JP2587510B2 - プリント配線基板用の多軸配向熱変性ポリマー支持体 - Google Patents

プリント配線基板用の多軸配向熱変性ポリマー支持体

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Description

【発明の詳細な説明】 政府の所有権に関する供述 本発明を完成するための資金は、海軍省による契約N0
0164−87−Ｃ−0050に基づいて、米国政府から得たもの
である。従って、米国政府は、本明細書の請求の範囲に
記載された本発明に対するある一定の権利を有するもの
である。
発明の背景 本発明は、プリント配線基板（PWB）製造用支持体材
料として多軸配向熱変性ポリマーを使用することに関す
る。従来のジュアルインラインパッケージ（DIP）から
ダイレクトサーフェースマウンティングパッケージ（DS
M）への最近の進歩はめざましい。
一般に、DIPは、回路基板中の穴を通して取り付けら
れねばならない大きいピンにより、その大きさが制限さ
れる。DSMは、回路基板の両側に取り付けることがで
き、入力／出力（I/O）接続を多くすることも小さくす
ることもできる。
しかし、PWBにおける速度の上昇並びに大きさおよび
重量の減少といった利点はまだ充分に実現されていな
い。その理由は、DSM装置の相互接続と、I/O密度及び無
鉛化ペリメータ（perimeter）やグリッドアレイパッケ
ージを用いて可能なサイズの減少との歩調が合わないか
らである。
進んだ航空電子工学（VHSICおよびVLSI）での応用に
おいて、無鉛化セラミックチップキャリヤを使った場合
の主要な問題の一つは、アルミナチップキャリヤの熱膨
脹係数（CTE）（6.4ppm/℃）と従来のガラス／エポキシ
支持体のCTE（12〜17ppm/℃）とが釣り合わないことで
ある。この不釣り合いの結果、DSMチップを支持体に取
りつけているはんだ接続が作動時に硬化し、亀裂が生じ
る。
−65℃から＋125℃までの極端な熱サイクルに遭遇す
る可能性もあり、その場合は、はんだ破損や他の損傷が
生じることが知られている。本明細書で実証するよう
に、分子配向した熱変性ポリマーフィルムは、そのCTE
がセラミックのCTEと釣りうことができるので、この問
題を解決することができる。更に、これらのポリマー
は、誘電特性に優れており、また、多軸（例えば二軸）
配向熱変性ポリマーからフィルムを製造することができ
るので、他の高性能支持体よりもかなり有利である。
セラミックのCTEと釣り合いを取るために繊維強化支
持体（ケプラーおよびグラファイト強化材）が開発され
つつあるが、これらの材料には欠点がある。繊維は織っ
て織布されねばならないか、あるいは交差するように重
ね合わさなければならないが、その結果、比較的大きい
スケールで厚さおよび異方性が増大する。（繊維トウの
直径は約0.002インチであり、織布の最小厚さは約0.004
5インチである。）さらに誘電率および製造コストが高
いという問題があり、それについて、以下に述べる。
銅−インバール−銅（CIC）積層ホイルは、釣り合い
の取れたCTEを付与し得るが、この材料は比較的重く
（このことにより、航空電子工学への応用での使用が妨
げられる。）また、表面および内側の通路（多層を連結
する穴）上に絶縁材を必要とする。
セラミック支持体は、その脆性および高誘電率（９〜
10）のために除外されるので、考慮に入れない。最近、
日立（株）が、CTEの小さいポリイミドフィルムを報告
しているが、この材料はまだ開発の初期段階にある。
（例えば、Numataら，“Chemical Structures and Prop
erties of Low Thermal Polyimides,′p.492〜510,Proc
eeding of Second International Conference on Polyi
mides,Society of Plastics Engineers,Inc.（1985）参
照）。
ポリイミドフィルムはまた、吸湿率が高く（５重量
％）、そのために誘電性能が低下し、吸湿膨脹が生じる
という欠点を有する。
コンピューターシステムの進歩は、多数の内平面、多
くの導電配線、および内部導体に極めて近接して形成さ
