JP2016034997A - エポキシ樹脂組成物、樹脂シート、プリプレグ及び金属張積層板、プリント配線基板 - Google Patents
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Abstract
Description
そのため、半導体素子を含めた電子部品を実装するプリント配線基板も薄型化される傾向にあり、プリント配線基板に使用される樹脂基板は、厚みが約0.8mmのものが主流となっている。
さらに最近では、0.4mm以下の樹脂基板を用いた半導体パッケージ同士を積層するパッケージ・オン・パッケージ(以下、POPという。)がモバイル機器(例えば、携帯電話、スマートフォン、タブレット型PCなど)に搭載されている。 この傾向はさらに加速していき、年々薄型化が進むことは確実である(非特許文献1)。
さらには、従来では半導体装置の剛性の大部分を担っていた半導体素子、封止材の厚みが極めて薄くなり、実装工程において半導体装置の反りが発生しやすくなる。また、構成部材として樹脂基板の占める割合が大きくなるため、樹脂基板の物性・挙動が半導体装置の反りに大きな影響を及ぼすようになってきている。
一方、地球環境保護の観点から半田の鉛フリー化が進むにつれて、プリント配線基板へ半導体素子を搭載するときや、マザーボードへ半導体パッケージを実装するときにおこなうリフロー工程での最高温度が非常に高くなってきている。一般的に良く使われている鉛フリー半田の融点が約210度であることからリフロー工程中での最高温度は260度を超えるレベルとなっている。
一般的に、半導体素子と半導体素子が搭載されるプリント配線基板との熱膨張の差は非常に大きい。そのため、プリント配線基板へ半導体素子を実装するときにおこなうリフロー工程において、樹脂基板が大きく反ってしまう場合があった。また、マザーボードへ半導体パッケージを実装するときにおこなうリフロー工程においても、同様に樹脂基板が大きく反ってしまう場合があった。
すなわち本発明は
(1)
下記一般式(1)で表されるエポキシ樹脂及び分子中にシアナト基を2つ以上有するシアネートエステル化合物を必須成分とするエポキシ樹脂組成物、
(2)
前項(1)に記載のエポキシ樹脂組成物を繊維基材に含浸してなるプリプレグ、
(3)
前記繊維素材がガラス繊維基材である前項(2)に記載のプリプレグ、
(4)
前記ガラス繊維基材がTガラス、Sガラス、Eガラス、NEガラス、および石英ガラスからなる群から選ばれる少なくとも一種を含む、前項(2)又は(3)のいずれか一項に記載のプリプレグ、
(5)
前項(2)及至(4)に記載のプリプレグの少なくとも一方の面に金属箔が積層された、金属張積層板、
(6)
前項(1)に記載のエポキシ樹脂組成物からなる絶縁層をフィルム上に、又は金属箔上に形成してなる樹脂シート、
(7)
前項(5)に記載の金属張積層板を回路基板に用いてなるプリント配線基板、
(8)
前項(2)及至(4)のいずれか一項に記載のプリプレグ、及び/又は前項(6)に記載の樹脂シートを硬化してなるプリント配線基板、
(9)
前項(7)又は(8)のいずれか一項に記載のプリント配線基板に半導体素子を搭載してなる半導体装置、
を提供するものである。
本発明のエポキシ樹脂組成物は下記一般式(1)で表されるエポキシ樹脂を必須成分として含有する。
ただし、本発明においては特に前記式(a)と前記式(b)の割合(多官能化率)が(a)/(b)=1〜3の物を使用することが好ましい。(a)の構造が多いと耐熱性があがるがその分吸水特性が悪くなるばかりか、脆く硬くなってしまう。そこで上述の範囲内の多官能化率が好ましい。
前記式中、nは繰り返し単位であり、0〜5である。nが5を超えないことでプリプレグや樹脂シートにした際のフロー性や流動性をコントロールする。これが5を超えた場合、流動性ばかりか、溶剤への溶解性に課題が生じるため好ましくない。
本発明において使用するエポキシ樹脂は溶剤への溶解性が重要となる。同様の骨格を有するビフェニルアラルキルタイプのエポキシ樹脂の場合、メチルエチルケトンやトルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテル等の溶剤に対し、溶解性が必要となる。
特にメチルエチルケトンへの溶解性が重要であり、5℃、室温等で2か月以上、結晶が析出しないことを特徴とする。前述の (a)/(b)の比率にも関与するが、(a)の値が大きいと結晶が出やすくなってしまうため、 (a)/(b)が1を超えることが重要となる。
