JP5982710B2 - プリント配線板 - Google Patents

Description

本発明は、プリント配線板に関する。

プリント配線板は、電子機器、電機機器の構成部品として必須である。プリント配線板の構造としては、片面プリント配線板、両面プリント配線板、多層プリント配線板等の各種のものがあり、抵抗、コンデンサ、リアクトル、トランス等のデバイスをはんだ付けにより実装することで構成されている。

ここで、プリント配線板の詳細な構造の例として、ＮＥＭＡ（米国電機工業会）の規格でいうＦＲ−４タイプのプリント配線板について述べる。
一例として示す図３の両面プリント配線板１００の場合、ガラスクロスにエポキシ樹脂等を含浸させた、厚さ１００〜２００μｍのプリプレグ（接着層１０１）を数枚重ね（図中では２枚としている）、その両側に厚さがそれぞれ３５、７５μｍの銅箔層１０２を積層し、これらを加熱プレスによって貼り合わせている。この銅箔層１０２を任意の配線パターンにエッチング加工することによってプリント配線板１００を得ている。
なお、このようなプリント配線板として、例えば特開２００４−６３７１８号公報（特許文献１）に係るものが知られている。

プリント配線板が用いられる機器で発生する電圧は、その機器の目的によって様々である。このような機器では、発生する電圧によって、所定の絶縁距離をとるように設計されている。この絶縁距離としては、例えば、ＩＥＣ６６４規格に基づいた絶縁距離を用いている。また、絶縁距離は、電圧値だけではなく、プリント配線板の耐トラッキング指数、及び使用環境で決定される汚染度等によっても異なってくる。

近年、機器を小型化するために、電子部品を高密度に実装することが求められている。そのため、絶縁距離を短縮化することが必要となっている。これを実現するために、電極となる銅箔層をコーティング材又はポッティング材で覆う方法が行われている。
これは、銅箔層の配線パターン間で生じる絶縁劣化現象のひとつであるエレクトロケミカルマイグレーションの発生を防止するための方法である。この現象は、機器を使用する際、吸湿又は結露が生じて、銅箔層の配線パターン間の絶縁抵抗が低下し、銅箔から銅イオンが溶出して対極で還元析出することで導電路が形成され、短絡に至る現象である。
このようなエレクトロケミカルマイグレーションは、多層プリント配線板の内部でも生じることがある。

ここで、図４に示すように、電子部品を高密度に実装すべく、配線パターンを多く形成できるように、図３のような構成を数回繰り返すことによって得られる、４〜１０層程度の銅箔層を有する多層プリント配線板１１０が、一般的に使用されている。
この多層プリント配線板１１０の場合、ガラスクロスとエポキシ樹脂等からなる絶縁層１１１の中に、銅箔パターン１１２が形成されている。各層の銅箔パターン１１２は、銅めっきで形成されたスルーホール１１３によって、電気的に接続されている。

エレクトロケミカルマイグレーションは、絶縁層１１１の内部にある銅箔パターン１１２同士の間、銅箔パターン１１２とスルーホール１１３との間、スルーホール１１３とスルーホール１１３との間、層間の銅箔同士の間等のように、異電位間において発生する。
特に、スルーホール１１３とスルーホール１１３との間のガラスクロスを構成するガラス繊維に沿って生じるエレクトロケミカルマイグレーションを、ＣＡＦ（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｎｏｄｉｃ Ｆｉｌａｍｅｎｔｓ）と称する。
ガラス繊維は、エポキシ樹脂で覆われている。しかし、その界面は吸湿しやすいため、エレクトロケミカルマイグレーションが生じやすい。

最近では、より高密度に実装するために、電子部品をプリント配線板の表面に実装するだけでなく、絶縁層の内部にある空き領域にも実装する、部品内臓プリント配線板が実用化され始めている。
一例として示す図５の部品内蔵プリント配線板１２０では、電子部品１２４として、チップ抵抗、チップコンデンサー等の受動素子、及びＩＣ等の能動素子を一旦実装しておき、その上に絶縁層１２１を被せ、さらにその上層に銅箔パターン回路１２２を形成している。
銅箔パターン回路１２２は、スルーホール１２３によって電気的に接続されている。この絶縁層１２１には、上記したガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグを用いる。この場合、ガラスクロスが含まれているため、内蔵する電子部品１２４に圧力がかかって損傷してしまう。そのため、必要な部分をくり抜いて積層する必要がある。

