JP5710845B2 - 表面処理電解銅箔、積層板、プリント配線板、及び電子機器 - Google Patents

表面処理電解銅箔、積層板、プリント配線板、及び電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、表面処理電解銅箔、積層板、プリント配線板、及び電子機器に関する。
プリント配線板はここ半世紀に亘って大きな進展を遂げ、今日ではほぼすべての電子機器に使用されるまでに至っている。近年の電子機器の小型化、高性能化ニーズの増大に伴い搭載部品の高密度実装化や信号の高周波化が進展し、プリント配線板に対して導体パターンの微細化(ファインピッチ化)や高周波対応等が求められている。
プリント配線板に対する導体パターンのファインピッチは、銅箔粗化処理面の粗度が低いほど良好に形成される。そのため、近年の導体パターンのファインピッチ化に伴い、銅箔粗化処理面の低粗度化への要求が増大している。
一方、銅箔は樹脂と接着させて積層板を構成するが、その際の樹脂との密着信頼性は、銅箔の粗面の粗度が大きいほど、粗面に生じるアンカー効果が高くなるため良好となる。当該密着信頼性は、ファインピッチを形成する上で重要な管理項目の一つであり、90°ピール強度が一定値(0.6kg/cm)以上であれば良いとされている。また、他の密着信頼性の評価方法として、260℃の高温浴に樹脂基板との積層体を浸漬させて、表面に発生する膨れの数を測定するものがあり、当該膨れ発生数0〜1個/m2が密着信頼性の基準とされている。
ファインピッチ化が可能で且つ樹脂との密着信頼性を向上させた銅箔については、種々の技術が開発されている。例えば、特許文献1には、表面粗さ(Rzjis)が2.5μm以下、表面積が6550μm2の二次元領域をレーザー法で測定したときの表面積(三次元面積:Aμm2)と二次元領域面積との比[(A)/(6550)]で算出される表面積比(B)の値が1.25〜2.50、二次元領域の単位面積あたりのクロムの量が2.0mg/m2以上である絶縁樹脂基材との接着面を備えることを特徴とした表面処理銅箔が開示されている。
特開2009−105286号公報
特許文献1に開示されているように、従来技術は樹脂との密着信頼性を向上させるために、特に銅箔の粗化面のRzに着目し、これを制御するものが主であった。しかしながら、発明者らの検討によれば、銅箔の粗化面のRzを同値となるように制御し、その他の条件も同様としても、上述の樹脂基板との接着界面の膨れ発生数が異なるという結果が得られた。このため、銅箔の粗化面のRzのみを制御した銅箔では、良好な密着信頼性を得るためには十分ではないことが判明した。
本発明は、ファインピッチ化が可能で且つ樹脂との密着信頼性に優れた表面処理電解銅箔、積層板、及びプリント配線板を提供する。
銅箔の導体パターンをファインピッチ化するために、粗化面のRzを低下させた場合、銅箔表面と樹脂基板との接着界面において、銅箔表面に形成された微細な凹凸に空気が溜まる。この空気が抜け難いため、高温状態にすると微細な凹凸に溜まった空気が膨張し、膨れを発生させていた。そこで、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、ファインピッチ化用の低粗化銅箔を使用しても銅箔表面に空気が溜まり難くなるような構造を銅箔表面に付与することで、上記膨れの発生を抑制し、これによって樹脂基板との良好な密着信頼性が得られることを見出した。
以上の知見を基礎として完成された本発明は一側面において、触針式粗度計を用いて測定される銅箔の粗化処理面の粗度Rzが2.0μm以下であり、前記粗化処理面の粗さ曲線のクルトシス数Skuが2〜4である表面処理電解銅箔である。
本発明に係る表面処理電解銅箔の一実施形態においては、前記粗度Rzが0.8〜1.8μmである。
本発明に係る表面処理電解銅箔の別の実施形態においては、前記クルトシス数Skuが2.5〜3.5である。
