WO2011086895A1 - コア材および回路基板の製造方法 - Google Patents

コア材および回路基板の製造方法 Download PDF

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壮平 鮫島
竹谷 元
弘行 大須賀
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a core material used for a circuit board such as a printed wiring board, and a method of manufacturing a circuit board using the core material.
  • a metal core substrate is known as a printed wiring board excellent in heat dissipation and has already been put into practical use.
  • the metal core substrate uses a metal such as aluminum or copper having high thermal conductivity as a core material, forms an insulating layer such as a resin on both surfaces of the core material, and forms wiring on the surface of the insulating layer to form a semiconductor or A ceramic part is mounted.
  • the core material can diffuse the heat from the heat generating component mounted on the surface of the metal core substrate to the entire substrate, and suppress the temperature rise of the heat generating component.
  • aluminum having a low specific gravity is generally used as the core material.
  • the thermal expansion coefficient of aluminum is about 24 ppm / ° C.
  • the thermal expansion coefficient of the ceramic component mounted via the solder joint is about 7 ppm / ° C., so that the circuit in which the ceramic component is mounted is provided.
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics
  • a circuit board using CFRP is disclosed (for example, see Patent Document 1).
  • CFRP is a composite material composed of carbon fiber and resin, and a circuit board using this CFRP as a core material has a higher thermal conductivity than aluminum and a thermal expansion coefficient close to that of ceramic parts. Therefore, the circuit board is superior in heat conductivity and mounting reliability than the aluminum core board.
  • a core material prepared by stretching copper foil on both sides of the CFRP is used as the core material to be prepared first (for example, see Patent Document 2).
  • a double-sided copper-clad substrate a double-sided copper-clad plate produced by pressing and molding a prepreg in which a glass fiber sheet is impregnated with an epoxy resin between copper foils is disclosed (for example, patent document) 3).
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • a double-sided copper-clad plate in which a copper foil is stretched on both sides of a prepreg using CFRP, cracking of the prepreg and separation of the copper foil do not occur.
  • the manufacturing method of the core material of a double-sided copper-clad board is obtained.
  • a copper foil having a thickness of 9 ⁇ m or more and 18 ⁇ m or less in which a resin layer containing an elastomer component is formed on one surface on both surfaces of a carbon fiber sheet is used as a resin layer. And a step of pressure forming from the other surface of the copper foil.
  • Embodiment 1 of this invention It is a schematic diagram of the manufacturing method of the core material by Embodiment 2 of this invention. It is a schematic diagram of the manufacturing method of the core material by Embodiment 3 of this invention. It is a schematic diagram of the manufacturing method of the core material by Embodiment 4 of this invention. It is a schematic diagram of the manufacturing method of the core material by Embodiment 5 of this invention. It is a schematic diagram of the manufacturing method of the circuit board by Embodiment 6 of this invention. It is a schematic diagram of the manufacturing method of the circuit board by Embodiment 7 of this invention. It is a schematic diagram of the manufacturing method of the circuit board by Embodiment 8 of this invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a core material manufacturing method according to Embodiment 1 for carrying out the present invention.
  • a resin varnish is obtained by mixing parts by weight and stirring and mixing with methyl ethyl ketone as a solvent so that the mixture becomes 65% by weight.
  • This resin varnish is impregnated with pitch-based carbon fiber cloth: YS-90A made of Nippon Graphite Fiber, and dried at 150 ° C. for 10 minutes.
  • a prepreg 1 having a low elasticity of 5 Gpa was obtained.
  • the copper foil 2 of 500 mm x 500 mm and thickness 9 micrometers was arrange
  • the temperature was raised to 180 ° C. at a rate of temperature rise of 3 ° C./min by a vacuum press at a pressure of 20 kg / cm 2 , and then held at 180 ° C. for 2 hours to attach a copper foil to both sides of the prepreg.
  • the semi-cured resin impregnated between the fibers of the carbon fiber cloth is cured to form the CFRP plate 3.
  • the copper foil protruding from the prepreg was cut to produce a double-sided copper-clad plate 4 as shown in FIG.
  • the double-sided copper-clad plate thus obtained is referred to as Example 1.
  • Example 1 Samples with different thicknesses of copper foil were prepared in the same process as in Example 1 above.
  • the thickness of the copper foil was 6 ⁇ m (Comparative Example 1), 12 ⁇ m (Example 2), 15 ⁇ m (Example 3), 18 ⁇ m (Example 4), and 21 ⁇ m (Comparative Example 2).
  • Example 1 In the double-sided copper-clad plates of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, wrinkles at the corners were visually observed, and the cross-section was observed at an approximately central portion and observed with an optical microscope to observe microcracks on the CFRP plate. Existence was checked.
  • Table 1 compares the occurrence of wrinkles and microcracks at the corners of the double-sided copper-clad plates of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2.
  • the microcracks of the CFRP plate have a coefficient of thermal expansion of ⁇ 2 ppm / ° C. when cooled from the vacuum press temperature, so that the CFRP plate hardly thermally shrinks, whereas the coefficient of thermal expansion of the copper foil is 16 ppm / This is a phenomenon caused by the shrinkage of the copper foil due to the large temperature. Specifically, when the thickness of the copper foil is larger than 18 ⁇ m, the strength of the copper foil is high, so that the CFRP plate is compressed and leads to cracks. On the other hand, when the thickness of the copper foil is less than 9 ⁇ m, the strength of the CFRP plate is increased, and conversely, the copper foil is cut.
  • a copper foil having a thickness of 9 ⁇ m or more and 18 ⁇ m or less is stretched on both surfaces of a prepreg composed of a carbon fiber sheet and a resin, so that the occurrence of microcracks and the separation of the copper foil is prevented. Can do.
  • the conditions for impregnating carbon fiber cloth with resin varnish and drying are as follows: the prepreg is not tacky (adhesive) at room temperature, and the complex viscosity of the prepreg is 500 Pa ⁇ s in a temperature range of 120 ° C. to 150 ° C. Conditions in the range of ⁇ 10000 Pa ⁇ s are preferred. Since there is no tackiness at room temperature, the copper foil does not stick to the prepreg when the copper foil is disposed on both sides of the prepreg, and alignment and the like are facilitated.
