JP2005510827A - プリント配線板のスルーホール充填用組成物 - Google Patents

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Abstract

導電性粉末とバインダーとを含む導体組成物であって、導電性粉末対バインダーの比が95:5から70:30であり、バインダーが、(a)常温で半固体であり、官能基の平均数が2より大きいエポキシ化合物と、(b)常温で実質的に揮発性を有さない単官能性の反応性稀釈剤と、(c)硬化剤と、(d)硬化触媒と、から構成される導体組成物。前記組成物は、ボイドのない良好なホール充填特性を提供し、メッキされるかまたはメッキされなくてもよいスルーホールで多層プリント配線板の良好な層間接続を提供する。

Description

本発明は、プリント配線板(PWB)のスルーホールを充填するために用いられる導体組成物に関する。充填済みスルーホールは、PWBの回路層間の層間接続を達成する。
(特許文献1)および(特許文献2)に記載されているような先行技術の、スルーホール充填用導体厚膜組成物は、反応性稀釈剤および固体潜硬化剤と併用して、常温で15Pa・s以下の粘度を有する二官能性液体エポキシ樹脂、または固体エポキシ樹脂を含む組成物を利用している。
しかしながら、前記組成物の粘度は、ボイドを中に形成させないように導体組成物でスルーホールを充填しようとする時にある程度低下されなくてはならない。これは、バインダー中の導電性粉末の量を低減または多量の脂肪族エポキシ化合物を使用することを必要とするので、硬化組成物の抵抗を増加させるか、またはそのガラス転移温度を低下させるという好ましくない結果となった。
(特許文献3)には、酸無水物と併用して、分子にヒドロキシル基を含まないエポキシ樹脂を含む組成物を使用することが記載されている。しかしながら、ヒドロキシル基を含まないエポキシ樹脂を得るには、繰り返して分子蒸留することを必要とする。更に、得られたエポキシ樹脂は高純度を有するので、晶出する傾向があり、それは作業効率に非常にかなりの悪影響を及ぼす。
特許第2603053号明細書 特開平11−209662号明細書 特開平5−20918号明細書
したがって、本発明の目的は、組成物中の導電性粉末の量を低減させることなくスルーホールを充填するのに適した粘度を示し、ガラス転移温度の低下を最小にし、低い抵抗を有すると共にメッキした、およびメッキしないスルーホールの良好な層間接続を達成することができる導体組成物を提供することである。
本発明は、導電性粉末とバインダーとを含む導体組成物を目的とし、導電性粉末対バインダーの比が95:5から70:30であり、前記バインダーが、
(a)常温で半固体であり、官能基の平均数が2より大きいエポキシ化合物と、
(b)常温で実質的に揮発性を有さない単官能性の反応性稀釈剤と、
(c)硬化剤と、
(d)硬化触媒とを含む。
本発明は、導電性粉末とエポキシ樹脂バインダーとを含む導体組成物を提供し、そこにおいて、エポキシ樹脂バインダーベースが、必須成分として官能基の平均数が2より大きいエポキシ化合物と、単官能性の反応性稀釈剤とから構成される。本発明の組成物は、少量で存在している時でも硬化反応を引き起こすことができるカチオン重合開始剤または常温で液体である硬化剤から選択される硬化剤と、少量の硬化触媒とを含有する。
スルーホール導体厚膜組成物は、導電性粉末とバインダーとを含み、導電性粉末対バインダーの比が95:5から70:30である。所与の組成物中の導電性粉末は、単一のタイプの粉末、それらの混合物、それらの合金、いろいろな元素の化合物、または前述の組合せまたは混合物を含むことができる。かかる粉末の実施例には、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、白金、パラジウム、モリブデン、タングステン、タンタル、スズ、インジウム、ランタン、ガドリニウム、ホウ素、ルテニウム、コバルト、チタン、イットリウム、ユーロピウム、ガリウム、硫黄、亜鉛、ケイ素、マグネシウム、バリウム、セリウム、ストロンチウム、鉛、アンチモン、導電性炭素、およびそれらの組合せ、厚膜組成物の技術分野に一般的な他の粉末などがある。