れた多数の穴を有する極めて高密度の回路基板に依存す
る。現在の材料および導体技術を使用して可能なのは、
精々、導体の最小幅が３ミル（mil）で間隔が３ミルで
ある。半導体装置およびモジュール上の回路パッケージ
の密度増加に応じるためには、より高密度のPWBが必要
である。
発明の要旨 本発明は、プリント配線基板および進歩した相互接続
用の支持体として多軸（例えば、二軸）配向熱変性ポリ
マーフィルム、好ましくはXydar（商標；以下同様）ま
たはVectra（商標；以下同様）を使用することにより、
そのような材料における電流のギャップを埋めることが
できることを見い出したものである。Xydar及びVectra
はいずれも公知の液晶ポリマーであり、以下の構造： を有している。
本発明の最も好ましいプリント配線基板（PWB）の支
持体は、XydarまたはVectraから作られる、非導電性
で、吸湿率の小さい多層PWBラミネートであり、次の特
性を有する。
−調整され得る熱膨脹係数（CTE）（Ｘ−Ｙ方向）が約
３〜７×10-6インチ／インチ／℃の範囲である。
−厚さ方向（Ｚ方向）のCTEが、穴全体を被覆するのに
使用される銅のCTEに近い。
−吸湿率が小さい、すなわち飽和状態において約0.5％
以下である。
−単層の最大厚さが0.0025インチ以下である。
−層間のせん断強さガラス/Kerimid 601（商標；以下同
様）より大きいか又はガラス／エポキシと同じである。
Kerimid 601はポリイミドである。
−曲げ強度がガラス／ポリイミドと同等である。
−機能周波数（functional frequency）1kHz〜500MHzに
対する誘電率が約3.5以下であり、他の電気特性は標準
のガラス／ポリイミドと同じである。
好ましい実施態様においては、本発明のPWBは、高密
度の無鉛化ペリメーターとして、グリッド配列セラミッ
クチップパッケージ中で使用可能な、一般的で高密度の
有機多層PWBを含む。
特定のチップ実装密度要求は、perimeter型パッケー
ジに関しては中心間距離0.020（0.020−in.centers）イ
ンチで１装置あたり300までの入力／出力（I/O）を有
し、またグリッドアレイ型パッケージに関しては中心間
距離0.050インチで１装置あたり240までのI/Oを有す
る。
最も好ましい実施態様では、本発明は、厚さ0.0025イ
ンチ以下の、先に特定した特定要求を満たす、あるいは
超えることのできるXydarまたはVectraPWB支持体層の形
成方法を提供する。CTEなどの特定の所望の特性の測定
は、ASTM D−696またはそれと同等の方法を用いて行
い、誘電率の測定は、ASTM D−150またはそれと同等の
方法を用いて行った。
本発明の別の好ましい態様は、XydarまたはVectraフ
ィルムを共に結合すると、多層基板（MLB）構築のため
の適切なラミネートが形成できることの発見を含む。
本発明の支持体表面製造技術は、適切な積層技術の発
展に不可欠なものである。
好適実施態様の詳細な説明 ランダム配列のXydarまたはVectraポリマーのサンプ
ルは、各々、それらの製造元であるDartco Mfg.,INc.お
よびCelaneseから入手でき、それらは種々の加工条件下
で加工され、各々、種々の程度の分子配向を有するフィ
ルムになる。
Xydarおよび／またはVectraの多軸配向フィルムを製
造するための好ましい加工法は、反対方向に回転するチ
ューブダイの使用によるもので、米国特許出願第098,71
0号（Harveyら、1987年９月27日出願）に記載されてい
る。この開示内容の必要部分を参考文献として本明細書
に取り入れるものとする。
検討した配向は、一軸、±43゜の平衡角度をなした二
軸およびランダムである。作ったフィルムのサンプルを
テストして、機械方向および横方向の両方向におけるCT
Eを測定し、また、誘電率についても測定した。
高度に配向したXydarまたはVectraフィルムは、配向
方向に負のCTEを有し、およびその方向の横方向の正のC
TEを有する。
本発明の重要な発見は、異方性の熱膨脹挙動を使用す
ることにより、二軸配向フィルムの全CTEを調整された
範囲、すなわち適するように変えることができること、
およびこれらのフィルムを使用して、面内CTEが約＋３