  • CFRP plate can be obtained.
  • the resin varnish contains butadiene acrylonitrile (CTBN) having a terminal carboxyl group as an elastomer component.
  • CTBN butadiene acrylonitrile
  • the rate may be set to a range of 500 Pa ⁇ s to 10000 Pa ⁇ s in a temperature range of 100 ° C. to 150 ° C. It is not always necessary to contain an elastomer component.
  • the elastic modulus of the resin can be reduced to 3 GPa or less, the toughness of the CFRP plate is improved when formed on a double-sided copper-clad plate, and heat cycle characteristics ( ⁇ 65 ° C. ⁇ 125 ° C).
  • a prepreg having a thickness of 0.2 mm was used, but the same result was obtained when the thickness was 0.35 mm.
  • the thickness of the prepreg is desirably 1 mm or less.
  • the thickness of the core material is preferably 1 mm or less. Because.
  • the orientation of the carbon fibers is preferably plain weave or triaxial cloth. By using such oriented carbon fibers, there is no peeling at the interface between the carbon fibers and the resin in a heating step such as a heat cycle or a cooling step.
  • microcracks are generated in a sheet having high thermal conductivity and high elasticity by repeating a thermal history such as a heat cycle.
  • an elastomer component is contained in the CFRP matrix resin.
  • the elastic modulus of the matrix resin is preferably 3.0 GPa or less.
  • PAN polyacrylonitrile
  • pitch fibers generally classified into PAN fibers and pitch fibers, and the coefficient of thermal expansion is as small as ⁇ 2 ppm / K.
  • the elastic modulus of PAN-based fibers is lower than that of pitch-based fibers (general-purpose PAN-based fibers (for example, T300 manufactured by Toray), tensile elastic modulus 230 GPa, and pitch-based fibers (for example, YS-90A manufactured by Nippon Graphite Fiber). 890 GPa), the use of PAN-based fibers is less likely to cause microcracks and wrinkles.
  • the thermal conductivity of pitch-based fibers is 500 W compared to the thermal conductivity of 11 W / (m ⁇ K) for PAN-based fibers (for example, T300 manufactured by Toray).
  • / (M ⁇ K) which is extremely high, enables high heat dissipation.
  • a circuit board having high thermal conductivity and high reliability can be obtained.
  • the core material of the double-sided copper-clad plate has been described, but it is not necessarily a copper foil, and may be a metal thin film such as aluminum or iron alloy. However, in that case, the optimum film thickness is set according to the thermal conductivity of the metal thin film to be used.
  • Embodiment 2 a resin varnish to be impregnated into carbon fibers is applied in advance to one surface of the copper foil, and the copper foil coated with the resin varnish and the carbon fiber are laminated to form a double-sided copper-clad plate. It was produced.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a core material in the present embodiment.
  • a resin varnish similar to that in the first embodiment is applied to one surface of a copper foil 2 having a thickness of 12 ⁇ m and further dried to obtain a semi-cured state.
  • As a coating method screen printing or a coater can be used.
  • the thickness of the semi-cured resin is about 100 ⁇ m.
  • the two copper foils 2 are arranged on both surfaces of the same carbon fiber cloth 6 as in the first embodiment via the semi-cured resin 5 side. Thereafter, the temperature was raised to 180 ° C.
  • Embodiment 3 FIG.
  • a resin varnish to be impregnated into carbon fibers is applied in advance to one surface of a release film, the release film coated with the resin varnish is laminated on carbon fibers, and the resin is converted into carbon fibers.
  • a double-sided copper-clad board was produced by attaching and placing a copper foil thereon.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a manufacturing method of the core material in the present embodiment.
  • a resin varnish similar to that in Embodiment 1 is applied to one surface of a release film 7 having a thickness of 20 ⁇ m, and further dried to obtain a semi-cured state.
  • As a coating method screen printing or a coater can be used.
  • the thickness of the semi-cured resin is about 100 ⁇ m.
  • the two release films 7 are arranged on both surfaces of the same carbon fiber cloth 6 as in the first embodiment through the semi-cured resin side 5.
  • the release film 7 is pressed from above and below, the semi-cured resin 5 is stuck on both surfaces of the carbon fiber cloth 6, and the release film 7 is peeled off.
  • the copper foil 2 is arrange
  • the release film 7 having a thickness of 20 ⁇ m was used, but similar results were obtained even when the thickness was 25 ⁇ m. Although the thickness of the semi-cured resin was about 100 ⁇ m, similar results were obtained even when the thickness was 200 ⁇ m.
  • Embodiment 4 the prepreg is divided and the copper foil is pasted on both sides by a vacuum press in the first embodiment.
  • a copper foil of 500 mm ⁇ 500 mm and a thickness of 9 ⁇ m is bonded to both sides of the prepreg 2 having a thickness of 340 mm ⁇ 405 mm and a thickness of 0.2 mm, but the size of either the prepreg or the copper foil is 500 mm ⁇ 500 mm.
  • wrinkles may occur at the corners of the double-sided copper-clad plate after lamination. This is because the copper foil in the corner portion is more easily contracted than the copper foil in the central portion, and the amount of contraction increases when the size at the time of lamination is large.
  • FIG. 4 shows the core material in the present embodiment. It is a schematic diagram which shows this manufacturing method.
  • Two low-elastic prepregs having a thickness of 0.2 mm were obtained.
  • the two prepregs 1 were juxtaposed with a certain gap therebetween, and a copper foil 2 having a thickness of 800 mm ⁇ 500 mm and a thickness of 9 ⁇ m was disposed on both sides. Thereafter, the temperature was raised to 180 ° C.
  • the prepreg the semi-cured resin impregnated between the fibers of the carbon fiber cloth is cured to form a CFRP plate.
  • the copper foil protruding from the prepreg was cut to prepare two double-sided copper-clad plates.
  • two double-sided copper-clad plates can be produced by a single vacuum press, and there are no corner wrinkles or cracks in the CFRP plate as in the first embodiment.
  • a double-sided copper-clad board was obtained.
  • a prepreg in which a carbon fiber cloth is impregnated with a resin varnish in advance is used.