本発明に用いられてもよい、官能基の平均数が2より大きいエポキシ樹脂の実施例には、エピクロロヒドリンを、アルキルフェノールとホルムアルデヒトまたはジシクロペンタジエンとの縮合物(例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック)と配合することによって調製された化合物、かかる縮合物をビスフェノールタイプのエポキシ樹脂、トリヒドロキシトリフェニルメタントリグリシジルエーテルなどの多官能性エポキシ化合物、またはグリシジルアミンタイプのエポキシ化合物と配合することによって調製された化合物、などがある。エポキシ樹脂は好ましくは、常温で半固体である。
本発明に用いた単官能性の反応性稀釈剤は、高級アルコールのグリシジルエーテルまたはアルキルフェノール(例えば、ノニルフェノール)およびエピクロロヒドリンから調製された化合物であってもよい。蒸気圧が0.5mmHg以下である反応性稀釈剤が好ましい。蒸気圧が0.5mmHgより大きい反応性稀釈剤は容易に揮発する傾向があり、それは、プリントまたは貯蔵中に組成物の粘度を増大させることがある。
官能基の平均数が2より大きい半固体のエポキシ化合物対単官能性の反応性稀釈剤の比は好ましくは、90:10から50:50である。エポキシ樹脂の比が90%より大きい場合、稀釈剤の効果の低下をもたらすことがあり、それによって、組成物の粘度を下げることがある。他方、反応性稀釈剤の比が50%を超える場合、硬化する間に三次元母材を達成するのを不可能にすることがある。
本発明に用いられてもよいカチオン重合開始剤の具体例には、第三アミン、イミダゾール、ルイス酸塩(BF3−アミン錯体)、およびブレンステッド酸性塩(芳香族スルホニウム塩、芳香族ジアゾニウム塩)などがある。ルイス酸塩は、エポキシ樹脂に溶解し、潜在性(latency)を示すので、好ましい。
エポキシ樹脂ベース(反応性稀釈剤を含める)およびカチオン重合開始剤が本発明で用いられる相対的な比は、99:1から90:10の範囲から選択されてもよい。開始剤1%未満で、硬化反応を引き起こすのが難しい傾向がある。他方、開始剤を10%より多くすると、硬化反応を直ちに引き起こすことがあり、それは、導体組成物がスルーホールに充填されて硬化されるとき、ボイドの形成などの望ましくない結果につながることがある。
本発明で用いられてもよい液体の酸無水物硬化剤の具体例には、ヘキサヒドロフタル酸無水物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物およびメチルテトラヒドロフタル酸無水物などのジカルボン酸無水物およびそれらの誘導体、無水トリメリト酸トリグリセリド(trimellitic anhydride triglyceride)などのポリカルボン酸無水物の誘導体、などがある。酸無水物が硬化剤として用いられるとき、第三アミン、イミダゾールまたはアミン化合物などの硬化触媒もまた、用いられてもよい。アミン化合物の使用は、貯蔵安定性の観点から好ましい。
本発明に用いた酸無水物硬化剤の量は、エポキシ樹脂ベース中のエポキシ官能基1個当たり0.7〜1.3当量の範囲から選択されてもよい。この範囲外の酸無水物硬化剤の量は、不十分な硬化をもたらすことがある。
硬化触媒の量は、エポキシ樹脂ベースと硬化剤との混合物100部当たり1〜5部から選択されてもよい。硬化触媒1部未満で、エポキシ樹脂ベースおよび硬化剤は反応できないことがあるのに対して、5部より多い場合、組成物の粘度を増大させ、好ましくない貯蔵安定性をもたらすことがある。