本発明に係る表面処理電解銅箔の更に別の実施形態においては、前記粗化処理面の表面積Aと、前記粗化処理面を平面視したときに得られる面積Bとの比A/Bが1.2〜2.0である。
本発明に係る表面処理電解銅箔の更に別の実施形態においては、前記比A/Bが1.3〜1.9である。
本発明に係る表面処理電解銅箔の更に別の実施形態においては、常態ピール強度が0.8kg/cm以上である。
本発明は別の側面において、本発明の表面処理電解銅箔と樹脂基板とを積層して構成した積層板である。
本発明は更に別の側面において、本発明の積層板を材料としたプリント配線板である。
本発明によれば、ファインピッチ化が可能で且つ樹脂との密着信頼性に優れた表面処理電解銅箔、積層板、及びプリント配線板を提供することができる。
実施例1の試料の粗化処理面のSEM観察写真である。 比較例1の試料の粗化処理面のSEM観察写真である。
本発明において使用する電解銅箔は、樹脂基板と接着させて積層体を作製し、エッチングにより除去することで使用される電解銅箔に有用である。
本発明において使用する電解銅箔は、銅箔の、樹脂基板と接着する面、即ち粗化面に、積層後の銅箔の引き剥し強さ(密着信頼性)を向上させることを目的として、前処理後の銅箔の表面にふしこぶ状の電着を行う粗化処理が施される。電解銅箔は製造時点で凹凸を有しているが、粗化処理により電解銅箔の凸部を増強して凹凸を一層大きくする。
〔粗度Rz〕
本発明の表面処理電解銅箔は、JIS B0601−1994に準拠して、触針式粗度計を用いて測定される銅箔の粗面の粗度Rzが2.0μm以下である。粗度Rzが2.0μm超であると、銅箔表面と樹脂基板との接着界面において、銅箔表面に形成された微細な凹凸に空気が溜まりやすくなり、この空気が抜け難い。このため、高温状態にすると微細な凹凸に溜まった空気が膨張し、膨れが発生する。触針式粗度計を用いて測定される前記粗化面の粗度Rzは好ましくは0.8〜1.8μm、より好ましくは1.0〜1.7μmである。この粗度Rzは、銅箔のシャイン面(S面)処理条件の最適化並びに両面平滑生箔の使用により制御することができる。
〔クルトシス数Sku〕
本発明の表面処理電解銅箔は、粗面に存在する凹凸について、その「尖り度」が樹脂基板との密着信頼性に影響を与えるという観点から、粗面の粗さ曲線のクルトシス数Skuを2〜4に制御されている。粗さ曲線のクルトシス数Skuは、銅箔粗面における凹凸の尖り具合(丸み具合)を表し、クルトシス数Skuが小さくなるほど凹凸は丸みを帯びた曲線となり、クルトシス数Skuが大きくなるほど凹凸は尖った曲線となる。粗さ曲線のクルトシス数Skuは、ISO25178に準拠した非接触式粗さ計による三次元表面粗さ測定における、凹凸の尖り具合の指標であり、下記式で表され、三次元表面粗さのZ軸方向の凹凸(山の)高さであって、基準長さlrにおける山の高さZ(x)の下記四乗平均を、下記二乗平均平方根粗さRqの四乗で割ったものである。
基準長さlrにおける山の高さの四乗平均:
{(1/lr)×∫Z4(x)dx(但しインテグラルは0からlrまでの積算値)}
二乗平均平方根粗さRq:
Rq:√{(1/lr)×∫Z2(x)dx(但しインテグラルは0からlrまでの積算値)}
粗さ曲線のクルトシス数Sku:
Sku=(1/Rq4)×{(1/lr)×∫Z4(x)dx(但しインテグラルは0からlrまでの積算値)}


上述の通り、銅箔粗面における凹凸の尖り具合、尖り方が険しいほど、粗さ曲線のクルトシス数Skuは大きくなる。そして、凹凸の尖り具合、尖り方が険しいほど、銅箔粗面に存在する凹凸の大きさのばらつきが大きくなる。従って、凹凸の形状を制御することを示す粗さ曲線のクルトシス数Skuを制御すれば、より銅箔粗面に存在する凹凸の大きさのばらつきを、より抑制することができる。このように銅箔粗面に存在する凹凸の大きさのばらつきを抑制することで、ファインピッチ化しても銅箔表面に空気が溜まり難くなる。従って、高温状態での凹凸内に溜まった空気の膨張によって引き起こされる膨れの発生を抑制し、これによって樹脂基板との良好な密着信頼性が得られる。粗面の粗さ曲線のクルトシス数Skuが2未満であると樹脂との十分な密着力を保持することができなくなり、4超であると上述のとおり、加熱後に膨れが発生するという問題が生じる。また、粗さ曲線のクルトシス数Skuは、好ましくは2.5〜3.7、より好ましくは2.5〜3.5、より好ましくは2.4〜3.4である。クルトシス数Skuは、銅箔の粗化処理条件を最適化することで制御することができる。