一方、ガラスクロスを含まない絶縁層１２１を使用する場合もある。エポキシ樹脂等に、シリカ等のフィラーを充填したプリプレグを用いて、電子部品１２４とともに積層する方法である。ガラスクロスを含まないため、この方法では、所定の熱をかけると溶融し、電子部品１２４に圧力をかけずに積層することが可能である。

このような部品内蔵プリント配線板１２０の場合、層間の銅箔パターンの厚み方向における絶縁距離は、縮小化する。したがって、その間の電界強度が高くなるため、エレクトロケミカルマイグレーションの防止が必要となる。特に、電界強度が高い銅箔近傍部では、銅イオンが溶出しやすい。

特開２００４−６３７１８号公報

エレクトロケミカルマイグレーションを防ぐためには，いくつかの要因を抑制しなければならない。特に基板用の樹脂材料中に銅箔から、銅イオンが溶出しないことが重要である。そのためには、通常、樹脂中のイオン性成分の低減を行い、銅イオン自身が銅箔などから溶出しないようにする。または、樹脂の架橋密度を高め銅イオンの移動を抑制するといった方法が試みられている。

しかしながら、これらの方法では、材料自身の検討を繰り返し、改良を行わなければならず、容易に行えるわけではなかった。

本発明は以上のような事情に鑑み、耐エレクトロケミカルマイグレーション性に優れたプリント配線板を提供することを目的とする。

本発明者らは、直径が１〜３００ｎｍの無機フィラーを樹脂に添加することにより，樹脂中における銅イオン自身の移動、すなわち銅イオンの溶出を抑制することができるという知見に到達し、本発明に想到した。

前記目的を達成するため、本発明は、コア基材と銅箔層とを備えるプリント配線板であって、コア基材に用いられる樹脂中に、粒径が１〜３００ｎｍの無機フィラーを分散してなることを特徴とする。
本発明の一実施の形態で、前記コア基材に用いられる樹脂を、エポキシ樹脂で構成することができる。

本発明に係るプリント配線板は、その一実施の形態で、前記コア基材の樹脂に分散されている無機フィラーの粒径を、１〜３００ｎｍの範囲としている。さらに別の実施の形態で、前記コア基材の樹脂に分散されている無機フィラーの粒径は、１０〜２００ｎｍの範囲とすることができる。

本発明に係るプリント配線板は、その一実施の形態で、前記コア基材の樹脂に分散されている無機フィラーの含有量を、１〜１０ｗｔ％とすることができる。さらに別の実施の形態で、前記コア基材の樹脂に分散されている無機フィラーの含有量を、１〜５ｗｔ％とすることができる。

本発明に係るプリント配線板は、その一実施の形態で、前記コア基材の樹脂に分散されている無機フィラーを、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、及びＢＮから成る群から選択された少なくともいずれかの一とすることができる。

本発明によれば、銅イオンの溶出を抑制することができ、エレクトロケミカルマイグレーションの発生を防止することできるようにしたプリント配線板が提供される。

本発明に係るプリント配線板の一実施例について、試料中での空間電荷分布を示すグラフである。 （ａ）は、従来例に従う試料Ａの空間電荷分布を示すグラフである。 （ｂ）は、本発明に従う試料Ｂの空間電荷分布を示すグラフである。 （ｃ）は、（ａ）を縦軸方向に拡大して示すグラフである。 （ｄ）は、（ｂ）を縦軸方向に拡大して示すグラフである。 本発明に係るプリント配線板の一実施例について、樹脂層への銅の進展を示すグラフである。 （ａ）は、従来例に従う試料Ａについて、電界印加開始１００時間経過時の樹脂層への銅の進展を示すＳＥＭ像である。 （ｂ）は、本発明に従う試料Ｂについて、電界印加開始１００時間経過時の樹脂層への銅の進展を示すＳＥＭ像である。 従来の両面プリント配線板の一実施の形態について、その構造を説明する概念的断面図である。 従来の両面プリント配線板の他の実施の形態について、その構造を説明する概念的断面図である。 従来の両面プリント配線板のさらに他の実施の形態について、その構造を説明する概念的断面図である。