本発明の導体組成物は典型的には、機械混合手段によって(例えば、ロール機で)製造され、スクリーンプリントに適した稠度およびレオロジーを有するペースト状組成物を形成し、好ましくは、ブルックフィールド粘度計で#14スピンドルおよびユーティリティカップを用いて25℃で0.5rpmでの粘度測定値を10rpmでの粘度測定値によって割った値として定義される粘度比が、7.5以下である。得られたペーストは、バイア(via)の充填物のボデーにボイドを形成することなく良好なホール充填特性を示す。得られたペーストによる充填済みバイアを、簡単に磨くように造形し、その後に、メッキを充填済みバイアの上面に適用し、電気部品が充填済みバイアのかかるメッキ上面に直接に取付けられる。
前記組成物の形成を実施例に記載し、組成物の試験結果を表1にまとめた。
(実施例1)
以下の成分を、三本ロール機中で混合、ブレンドおよび分散させ、ブルックフィールド粘度計で25℃で測定した時、40Pa・sの粘度を有する導体組成物を得た。フェノールエポキシノボラック(ダウ・ケミカル・カンパニー(The Dow Chemical Co.)によって市販されている「デン」(DEN)431、25℃での粘度、60Pa・s)10部、単官能性アルキルグリシジルエーテル(エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ社(Air Products and Chemicals,Inc.)によって市販されている「エポシル」(EPOSIL)759)4.5部、三フッ化ホウ素−エチルアミン錯体0.75部、7μmの平均粒度を有する球状銀粉末42.5部、および2.5μmの平均粒度を有するフレーク状銀粉末42.5部。
前記導体組成物をプリンタで40μmの膜厚に回路上にプリントし、次いで1時間、160℃で硬化し、その後に抵抗率を測定した。体積抵抗率は1.4×10-4Ωcmであった。同じ条件下で硬化することによって得られた硬化生成物のガラス転移点は、119℃であった。硬化時の減量のパーセントは0.25%であった。
この導体組成物を、プリントすることによって厚さ1mmのFR−4ボードの直径0.3mmのスルーホールに充填した。メッキしたスルーホールにおいて、前記組成物はボイドを有さず、良好なホール充填特性を示した。メッキしないスルーホールにおいて、若干のボイドがみられたが、全ホール充填特性は良好であった。
(実施例2)
以下の成分を、三本ロール機中で混合、ブレンドおよび分散させ、ブルックフィールド粘度計で25℃で測定した時、83Pa・sの粘度を有する導体組成物を得た。フェノールエポキシノボラック(ダウ・ケミカル・カンパニー(The Dow Chemical Co.)によって市販されている「デン」(DEN)431、25℃での粘度、60Pa・s)6.25部、単官能性アルキルグリシジルエーテル(エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ社(Air Products and Chemicals,Inc.)によって市販されている「エポシル」(EPOSIL)759)1.55部、酸無水物(日立化成工業によって市販されているHN−2200)6.95部、アミン硬化触媒(味の素ファインテクノ株式会社によって市販されているMY−24)0.25部、7μmの平均粒度を有する球状銀粉末42.5部、および2.5μmの平均粒度を有するフレーク状銀粉末42.5部。
前記導体組成物をプリンタで40μmの膜厚に回路上にプリントし、次いで1時間、160℃で硬化し、その後に抵抗率を測定した。体積抵抗率は4.5×10-4Ω・cmであった。同じ条件下で硬化することによって得られた硬化生成物のガラス転移点が、105℃であった。硬化時の減量のパーセントは0.46%であった。
この導体組成物を、プリントすることによって厚さ1mmのFR−4ボードの直径0.3mmのスルーホールに充填した。メッキしたスルーホールにおいて、前記組成物はボイドを有さず、良好なホール充填特性を示した。メッキしないスルーホールにおいて、前記組成物は同様にボイドを有さず、良好なホール充填特性を示した。