〔表面積比A/B〕
本発明の表面処理電解銅箔は、粗面(粗化処理された面)の表面積Aと、粗面を平面視したときに得られる面積Bとの比A/Bが1.2〜2.0であるのが好ましい。ここで、表面積Aは、所定範囲の二次元領域をレーザー法で測定したときの表面積(三次元面積)であり、粗面を平面視したときに得られる面積Bは、当該二次元領域の面積を示す。これらの表面積比A/Bは、表面処理電解銅箔と、樹脂基板との接触面積の代替指標であり、1.2未満であると樹脂との密着力が十分に確保できないおそれがあり、2.0超であると、上述のとおり、加熱後に膨れが発生するという問題が生じるおそれがある。表面積比A/Bは、より好ましくは1.3〜1.9である。表面積比A/Bは、銅箔の粗化処理条件を最適化することで制御することができる。例えば、銅粗化処理液にWを添加すると表面積比A/Bは大きくなる。また、銅粗化処理において電流密度を高くすると表面積比A/Bは大きくなり、電流密度を低くすると表面積比は小さくなる。このようにして表面積比A/Bを1.2〜2.0に制御することができる。
〔常態ピール強度〕
本発明の表面処理電解銅箔は、上述のように、良好な常態ピール強度を有している。詳細には、本発明の表面処理電解銅箔は、JIS C5016に準拠して測定された常態ピール強度が0.8kg/cm以上であるのが好ましい。また、当該常態ピール強度は、より好ましくは0.9kg/cm以上である。
〔高温浴槽膨れ〕
本発明の表面処理電解銅箔は、上述のように、高温浴膨れが良好に抑制されている。詳細には、本発明の表面処理電解銅箔は、導体パターンとしてファインピッチ回路を形成した後、樹脂基板と粗化面で接着させたときに、260℃の高温浴槽に1分間浸漬した後の膨れ発生数が、0〜1個/m2であるのが好ましい。
本発明の表面処理電解銅箔の製造方法としては、まず、電解銅箔(生箔)を作製する。本発明で用いる電解銅箔は、生箔としての有用な特性である、ピンホールが抑制された、高い高温伸びを有する電解銅箔である。
本発明で用いる電解銅箔は、硫酸酸性硫酸銅電解液を用いた電気分解により作製される。当該電解液中のニカワ濃度を0.5ppm以下、好ましくは0.01〜0.2ppm未満に調整することにより、また好ましくは調整された量の塩化物イオンを添加し、また電解液温度、硫酸濃度のような他の電解条件をも併せて調整することにより、ピンホールの発生が無く、高い高温伸びを有する電解銅箔とすることができる。当該電解液を用いて製造した電解銅箔中へのニカワの取り込み量を低減せしめ、高温処理時に結晶のアニール(再結晶)を促進せしめ、その結果として高温での伸び率を増大させる。
塩化物イオンを添加した場合の本発明で用いる電解液の組成及び電解条件は以下の通りである。
(A)電解液組成:
Cu:50〜120g/l
2SO4:20〜200g/l、好ましくは40〜120g/l
塩化物イオン(Cl-):20〜100ppm(mg/l)
ニカワ:0.5ppm(mg/l)以下、好ましくは0.01〜0.2ppm(mg/l)未満
(B)電解条件:
電解液温度:20〜70℃、好ましくは40〜60℃
電流密度:20〜150A/dm2
アノード:Pb
ニカワ濃度が0.5ppmを超えると高温での伸び率の向上はほとんどない。また、ピンホール等の防止のために最小限量のニカワの添加は必要である。0.01〜0.2ppm(mg/l)未満の量のニカワ添加が好ましい。