〜＋７×10-6インチ／インチ／℃である有用なPWB支持
体を作ることができることである。
本発明の別の好ましい実施態様は、XydarまたはVectr
aフィルムを使用すると多層基板（MLB）に適したラミネ
ートが形成できることを含む。
本発明のこの態様に関連して、多数の別の表面処理お
よび接着剤を評価した。エポキシおよびポリイミドの両
方の接着剤の評価結果は、表面改質されたXydarまたはV
ectra、すなわち、XydarまたはVectraフィルム上の表面
を重クロム酸塩または硫酸エッチング液のどちらかを用
いて、あるいは簡単な機械的摩耗により処理されたもの
が、接着に関してMLBへの適用にふさわしいことを示し
た。
表面処理を必要としない別の結合方法も有望な結果を
示した。この方法は、XydarまたはVectraフィルムを改
質して「プリプレグ」または「予備含浸フィルム」に
し、その後で結合できるようにするものである。
−XydarまたはVectraおよび他の順序よく並んだ熱変性
ポリマーの棒状分子がもとになって自己強化された微小
構造を成し、それを配向させることによりCTEを調節す
ることができる。こうして、分子配向したポリマー支持
体のCTEをセラミックチップキャリヤのCTEと釣り合わせ
ることができ、DSM成分のはんだ接続部分における破壊
を排除することができる。
本発明は、XydarまたはVectraフィルムが負の固有CTE
を有し、且つ、かなりの硬いので、正のCTEを有する金
属の基底面、熱調節層、信号層および積層樹脂との連結
に有用であるという発見に基づく。
テストデータおよび計算により、XydarまたはVectra
フィルムを進歩したPWBに使用すると6ppm/℃を達成する
ことができ、無鉛化セラミックチップキャリヤと釣り合
うことがわかる。
また、テストデータにより、XydarまたはVectraフィ
ルムは、信号伝搬速度が大きく（誘電率:3.0未満）、電
気信号が支持体に入る際の損失が少ない（散逸係数:0.0
10未満）という性能を有することがわかる。
XydarまたはVectraフィルムを進歩したPWB用の好まし
い材料たらしめている他の特性は次のとおりである。
−表面の滑らかさは、繊維の大きさの影響を受けず、ま
た織布強化複合材料においてのような微小亀裂を示さな
い。
−複合材料の最小厚さが3.5ミルであるのに対し、２ミ
ル以下のフィルム厚さを容易に得ることができる。
−製造（めっきおよびはんだ付け）並びに使用におい
て、かなり高い温度が可能である。
−軽量高性能基板において必要な良好な機械的特性とし
て、大きい強度および剛性を有する。
−吸湿性が小さく、環境に対する耐性が優れている。
XydarまたはVectraの分子配向したポリマーフィルム
のCTEを適するように変えることができる事実を理解す
るためには、これらの材料の加工および形態を再吟味す
る必要がある。
配向工程の間に、XydarまたはVectraの棒状分子を、
極く微細なスケールまで均一性を有する微小繊維の網目
にする。この微小繊維の網目の大きさは、約100Åのオ
ーダーであることが見い出されている。従って、自己強
化された材料が、比較的大きい電子成分、プリント導体
および他の電子パッケージ要素に対して連続しているよ
うに見える。
XydarまたはVectraフィルムに乾燥および熱処理を施
すことにより仕上げを行った後は、機械特性が不変かつ
繰り返し可能であり、そのフィルムは、吸湿性が小さい
（25℃で24時間浸漬した後で0.5重量％未満）など、優
れた環境安定性を示す。
完全に加工したフィルムは熱硬化性である。すなわ
ち、それに熱や圧力を加えて更に成形することができな
い、事実、300℃における引張強さのテストにより、そ
の材料は室温における値の75％を保つことが示されてい
る（Thomasら，“Mechanical Properties Varsus Morph
ology of Orderd Polymers,"Vol.II,Technical report
AFWAL TR 80−4045,July 1981）。
多軸フィルム加工技術が開発されており、フィルム平
面に特定の調節可能な分子配向を有するフィルムが得ら
れる。Ｘ線回折の研究はフィルム厚さ全体に亘って高度
の秩序を示しており、分子が主としてフィルム面内にあ