(実施例3)
以下の成分を、三本ロール機中で混合、ブレンドおよび分散させ、ブルックフィールド粘度計で25℃で測定した時、100Pa・sの粘度を有する導体組成物を得た。フェノールエポキシノボラック(ダウ・ケミカル・カンパニー(The Dow Chemical Co.)によって市販されている「デン」(DEN)431、25℃での粘度、60Pa・s)6.65部、単官能性アルキルグリシジルエーテル(エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ社(Air Products and Chemicals,Inc.)によって市販されている「エポシル」(EPOSIL)759)2.85部、三フッ化ホウ素−エチルアミン錯体0.5部、7μmの平均粒度を有する球状銀粉末45部、および2.5μmの平均粒度を有するフレーク状銀粉末45部。
前記導体組成物をプリンタで40μmの膜厚に回路上にプリントし、次いで1時間、160℃で硬化し、その後に抵抗率を測定した。体積抵抗率は0.7×10-4Ω・cmであった。同じ条件下で硬化することによって得られた硬化生成物のガラス転移点は、116℃であった。硬化時の減量のパーセントは0.22%であった。
前記導体組成物を、プリントすることによって厚さ1mmのFR−4ボードの直径0.3mmのスルーホールに充填した。メッキしたスルーホールにおいて、前記組成物はボイドを有さず、良好なホール充填特性を示した。メッキしないスルーホールにおいて、若干の分散したボイドがみられたが、全ホール充填特性は良好であった。
(実施例4)
以下の成分を、三本ロール機中で混合、ブレンドおよび分散させ、ブルックフィールド粘度計で25℃で測定した時、61Pa・sの粘度を有する導体組成物を得た。フェノールエポキシノボラック(ダウ・ケミカル・カンパニー(The Dow Chemical Co.)によって市販されている「デン」(DEN)431、25℃での粘度、60Pa・s)10部、単官能性アルキルグリシジルエーテル(エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ社(Air Products and Chemicals,Inc.)によって市販されている「エポシル」(EPOSIL)759)4.25部、三フッ化ホウ素−エチルアミン錯体0.75部、7μmの平均粒度を有する球状銀粉末17部、および2.5μmの平均粒度を有するフレーク状銀粉末68部。
前記導体組成物をプリンタで40μmの膜厚に回路上にプリントし、次いで1時間、160℃で硬化し、その後に抵抗率を測定した。体積抵抗率は0.9×10-4Ω・cmであった。同じ条件下で硬化することによって得られた硬化生成物のガラス転移点は、109℃であった。硬化時の減量のパーセントは0.33%であった。
前記導体組成物を、プリントすることによって厚さ1mmのFR−4ボードの直径0.3mmのスルーホールに充填した。メッキしたスルーホールにおいて、前記組成物はボイドを有さず、良好なホール充填特性を示した。メッキしないスルーホールにおいて、若干の分散したボイドがみられたが、全ホール充填特性は良好であった。
(実施例5)
以下の成分を、三本ロール機中で混合、ブレンドおよび分散させ、ブルックフィールド粘度計で25℃で測定した時、38Pa・sの粘度を有する導体組成物を得た。フェノールエポキシノボラック(ダウ・ケミカル・カンパニー(The Dow Chemical Co.)によって市販されている「デン」(DEN)431、25℃での粘度、60Pa・s)6.65部、単官能性アルキルグリシジルエーテル(エア・プロダクツ・アンド・ケミカルズ社(Air Products and Chemicals,Inc.)によって市販されている「エポシル」(EPOSIL)759)2.85部、三フッ化ホウ素−エチルアミン錯体0.5部、7μmの平均粒度を有する球状銀粉末72部、および2.5μmの平均粒度を有するフレーク状銀粉末18部。
