり、液温をできるだけ低く設定するなど、処理条件を調整することにより、できるだけ薄くすることが好ましい。
本発明の銅張積層板は、上記した銅箔１、銅箔２、銅箔３を、例えば、Ｂステージ状態にある低誘電率のガラス繊維−エポキシ樹脂から成る絶縁基板と重ね合わせたのち全体を熱圧プレスして製造されたものである。

実施例１〜９、比較例１〜４
１．銅箔の製造
圧下率と圧延速度を変化させてＣ１１００（タフピッチ銅）を冷間圧延し、寸法形状は長さ５４０mm、幅５４０mm、厚み３５μｍであり、両面のＧｓ４５°値は表１で示した値になっている各種の圧延銅箔を用意した。

また、回転ドラムの種類、添加剤を適宜に選択して、Ｍ面、Ｓ面がいずれも光沢面になっていて、実質的にマット無存在の電解銅箔（厚み３５μｍ）を製造し、それを、長さ５４０mm、幅５４０mmの寸法で切り出した。この電解銅箔の両面におけるＧｓ４５°値も表１に示した。
これらの銅箔に対しては、表１で示したように、次のような表面処理を行った。なお、圧延銅箔の場合は、表面処理に先立ち、エタノールを用いて脱脂処理を施した。

銅粒子の付与：銅箔の片面をマスキングした状態にして、硫酸銅０.３mol／dm³、硫酸０.３mol／dm³の混合溶液（液温２５℃）に浸漬し、電流密度と通電時間を変化させて各銅箔をカソード分極し、表面に表１で示した粒子径の銅粒子を付与した。
皮膜形成：銅箔の片面をマスキングした状態にして、ＮａＣｌＯ₂ ５０ｇ／dm³、Ｎａ₃ＰＯ₄ １０ｇ／dm³、ＮａＯＨ １５ｇ／dm³の混合溶液（液温９０℃）の中に銅箔を３分間浸漬した。

２．特性の評価
（１）絶縁基板との接着性
次のようにしてピール強度を測定した。
上記したようにして銅粒子を付与した圧延銅箔（５４０mm×５４０mm×３５μｍ）を２枚用意し、ＭＣＬ−ＬＸ６７（商品名、日立化成（株）製のプリプレグ）の上・下に圧延銅箔を重ねた。このとき、銅箔の表面処理剤をプリプレグと合わせるようにした。

この３枚重ねのシートをステンレス鋼板で挟み、徐々に昇温・昇圧していき、温度１８０℃、圧力５MPaの熱圧プレス状態で６０分間保持したのち、徐々に冷却・減圧して銅張積層板を製造した。
得られた銅張積層板から、幅１０mmの試験片を切り出し、その引き剥がし強さ（ｋＮ／ｍ）をピール試験器で測定した。測定温度は２５℃とした。

（２）高周波信号の伝送損失
表面処理が施された各銅箔（厚みはいずれも３５μｍ）を幅１２０μｍの短冊状に切り出して銅箔試料とし、それを、図１で示したように、低誘電率のガラス繊維−エポキシ樹脂から成る２枚のプリプレグ材で挟み込み、更に、各プリプレグ材の表面に厚み３５μｍの銅箔を配置し、全体を熱圧プレスして、厚み２８０μｍの絶縁層の厚み中心位置に銅箔試料が埋め込まれているストリップラインを製造した。ライン長は１ｍとした。このストリップラインの特性インピーダンスは５０Ωになっている。

最外層の銅箔をアースに接続した状態で、銅箔試料に、周波数１.６GHz、３.２GHz、５.０GHzの高周波信号を伝送し、伝送損失を測定した。
以上の結果を一括して表１に示した。

表１から次のことが明らかである。
（１）実施例１〜７の群と比較例１〜３の群を対比して明らかなように、圧延銅箔と電解銅箔のいずれにおいても、４５度鏡面光沢が２５０以上になっている実施例銅箔は、それを満たしていない比較例銅箔に比べると、伝送損失が小さい。しかも、高周波域にいくほど小さくなっている。また、比較例３の場合、ピール強度は高くなっているが、高周波域での伝送損失は大幅に増大している。

このようなことから、高周波域における伝送損失の低減ということからいうと、用いる銅箔の表面粗度は、４５度鏡面光沢で２５０以上に設定すべきであることがわかる。
（２）また、実施例１〜７において、表面処理に関しては、酸化銅皮膜を形成した銅箔と銅粒子を付与した銅箔を比較すると、前者は伝送損失を低減させているがピール強度は、実用強度を維持しているものの、やや低く、逆に後者はピール強度は高いが伝送損失は前者ほど低減していない。

このことは、回路基板への要求性能に対応して、銅箔に対する表面処理の種類を選択できることを示唆している。
（３）銅粒子を付与する場合、比較例４から明らかなように粒子径が８μｍになると、銅箔の４５度鏡面光沢は２５０以上になっていても、ピール強度は高くなるとはいえ伝送損失は大幅に増大する。このようなことから、銅粒子の粒径は７μｍ以下にすべきである。

本発明の銅箔を用いることにより、導体回路をファインパターン化してもその導体回路と絶縁基板との接着性は確保され、同時に導体回路にＧＨｚ帯域の高周波信号を伝送してもその伝送損失が増大しないプリント配線板を製造することができる。
したがって、この銅箔は、最近の高周波信号で駆動する各種の電気・電子機器に組み込まれるプリント配線板用の銅箔として工業的価値は大である。

銅箔の伝送損失測定用ストリップラインの概略を示す部分斜視図である。

Claims (4)

1. 片面または両面における面内の長手方向とそれに直交する方向につき、ＪＩＳ Ｚ ８７４１で規定する方法４で鏡面光沢度を測定したときに、いずれの方向においても、４５度鏡面光沢が２５０以上であることを特徴とする高周波用銅箔。
2. 請求項１の高周波用銅箔の前記片面または両面に、粒径０.１〜７μｍの銅粒子が付与されていることを特徴とする高周波用銅箔。
3. 請求項１の高周波用銅箔の前記片面または両面に、銅酸化物の皮膜が形成されていることを特徴とする高周波用銅箔。
4. 請求項２または３の高周波用銅箔の前記片面または両面に、絶縁基板が接着されていることを特徴とする銅張積層板。

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