  • two prepregs are used. 2 carbon fiber cloths can be prepared, and two double-sided copper-clad plates can be produced by a single vacuum press in the same manner as in the present embodiment.
  • the prepreg 2 having a thickness of 0.2 mm was used, but the same result was obtained even when the thickness was 0.35 mm.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a core material in the present embodiment.
  • a resin varnish similar to that of the first embodiment is prepared, and this resin varnish is impregnated with carbon fiber cloth: YS-90A and dried at 150 ° C. for 10 minutes to semi-cure the resin varnish.
  • a low elastic prepreg of 2 mm was obtained.
  • two copper foils 2 having a thickness of 360 mm ⁇ 430 mm and a thickness of 9 ⁇ m were arranged in parallel on both surfaces of the prepreg 1 with a certain gap therebetween.
  • the temperature was raised to 180 ° C. at a rate of temperature rise of 3 ° C./min by a vacuum press at a pressure of 20 kg / cm 2 , and then held at 180 ° C. for 2 hours to attach a copper foil to both sides of the prepreg.
  • the semi-cured resin impregnated between the fibers of the carbon fiber cloth is cured to form a CFRP plate.
  • a double-sided copper-clad plate was prepared by cutting the CFRP plate at the gap between the copper foils.
  • two double-sided copper-clad plates can be produced by a single vacuum press, and there are no corner wrinkles or cracks in the CFRP plate as in the first embodiment.
  • a double-sided copper-clad board was obtained.
  • a prepreg in which a carbon fiber cloth is impregnated with a resin varnish in advance is used.
  • two prepregs are used. In this manner, two double-sided copper-clad plates can be produced by a single vacuum press in the same manner as in the present embodiment.
  • two double-sided copper-clad plates are cut by a gap between two copper foils, but are not necessarily cut.
  • the copper foil may be cut in advance at that location.
  • the prepreg 2 having a thickness of 0.2 mm was used, but the same result was obtained even when the thickness was 0.35 mm.
  • Embodiment 6 FIG.
  • a circuit board is manufactured using the double-sided copper-clad plate manufactured by the manufacturing method described in the first embodiment as a core material.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a circuit board manufacturing method according to the present embodiment.
  • primary through holes 8 were formed in the double-sided copper-clad plate 4.
  • carbon powder may be generated from the inner wall surface of the primary through hole 8.
  • carboncon may be mixed into the semi-cured resin, and the withstand voltage may be reduced.
  • copper plating for covering the inner wall surface of the primary through hole 8 was performed to form a copper film 9 on the inner wall surface of the primary through hole 8.
  • the semi-cured silica-containing epoxy resin sheet 10 serving as an electrical insulating layer and the epoxy-based resin prepreg 11 were stacked and heat-cured by a vacuum press as shown in FIG. 6 (d).
  • the primary through hole 8 was filled with silica-containing epoxy resin 10 (30 ppm / K, 3.0 W / (m ⁇ K)).
  • a secondary through hole 13 having a small diameter was formed on the same axis as the primary through hole.
  • copper plating is performed on the inner wall surface of the secondary through-hole 13 to form a copper coating 14 on the inner wall surface of the secondary through-hole 13, and the copper coating 12 is patterned on the surface of the epoxy substrate 11 to thereby produce a signal circuit.
  • a layer was formed, and as shown in FIG. 6E, a circuit board in which a through hole was formed was produced.
  • the first through hole 8 is opened in the core material 3 in which the metal thin film is disposed on both surfaces of the carbon fiber sheet including the resin containing the elastomer component, and the first conductive is formed on the inner wall of the first through hole 8.
  • the insulating film is formed on both surfaces of the core material 3 and the first through hole 8 by the resin sheet 10, and the second through hole 13 is opened in the insulating layer inside the first through hole 8.
  • the second conductive film 14 is formed on the inner wall of the second through-hole 13, and the second conductive film 12 is electrically connected to the surfaces of the insulating layers formed on both surfaces of the core material 3.
  • a circuit board can be manufactured by forming a signal circuit layer (not shown).
  • the signal circuit layers formed on both sides are electrically connected through through holes, and the effect that no cracks are generated in the heat cycle test is the same as the double-sided copper-clad board. is there.
  • the inner wall surface of the primary through hole is covered with a copper film, but it is not necessarily a copper film, and the carbon powder is prevented from being detached from the inner wall surface of the primary through hole. I can do it.
  • a silica-containing epoxy resin sheet is used as the semi-cured resin sheet 10, and a glass epoxy base resin prepreg 11 is stacked and heat-cured by a vacuum press, but the semi-cured resin sheet 10 is predetermined.
  • the semi-cured resin sheet 10 is predetermined.
  • the resin of the resin sheet 10 may be filled.
  • the resin prepreg 11 and the copper foil 12 may be overlapped and heat-cured under a predetermined condition (for example, 180 ° C., 2 min, 20 kg / cm 2) by a vacuum press as shown in FIG.
  • the resin sheet 10 is preferably filled with a filler in consideration of the coefficient of thermal expansion ( ⁇ 2 ppm / K) of the carbon fiber.
  • alumina aluminum oxide
  • aluminum nitride aluminum nitride
  • boron nitride or the like may be used.
  • a resin sheet having a thermal expansion coefficient of 30 ppm / K and a thermal conductivity of about 3.0 W / (m ⁇ K) can be produced.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a circuit board manufacturing method according to the seventh embodiment.
  • the primary through hole 8 is formed in the same manner as in the sixth embodiment, and then resin is placed in the primary through hole 8 as shown in FIG. Paste 15 was printed and filled.
  • a semi-cured resin sheet 10 is temporarily pressure-bonded, a resin prepreg 11 of a glass epoxy base material and a copper foil 12 are stacked, and heat-cured by a vacuum press.
  • a secondary through hole 13 was provided to fabricate a circuit board having a through hole.
  • a filler-containing epoxy resin paste was used as the resin paste 15.
  • silica, alumina (aluminum oxide), aluminum nitride, boron nitride, or the like may be used as appropriate.
