JP2008091908A - プリント基板用絶縁材料 - Google Patents

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Abstract

【課題】誘電特性に優れるとともに、温度変化による誘電率の変化が小さく、高周波回路の適用の際に優れた信頼性を示すプリント基板用絶縁材料を提供すること。
【解決手段】液晶ポリエステル樹脂とセラミックス粉末とを含み、−55〜125℃の温度範囲でのTCC値が−300〜+300ppm/℃であり、比誘電率が5〜40であるプリント基板用絶縁材料。
【選択図】図7

Description

本発明は、プリント基板用絶縁材料に関し、さらに具体的には、誘電特性に優れるとともに温度変化による誘電率の変化が小さく、高周波回路への適用の際に優れた信頼性を示すプリント基板用絶縁材料に関する。
電子機器の高速化、大容量化に伴い、プリント基板上の配線(線路)に沿って伝送される信号の周波数が高くなっており、高い周波数の信号反射などの損失なく伝送するためには、入力端と出力端子のインピーダンスをマッチングさせることが非常に重要である。
動作周波数の高周波化、特にギガヘルツ化につれて、信号線と接地(GND)との間で信号のほぼ全てのエネルギー成分が交流フィールドの形を成して進行する。これにより、信号線と接地間の絶縁材料(基板誘電体)の高さ(厚み)または誘電率が正確に一定でなければ、インピーダンスの差異による信号の反射などの損失を最小化することができず、ひいては信号の完全性(シグナルインテグリティ)も確保することができない。
これに関連し、プリント基板の絶縁材料として通常用いられるFR−4などのエポキシ樹脂の場合、図1に示すように、温度変化による誘電率値の変化が大きく、25℃での誘電率に対して−55℃では−91897ppmの変化を有し、125℃では81712ppmの変化を有する。これから計算された誘電率温度係数(TCC;Temperature Coefficient of Capacitance)は960ppm/℃以上の値を示す。
エポキシ樹脂における温度による大きな誘電率変化は、インピーダンスマッチングを考慮した高周波信号の伝送のためのプリント基板の回路設計において制限事項になる。電子機器の周辺環境、特に温度によって誘電率の値が変わり、これによりマッチングされた信号線のインピーダンスが変化して信号反射などの損失が発生する。
このような高周波信号の伝送の際における信号線のインピーダンスミスマッチングによる問題点を解決するために、最近、大学、研究所および一部の先進的基板会社を中心に、温度変化に伴う誘電率変化の少ない、すなわちTCCの低いプリント基板用絶縁材料の開発が盛んに行われている。
現在まで、高周波信号の伝送のための絶縁材料については、伝送速度の向上のために低い誘電率を有しながら、信号の損失を最小化するために誘電正接(Dissipation Factor;tanδ)が低い材料の開発が盛んに行われてきた。このような高周波信号の伝送のための絶縁材料の開発は、既存のエポキシ樹脂よりも誘電率が低いながら誘電正接も低い樹脂の開発、および、高周波用セラミックスフィラー(high-frequency filler)の分散および添加による誘電特性の向上、という方向に進んできた。
前者の場合、従来のエポキシ樹脂にポリフェニレンエーテル(PPE)を添加し、あるいはエポキシ樹脂の構造を相互貫入網目(Interpenetrating Network)構造にする方法で研究が行われてきた。ところが、エポキシ樹脂にPPEを添加する方法は、PPEが熱可塑性樹脂なので、プリプレグ化(prepreging)が難しく、適切な溶媒の選択が難しいという欠点がある。相互貫入網目構造の形成および高周波セラミックスフィラーの添加による方法も、TCC値を十分に低くするには限界があった。
このような問題を克服するために、電気的特性、特に誘電特性に優れた液晶ポリマー(LCP)またはベンゾシクロブテン樹脂(BCB、たとえばジビニルシロキサンビスベンゾシクロブテン;DVS−bisBCB樹脂)などの機能性ポリマーをプリント基板に活用するための努力が続けられてきた。