硫酸濃度は20〜200g/l、好ましくは40〜120g/lとすることが望ましい。20g/l未満では、電解液の電導度が低下し、電解槽電圧が上昇する。200g/lを超えると、高高温伸び銅箔の製造が次第に困難となり、設備の腐蝕が発生しやすくなる。
好ましくは、塩化物イオンが20〜100ppm(mg/l)の量において添加される。この範囲外では、電解銅箔の基本的特性(抗張力、粗さ等)が一定とならない。塩化物イオンは、塩酸、食塩、塩化カリウム等の形で添加される。
電解液温度は20〜70℃、好ましくは40〜60℃にすることが望ましい。電解液温度を下げると、ニカワ濃度が高めでも高高温伸び銅箔が製造できる。20℃未満では、電解液の電導度が低下し、電解槽電圧が上昇する。70℃を超えると高高温伸び銅箔が製造が次第に困難となり、エネルギーコストも増大する。
電流密度範囲は、安定してかつ実用上許容される時間で電解銅箔を製造するためには20〜150A/dm2である。
以下に、生箔製箔におけるクルトシス数Skuの制御方法の例を示す:
<生箔製箔条件>
生箔製箔時の電解液において、膠濃度を1〜10ppmとし、SPS〔ビス(3−スルフォプロピル)ジスルファイド2ナトリウム〕を1〜50ppmとし、アミン系化合物〔3級アミン化合物〕を1〜50ppmとすることで、生箔表面を平滑にする(凹凸が鋭くなくなる)。これにより、その後の粗化処理、かぶせ銅めっき後の表面の粗化粒子の形状が丸くなる。このようにして、クルトシス数Skuを一般的な電解銅箔(例えば生箔が銅、硫酸、Cl、ニカワを添加した電解液で製造された場合)よりも小さくすることができる。
なお、3級アミン化合物として以下の化合物を用いる。
Figure 0005710845
(上記化学式中、R1及びR2はヒドロキシアルキル基、エーテル基、アリール基、芳香族置換アルキル基、不飽和炭化水素基、アルキル基からなる一群から選ばれるものである。後述の実施例では、R1及びR2は共にメチル基とした。)
なお、後述の実施例で用いた上記化合物は例えばナガセケムテックス株式会社製デコナール Ex−314とジメチルアミンを所定量混合させ、60℃で3時間反応を行うことで得ることができる。
次に、電解銅箔の表面に粗化処理を行う。粗化処理としては、例えば次に示す条件を採用することができる。本発明では電解銅箔の粗化処理された側の面を粗面とする。
・生箔が一般的な電解銅箔である場合(例えば生箔が銅、硫酸、Cl、ニカワを添加した電解液で製造された場合)
〔銅粗化処理条件〕
Cu:5〜50g/l
2SO4:10〜100g/l
・その他の添加元素(条件1〜4のいずれか)
(条件1)
As:0.01〜20mg/l(ppm)かつ
W:0.01〜10mg/l(ppm)
(条件2)
Mo:0.01〜5mg/l(ppm)
(条件3)
Mo:0.01〜5mg/l(ppm)
かつ
As:0.01〜5mg/l(ppm)および/またはW:0.01〜5mg/l(ppm)および/またはCo:0.01〜0.5mg/l(ppm)
(条件4)
As:0.01〜20mg/l(ppm)かつ
W:0.01〜10mg/l(ppm)かつ
Co:0.01〜0.5mg/l(ppm)
液温:室温(20℃)〜50℃
電流密度:5〜120A/dm2
時間:1〜30秒
・生箔が両面平滑(フラット)箔(レべリング剤が電解液に添加されているため、銅の析出面が一般的な電解銅箔よりも平滑である箔)である場合(例えば生箔が銅、硫酸、Cl、ニカワ、SPS、アミン化合物を添加した電解液で製造された場合)
〔銅粗化処理条件〕
Cu:5〜50g/l
2SO4:10〜100g/l
・その他の添加元素(条件1〜4のいずれか)
(条件1)
As:0.01〜5mg/l(ppm)かつ
W:0.01〜5mg/l(ppm)
(条件2)
Mo:0.01〜3mg/l(ppm)
(条件3)
Mo:0.01〜3mg/l(ppm)
かつ
As:0.01〜5mg/l(ppm)および/またはW:0.01〜5mg/l(ppm)および/またはCo:0.01〜1mg/l(ppm)