前記導体組成物をプリンタで40μmの膜厚に回路上にプリントし、次いで1時間、160℃で硬化し、その後に抵抗率を測定した。体積抵抗率は1.3×10-4Ω・cmであった。同じ条件下で硬化することによって得られた硬化生成物のガラス転移点は、130℃であった。硬化時の減量のパーセントは0.17%であった。
前記導体組成物を、プリントすることによって厚さ1mmのFR−4ボードの直径0.3mmのスルーホールに充填した。メッキしたスルーホールにおいて、前記組成物はボイドを有さず、良好なホール充填特性を示した。メッキしないスルーホールにおいて、若干の分散したボイドがみられたが、全ホール充填特性は良好であった。
(比較例1)
以下の成分を、三本ロール機中で混合、ブレンドおよび分散させ、ブルックフィールド粘度計で25℃で測定した時、128Pa・sの粘度を有する導体組成物を得た。ビスフェノールAタイプの液体エポキシ樹脂(日本エポキシ樹脂(Japan Epoxy Resin)によって市販されている「エピコーテ」(Epikote)828、25℃での粘度、12Pa・s)3部、二量体酸のジグリシジルエステル(トート・カセイ(Toto Kasei)によって市販されているYD−171、25℃での粘度、0.6Pa・s)9部、アミン硬化剤(味の素ファインテクノ株式会社によって市販されているMY−24)3部、7μmの平均粒度を有する球状銀粉末42.5部、および2.5μmの平均粒度を有するフレーク状銀粉末42.5部。
前記導体組成物をプリンタで40μmの膜厚に回路上にプリントし、次いで1時間、160℃で硬化した。引き続いて抵抗率を測定しようとしたが、抵抗率は測定可能でなかった。同じ条件下で硬化することによって得られた硬化生成物のガラス転移点は、室温より低かった。硬化時の減量のパーセントは0.31%であった。
抵抗率が測定可能でなくガラス転移点が室温より低かったので、スルーホールの充填試験は行われなかった。
(比較例2)
以下の成分を、三本ロール機中で混合、ブレンドおよび分散させ、ブルックフィールド粘度計で25℃で測定した時、61Pa・sの粘度を有する導体組成物を得た。ビスフェノールAタイプの液体エポキシ樹脂(日本エポキシ樹脂(Japan Epoxy Resin)によって市販されている「エピコーテ」(Epikote)827、25℃での粘度、10Pa・s)10部、二官能性脂肪族ジグリシジルエーテル(旭電化工業 K.Kによって市販されているED−508)7.25部、ジシアンジアミド0.70部、イミダゾール硬化触媒(四国化成工業によって市販されている2P4MHZ)1.05部、7μmの平均粒度を有する球状銀粉末40.5部、および2.5μmの平均粒度を有するフレーク状銀粉末40.5部。
前記導体組成物をプリンタで40μmの膜厚に回路上にプリントし、次いで1時間、160℃で硬化し、その後に抵抗率を測定した。体積抵抗率は170×10-4Ω・cmであった。同じ条件下で硬化することによって得られた硬化生成物のガラス転移点は、87℃であった。硬化時の減量のパーセントは0.29%であった。
この導体組成物を、プリントすることによって厚さ1mmのFR−4ボードの直径0.3mmのスルーホールに充填した。メッキしたスルーホールに充填した時、多くの小さなボイドがみられた。多くのボイドはまた、メッキしないスルーホール中にも観察された。
(比較例3)
以下の成分を、三本ロール機中で混合、ブレンドおよび分散させ、ブルックフィールド粘度計で25℃で測定した時、248Pa・sの粘度を有する導体組成物を得た。ビスフェノールFタイプの液体エポキシ樹脂(日本エポキシ樹脂によって市販されている「エピコーテ」(Epikote)807、25℃での粘度、3Pa・s)7.8部、メチルテトラヒドロフタル酸無水物(日立化成工業によって市販されているHN−2200)6.95部、イミダゾール硬化触媒(四国化成工業によって市販されている2P4MHZ)0.25部、7μmの平均粒度を有する球状銀粉末40.5部、および2.5μmの平均粒度を有するフレーク状銀粉末40.5部。