  • the resin sheet 10 When the resin sheet 10 is thermally melted and filled in the primary through hole 8 as in the example of the sixth embodiment, the resin sheet 10 corresponding to the thickness of the core material is necessary. Since the resin can be filled only in the primary through hole 8, a thin circuit board can be manufactured.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a circuit board manufacturing method according to the eighth embodiment.
  • the primary through hole 8 is formed in the same manner as in the sixth embodiment, and then, as shown in FIG. Paste 15 was printed and filled.
  • the resin prepreg 11 and the copper foil 12 of the glass epoxy base material were stacked without using the resin sheet 10, and were heat-cured by a vacuum press.
  • the first through hole 8 is opened in the core material 3 in which the metal thin film is disposed on both surfaces of the carbon fiber sheet including the resin containing the elastomer component, and the first conductive is formed on the inner wall of the first through hole 8.
  • the insulating film is formed on both surfaces of the core material 3 and the first through hole 8 with the resin paste 15, and the second through hole 13 is opened in the insulating layer inside the first through hole 8.
  • the second conductive film 14 is formed on the inner wall of the second through-hole 13, and the second conductive film 12 is electrically connected to the surfaces of the insulating layers formed on both surfaces of the core material 3.
  • Embodiments 6 and 7 may be used to improve heat cycle resistance.
  • FIGS. 9 to 11 an example including one CFRP plate 3 is shown.
  • a plurality of CFRP plates 3 are included and a plurality of signal lines 16 are formed. Also good.
  • the use of the eighth embodiment is preferable because it can be flattened and multilayered. By disposing a plurality of layers of the CFRP plate 3, heat generated from the components can be easily diffused.
  • the signal line 16 has only one layer outside the CFRP plate 3.

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Abstract

 CFRPを用いたプリプレグの両面に銅箔を張った両面銅張り板において、プリプレグのクラック発生や銅箔の分離が発生しない両面銅張り板のコア材の製造方法に関する。またこのコア材を用いた回路基板の製造方法に関する。 炭素繊維シートにエラストマー成分を含有する樹脂が含浸されたプリプレグの両面に、厚さ9μm以上18μm以下の銅箔を配置する工程と、銅箔の両面から加圧成形する工程とを備える。またコア材に第1の貫通孔を開口する工程と、第1の貫通孔の内壁に第1の導電性膜を形成する工程と、コア材の両面および第1の貫通孔に絶縁層を形成する工程と、第1の貫通孔の内部の絶縁層に第2の貫通孔を開口する工程と、第2の貫通孔の内壁に第2の導電性膜を形成する工程と、コア材の両面に形成された絶縁層の表面に第2の導電性膜と電気的に接続された信号回路層を形成する工程とを備える。

Description

コア材および回路基板の製造方法
 この発明は、プリント配線基板などの回路基板に用いられるコア材、およびこのコア材を用いた回路基板の製造方法に関するものである。
 近年、プリント配線板などの回路基板には、電子部品の高密度化に伴い、高い放熱性を有することが望まれるようになっている。放熱性に優れたプリント配線板として、金属コア基板が知られており、既に実用化されている。金属コア基板は、熱伝導率の高いアルミニウムや銅などの金属をコア材として用い、そのコア材の両面に樹脂などの絶縁層を形成し、その絶縁層の表面に配線を形成して半導体やセラミック部品などを実装したものである。コア材は、この金属コア基板の表面に実装された発熱部品からの熱を基板全体に拡散させ、発熱部品の温度上昇を抑えることができる。このような金属コア基板において、コア材は比重の軽いアルミニウムが一般的に用いられている。
 しかしながら、アルミニウムの熱膨張率が約24ppm/℃であるのに対して、はんだ接合部を介して実装されるセラミック部品の熱膨張率が約7ppm/℃であるため、セラミック部品が実装された回路基板のヒートサイクル試験を行うと、コア材であるアルミニウムとセラミック部品の熱膨張率差によって、回路基板とセラミック部品との間に応力がかかり、はんだ接合部にクラックが発生して実装信頼性が得られないといった課題があった。
 このような課題を解消できる回路基板として、コア材にCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)を用いた回路基板が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
 CFRPは、カーボン繊維と樹脂とで構成される複合材料であり、このCFRPをコア材に用いた回路基板は、熱伝導率がアルミニウムより高く、かつ熱膨張率がセラミック部品の熱膨張率に近いのでアルミニウムコア基板よりも熱伝導性に優れ、かつ実装信頼性に優れた回路基板となる。
 このようなCFRPをコア材として回路基板を作製する場合、最初に準備するコア材としてCFRPの両面に銅箔を張ったものが用いられている(例えば、特許文献2参照)。このような両面銅張り基板として、ガラス繊維シートにエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグの上下面を銅箔で挟み加圧成形して作製された両面銅張り板が開示されている(例えば、特許文献3参照)。
特開平11-40902号公報 特開2008-66375号公報 特公昭63-60557号公報
 しかしながら、従来の両面銅張り板の製造方法において、厚さ約1.5mmのCFRPを用いて、厚さ約35μmの銅箔を用いた場合、作製された両面銅張り板のプリプレグにクラックが発生したり、銅箔に分離が発生したりすることがわかった。
 この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、CFRPを用いたプリプレグの両面に銅箔を張った両面銅張り板において、プリプレグのクラック発生や銅箔の分離が発生しない両面銅張り板のコア材の製造方法を得るものである。
 この発明に係るコア材の製造方法においては、炭素繊維シートにエラストマー成分を含有する樹脂が含浸されたプリプレグの両面に、厚さ9μm以上18μm以下の銅箔を配置する工程と、銅箔の両面から加圧成形する工程とを備えたものである。
 また、この発明に係る別のコア材の製造方法においては、炭素繊維シートの両面に、一方の面にエラストマー成分を含有する樹脂層が形成された厚さ9μm以上18μm以下の銅箔を樹脂層を介して配置する工程と、銅箔の他方の面から加圧成形する工程とを備えたものである。
 この発明によれば、両面銅張り板においてプリプレグのクラックの発生や、銅箔の分離の発生を防止することができる。
この発明の実施の形態1によるコア材の製造方法の模式図である。 この発明の実施の形態2によるコア材の製造方法の模式図である。 この発明の実施の形態3によるコア材の製造方法の模式図である。 この発明の実施の形態4によるコア材の製造方法の模式図である。 この発明の実施の形態5によるコア材の製造方法の模式図である。 この発明の実施の形態6による回路基板の製造方法の模式図である。 この発明の実施の形態7による回路基板の製造方法の模式図である。 この発明の実施の形態8による回路基板の製造方法の模式図である。 この発明に係る回路基板の製造方法の模式図である。 この発明に係る回路基板の製造方法の模式図である。 この発明に係る回路基板の製造方法の模式図である。 この発明に係る回路基板の製造方法の模式図である。
実施の形態1.