前記シアネートエステル化合物としては従来公知のシアネートエステル化合物を使用することができる。シアネートエステル化合物の具体例としては、フェノール類と各種アルデヒドとの重縮合物、フェノール類と各種ジエン化合物との重合物、フェノール類とケトン類との重縮合物及びビスフェノール類と各種アルデヒドの重縮合物、フェノール類と芳香族ジメタノール類、フェノール類と芳香族ジクロロメチル類、フェノール類と芳香族ビスアルコキシメチル類などをハロゲン化シアンと反応させることにより得られるシアネートエステル化合物が挙げられるがこれらに限定されるものではない。これらは単独で用いてもよく2種以上を用いてもよい。
これらシアネート化合物の具体的な合成法としては例えば、特開2005−264154号公報(引用文献5)に合成方法が記載されている。
この配合量は特に使用する触媒や、配合する材料にも影響され、たとえば、具体的にはイミダゾール等の含窒素触媒の場合、エポキシ同士のアニオン重合も同時に起こるため、0.8〜1.4当量が特に好ましい。
またエポキシ樹脂硬化剤を配合する場合、硬化剤とシアネートエステルの総官能基当量に対して0.5〜1.4当量のエポキシ樹脂を配合することが好ましい。さらにはマレイミド樹脂等の同時に硬化、またエポキシ樹脂やシアネートエステルと架橋しうるような樹脂を配合する場合、それらの官能基当量に見合った量を差し引いて配合を決める必要があるが、エポキシと反応しうる官能基を持ったものが0.5〜1.4当量であることが特に好ましい。
マレイミド樹脂はシアネート樹脂と当量での反応ではなく、個別もしくはランダムに取り込まれた形で重合するため、配合比率においては特に限定はされないが、本発明のエポキシ樹脂組成物の特性を出すためにはエポキシ樹脂、シアネートエステル、マレイミド樹脂の総量において10〜45重量%が好ましく、特に好ましくは10〜40重量%である。
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いたシートは上記ワニスをそれ自体公知のグラビアコート法、スクリーン印刷、メタルマスク法、スピンコート法などの各種塗工方法により平面状支持体に乾燥後の厚さが所定の厚さ、たとえば5〜100μmになるように塗布後、乾燥して得られるが、どの塗工方法を用いるかは支持体の種類、形状、大きさ、塗工の膜厚、支持体の耐熱性等により適宜選択される。平面支持体としては、たとえばポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン(登録商標)等の各種高分子、および/またはその共重合体から作られるフィルム、あるいは銅箔等の金属箔等が挙げられる。
塗布後、乾燥し、シート状の組成物を得ることができる(本発明のシート)が、本シートをさらに加熱することでシート状の硬化物とすることもできる。また一度の加熱で溶剤乾燥と硬化工程を兼ねてもよい。
本発明のエポキシ樹脂組成物は上記支持体の両面もしくは片面に上記方法で塗工、加熱することにより、該支持体の両面または片面に本発明の硬化物の層を形成することができる。また硬化前に被着体を貼り合わせ、硬化させることで積層体を作成することも可能である。
また本発明のシートは支持体から剥がすことで接着シートとして使用することもでき、被着体に接触させ、必要に応じて圧力と熱をかけ、硬化とともに接着させるということもできる。
本発明のプリプレグは上記樹脂組成物を繊維基材に含浸してなるものである。これにより、耐熱性、低膨張性および難燃性に優れたプリプレグを得ることができる。前記繊維基材としては、例えばガラス織布、ガラス不繊布、ガラスペーパー等のガラス繊維基材、紙、アラミド、ポリエステル、芳香族ポリエステル、フッ素樹脂等の合成繊維等からなる織布や不織布、金属繊維、カーボン繊維、鉱物繊維等からなる織布、不織布、マット類等が挙げられる。これらの基材は単独又は混合して使用してもよい。これらの中でもガラス繊維基材が好ましい。これにより、プリプレグの剛性、寸法安定性を向上することができる。
ガラス繊維基材としては、Tガラス、Sガラス、Eガラス、NEガラス、および石英ガラスからなる群から選ばれる少なくとも一種を含むものが好ましい。
例えば、本発明のエポキシ樹脂組成物をそのままで、又は溶媒に溶解若しくは分散させたワニスの形態で、ガラス布等の基材に含浸させた後、乾燥炉中等で通常、80〜200℃(ただし、溶媒を使用した場合は溶媒の揮発可能な温度以上とする)の温度で、2〜30分間、好ましくは2〜15分間乾燥させることによってプリプレグが得られる。