(条件4)
W:0.01〜5mg/l(ppm)および/またはCo:0.01〜1mg/l(ppm)
液温:室温(20℃)〜50℃
電流密度:5〜130A/dm2
時間:1〜30秒
以下に、銅粗化処理におけるクルトシス数Skuの制御方法の例を示す:
<銅粗化処理条件>
銅粗化処理液において、AsおよびWの両方を添加する、又は、Moを添加することで、粗化粒子の形状を丸くする。このようにして、クルトシス数Skuを小さくすることができる。
また、銅粗化処理液において、Coを添加する、またはWを単独で添加する(As無)ことで、粗化粒子の形状を鋭くすることができる(粒子の先が尖る)。このようにして、クルトシス数Skuを大きくすることができる。
さらに、液温を低くする(例えば20℃以上25℃よりも低くする)ことで、粗化粒子の形状を鋭くすることができる(粒子の先が尖る)。このようにして、クルトシス数Skuを大きくすることができる。
粗化処理後に、粒子の脱落を防止するためのかぶせ層として薄い銅めっきが行われる。例えば次の条件を採用することができる。
〔かぶせ銅薄層めっき条件〕
Cu:30〜100g/l
2SO4:10〜200g/l
液温:室温〜75℃
電流密度:5〜65A/dm2
時間:1〜30秒
以下に、かぶせ銅めっき処理におけるクルトシス数Skuの制御方法の例を示す:
<かぶせ銅めっき条件>
電流密度を高くする(例えば60A/dm2より大きくする)ことで、粗化粒子の形状を鋭くすることができる(粒子の先が尖る)。このようにして、クルトシス数Skuを大きくすることができる。
粗化面にCu、Cr、Ni、Fe、Co及びZnから選択される1種乃至2種以上の単一金属層又は合金層を形成するトリート処理を行なうことが好ましい。合金めっきの例としては、Cu−Ni、Cu−Co、Cu−Ni−Co、Cu−Znその他を挙げることが出来る。こうしたトリート処理は、銅箔の最終性状を決定するものとしてまた障壁としての役割を果たす。
また、粗化面にニッケル、コバルト、銅、亜鉛の単体または合金等で耐熱層または防錆層を形成しても良く、更にその表面にクロメート処理、シランカップリング処理などの処理を施してもよい。または粗化処理を行わずに、ニッケル、コバルト、銅、亜鉛の単体または合金等で耐熱層又は防錆層を形成し、さらにその表面にクロメート処理、シランカップリング処理などの処理を施してもよい。すなわち、粗化処理層の表面(粗化面)に、耐熱層、防錆層、クロメート処理層及びシランカップリング処理層からなる群から選択された1種以上の層を形成してもよく、電解銅箔の表面に、耐熱層、防錆層、クロメート処理層及びシランカップリング処理層からなる群から選択された1種以上の層を形成してもよい。なお、上述の耐熱層、防錆層、クロメート処理層、シランカップリング処理層はそれぞれ複数の層で形成されてもよい(例えば2層以上、3層以上など)。
本発明の表面処理電解銅箔を、粗化処理面側から樹脂基板に貼り合わせて積層体を製造することができる。樹脂基板はプリント配線板等に適用可能な特性を有するものであれば特に制限を受けないが、例えば、リジッドPWB用に紙基材フェノール樹脂、紙基材エポキシ樹脂、合成繊維布基材エポキシ樹脂、ガラス布・紙複合基材エポキシ樹脂、ガラス布・ガラス不織布複合基材エポキシ樹脂及びガラス布基材エポキシ樹脂等を使用し、FPC用にポリエステルフィルムやポリイミドフィルム、液晶ポリマー(LCP)フィルム等を使用する事ができる。
貼り合わせの方法は、リジッドPWB用の場合、ガラス布などの基材に樹脂を含浸させ、樹脂を半硬化状態まで硬化させたプリプレグを用意する。銅箔を被覆層の反対側の面からプリプレグに重ねて加熱加圧させることにより行うことができる。FPCの場合、ポリイミドフィルム等の基材に接着剤を介して、又は、接着剤を使用せずに高温高圧下で銅箔に積層接着して、又は、ポリイミド前駆体を塗布・乾燥・硬化等を行うことで積層板を製造することができる。