ることが認識される。
極端な場合には、全ての分子が機械方向（すなわち加
工中にフィルムが進む方向）に配向した、いわゆる単軸
配向の状態にある。
二軸配向フィルムは、主に配向方向が機械方向に対し
て±45゜である形態を有する。±45゜というフィルムの
形態上の値は幾分理想化したものであり、分子の一部
は、これら２方向の間およびフィルム面の外に配向して
いる。従って、多軸という一般的用語を用いて、理想化
していない現実の結果を定義する。
本発明では、理想の二軸フィルムは複合体中の繊維強
化層に類似したXydarまたはVectraの単軸層を含む。そ
のような単軸のXydarまたはVectra層は、縦方向および
横方向の両方の特性を有しているので、フィルム面の分
子の主方向およびランダムな分布の両方を説明すること
ができる。
主な配列方向におけるXydarまたはVectraフィルムの
負のCTEは、分子配向したリオトロピックポリマー、例
えばポリパラフェニレンベンゾビスチアゾール（PBz
T）、ポリパラフエェニレンベンゾビスオキサゾール（P
BzO）など（Wolfeらの米国特許第4,533,692号，同第4,5
33,693号および同第4,533,724号参照）;XydarまたはVec
tra繊維；並びに他の高モジュラス繊維、例えば、グラ
ファイトポリアラミド（Kevlar）および超延伸ポリエチ
レン（Porterら，“Concerning the Negative Thermal
expansision for Extended Chain Polyethylen,“Journ
al of Thermal Analysis,Vol.8,pp,547−555（1975）参
照）に対して記載されているCTEと同じである。
これらの高モジュラス繊維は、軸方向の負のCTEを示
し、横方向で正のCTEを示す。これらの繊維は、正のCTE
を有するマトリックス材料（例えば、エポキシまたはポ
リイミド）との結合に使用すると、正味の熱膨脹を、PW
B支持体に要求される３〜7ppm/℃に変えることができ
る。これは、繊維：樹脂の比を調節し、単一方向の繊維
層を交差するように重ねることにより行うことができ
る。XydarまたはVectraフィルムはマトリックス成分を
有しないが、横方向に負のCTEを有する。
二軸フィルムの最も簡単なモデルでは、仮定した２つ
の単軸層が機械方向に対して±φで配向しており、Xyda
rまたはVectraの二軸フィルムの実際の配向に近い。φ
＝０の場合は単軸の場合に退行し、φ＝45゜のときは、
縦方向（機械方向）および横方向の特性が、交差するよ
うに重ねられた繊維強化複合材のようにともに等しい。
XydarまたはVectraの棒状分子の縦方向の剛性が非常
に大きいので、たとえ±45゜のフィルムであっても、計
算すると、フィルム面内のCTEは負になる（等方的な負
のCTE挙動）。従って、XydarまたはVectraフィルムは、
負のCTEを有する繊維に類似するが、これを一次元より
もむしろ二次元で表すことにより、等方的な平面強化が
可能になる。
XydraまたはVectraフィルムは、フィルム平面で負のC
TEを示す。この挙動を用いると、銅の導体、基底平面、
熱調節層、およびMLBを一緒に結合するための樹脂の正
のCTEを打ち消すことができる。
しかし、XydarまたはVectraフィルムは、強度および
剛性が大きいので、同量の銅に関して、材料は少量でよ
い。適正に設計されたXydrまたはVectraの支持体であれ
ば、従来の支持体材料よりも多くの銅を支持すことがで
き、仕上ったMLBはより小さくかつより軽くなる。有利
な点として、銅の相対含量を約20〜30％にすることがで
きるので、平面全体のCTEを所望の範囲にすることがで
きる。
XydarまたはVectraの薄いフィルムを使用するとMLB全
体の厚さを実質的に減少させることができる。Ｅ−ガラ
ス／エポキシの織布強化PWBの厚さは、糸（yarn）の直
径および織り方のために約４〜５ミルに制限される。Xy
darまたはVectraフィルムの１〜２ミルの厚さは、Ｅ−
ガラス基板と同じ銅層を1/4〜1/2の厚さで支持すること
ができる。
切替周波数（switching frequencies）がギガヘルツ
（GHz）の範囲にある高速回路は、誘電率の関数である