以下に、本発明に係るプリント配線板について、その実施の形態をさらに詳細に説明する。
本発明に係るプリント配線板は、その一般的形態として、コア基材と銅箔層とを備え、コア基材に用いられる樹脂中に、粒径が３００ｎｍ以下で１ｎｍ以上の無機フィラーを分散している。

本発明でいうコア基材とは、図３〜図５について説明したプリント配線板で絶縁層として採用されるものをいう。
なお、このような図３〜５で例示されるプリント配線板だけではなく、本発明の趣旨に反しない形態のプリント配線板であれば、本発明の適用の対象となる。例えば、特開２００２−２１７５０８号公報に記載されるような、金属板上に、絶縁層、銅箔パターンを積層した金属ベース基板の、絶縁層も本発明でいうコア基材として、本発明の適用対象とすることができる。
本発明のコア基材としては、一般的には、ガラスクロスを用いないものが対象となる。しかし、諸特性に支障がない限り、ガラスクロスを用いる形態に採用することができる。

コア基材に用いられる樹脂としては、熱硬化性樹脂が好適であり、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アリル樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂又は熱硬化型変性ポリフェニレンエーテル系樹脂を用いることができる。もっとも好適には、エポキシ樹脂である。

エポキシ樹脂としては、好ましくは、液状エポキシ樹脂を用いる。軟化温度でいうと、１００℃〜２５０℃のエポキシ樹脂が好適である。
さらにエポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、アルキルフェノールノボラック型エポキシ樹脂、アラルキル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂等を用いることができる。もっとも、これらのものに限定されるものではない。

このようなエポキシ樹脂に対し、硬化剤を用いる。硬化剤としては、例えば、アミン系硬化剤、グアニジン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤、トリアジン骨格含有フェノール系硬化剤、フェノール系硬化剤、トリアジン骨格含有ナフトール系硬化剤、ナフトール系硬化剤、酸無水物系硬化剤、活性エステル系硬化剤、ベンゾオキサジン系硬化剤、シアネートエステル樹脂等を挙げることができる。硬化剤は２種以上を組み合わせて用いてもよい。

本発明に係るコア基材では、さらに硬化促進剤、レベリング剤、分散剤等を配合することもできる。コア基材の硬化前に調製する組成物では、例えば、樹脂、硬化剤、硬化促進剤を含む組成物中に、粒径が３００ｎｍ以下で１ｎｍ以上の無機フィラー、さらに好適には、１０〜２００ｎｍの無機フィラーを分散させる。また、この無機フィラーは、１〜１０ｗｔ％（すなわち、１〜１０重量％）、好適には１〜５ｗｔ％の含有量で配合する。

原理は未だ不明であるが、実験を進めた結果、この粒径ならびに含有量の範囲であれば、エレクトロケミカルマイグレーションが著しく減少することが明らかになった。

無機フィラーとしては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＢＮから成る群から選択されるものが好適である。

本発明に係るプリント配線板を製造するには、エポキシ樹脂を用いる場合、まずエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、レベリング剤、分散剤等、及び粒径が１〜３００ｎｍの無機フィラーを配合することによってエポキシ樹脂組成物を調製する。
次いで、このエポキシ樹脂組成物を、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）等の溶剤に溶解・分散させてこの溶剤で希釈することによってスラリー状ワニスを調製し、これを熱風吹き付け等により加熱することによって、半硬化状態になるまで乾燥させ、プリプレグを得る。

このプリプレグに部品を内蔵し、従来公知の方法によって、積層し、銅箔層、スルーホールを設けること等によって、本発明に係るプリント配線板を得ることができる。なお、銅箔層は、所定の配線パターンにエッチング加工する。

１．概要
樹脂中に直径が１〜３００ｎｍの無機フィラーを樹脂に添加することにより、樹脂中における銅イオン自身の移動が抑制できたことを確認した実験結果を得た実施例を示す。ここで，銅イオンの溶出の度合いは，樹脂中の空間電荷分布を測定することにより評価した。

