PCBにおけるCCL用エポキシ樹脂とその発展動向

CCL（銅張積層板）の主要な原材料として、またPCB（プリント配線板）の基板材料として、エポキシ樹脂の構造と性能はCCLの性能を決定する上で決定的な役割を果たしている。さらに、エポキシ樹脂の継続的な発展により、CCLの性能面での進歩が徐々にもたらされている。電子情報産業の急速な発展に伴い、電子製品および回路実装技術の高度化によって、PCB製造技術はマイクロビア、ファインパターン、高密度配線および多層化へと進んでおり、その結果、CCLの放熱性、寸法安定性および誘電損失に対してより高い要求が課され、それに伴いエポキシ樹脂の性能にも新たな要求が生じている。

CCLの概要紹介

・CCLの定義、構成および構造

多機能電子積層複合材料の一種として、CCL は、樹脂（主にエポキシ樹脂）に含浸させた補強材（ガラスクロス、ファイバーペーパー、ガラスファイバーペーパーなど）から構成される板状材料である。その後、プリプレグを生成するためにベーキングを行い、それを裁断・積層し、高温・高圧・高真空の条件下で銅を被覆する。

CCL は、PCB 製造用材料に供給される主要な基礎原材料としての役割を果たし、導電性、絶縁性、支持、信号伝送という 4 つの機能を担うことで、PCB の性能、品質、製造レベル、製造コスト、長期信頼性などを左右します。PCB 基板の継続的な発展と、最終電子製品における応用需要の増大に伴い、CCL に対して新たな技術的要求が徐々に提起される一方で、CCL の技術開発および製造技術の進歩を促す原動力ともなっています。

現在まで、PCB製造に使用されているCCLの大部分は硬質有機樹脂CCLに属し、紙基材、ガラス繊維基材および複合基材が含まれる。上記の分類以外に、硬質CCLにはBUM（ビルドアップ多層）基板、金属基板、セラミック基板、熱可塑性基板、コンデンサ内蔵基板なども含まれる。フレキシブルCCLに関しては、主にポリエステル基フィルムフレキシブルCCL、ポリイミド基フィルムフレキシブルCCL、LCP（液晶ポリマー）基フレキシブルCCLなどの種類がある。

現在では、さまざまな種類のCCLがPCB製造に使用されており、その厚さは0.05mmから3.2mmの範囲に保たれています。CCLに関する詳細な紹介を見るにはクリックしてください.

・CCLの開発動向とトレンド

CCL 技術は、ほぼ 100 年にわたって発展してきており、その発展は PCB 産業の進歩なしには成し得ませんでした。電子機器製品の革新的な開発、半導体製造技術、電子実装技術および PCB 製造技術は、CCL の発展を推進してきました。本質的に、CCL の発展の原動力は電子パッケージングのエンジニアリングおよび技術に由来しており、軽量・薄型・小型化・高性能・多機能・高信頼性および IC チップ性能の急速な向上が、電子パッケージング技術の高速な発展を促進するうえで根本的な役割を果たしていることを意味します。

電子パッケージ技術の急速な発展により、より高く厳格な要求が生じ、CCL は小型化、軽量化、高速化、高い放熱性、高耐熱性、環境配慮、CAF 耐性、CTI 耐性、高強度、高弾性率、多機能化および高信頼性の方向へと発展している。

エポキシ樹脂系CCL

CCL には多くの種類がありますが、その大部分はエポキシ樹脂系 CCL であり、全 CCL の 70％以上を占めています。エポキシ樹脂ガラス繊維 CCL の代表的な種類には G-10、G-11、FR-4、FR-5 があり、エポキシ樹脂紙基材 CCL の代表的な種類には FR-1、FR-3 があります。エポキシ樹脂コンポジット CCL の代表的な種類には CEM-1、CEM-3 があり、高性能かつ多機能なエポキシ樹脂ガラス繊維 CCL の代表的な種類には、高 Tg FR-4（Tg：175°C）、鉛フリー対応 FR-4、高 CTI、CAT 耐性、高熱伝導率、HDI（高密度配線）基板用 FR-4、ポリイミド変性エポキシ、BT 変性エポキシ、PPO 変性エポキシ、CE 変性エポキシガラス繊維 CCL、および多層 PCB や BUM PCB に用いられるエポキシガラス繊維プリプレグと RCC があります。