伝搬速度により制限される。そのような進歩した応用に
対しては、約3.0未満の誘電率が必要である。これはま
た、ラインの電気容量および装置の駆動に必要な電力を
減少させる。信号が支持体に入るときの損失を最小にす
るには、散逸係数（dissipation factor）が小さい（約
0.010未満）ことが必要である。
XydarおよびVectraフィルムは、高速回路の応用に対
して好ましい誘電特性を有する。誘電率および散逸係数
がXydarまたはVectraよりも著しく小さい唯一の材料
は、ポリ−テトラフルオロエチレン（PTFE）であるが、
熱膨脹、剛性および結合性の問題により、それは使用さ
れていない。
XydarまたはVectraの低誘電率の利点を実現させるに
は、低誘電率の樹脂を使用する必要がある。いくつかの
改質エポキシ（例えば、末端アセチレン化およびビスマ
レイミド−トリアジンブレンド）が有望である。
分子配向した他の熱変性液晶ポリマーの多軸配向フィ
ルムは、XydarまたはVectraフィルムの製造に使用する
のと同じ方法で製造されることができる。これらの類似
材料は、引張り強さおよびモジュラスが著しく低下する
ことなくXydarまたはVectraフィルムよりも良好な圧縮
強さを示し得る多軸配向フィルムにすることができるこ
とが予想される。良好な電気特性は保持されるはずであ
る。
XydarまたはVectraおよび分子配向した他の熱変性ポ
リマーの改質フィルムは、ポリマーの繊維状微小構造が
本明細書中に記載したような水膨潤状態にあるとき、そ
の微小構造の中に第２の材料を導入することを含む新規
方法によって製造することができる。
この改質により引張り強さおよびモジュラス特性を著
しく犠牲にすることなく、混ぜ物のないフィルム形態に
比べて圧縮強さおよび層間接着が改善されたフィルムが
製造される。
XydarまたはVectraの微小構造を他のポリマーととも
に溶融すると、２相の互いに入りくんだ網目状（IPN）
の材料を作ることができる（分子複合材料は、コイル状
マトリックスポリマーを強化する棒状分子を有する別の
２相材料である。）。
エポキシ接着剤を用いたとき、混ぜ物の入っていない
XydarまたはVectraフィルムと比較して改善された積層
特性を実証したいくつかのフィルムとして、テトラメト
キシシラン（TMOS）、テトラエトキシシラン（TEOS）、
グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン（GPTMO
S）、メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン（M
PTMOS）、メチルトリメトキシシラン（MTMOS）、および
ジメチルジメトキシシラン（DMDMOS）が挙げられる。こ
れらの材料は、多層PWB構築物を作るときに有用であろ
う。
IPNの方法は、改善された曲げ剛性、良好な層間接着
性および層間強度、成分の固定および導体のめっきに対
する改善された表面接着性、並びに空孔および欠陥の減
少という利点を示す、XydarまたはVectraフィルムを
「プリプレグする」方法として見ることができる。
本発明を好ましい実施態様とともに詳細に記載した
が、当業者がこの記載を考慮して本発明を変形および／
または改善したものも請求の範囲に記載されている本発
明の範囲及び思想内であると理解されよう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｌ 7:00 31:34 (72)発明者 ハービ，アンドルー・シー アメリカ合衆国、マサチユーセツツ・ 02154、ウオールサム、ウツドチエスタ ー・ロード・60 (72)発明者 チヤンデイー，ルービ・アール アメリカ合衆国、マサチユーセツツ・ 02139、ケンブリツジ、リー・ストリー ト・31 (56)参考文献 特開 昭63−74622（ＪＰ，Ａ) 特表 昭61−501207（ＪＰ，Ａ) 実願 昭60−171345号（実開 昭62− 80630号）の願書に添付した明細書及び 図面の内容を撮影したマイクロフィルム （ＪＰ，Ｕ)

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】調整された熱膨張係数（Ｘ−Ｙ方向）を有