本発明で用いられる積層板は、上記のプリプレグを加熱加圧成形してなるものである。これにより、耐熱性、低膨張性および難燃性に優れたプリント配線板を得ることができる。プリプレグ1枚のときは、その上下両面もしくは片面に金属箔を重ねる。また、プリプレグを2枚以上積層することもできる。プリプレグ2枚以上積層するときは、積層したプリプレグの最も外側の上下両面もしくは片面に金属箔あるいはフィルムを重ねる。次に、プリプレグと金属箔とを重ねたものを加熱加圧成形することでプリント配線板を得ることができる。前記加熱する温度は、特に限定されないが、120〜220℃が好ましく、特に150〜200℃が好ましい。前記加圧する圧力は、特に限定されないが、1.5〜5MPaが好ましく、特に2〜4MPaが好ましい。また、必要に応じて高温漕等で150〜300℃の温度で後硬化を行ってもかまわない。
プリント配線板は、前記積層板を内層回路板として用いる。積層板の片面又は両面に回路形成する。場合によっては、ドリル加工、レーザー加工によりスルーホールを形成し、めっき等で両面の電気的接続をとることもできる。
具体的には、上記樹脂シートの絶縁層側と内層回路板とを合わせて、真空加圧式ラミネーター装置などを用いて真空加熱加圧成形させ、その後、熱風乾燥装置等で絶縁層を加熱硬化させることにより得ることができる。
ここで加熱加圧成形する条件としては特に限定されないが、一例を挙げると、温度60〜160℃、圧力0.2〜3MPaで実施することができる。また、加熱硬化させる条件としては特に限定されないが、一例を挙げると、温度140〜240℃、時間30〜120分間で実施することができる。
あるいは、前記本発明のプリプレグを内層回路板に重ね合わせ、これを平板プレス装置などを用いて加熱加圧成形することにより得ることができる。ここで加熱加圧成形する条件としては特に限定されないが、一例を挙げると、温度140〜240℃、圧力1〜4MPaで実施することができる。このような平板プレス装置等による加熱加圧成形では、加熱加圧成形と同時に絶縁層の加熱硬化が行われる。
なお、前記多層プリント配線基板を得る際に用いられる内層回路板は、例えば、銅張積層板の両面に、エッチング等により所定の導体回路を形成し、導体回路部分を黒化処理したものを好適に用いることができる。
尚、金属箔を有する樹脂シート、またはプリプレグを用いた場合は、金属箔を剥離することなく、導体回路として用いるためにエッチングにより回路形成を行ってもよい。その場合、厚い銅箔を使用した基材付き絶縁樹脂シートを使うと、その後の回路パターン形成においてファインピッチ化が困難になるため、1〜5μmの極薄銅箔を使うか、または12〜18μmの銅箔をエッチングにより1〜5μmに薄くするハーフエッチングする場合もある。
前記で得られた多層プリント配線板に半田バンプを有する半導体素子を実装し、半田バンプを介して、前記多層プリント配線板との接続を図る。そして、多層プリント配線板と半導体素子との間には液状封止樹脂を充填し、半導体装置を形成する。半田バンプは、錫、鉛、銀、銅、ビスマスなどからなる合金で構成されることが好ましい。
半導体素子と多層プリント配線板との接続方法は、フリップチップボンダーなどを用いて基板上の接続用電極部と半導体素子の半田バンプとの位置合わせを行ったあと、IRリフロー装置、熱板、その他加熱装置を用いて半田バンプを融点以上に加熱し、多層プリント配線板と半田バンプとを溶融接合することにより接続する。尚、接続信頼性を良くするため、予め多層プリント配線板上の接続用電極部に半田ペースト等、比較的融点の低い金属の層を形成しておいても良い。この接合工程に先んじて、半田バンプおよび、または多層プリント配線板上の接続用電極部の表層にフラックスを塗布することで接続信頼性を向上させることもできる。
ここで、各物性値の測定条件は下記の通りである。
・エポキシ当量
JIS K−7236に記載された方法で測定し、単位はg/eq.である。
・軟化点
JIS K−7234に準拠した方法で測定し、単位は℃である。
・弾性率(DMA)
動的粘弾性測定器:TA−instRuments、DMA−2980
測定温度範囲:−30〜280℃
温速度:2℃/分
試験片サイズ:5mm×50mmに切り出した物を使用した
Tg:DMA測定に於けるTan−δのピーク点をTgとした
撹拌機、還流冷却管、撹拌装置を備えたフラスコに、窒素パージを施しながらWO2007/007827に準拠して製造した下記式で表されるフェノール樹脂((a)/(b)=1.3 n=0.5 (GPCにおける分子量分布と水酸基当量から算出)水酸基当量134g/eq. 軟化点93℃)134部、エピクロロヒドリン450部、メタノール54部を加え、撹拌下で溶解し、70℃にまで昇温した。次いでフレーク状の水酸化ナトリウム42.5部を90分かけて分割添加した後、更に70℃で1時間反応を行った。反応終了後,水洗し、塩を除いた後、得られた有機層をロータリーエバポレーターを用いて減圧下、過剰のエピクロルヒドリン等の溶剤類を留去した。残留物にメチルイソブチルケトン500部を加え溶解し、撹拌下で30重量%の水酸化ナトリウム水溶液17部を加え、1時間反応を行った後、油層の洗浄水が中性になるまで水洗を行い、得られた溶液から、ロータリーエバポレーターを用いて減圧下にメチルイソブチルケトン等を留去することで本発明のエポキシ樹脂(EP1)195部を得た。得られたエポキシ樹脂のエポキシ当量は211g/eq.軟化点71℃、150℃における溶融粘度(ICI溶融粘度 コーン#1)は0.34Pa・sであった。
