JPH03505230A - 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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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 プリント配線基板用の多軸配向熱変性ポリマー支持体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N0O164−87−C−0 050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番二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。従来のシュアルインラインパッケージ(D  I P)からダイレクトサーフエースマウンティングパッケージ(DSM)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番す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 10)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t)な(Xoその理由は、DMS装置の相互接続と、■ 10密度及び無鉛化ペリメータ(psrim*j!r)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VLS I)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 キャリヤの熱膨張係数(CTE)(6,4ppm/’C)と従来のガラス/エポ キシ支持体のCTE(12〜17ppm /”C)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と釣り合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(ケブラーおよびグ 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 は織って織布に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1002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−インバールー銅(CT C)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、CTH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、NIs 目ら。
’Cbemicti 5HoNu+e+ ancPrope++i++ of  Low The+m5lPo17iiide+、’p、492〜510.P!o cerding of 5econdtsle+nrlionil  Con! e+enct  on  Polyimide+、5ociej7 01P1! 5白tIEBibte++、 foe、、 (1985) 11−照)。
ポリイミドフィルムはまた、吸湿率が高く(5重量%)−1そのために誘電性能 が低下し、吸湿膨張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(a+iりで間隔が3ミルである。半導体装置およびモジネール上の回 路パッケージのr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、二輪)配向熱変性ポリマーフィルム、好ましくはIy+lxrまたはVe elri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。
本発明の最も好ましいプリント配線基板(PWB)の支持体は、Xyas+また はVeet+x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。
−適するように変え得る熱膨張係数(CTE)(X−Y方向)が約3〜7XIQ ’インチ/インチ/7℃の範囲である。
−厚さ方向(Z方向)のCTEが、大全体を被覆するのに使用される銅のCTE に近い。
一吸湿率が小さい、すなわち飽和状態において約0.5%以下である。
一単層の最大厚さが0.0025インチ以下である。
一層間のせん断強さがガラス/Ke目mid 601より大きいか又はガラス/ エポキシと同じである。
−曲げ強度がガラス/ポリイミドと同等である。
−機能周波数(!onctional j+equtncy) 1kHt 〜5 flOMHxに対する誘電率が約365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− 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、ps+imel!r型パ゛ツケージに関しては中 心間距離0.020 (0,02G−in、 cenl!ri)インチで1装置 あたり 3flOまでの入力/出力(I 10)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Iloを有する。
最も好ましい実施態様では、本発明は、厚さ010025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I)jsrまたはVee l+1PWB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、ASTMD−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、17f11rまたはVeclrs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X7dsrまたはvtctrtポリマーのサンプルは、各々、そ れらの製造元であるD*rlco M!g、、 INc、およびCel*ne+ t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。
Iyd畠rおよび/またはVecjrg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11* 098,710号(H*rve7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、−軸、±436の平衡角をなした二輪およびランダムである。
作つ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CTE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Iyl*+またはVsct+*フィルムは、配向方向に負のCT Eを有し、配向方向に正のCTEを有し、およびその方向の横方向に正のCTE を有する。
本発明の重要な発見は、異方性の熱膨張挙動を使用することにより、二軸配向フ ィルムの全CTEを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〜+ ?XlO’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、17d*rまたはVsc+H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17dt +またはVecjr易、すなわち、17drrまたはVeclrgフィルムの表 面を重クロム酸塩または硫酸エツ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への適用にふされしい 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、Iy+l*rまたはVscH1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。
−I)dtrまたはVrCj+*および他の順序よく並んだ熱変性ポリマーの棒 状分子がち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、!7dsrまたはVtctロフィルムが負の固有CTEを有し、且つ 、かなり硬いので、正のCTEを育する金属の基底面、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、XyduまたはV!Nrtフィルムを進歩した PWBに使用すると6ppm /”C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、Iy+lIrまたはVtc+r*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:  0.010未満)という性能を有することがわかる。
Iyl!rまたはV’5cfrt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。
一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。
一吸湿性が小さく、環境に対する耐性が優れている。
X1hrまたはVtclrt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、X1d息rまたはVtclrt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100人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。
17dtrまたはVccjz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(ThomIら 、  ”Mtch*nie*lP+optrlie+ Vtrsu+ Morp holo(Yof O+de+d Po1yaers、 ” VolIr、Tt cbnicsl r!po++ AFWAL TR8O−404Slult 1 981)。
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線回分子が主としてフィルム面内にあるこ とが確認される。