    しかつ機能周波数1KHz〜500MHzに対する誘電率が約3.5
    以下である、分子配向したサーモトロピック液晶ポリマ
    ーフィルムから製造される、製品としてのプリント配線
    基板支持体。
  2. 【請求項２】更に下記の特徴： （ａ）非導電性である、及び （ｂ）吸湿性が低い、 を有することを特徴とする請求項１に記載のプリント配
    線基板支持体。
  3. 【請求項３】分子配向したポリマーがXydar（商標）ま
    たはVectra（商標）から選択されることを特徴とする請
    求項２に記載のプリント配線基板支持体。
  4. 【請求項４】更に前記支持体に結合された銅層を含むこ
    とを特徴とする請求項３に記載のプリント配線基板支持
    体。
  5. 【請求項５】調整された熱膨脹係数（CTE）（Ｘ−Ｙ方
    向）が約３〜７×10-6インチ／インチ／℃の範囲である
    ことを特徴とする請求項３に記載のプリント配線基板支
    持体。
  6. 【請求項６】その他の特性として、厚さ方向（Ｚ方向）
    のCTEが銅のCTEに近いことを特徴とする請求項４に記載
    のプリント配線基板支持体。
  7. 【請求項７】その他の特性として、吸湿率が小さい、す
    なわち、飽和状態において約0.5％以下であることを特
    徴とする請求項３に記載のプリント配線基板支持体。
  8. 【請求項８】更に、規則正しく並んだ複数のポリマー層
    を含んで一つの多層積層板を構築していることを特徴と
    する請求項３に記載のプリント配線基板支持体。
  9. 【請求項９】更に前記支持体に結合された銅層を含むこ
    とを特徴とする請求項８に記載のプリント配線基板支持
    体。
  10. 【請求項１０】その他の特性として、単層の最大厚さが
    約0.0025インチ以下であることを特徴とする請求項８に
    記載のプリント配線基板支持体。
  11. 【請求項１１】その他の特性として、層間のせん断強さ
    がガラス/Kerimid 601（商標）より大きいか又はガラス
    ／エポキシと等しいことを特徴とする請求項８に記載の
    プリント配線基板支持体。
  12. 【請求項１２】その他の特性として、曲げ強度がガラス
    ／ポリイミドと同等であることを特徴とする請求項８に
    記載のプリント配線基板支持体。
  13. 【請求項１３】高密度無鉛化ペリメーターとして及びグ
    リッドアレイセラミックチップパッケージ中で用いるこ
    とができることを特徴とする請求項８に記載のプリント
    配線基板支持体。
  14. 【請求項１４】チップ実装密度要求が、ペリメーター型
    パッケージに関しては中心間距離0.20インチで１装置あ
    たり、300までの入力／出力（I/O）を有し、グリッドア
    レイ型パッケージに関しては、中心間距離0.050インチ
    で１装置あたり240までのI/Oを有することを特徴とする
    請求項13に記載のプリント配線基板支持体。
  15. 【請求項１５】銅がプラズマコーティングによって付着
    されていることを特徴とする請求項４に記載の銅でコー
    ティングされたPWB支持体。
  16. 【請求項１６】銅がイオンめっきによって付着されてい
    ることを特徴とする請求項４に記載の銅でコーティング
    されたPWB支持体。
  17. 【請求項１７】銅がプラズマコーティングによって付着
    されていることを特徴とする請求項９に記載の銅でコー
    ティングされたPWB支持体。
  18. 【請求項１８】銅がイオンめっきによって付着されてい
    ることを特徴とする請求項９に記載の銅でコーティング
    されたPWB支持体。
  19. 【請求項１９】どの厚さも約0.0025インチ以下である数
    個のXyder（商標）及び／またはVectra（商標）フィル
    ム層を一緒に結合することにより、多軸配向フィルム層
    が複数積層した多層基板を形成することを特徴とする多
    層PWB支持体の形成方法。
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