CCLのエポキシ樹脂に対する要求事項

電子デバイス用の主要な基板材料の一つとして、CCL の主要な機能は、配線および電子製品に対して絶縁を提供することにあります。技術の継続的な進歩に伴う性能向上の要求に加えて、エポキシ樹脂には、高純度、低吸湿性、および機械的強度という基本的な要件があります。

高純度は非常に重要な基本的要求であり、主にエポキシ樹脂のアルカリ金属（Na に関係している⁺）含有量および塩素含有量については厳格な要求がある。しかし、現在の市場における電子グレードのエポキシ樹脂の多くは、アルカリ金属および塩素含有量の管理という点では十分に優れた性能を示している。問題の核心は加水分解性塩素イオンにある。エポキシ樹脂から加水分解性塩素イオンが析出することにより、水分の作用下で電子機器の腐食が加速され、その結果、電子製品の寿命が著しく短くなる。そのため、エポキシ樹脂中の塩素の総含有量は一般に 500ppm 未満とすることが求められ、加水分解性塩素イオンの含有量は基本的に 300ppm を超えないことが要求される。エポキシ樹脂に対する低吸湿性の要求は、実際には電子製品の使用における信頼性要求と整合した基本的な性能である。さらに、機械的特性によって、CCL は電子製品において支持体としての役割を果たすことができる。

CCLのエポキシ樹脂に関する新たな要件

電子情報産業の急速な発展に対応するため、電子製品および回路実装は新たな段階へと進む必要があり、その結果、PCB製造技術はマイクロビア、微細配線、高密度配線、高多層化へと向かい、CCLには耐熱性、低CTE（熱膨張係数）、高次元安定性、低誘電損失といった新たな要求が突きつけられている。CCLの主要な原材料であるエポキシ樹脂もまた、新技術に対してより多くの要求に直面している。

・「グリーン」エポキシ樹脂

従来のCCLは、接着剤溶液中の臭素系エポキシ樹脂および硬化剤中に含まれるハロゲンによって難燃性を実現しており、そのうちエポキシ樹脂中の臭素含有量は12％～50％を占めている。EUが公布したRoHS規制によれば、ポリ臭化ビフェニル（PBB）およびポリ臭化ジフェニルエーテル（PBDE）は電子製品への使用が禁止されている。さらに、いくつかの国際研究機関が発表した研究によれば、臭素系難燃剤は人体および環境に有害な物質を放出することが明らかになっている。そのため、電子機器はCCLに対してハロゲンフリーの要求を提起している。

現在まで、ハロゲンフリーCCLは、N、PおよびB、Alなどの適用によって難燃性を発揮してきた。近年では、リンまたは窒素を含有するエポキシ樹脂が急速に発展しており、その中でもリン含有エポキシ樹脂は、フェナントレンとエポキシ樹脂との反応に依存した比較的成熟した生成技術を特徴としている。近年、人々はNおよびP化合物が環境に悪影響を及ぼすことを継続的に認識するようになってきているため、P、NおよびPbを含まない難燃性エポキシ樹脂が、CCL製造において獲得される先導的な技術となるであろう。

・液晶エポキシ樹脂

高密度化および多層化したPCBの継続的な発展に伴い、実装される部品のための基板スペースは劇的に縮小しています。電子機器は部品の電力に対してますます高い要求を突きつけており、大電力は発熱の蓄積を招き、部品の電気的性能を低下させる、あるいは破壊してしまうことさえあります。さらに、LED用ベース基板、新型電源モジュール、自動車用電子機器、高密度ICパッケージング用ベース基板など、一部のベース基板では、CCLが高温環境下で長時間動作できることが求められます。したがって、CCLにとって高い熱伝導率は極めて重要となります。