BCB(例えばシクロテン(CYCLOTENE)3000)は、低い誘電正接、および図2に示すように安定なTCC特性を有しているが、高価格であり、硬化時に頻繁にクラックが発生するといった欠点がある。さらに、フィルム化が容易ではなく、商用化が難しい。一方、液晶ポリマーの場合は、誘電率と誘電正接などの誘電特性には優れるが、図3に示すようにTCC値が高温(125℃)で約900ppm/℃と高いため、高周波回路への使用には問題がある。
本発明の目的は、高周波回路に対応することが可能なプリント基板用絶縁材を提供することにある。
本発明の他の目的は、既存のエポキシ樹脂およびエンジニアリングポリマーに比べて、誘電正接が低いながらも温度変化に伴う誘電率変化が小さいプリント基板用絶縁材を提供することにある。
本発明一側面によれば、液晶ポリエステル樹脂とセラミックス粉末とを含み、−55〜125℃の温度範囲でのTCC値が−300〜+300ppm/℃であり、比誘電率が5〜40であるプリント基板用絶縁材料が提供される。
本発明によれば、液晶ポリエステル樹脂にセラミックスを分散させているので、誘電特性に優れるうえ、温度変化に伴う誘電率変化の小さいプリント基板用絶縁材を得ることができる。その結果、本発明に係る絶縁材料は、インピーダンスマッチングが重要な回路において、絶縁層として活用することができる。
すなわち、本発明に係る絶縁材料を用いてプリント配線基板を製作することにより、従来の材料を用いてプリント配線基板を製作した場合に比べて、温度変化による誘電率の変化に起因したインピーダンスミスマッチングを最小化し、このインピーダンスミスマッチングから発生する信号の損失を減らすことができる。また、本発明に係る絶縁材料は、基板内にフィルタなどの高周波部品を実現しようとするとき、温度によるバンド幅の変化を減少させ、SMT受動素子を代替することも可能にする。
また、本発明に係る絶縁材料を、プリント基板上にインピーダンスマッチングを目的として実装されたC特性キャパシタ(コンデンサ)を内蔵するための材料として用いると、従来のキャパシタを実装するときに比べて、寄生インダクタンスを減らすことができるという利点がある。
以下に添付図面を参照しながら、本発明についてより具体的に説明する。
本発明に係るプリント回路基板用絶縁材料は、液晶ポリエステル樹脂とセラミックス粉末とを含み、−55〜125℃の温度範囲で測定されたTCCが−300〜+300ppm/℃であり、その比誘電率は5〜40である。本発明者は、液晶ポリエステル樹脂に高周波用セラミックスフィラーを分散させることにより、誘電特性に優れるうえ、温度変化による誘電率の変化の小さいプリント回路基板用絶縁材料を実現できることを見出した。
高周波信号を正しく伝送するために、多層基板では、信号線と接地との関係を明確に固定して設計の容易性を確保することが可能なマイクロストリップ構造を採用して、回路を設計する。マイクロストリップ構造は、図4に示すように、下面全体に接地のための電極または電極層20(厚み=t)を形成し、中間絶縁体(誘電体)又は絶縁層10の高さ(h)および誘電率(ε)を明確に規定した後、その高さ/誘電率に応じて上面に信号線30を配置して回路を形成した基板の構造である。マイクロストリップ構造の基板においてインピーダンスをマッチングするためには、信号線30の幅(W)および厚さだけでなく、中間絶縁体10の高さ(h)および誘電率(ε)を明確に規定しなければならない。
本発明は、上述した高周波回路設計の際に中間絶縁体(誘電体)10として使用可能なプリント基板用絶縁材料に関するものであって、誘電特性、例えば誘電率、誘電正接などに優れるうえ、温度変化による誘電率の変化が小さいことを特徴とする。
好適な一具体例によれば、液晶ポリエステル樹脂に、セラミックス粉末として高周波用セラミックスフィラーを分散させる方法によって、目的とする誘電特性を持つ絶縁材料を得ることができる。
この絶縁材料は、−55〜125℃の温度範囲で−300〜+300ppm/℃、好ましくは−30〜+280ppm/℃のTCC値を示し、5〜40、好ましくは5〜15の比誘電率を持つ。
この絶縁材料は、約0.01以下の誘電正接を有することが好ましく、より好ましくは0.005〜0.008の誘電正接を有する。これは、従来のエポキシ樹脂およびエンジニアリングポリマーに比べて、より低い誘電正接を示すものである。