 図1は、この発明を実施するための実施の形態1におけるコア材の製造方法を示す模式図である。
 ビスフェノールA型エポキシ樹脂を100重量部、硬化剤としてジシアンジアミドを2重量部、硬化促進剤として2-エチル4-メチルイミダゾールを0.5重量部および末端カルボキシル基を有するブタジエンアクリルニトリル(CTBN)を20重量部を混合し、これらの混合物が65重量%になるように、メチルエチルケトンを溶媒として攪拌販混合して樹脂ワニスを得る。この樹脂ワニスを、日本グラファイトファイバー製のピッチ系炭素繊維クロス:YS-90Aに含浸させ、150℃で10分間乾燥させることにより厚み0.2mmで樹脂硬化時の樹脂単体の弾性率が約2.5Gpaの低弾性を有するプリプレグ1を得た。
 次に、図1(a)に示すように、340mm×405mmで厚み0.2mmのプリプレグ1の両面に、500mm×500mmで厚み9μmの銅箔2を配置した。その後、圧力20kg/cmで真空プレスによって昇温速度3℃/minで180℃まで昇温後、180℃で2時間保持してプリプレグの両面に銅箔を張りつけた。このとき、プリプレグは、炭素繊維クロスの繊維間に含浸した半硬化の樹脂が硬化し、CFRP板3となる。プリプレグよりはみ出した銅箔は切断して、図1(b)に示すような両面銅張り板4を作製した。このようにして得られた両面銅張り板を実施例1とする。
 上記の実施例1と同様な工程で、銅箔の厚さを変えたサンプルを作製した。銅箔の厚さは、6μm(比較例1)、12μm(実施例2)、15μm(実施例3)18μm(実施例4)および21μm(比較例2)とした。実施例1~4および比較例1~2の両面銅張り板において、コーナー部のしわを目視で観測するとともに、ほぼ中央部で切断して断面を光学顕微鏡で観察してCFRP板のマイクロクラックの有無を検査した。
 表1は、実施例1~4および比較例1~2の両面銅張り板における、コーナー部のしわやマイクロクラックの発生を比較したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1の結果から、銅箔の厚さが9μm以上18μm以下の場合に、コーナー部のしわや銅箔の剥がれ、CFRP板部のマイクロクラックのない両面銅張り板が得られることがわかる。
 CFRP板のマイクロクラックは、真空プレス温度から冷却したときに、CFRPの熱膨張率が±2ppm/℃のため、CFRP板が殆ど熱収縮しないのに対して、銅箔の熱膨張率が16ppm/℃と大きいために、銅箔の方がより収縮することによって生じる現象である。
具体的には、銅箔の厚みが18μmより厚いと、銅箔の強度が高いために、CFRP板が圧縮され、クラックに至る。一方、銅箔の厚みが9μmより薄いとCFRP板の強度が高くなり、逆に銅箔が切断される。
 本発明においては、炭素繊維シートと樹脂で構成されるプリプレグの両面に、厚さ9μm以上18μm以下の銅箔を張っているので、マイクロクラックの発生や、銅箔の分離の発生を防止することができる。
 なお、樹脂ワニスを炭素繊維クロスに含浸させて乾燥させる条件としては、プリプレグが室温でタック性(粘着性)がなく、かつプリプレグの複素粘性率が120℃~150℃の温度範囲で500Pa・s~10000Pa・sの範囲となる条件が好ましい。室温でタック性がないことで、プリプレグの両面に銅箔を配置したときにプリプレグに銅箔が粘着することがなく、位置合せなどが容易になる。また、プリプレグの複素粘性率が120~150℃の温度範囲で500Pa・s~10000Pa・sの範囲であれば、樹脂が流れ過ぎることがなく、最も強度が高い繊維含有率となる45~60%のCFRP板を得ることができる。
 また、本実施の形態においては、樹脂ワニスにエラストマー成分としての末端カルボキシル基を有するブタジェンアクリルニトリル(CTBN)を含んでいるが、エラストマーの添加で溶融温度が低下する場合は、プリプレグの複素粘性率が100℃~150℃の温度範囲で500Pa・s~10000Pa・sの範囲となる条件とすればよい。必ずしもエラストマー成分を含有する必要はない。ただし、樹脂ワニスにエラストマー成分を含有させることにより、樹脂の弾性率を3GPa以下にすることができ、両面銅張り板に形成したときにCFRP板の靭性が向上し、ヒートサイクル特性(-65℃~125℃)が向上する。
 なお、本実施の形態においては、厚み0.2mmのプリプレグを用いたが、0.35mmとした場合も同様の結果を得た。プリプレグの厚さは1mm以下が望ましい。両面度張り板をコア材とする回路基板を作製したときに、コア材2枚を用いて、厚さ3mm以下の回路基板とするためには、コア材の厚みは1mm以下であることが好ましいからである。また、炭素繊維の配向は、平織りか3軸のクロスが好ましい。このような配向の炭素繊維を使用することで、ヒートサイクルなどの加熱工程や冷却工程で、炭素繊維と樹脂との界面で剥離することがない。
 両面銅張り板では、ヒートサイクルなど、熱履歴を繰り返すことで、高熱伝導・高弾性のシートほど、マイクロクラックが発生するが、本実施の形態においてCFRPのマトリックス樹脂に、エラストマー成分を含有させた場合、弾性率を下げることができ、靭性を向上させることができるため、マイクロクラック発生を効果的に抑制でき、ヒートサイクル特性が向上する。マトリックス樹脂の弾性率は3.0GPa以下であることが好ましい。
 ところでカーボン繊維は、PAN(ポリアクリロニトリル)系繊維とピッチ系繊維とに大別され、熱膨張率はともに±2ppm/Kと小さい。弾性率はPAN系繊維の方がピッチ系繊維より低いため(汎用のPAN系繊維(例えば東レ製T300)の引張弾性率230GPa、ピッチ系繊維(例えば日本グラファイトファイバー製YS-90A)の引張弾性率890GPa)、PAN系繊維を用いる方がマイクロクラックやしわが発生しにくいこととなる。しかしながら、熱伝導率を比較するとPAN系繊維(例えば東レ製T300)の熱伝導率11W/(m・K)に比し、ピッチ系繊維(例えば日本グラファイトファイバー製YS-90A)の熱伝導率500W/(m・K)と著しく高いため、高放熱が可能となる。
 本発明によれば、大きい引張弾性率を有するピッチ系繊維を用いてもマイクロクラックやしわを抑制できるため、熱伝導性が高く、かつ信頼性の高い回路基板を得ることができる。
 また、本実施の形態においては、両面銅張り板のコア材で説明したが、必ずしも銅箔である必要はなく、アルミニウムや鉄合金などの金属薄膜であってもよい。ただし、その場合は、使用する金属薄膜の熱伝導率で最適な膜厚が設定される。
実施の形態2.