前記導体組成物をプリンタで40μmの膜厚に回路上にプリントし、次いで1時間、160℃で硬化し、その後に抵抗率を測定した。体積抵抗率は11×10-4Ωcmであった。同じ条件下で硬化することによって得られた硬化生成物のガラス転移点は、130℃であった。硬化時の減量のパーセントは0.38%であった。
この導体組成物を、プリントすることによって厚さ1mmのFR−4ボードの直径0.3mmのスルーホールに充填した。大きなボイドが、メッキしたおよびメッキしないスルーホールの両方にみられた。
(本発明の利点)
(実施例1対比較例1)
銀組成物および固形分が本発明の実施例1と比較例1の両方で同じであったが、実施例1の導体組成物は低い粘度、低い抵抗、および高いガラス転移点を有した。実施例1における反応性稀釈剤の使用にもかかわらず、この実施例の導体組成物は、比較例1の組成物よりも硬化時の減量のパーセントが小さかった。
(実施例2対比較例3)
銀組成物および固形分が本発明の実施例2と比較例3の両方で同じであった。比較例3の導体組成物中で低粘度の液体エポキシ樹脂を使用したにもかかわらず、この組成物は、実施例2で調製した組成物より高い粘度および抵抗率を有した。
実施例2の組成物中に反応性稀釈剤が存在することにより、この組成物に、比較例3の組成物より低いガラス転移点をもたらした。得られた組成物をスルーホールに充填したとき、比較例3で調製した組成物の高い粘度が、ボイドの形成をもたらした。対照的に、本発明の実施例2で得られた組成物は、スルーホールをきれいにかつ完全に充填した。
(実施例4対比較例2)
比較例2において、本発明の実施例2の粘度と同等の粘度を達成するために銀固形分を81%にすることが必要であった(実施例4の銀固形分は85%であった)。
結果として、比較例2で調製した組成物の抵抗率は、実施例4の組成物よりずっと高かった。更に、多量の反応性稀釈剤を比較例2で用いたので(実施例4の30%とは対照的に、混合したエポキシ樹脂および稀釈剤に対して、42%)、ガラス転移点は低かった。多量の稀釈剤の存在と実施例4におけるよりも低い粘度のエポキシ樹脂の使用にもかかわらず、比較例2で得られた導体組成物は、高い粘度を有した。
本発明の実施例5は、90%の銀固形分でも、球状銀粉末対フレークタイプの銀粉末の比を変えることによって、低い組成物粘度を達成することができることを示す。しかしながら、球状銀粉末の量を増加させると抵抗率を増大させるので、この方法を、高い粘度および抵抗率の両方を既に有する系に用いることはできない。
Figure 2005510827
Figure 2005510827

Claims (6)

  1. 導電性粉末とバインダーとを含む導体組成物であって、導電性粉末対バインダーの比が95:5から70:30であり、前記バインダーが、
    (a)常温で半固体であり、官能基の平均数が2より大きいエポキシ化合物と、
    (b)高級アルコールのグリシジルエーテルである単官能性の反応性稀釈剤と、
    (c)硬化剤と、
    (d)硬化触媒と
    を含むことを特徴とする導体組成物。
  2. 前記半固体のエポキシ化合物対前記単官能性の反応性稀釈剤の比が90:10から50:50であることを特徴とする請求項1に記載の導体組成物。
  3. 前記硬化剤がカチオン重合開始剤であることを特徴とする請求項1に記載の導体組成物。
  4. 前記硬化剤がカチオン重合開始剤であることを特徴とする請求項2に記載の導体組成物。
  5. 前記硬化剤が常温で液体の酸無水物であることを特徴とする請求項1に記載の導体組成物。
  6. 前記硬化剤が常温で液体の酸無水物であることを特徴とする請求項2に記載の導体組成物。
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