合成例1で得られたエポキシ樹脂(EP1)211部に、2,2-ビス(4-シアネートフェニル)プロパン(東京化成工業株式会社製、以下、BisA−OCNと称す)139部を混合し、更にメチルエチルケトン356部を加えて40℃で10分間攪拌して適当な粘度の調整液を得た。この調整液にさらにイミダゾール触媒(2E4MZ 四国化成製)を6部添加し、さらに40℃で5分撹拌し、樹脂シートおよび/またはプリプレグ用の組成物を調整液(A)として得た。この調整液にA4サイズにカットしたガラスクロス1037(旭化成製)を含浸させ、余分な樹脂液を落としたのち、180℃で5分間乾燥させてプリプレグを得た。得られたプリプレグの表面の平滑性を含めた外観に問題はなかった。色味は淡赤茶色のシートとなった。DSCによる発熱開始ピークは129℃であり、硬化可能なシートであることを確認した。
実施例1で得られたプリプレグを5枚重ね、熱板プレスで15分、10kg/cm2の圧力で形成し、基板様板を得た。得られた基板様板をさらに175℃で1時間、220℃1時間、後硬化させることで、しっかりと硬化した積層板を得た。得られた積層板で硬化物性を測定した。得られた硬化シートはDSCによる発熱開始ピークは200℃以下では確認されず、十分に硬化したものと判断できた。
調整液(A)を35ミクロンの銅箔(粗面)に塗布し、175℃5分で乾燥し、銅張の樹脂シートを得た。
得られた銅付の樹脂シートを熱板プレスで15分、10kg/cm2の圧力で形成し、基板様板を得た。得られた基板様板をさらに175℃で1時間、220℃1時間、後硬化させることで、銅箔付の板を得た。
実施例3で得られた銅張の樹脂シートと、実施例1で得られたプリプレグを2枚重ね、熱板プレスで15分、10kg/cm2の圧力で形成し、銅張積層版を得た。得られた基板様板をさらに175℃で1時間、220℃1時間、後硬化させることで、しっかりと硬化した積層板を得た。
実施例1で得られたプリプレグをそのまま熱板プレスで15分、10kg/cm2の圧力で形成し、基板様板を得た。得られた基板様板をさらに175℃で1時間、220℃1時間、後硬化させることで、しっかりと硬化したプリント配線基板用板を得た。得られた基板で硬化物性を測定した。この結果を表1に示す。
なお、得られた硬化シートはDSCによる発熱開始ピークは200℃以下では確認されず、十分に硬化したものと判断できた。
実施例1において、BisA−OCNの代わりに比較用のフェノール樹脂(KAYAHARD、GPH−103、以下「PN1」と称す。)を231部に変更し、プリプレグ作成時の溶剤乾燥工程において120℃5分とした以外は同様の操作によりプリプレグを作成し、その後、実施例6と同様にして硬化することでプリント配線基板用板を作製した。この結果を表1に示す。
・PN1:水酸基当量236、軟化点102℃のビフェニルアラルキル型フェノール(日本化薬(株)製、 KAYAHARD GPH−103)
・BisA−OCN:2,2-ビス(4-シアネートフェニル)プロパン(東京化成(株)製)
Claims (9)
- 請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物を繊維基材に含浸してなるプリプレグ。
- 前記繊維素材がガラス繊維基材である請求項2に記載のプリプレグ。
- 前記ガラス繊維基材がTガラス、Sガラス、Eガラス、NEガラス、および石英ガラスからなる群から選ばれる少なくとも一種を含む、請求項2又は請求項3のいずれか一項に記載のプリプレグ。
- 請求項2及至請求項4のいずれか一項に記載のプリプレグの少なくとも一方の面に金属箔が積層された、金属張積層板。
- 請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物からなる絶縁層をフィルム上に、又は金属箔上に形成してなる樹脂シート。
- 請求項5に記載の金属張積層板を回路基板に用いてなるプリント配線基板。
- 請求項2及至請求項4のいずれか一項に記載のプリプレグ、及び/又は請求項6に記載の樹脂シートを硬化してなるプリント配線基板。
- 請求項7又は請求項8のいずれか一項に記載のプリント配線基板に半導体素子を搭載してなる半導体装置。
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