 実施の形態2においては、炭素繊維に含浸させる樹脂ワニスをあらかじめ銅箔の一方の面に塗布して、この樹脂ワニスが塗布された銅箔と炭素繊維とを積層して、両面銅張り板を作製したものである。
 図2は、本実施の形態におけるコア材の製造方法を示す模式図である。実施の形態1と同様の樹脂ワニスを、厚さ12μmの銅箔2の一方の面に塗布し、さらに乾燥することによって半硬化の状態にする。塗布の方法は、スクリーン印刷やコーターを用いることができる。半硬化樹脂の厚さは、約100μmである。図2(a)に示したように、この2枚の銅箔2を半硬化樹脂5側を介して、実施の形態1と同じ炭素繊維クロス6の両面に配置する。その後、圧力20kg/cmで真空プレスによって昇温速度3℃/minで180℃まで昇温後、180℃で2時間保持してプリプレグの両面に銅箔を張りつけた。このとき、半硬化樹脂5が炭素繊維クロス6の繊維間に含浸して硬化し、CFRP板3となる。炭素繊維クロス6よりはみ出した銅箔は切断して、図2(b)に示すような両面銅張り板4を作製した。
 このような両面銅張り板の製造方法においては、実施の形態1の実施例2と同様に、コーナー部のしわやCFRP板のクラックのない両面銅張り板が得られた。
実施の形態3.
 実施の形態3においては、炭素繊維に含浸させる樹脂ワニスをあらかじめ離型フィルムの一方の面に塗布して、この樹脂ワニスが塗布された離型フィルムを炭素繊維に積層して樹脂を炭素繊維に付着させ、その上から銅箔を配置することにより両面銅張り板を作製したものである。
 図3は、本実施の形態におけるコア材の製造方法を示す模式図である。実施の形態1と同様の樹脂ワニスを、厚さ20μmの離型フィルム7の一方の面に塗布し、さらに乾燥することによって半硬化の状態にする。塗布の方法は、スクリーン印刷やコーターを用いることができる。半硬化樹脂の厚さは、約100μmである。図3(a)に示したように、この2枚の離型フィルム7を半硬化樹脂側5を介して、実施の形態1と同じ炭素繊維クロス6の両面に配置する。次に図3(b)に示したように、離型フィルム7を上下から押圧して、半硬化樹脂5を炭素繊維クロス6の両面に張りつけ、離型フィルム7を剥離する。
 次に、図3(c)に示したように、銅箔2を両面に配置する。その後、圧力20kg/cmで真空プレスによって昇温速度3℃/minで180℃まで昇温後、180℃で2時間保持して炭素繊維クロスの両面に厚さ12μmの銅箔を張りつけた。このとき、両面の半硬化樹脂が炭素繊維クロスの繊維間に含浸して硬化し、CFRP板3となる。プリプレグよりはみ出した銅箔は切断して、図3(d)に示すような両面銅張り板4を作製した。
 このような両面銅張り板の製造方法においては、実施の形態1の実施例2と同様に、コーナー部のしわやCFRP板のクラックのない両面銅張り板が得られた。
 本実施の形態では、厚さ20μmの離型フィルム7を用いたが、厚さ25μmとしても同様の結果が得られた。半硬化樹脂の厚さを約100μmとしたが200μmとしても同様の結果が得られた。
実施の形態4.
 実施の形態4においては、実施の形態1において、プリプレグを分割して真空プレスにより両面に銅箔を張りつけたものである。実施の形態1においては、340mm×405mmで厚み0.2mmのプリプレグ2の両面に、500mm×500mmで厚み9μmの銅箔を張り合わせたが、プリプレグもしくは銅箔のどちらか一方のサイズが500mm×500mm以上の場合、積層後に両面銅張り板のコーナー部にシワが発生する恐れがある。これは、コーナー部の銅箔が中央部の銅箔に比べて収縮し易いためであり、積層時のサイズが大きいと収縮量が大きくなるためである
 図4は、本実施の形態におけるコア材の製造方法を示す模式図である。実施の形態1と同様の樹脂ワニスを用意し、340×405×で厚みが200μmの2枚の炭素繊維クロス:YS-90Aに含浸させ、150℃で10分間乾燥させることにより樹脂ワニスを半硬化させ、厚み0.2mmの2枚の低弾性プリプレグを得た。この2枚のプリプレグ1を、図4に示すように、ある程度の隙間を開けて並列させ、800mm×500mmで厚み9μmの銅箔2を両面に配置した。その後、圧力20kg/cmで真空プレスによって昇温速度3℃/minで180℃まで昇温後、180℃で2時間保持してプリプレグの両面に銅箔を張りつけた。このとき、プリプレグは、炭素繊維クロスの繊維間に含浸した半硬化樹脂が硬化し、CFRP板となる。プリプレグよりはみ出した銅箔は切断して、2枚の両面銅張り板を作製した。
 このような両面銅張り板の製造方法においては、1回の真空プレスによって2枚の両面銅張り板が作製できるとともに、実施の形態1と同様に、コーナー部のしわやCFRP板のクラックのない両面銅張り板が得られた。
 なお、本実施の形態においては、あらかじめ樹脂ワニスを炭素繊維クロスに含浸させたプリプレグを用いたが、実施の形態2および実施の形態3に示した両面銅張り板の製造方法においても、2枚の炭素繊維クロスを用意して、本実施の形態と同様な方法で1回の真空プレスによって2枚の両面銅張り板を作製することができる。
 本実施の形態では、厚さ0.2mmのプリプレグ2を用いたが、厚さ0.35mmとしても同様の結果が得られた。
実施の形態5.