CCL が高い熱伝導率を得る方法は主に 2 つある。 1 つは、熱伝導性を有する無機フィラーを樹脂成分に添加し、樹脂中でフィラーが高密度に充填されて形成される熱伝導経路によって熱伝導率を実現する方法である。 もう 1 つは、高熱伝導性を有する樹脂を利用し、樹脂が完全に結晶化することで格子振動が生じ、熱キャリアを介して熱伝導率を得る方法である。 前者の方法のみを用い、フィラーの体積が臨界体積分率を超えると、CCL は高い熱伝導率を示すものの、その他の特性は明らかに低下する。したがって、熱伝導性を有する樹脂を導入することは、熱伝導率の向上に有利である。

液晶エポキシ樹脂はポリマーネットワークを有しているため、一般的なエポキシ樹脂と比べて、比較的高い熱伝導率を示します。

・UV耐性エポキシ樹脂

1990年代後期には、感光性ソルダーレジストの応用が見られたPCB製造プロセスはんだレジスト画像の保護および、イメージングと硬化のためのUV光の適用に使用されます。UV耐性機能を持たないCCLを使用した場合、UV光はベースボードを透過します。感光性はんだレジストが両面に塗布されていると、感光性ゴーストが発生し、はんだレジストパターンの品質が大きく低下します。したがって、はんだレジストの硬化にUV光を用いるベースボードの場合、UV光を遮断できることが必須となります。

・高Tgエポキシ樹脂

高分子は、その温度がガラス転移温度より低い場合、機械的強度を有するガラス状状態を示すため、Tg温度を上げることで製品の使用温度を高めることができる。現在、一般的なFR-4材料のTgは130°Cから140°Cの範囲にあり、この温度を超える段階に属するものもいくつか存在する。その結果、高Tgエポキシ樹脂に関する研究は、CCLの開発にとって非常に重要である。

・高CTIエポキシ樹脂

CTI（Comparative Tracking Index、比較トラッキング指数）は、電位差が加わった際に、絶縁材料の表面が炭化して導電性の経路を形成する度合いを示す指標です。CTIが高いほど、絶縁性能は高くなります。一般的なFR-4基板材料のCTIはおよそ200Vであるのに対し、高CTI基板材料には通常600V以上が求められます。高CTI基板材料は、特殊なエポキシ樹脂、高い耐トラッキング性を有する材料、およびガラス繊維を選定することで得ることができます。

・低誘電率エポキシ樹脂

電子技術の急速な発展、情報処理および伝送速度の向上、そして通信チャネルの拡大に対応するため、基板材料には低誘電率および低誘電正接、すなわち低Dk特性が求められている。現在使用されている高Dkエポキシ樹脂は、材料コスト、製造技術およびPCB製造技術の面で、低Dkエポキシ樹脂に劣っているため、多くのメーカーが低Dkエポキシ樹脂の研究に取り組んでいる。エポキシ樹脂の誘電率はその極性と相関しており、極性が低いほど誘電率も低くなる。

電子実装技術、HDI の発展およびコストパフォーマンスの向上により、CCL は高速・高周波・高集積・高信頼性・高密度・低損失・低コストの方向へと発展しており、エポキシ樹脂性能に対してより高い要求が求められている。

従来のCCLがエポキシ樹脂に高純度、低吸湿性および機械的応力への耐性を要求していたのに対し、CCLの急速な発展に伴い、エポキシ樹脂には高耐熱性、低吸湿性、低誘電率、さらに環境保護性といったより高い要求が課されている。また、エポキシ樹脂の製造性およびコストパフォーマンスも、CCL製造の要求に適合している。

エポキシ樹脂は、プリント基板用のCCLにおいて極めて重要な材料であり、最高の強度、耐熱性、および誘電特性を提供します。エレクトロニクスが進化するにつれて、性能と信頼性向上に対する新たな要求は、高度なエポキシ樹脂によって満たされており、現代のニーズに対応した高性能CCLを実現しています。

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