本発明では、温度が高くなるにつれて誘電率が大きくなる+(プラス)TCC特性(図3参照)を持つ液晶ポリエステルに、誘電正接が低く且つ−(マイナス)TCC特性を持つセラミックス粉末を分散させることによりTCC特性を改善することを目的として、セラミックス粉末を使用する。
このような目的を満足させるために、本発明で使用されるセラミックス粉末は、好ましくはCTLA系粉末であって、(1−x)(CaTiO)・x(LaAlO)の化学組成を有し、ここで、xが0.001〜0.5、好ましくは0.15〜0.35であることが、目的とする誘電特性を発現させる観点から好ましい。
絶縁材料中のセラミックス粉末の含有量は、具体的な使用目的に応じて適切に調節できるが、10〜50体積%であることが好ましく、22〜37体積%であることがより好ましい。
セラミックス粉末の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜5μmであることが、分散性の向上および作業面の観点から好ましい。
液晶ポリエステル樹脂は、芳香族液晶ポリエステル樹脂であることが好ましい。
以下、実施例に基づき本発明をより具体的に説明するが、これらの実施例は本発明の技術的範囲を限定するものではない。
<製造例1>
(1−x)(CaTiO)・x(LaAlO)の化学組成を持つCTLA系粉末フィラーとして、xがそれぞれ0.01、0.1および0.2の粉末を、次の工程によって準備した。
まず、出発物質として、99.9%以上の高純度を持つCaCO、TiO、La、およびAlを使用し、それぞれの原料を(Ca1−x、Lax)(Ti1−x、Alx)O(x=0.01、0.1、0.2)の組成に合わせて秤量してスラリータンクに投入し、高速溶解機(dissolver)を用いて湿式混合した。この際、原料粉末と水の比は、重量比で2:1であった。混合効果と分散性を向上させるために、分散剤を0.5重量%添加した。
原料の投入は、Laの水和を減らすために、まずCaCO、TiO、およびAlを投入して4時間プレミックスした後、Laを添加してビーズミルを用いて循環(circulation)方法で混合および粉砕し、粒度が1.5μm以下のときに1パス(one-pass process)して、噴霧乾燥機で乾燥させた。
噴霧乾燥した粉末を1250℃で4時間か焼(焼成;calcine)して、(Ca、La)(Ti、Al)O固溶体を合成した。合成された粉末は、フィラーとしての使用に適するように、ビーズミルによって粉砕した。粉砕条件は、固溶体:溶媒(水)を2:1の比としてスラリーの濃度を調節した。分散剤は、初期に重量比で0.5重量%添加して粉砕し、粒子が粉砕されてスラリーの粘度が増加した場合は、さらに1重量%加えるようにした。
粉砕中に1時間間隔で粒度の分布を測定し、平均粒度が1μm以下になった時点で循環を止め、1パスして最終粒度を0.9μm以下に調節した後、噴霧乾燥機で乾燥させてフィラーを製造した。
このようにして製造されたフィラーの電気的特性を評価するために、粉砕された粉末にPVA結合剤を含む有機物を2〜3重量%添加して顆粒粉末を製造し、これを内径15mmの円柱状の金型を用いて、1トン/cmの圧力で成形した。成形された試験片の有機物を650℃で1時間熱処理して除去し、1450℃で3時間焼結した。焼結した試験片の誘電率とQ値をハッキ・コールマン(Hakki−Colemann)法を用いてネットワークアナライザ(HP8510A)で測定した。その測定結果を下記表1に示す。
一方、それぞれの焼結試験片についてTCC値を測定した結果を、図5に示す。
<実施例1>
高周波用絶縁フィルムを作るために、まず、芳香族液晶ポリエステルとテトラフルオロフェノールを5:95の重量比で秤量して混合し、120℃で加熱しながら攪拌器を用いて完全に溶解させた後、製造例1で得られた3種のCTLA系の粉末(x=0.01、0.1、0.2)を20、30、40体積%でそれぞれ添加し、約1重量%以下の分散剤を添加してボールミルまたはビスコミルを用いて分散させてスラリーを製造した。スラリー内の気泡を脱泡させた後、これをテープキャスティング器を用いて銅箔上にキャストし乾燥させて、厚さ30μmのRCC(Resin Coated Copper)フィルムを製造した。