 実施の形態4においては、プリプレグを分割したが、実施の形態5においは、銅箔を分離して真空プレスにより両面に銅箔板を作製したものである。
図5は、本実施の形態におけるコア材の製造方法を示す模式図である。実施の形態1と同様の樹脂ワニスを用意し、この樹脂ワニスを炭素繊維クロス:YS-90Aに含浸させ、150℃で10分間乾燥させることにより樹脂ワニスを半硬化させ、800mm×500mmで厚み0.2mmの低弾性プリプレグを得た。このプリプレグ1の両面に、図5に示すように、360mm×430mmで厚み9μmの2枚の銅箔2をある程度の隙間を開けて並列に配置した。その後、圧力20kg/cmで真空プレスによって昇温速度3℃/minで180℃まで昇温後、180℃で2時間保持してプリプレグの両面に銅箔を張りつけた。このとき、プリプレグは、炭素繊維クロスの繊維間に含浸した半硬化樹脂が硬化し、CFRP板となる。銅箔の隙間でCFRP板を切断することにより、2枚両面銅張り板を作製した。
 このような両面銅張り板の製造方法においては、1回の真空プレスによって2枚の両面銅張り板が作製できるとともに、実施の形態1と同様に、コーナー部のしわやCFRP板のクラックのない両面銅張り板が得られた。
 なお、本実施の形態においては、あらかじめ樹脂ワニスを炭素繊維クロスに含浸させたプリプレグを用いたが、実施の形態2および実施の形態3に示した両面銅張り板の製造方法においても、2枚の銅箔を用意して、本実施の形態と同様な方法で1回の真空プレスによって2枚の両面銅張り板を作製することができる。
 また、本実施の形態においては、2枚の銅箔の隙間で切断して2枚の両面銅張り板としたが、必ずしも切断する必要はない。この両面銅張り板をコア材として回路基板を作製する際に、銅箔の不要な箇所があればその場所であらかじめ銅箔を切断していてもよい。
 本実施の形態では、厚さ0.2mmのプリプレグ2を用いたが、厚さ0.35mmとしても同様の結果が得られた。
実施の形態6.
 実施の形態6においては、実施の形態1で説明した製造方法で作製された両面銅張り板をコア材として回路基板を作製するものである。
 図6は、本実施の形態における回路基板の製造方法を示した模式図である。始めに、図6(a)に示したように、両面銅張り板4に1次貫通穴8を形成した。このとき、CFRP板3のカーボン繊維が露出するため、1次貫通穴8の内壁面からカーボン粉が発生する恐れがある。カーボン粉が発生すると、後工程の半硬化樹脂をプレスした際に、カーボンコンが半硬化樹脂に混入し、絶縁耐圧を低下させる恐れがある。それを防ぐ目的で、図6(b)に示したように、1次貫通穴8の内壁面を被覆する銅めっきを行い、1次貫通穴8の内壁面に銅被膜9を形成した。続いて、両面銅張り板の表面の不要な銅箔2を除去するためにレジスト膜でパターニングを行い、不要な銅箔をエッチングで除去して、図6(c)に示したように、1次貫通穴8とその周辺にのみ銅箔2および銅被膜9が残るようにした。
 次に、電気的な絶縁層となる半硬化のシリカ含有エポキシ樹脂シート10とエポキシ基材の樹脂プリプレグ11とを重ねて、図6(d)に示したように、真空プレスにより加熱硬化した。このとき、1次貫通穴8は、シリカ含有エポキシ樹脂10(30ppm/K、3.0W/(m・K))で充填された。
 続いて、1次貫通穴の同軸上により小径の2次貫通穴13を形成した。
 最後に、2次貫通穴13の内壁面に銅めっきを行い、2次貫通穴13の内壁面に銅被膜14を形成し、エポキシ基材11の表面の銅被膜12のパターニングを行なって信号回路層を形成し、図6(e)に示したように、スルーホールの形成された回路基板を作製した。
 すなわち、エラストマー成分を含有する樹脂を具備する炭素繊維シートの両面に金属薄膜が配置されたコア材3に第1の貫通孔8を開口し、第1の貫通孔8の内壁に第1の導電性膜9を形成し、コア材3の両面および第1の貫通孔8に樹脂シート10により絶縁層を形成し、第1の貫通孔8の内部の絶縁層に第2の貫通孔13を開口し、第2の貫通孔13の内壁に第2の導電性膜14を形成し、コア材3の両面に形成された絶縁層の表面に第2の導電性膜12と電気的に接続された信号回路層(図示せず)を形成することにより回路基板を製造することができる。
 このようにして作製された回路基板は、両面に形成された信号回路層がスルーホールを介して電気的に接続されており、両面銅張り板同様、ヒートサイクル試験でクラックが発生しないという効果がある。
 なお、本実施の形態においては、1次貫通穴の内壁面を銅被膜で被覆したが、必ずしも銅被膜である必要はなく、1次貫通穴の内壁面からのカーボン粉の脱離を防止することができればよい。
 本実施の形態では、半硬化の樹脂シート10として、シリカ含有エポキシ樹脂シートを用い、ガラスエポキシ基材の樹脂プリプレグ11を重ねて、真空プレスにより加熱硬化したが、半硬化の樹脂シート10を所定の条件(例えば120℃、2min、10kg/cm2)で仮圧着し、フッ素樹脂等で離型処理された金属板(例えばSUS板)の間に挟んで真空ラミネートし、1次貫通穴8内に樹脂シート10の樹脂を充填してもよい。この場合、樹脂プリプレグ11と銅箔12を重ねて、図6(d)に示したように、真空プレスにより所定の条件(例えば180℃、2min、20kg/cm2)で加熱硬化すればよい。
 樹脂シート10には、カーボン繊維の熱膨張率(±2ppm/K)を考慮して、充填材をいれるのが好ましい。本実施の形態ではシリカを用いた例を示したが、アルミナ(酸化アルミニウム)、チッ化アルミニウム、チッ化ホウ素などを用いてもよい。アルミナ含有エポキシ樹脂を用いることにより、熱膨張係数30ppm/K、熱伝導率3.0W/(m・K)程度の樹脂シートを作製することが可能である。
実施の形態7.