本発明の積層体は各種のプリント配線板(PWB)に使用可能であり、特に制限されるものではないが、例えば、導体パターンの層数の観点からは片面PWB、両面PWB、多層PWB(3層以上)に適用可能であり、絶縁基板材料の種類の観点からはリジッドPWB、フレキシブルPWB(FPC)、リジッド・フレックスPWBに適用可能である。
実施例1〜6及び比較例1〜5として、表1に示す製造条件により生箔を製造し、続いて、表2に示す製造条件により粗化処理を行い、さらに表3に示す製造条件により粗化処理面にかぶせ銅めっきを行い、それぞれ粗面を形成した。表1〜3において、処理面Mはマット面(銅の析出面)を示し、処理面Sはシャイン面を示す。
Figure 0005710845
Figure 0005710845
Figure 0005710845
上述のようにして作製した実施例及び比較例の各サンプルについて、各種評価を下記の通り行った。
触針粗度;
株式会社小坂研究所製接触粗さ計Surfcorder SE−3C触針式粗度計を用いて測定した。
表面積比(A/B);
粗面の表面積はレーザー顕微鏡による測定法を使用した。オリンパス製 LEXT OLS 4000を用いて粗化処理面の257.9×257.9μm相当面積B(実データでは66524μm2)における三次元表面積Aを測定して、三次元表面積A÷二次元表面積B=面積比(A/B)とする手法により設定を行った。測定環境温度は23〜25℃とした。
クルトシス数Sku;
オリンパス製 LEXT OLS 4000三次元表面形状測定装置を使用し、試験材の粗化処理面の257.9×257.9μmのエリアを、平面0.12μm、高さ0.01μmの分解能で測定した。測定環境温度は23〜25℃とした。
常態ピール強度;
JIS C5016(8.1.6測定(1)方法A(90°方向引きはがし方法))に準拠し、引張り試験機オートグラフ100で常態ピール強度を測定した。
高温浴槽膨れ;
銅箔をガラスクロス基材エポキシ樹脂板に積層接着し、エッチング(塩化第二鉄水溶液)により銅箔にファインピッチ回路を形成して積層体を作成した。続いて、260℃の高温浴に当該積層体を1分間浸漬させて、表面に発生する膨れの数を測定し、1m2当たりの個数に換算した。
評価結果を表4に示す。
Figure 0005710845
(評価結果)
実施例1〜6は、いずれも良好な密着信頼性を有し、高温浴槽に浸漬しても膨れの発生が無かった。
比較例1〜4は、いずれも粗度Rzが2.0μm以下であるが、粗面の粗さ曲線のクルトシス数Skuが2〜4の範囲外であるため、密着信頼性が不良であるか、或いは、高温浴槽に浸漬したときに膨れが多数発生した。
図1に、実施例1の試料の粗化処理面のSEM観察写真を示す。図2に、比較例1の試料の粗化処理面のSEM観察写真を示す。

Claims (9)

  1. 触針式粗度計を用いて測定される銅箔の粗化処理面の粗度Rzが2.0μm以下であり、前記粗化処理面の粗さ曲線のクルトシス数Skuが2〜4である表面処理電解銅箔。
  2. 前記粗度Rzが0.8〜1.8μmである請求項1に記載の表面処理電解銅箔。
  3. 前記クルトシス数Skuが2.5〜3.5である請求項1又は2に記載の表面処理電解銅箔。
  4. 前記粗化処理面の表面積Aと、前記粗化処理面を平面視したときに得られる面積Bとの比A/Bが1.2〜2.0である請求項1〜3のいずれかに記載の表面処理電解銅箔。
  5. 前記比A/Bが1.3〜1.9である請求項4に記載の表面処理電解銅箔。
  6. 常態ピール強度が0.8kg/cm以上である請求項1〜5のいずれかに記載の表面処理電解銅箔。
  7. 請求項1〜6のいずれかに記載の表面処理電解銅箔と樹脂基板とを積層して構成した積層板。
  8. 請求項7に記載の積層板を材料としたプリント配線板。
  9. 請求項8に記載のプリント配線板を用いた電子機器。
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