２．実験試料
ベースとなるエポキシ樹脂は、代表的なエポキシ樹脂として広く用いられているビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ＢＡＤＧＥ）とアミン系硬化剤である４，４’−メチレンビス（２−メチルシクロヘキサンアミン）を用いて得られた硬化物とした。
エポキシ樹脂には、直径が１００ｎｍの無機フィラーであるシリカナノ粒子（ＡＥＲＯＳＩＬ Ａ２００）を添加した。

シリカナノ粒子の樹脂中への分散は、微粒化装置ナノマイザーにおいて、エポキシ樹脂と、シリカナノ粒子の混合物を微粒化ジェネレータ（ノズル）へ押込圧力２００ ＭＰａで２０回通すことで行なった。
シリカナノ粒子を添加していない従来のエポキシ樹脂（試料Ａ）と、上記のようにしてシリカナノ粒子を添加したエポキシ樹脂ナノコンポジット（試料Ｂ）のそれぞれに、銅箔電極を付け、試料を作製した。

３．実験方法
実験例１
各試料Ａ，Ｂにおいて８５℃、湿度８５％の環境下で電界３０ｋＶ／ｍｍを印加し、銅イオンの溶出による空間電荷分布をそれぞれの試料Ａ，Ｂにて比較検討した。
電界印加前と電界３０ｋＶ／ｍｍ印加開始後１、３、５、２０時間経過時点で試料を恒温恒湿槽から取り出し、試料にかかる平均電界が３０ ｋＶ／ｍｍとなる電圧を印加しながら空間電荷分布を測定した。

実験例２
各試料Ａ，Ｂにおいて８５℃、８５％の環境下で電界１０ｋＶ／ｍｍを印加し、電界印加開始後１００時間経過した時点で、試料の断面をＳＥＭで観察した。

４．実験結果
実験例１
図１（ａ）〜（ｄ）に試料Ａと試料Ｂの空間電荷分布を示す。
図１より、試料Ａと試料Ｂにおいて、電界印加時間の増加と共に、陽極近傍と陰極近傍に正電荷の蓄積が見られる。拡大された図１（ｃ）（ｄ）を見れば明らかなように、試料Ａが試料Ｂより、樹脂中に多くの正電荷が陽極近傍に蓄積している。この正電荷は銅箔陽極から溶出した銅イオンと考えられる。

実験例２
図２（ａ）、（ｂ）に試料Ａと試料Ｂの断面ＳＥＭ像を示す。
図２より、試料Ａにおいて、電界印加開始１００時間経過時には樹脂層への銅の進展が見られる。これは銅のエレクトロケミカルマイグレーションが発生しているものと考えられる。一方、試料Ｂにおいては、電界印加開始から１００時間経過しても樹脂層への銅の進展が見られない。

以上より、シリカナノ粒子を樹脂中へ分散させた試料Ｂの方が試料Ａよりも銅イオンの蓄積が少なく、銅イオンマイグレーションが発生しにくいと考えられる。よって、エポキシ樹脂ナノコンポジット（試料Ｂ）を用いることでイオンマイグレーション（エレクトロケミカルマイグレーション）を抑制できることがわかる。

１００ 配線板
１０１ 接着層
１０２ 銅箔層
１１０ 多層プリント配線板
１１１ 絶縁層
１１２ 銅箔パターン
１１３ スルーホール
１２０ 部品内蔵プリント配線板
１２１ 絶縁層
１２２ 銅箔パターン回路
１２３ スルーホール
１２４ 電子部品

Claims (1)

1. コア基材と銅箔層とを備えるプリント配線板であって、
   コア基材に用いられるエポキシ樹脂中に、粒径が１００ｎｍのＳｉＯ _２ 無機フィラーを１〜１０重量％分散し、
   前記プリント配線基板に３０ｋＶ／ｍｍの電界を２０時間印加した際に、
   前記銅箔層と前記コア基材との境界から前記コア基材の厚み方向に１０μｍ地点の樹脂層における電荷密度が電界印加前の前記境界における電荷密度よりも小さいことを特徴とするプリント配線板。