 図7は、実施の形態7における回路基板の製造方法を示した模式図である。
本実施の形態では、図6(c)まで、実施の形態6と同様に1次貫通穴8を形成し、続いて、図7(a)に示すように、1次貫通穴8内に樹脂ペースト15を印刷充填した。さらに図7(b)~図7(d)に示すように、半硬化の樹脂シート10を仮圧着し、ガラスエポキシ基材の樹脂プリプレグ11と銅箔12を重ねて、真空プレスにより加熱硬化し、2次貫通穴13を設けて、スルーホールの形成された回路基板を作製した。
 ここで樹脂ペースト15には、充填材含有エポキシ樹脂ペーストを用いた。充填材は適宜シリカ、アルミナ(酸化アルミニウム)、チッ化アルミニウム、チッ化ホウ素などを用いればよい。
 上記実施の形態6の例のように、樹脂シート10を熱溶融させて1次貫通穴8内に充填する場合、コア材の厚みに応じた樹脂シート10が必要であるが、本実施の形態によれば、1次貫通穴8内のみに樹脂を充填できるため、薄い回路基板を製造することができる。
実施の形態8.
 図8は、実施の形態8における回路基板の製造方法を示した模式図である。本実施の形態では、図6(c)まで、実施の形態6と同様に1次貫通穴8を形成し、続いて、図8(a)に示すように、1次貫通穴8内に樹脂ペースト15を印刷充填した。さらに、図8(b)、図8(c)に示すように、樹脂シート10を用いずに、ガラスエポキシ基材の樹脂プリプレグ11と銅箔12を重ねて、真空プレスにより加熱硬化した。
 すなわち、エラストマー成分を含有する樹脂を具備する炭素繊維シートの両面に金属薄膜が配置されたコア材3に第1の貫通孔8を開口し、第1の貫通孔8の内壁に第1の導電性膜9を形成し、コア材3の両面および第1の貫通孔8に樹脂ペースト15により絶縁層を形成し、第1の貫通孔8の内部の絶縁層に第2の貫通孔13を開口し、第2の貫通孔13の内壁に第2の導電性膜14を形成し、コア材3の両面に形成された絶縁層の表面に第2の導電性膜12と電気的に接続された信号回路層16を形成することにより回路基板を製造することができる。
 本実施の形態では、樹脂シート10がないため、さらに薄い回路基板を製造することができる。
 ただし、信号線16がCFRP板3に接近するため、ヒートサイクル耐性を向上させる場合は、実施の形態6、7を用いればよい。
 なお、実施の形態6~8に、CFRP板3を1枚含む例を示したが、図9~図11に示すように、CFRP板3を複数枚含み、信号線16を複数層形成してもよい。実施の形態8を用いれば平坦化、多層化でき好ましい。CFRP板3を複数層配置することにより、部品から発生した熱を拡散しやすくなる。図9~図11では、CFRP板3より外側に信号線16が1層しかないが、図12に示すように、複数層あってもよく、またこれらが内層接続されていてもよい。
1 プリプレグ、2 銅箔、3 CFRP板、4両面銅張り板、5 半硬化樹脂、6 炭素繊維クロス、7 離型フィルム、8 1次貫通穴、9 銅被膜、10 エポキシ樹脂シート、11 樹脂プリプレグ、12 銅被膜、銅箔、13 2次貫通穴、14 銅被膜、15 樹脂ペースト、16 信号線

Claims (6)

  1. 炭素繊維シートにエラストマー成分を含有する樹脂が含浸されたプリプレグの両面に、厚さ9μm以上18μm以下の銅箔を配置する工程と、
    前記銅箔の両面から加圧成形する工程と
    を備えたことを特徴とするコア材の製造方法。
  2. 炭素繊維シートの両面に、一方の面にエラストマー成分を含有する樹脂層が形成された厚さ9μm以上18μm以下の銅箔を前記樹脂層を介して配置する工程と、
    前記銅箔の他方の面から加圧成形する工程と
    を備えたことを特徴とするコア材の製造方法。
  3. 炭素繊維シートの両面に、一方の面にエラストマー成分を含有する樹脂層が形成された離型フィルムを前記樹脂層を介して接着する工程と、
    前記離型フィルムを前記樹脂層から剥離する工程と、
    露出した前記樹脂層の表面に厚さ9μm以上18μm以下の銅箔を配置する工程と、
    前記銅箔の両面から加圧成形する工程と
    を備えたことを特徴とするコア材の製造方法。
  4. 樹脂は、硬化時の弾性率が3.0GPa以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のコア材の製造方法。
  5. 樹脂は、末端カルボキシル基を有するブタジエンアクリルニトリルを含むことを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のコア材の製造方法。
  6. エラストマー成分を含有する樹脂を具備する炭素繊維シートの両面に金属薄膜が配置されたコア材に第1の貫通孔を開口する工程と、
    前記第1の貫通孔の内壁に第1の導電性膜を形成する工程と、
    前記コア材の両面および第1の貫通孔に絶縁層を形成する工程と、
    前記第1の貫通孔の内部の前記絶縁層に第2の貫通孔を開口する工程と、
    前記第2の貫通孔の内壁に第2の導電性膜を形成する工程と、
    前記コア材の両面に形成された前記絶縁層の表面に前記第2の導電性膜と電気的に接続された信号回路層を形成する工程と
    を備えたことを特徴とする回路基板の製造方法。
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