得られたRCCフィルムの誘電特性を測定するために、高温V−プレスを用いてRCCフィルムと銅箔を最高温度300℃で積層し、絶縁フィルムの両面に電極を形成した。
各フィラーの添加量と誘電率値との関係は、図6に示す通りであり、フィラー添加量30体積%のRCCフィルムの1GHzにおける損失値は、下記表2に示す通りである。測定された値は、粉末の化学組成の差異によるよりは、分散の程度によって有意差を示したが、いずれも0.01以下の低い値を示した。
一方、実施例1で使用した芳香族ポリエステル樹脂(LCP)、x=0.2のCTLA系フィラー粉末、および上述したように製作されたRCCフィルムのTCC値を振動電圧(oscillation voltage)1Vrms、周波数1MHzの条件下でそれぞれ測定した。その測定結果を図7に示す。
図7を参照すると、液晶ポリマーのTCC値は、−55〜125℃の温度範囲で−260〜+800ppm/℃の範囲であるが、液晶ポリマーにCTLA系粉末フィラーを添加すると、同じ測定条件の下で−26〜+260ppm/℃の範囲に減少することが分かる。このように、樹脂と反対方向符号の非常に大きいTCC値を持つセラミックスの粉末フィラーを配合することにより、TCC範囲を従来のキャパシタが持っている範囲に狭めることが可能である。
以上、本発明を具体的な実施例によって詳細に説明したが、これらの実施例は本発明を具体的に説明するためのものに過ぎない。本発明に係るプリント基板用絶縁材料は、これらの実施例に限定されないことは言うまでもない。当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想の範囲内で各種変形、変更または改良を加え得ることは明らかである。本発明の単純な変形ないし変更は、いずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な技術的保護範囲は特許請求の範囲によって定められるべきである。
一般的なエポキシ樹脂の温度による比誘電率の変化率を示すグラフである。 機能性ポリマー(BCB)の温度による誘電率温度係数(TCC)を示すグラフである。 機能性ポリマー(LCP)の温度による誘電率温度係数(TCC)を示すグラフである。 マイクロストリップの構造を示す図である。 製造例1によって製造された、CTLA系粉末におけるLaAlO含量の異なる各焼結試験片のTCC特性を示すグラフである。 実施例1のフィラーの化学組成および添加量による比誘電率の変化を示すグラフである。 x=0.2のCTLA系粉末、液晶ポリマー(LCP)、およびこれらの複合材料のTCC特性を示すグラフである。
符号の説明
10 絶縁層
20 電極層
30 信号線

Claims (6)

  1. 液晶ポリエステル樹脂とセラミックス粉末とを含み、
    −55〜125℃の温度範囲での誘電率温度係数が−300〜+300ppm/℃であり、比誘電率が5〜40であることを特徴とする、プリント基板用絶縁材料。
  2. 0.01以下の誘電正接を持つ、請求項1に記載のプリント基板用絶縁材料。
  3. 前記セラミックス粉末は(1−x)(CaTiO)・x(LaAlO)(但し、x=0.001〜0.5)の化学組成を持つ、請求項1または2に記載のプリント基板用絶縁材料。
  4. 前記セラミックス粉末の含有量は10〜50体積%である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のプリント基板用絶縁材料。
  5. 前記セラミックス粉末の平均粒径は0.1〜5μmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載のプリント基板用絶縁材料。
  6. 前記液晶ポリエステル樹脂は芳香族液晶ポリエステル樹脂である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のプリント基板用絶縁材料。
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