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。
二輪配向フィルムは、主な配向方向が機械方向に対して±45°である形態を有 する。±456 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、す、 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、理想の二輪フィルムは複合体中の繊維強化層に類似したXydt+ またはVIC1r*の単軸層を含む。そのような車軸のX1dt+またはVet Ht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。
主な配向方向におけるXylx+またはVscHsフィルムの負のCTEは、分 子配向したりオトロピックポリマー、例えばポリバラフェニレンベンゾビスチア ゾール(PBzT)、ポリバラフェニレンベンゾビスオキサゾール(P B z  O)など(Lltsらの米国特許第4.533.692号、同第4.533. 693号および同第4、533.724号参照)  ; I7d&rまりltV !clr*繊維;並ヒニ他ノ高モジニラス繊維、例えば、グラファイトポリアラ ミド(区!マ11r)および超延伸ポリエチレン(Porterら、“Coac !rniB jh!N @H1iw*  Thermal   ctp*n+1 sion   fot  E4 重endtd  Ct*1nPo17elh7 1en、’1ournsl or Thereof A■1ysis、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。
これらの高モジニラス繊維は、軸方向で負のCTEを示し、横方向で正のCTE を示す。これらの繊維を、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、正味の熱膨張を、PWB支持体 に要求される3〜7pp■/℃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。 17dgrまたはV!cjrs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、11d*+またはV’eC1rxの二軸フィルムの実際 の配向に近い。φNO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。
X7dxrまたはVeclrx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(等方向な負のCTE挙動)。
従って、X1dIrまたはVert+tフィルムは、負のCTEを有する繊維に 類似するが、これを−次元よりもむしろ二次元で表すことにより、等方向な平面 強化が可能になる。
X7d*rまたはV+tjuフィルムは、フィルム平面で負のCTE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M L B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s X1d*rまたはVeelrs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X7d*+また はVtclnの支持体であれば、従来の支持体材料よりも多くの鋼を支持するこ 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。
XYd*rまたはV@clrIの薄いフィルムを使用するとMI、B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(Hrn)の直径および織り方のために約4〜5ミルに制限される。
X1d*rまたはVetlr*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(+vNchiB l+squ!ncies)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(dissipsjion  lte+o+)が小さい(約0.910未満)ことが必要である。
17−d++およびVtcHs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xldarまたはLeCIll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、熱膨張、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。
Xyda+またはV<cHi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 およびビスマレイイミドー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、X7di+または Vccl+a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( Xythr またはVeNra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。
x!aa+またはVtcH!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。
X1da+ またはVeclri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Xマ+larまたはV+e Haフィルムど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(7MO8) 、テトラエトキシシラン(TE01) 、グリンジルオキシブロピルトリメトキシシラン(GPTMO8) 、メタクリ ルオキシプロピルトリメトキシンラン(MPTMOS)、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(DMDMO3)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。
JPN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。
れな表面接着性、並びに空孔および欠陥の減少という利点を示す、X4d!r  またはVecl+x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。
国際調査報告

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)分子配向した熱変性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. (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. (3)分子配向したポリマーがXydarまたはVectra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. (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. (5)その他の特性として、適するように変化させ得る熱膨張係数(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. (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. (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. (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. (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. (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. (11)その他の特性として、層間のせん断強さがガラス/Kerimid60 1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. (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. (13)その他の特性として、機能周波数IKH2〜500MH2に対する誘電 率が約3.5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。
  14. (14)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。
  15. (15)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0.020インチで1装置あたり300までの入力/出力(1/0)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1/0を有することを特徴とする請求項14に記載のプリン ト配線基板支持体。
  16. (16)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。
  17. (17)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。
  18. (18)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。
  19. (19)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。
  20. (20)どの厚さも約0.0025インチ以下である数個のXydar及び/ま たはVectra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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