JP2018181945A - 高周波基板 - Google Patents

Abstract

【課題】
高密度実装された高周波基板の放熱性を高め、長期にわたって電子機器を発熱から保護し、安定した信頼性を保持することができるという、放熱性に優れた高周波基板を提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明の高周波基板は、高周波信号の高速伝送用高周波基板であって、基材となる樹脂フィルムの一方の表面に配線層となる銅層を備え、もう一方の表面に放熱層となるダイヤモンドライクカーボン層と、を備える高周波基板である。
【選択図】なし

Description

本発明は、高周波基板の放熱性を改善し、長期信頼性を向上させた高周波信号の高速伝送用高周波基板に関する。

近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に伴い、半導体等の電子部品の高密度化、高機能化が要求されている。特に高周波帯域を使用する通信機器の小型化に加え、通信速度の高速化によって、単位体積あたりの発熱量が増加している。

このような高周波信号の高速伝送デバイスの実用化には、種々の課題が指摘されているが、最も大きな課題の一つに発熱問題がある。高出力・高密度で作動させるため高温になり、その信頼性が大きく低下してしまう。従って、この発熱を早く効率的に放熱することにより、信頼性の低下を防止し、長期信頼性を向上することが重要な課題となっている。

高周波信号の高速伝送を実現するために、種々の配線基板の改善が検討されている。通常、高周波回路に採用されるプリント基板は、使用する周波数・許容されるサイズ・コストなどを総合的に判断して最適なプリント基板の材質を選択するが、フレキシブル性を備えたポリイミド樹脂に電解銅箔を貼り付けた基板などが用いられてきた。

例えば、特許文献１には、プリント基材に貼り付ける銅箔との密着性を高めるために、電解液中にモリブデン、鉄、コバルト、ニッケル、タングステンなどの金属塩を添加し、これらの金属を含む銅めっき層を形成し、めっき層中の銅の結晶粒径の一部を粗大化させ、銅めっき層の表面に凹凸を形成し、基材との密着性を改善するプリント基板の製造方法が開示されている。しかしながら、高周波信号の高速伝送にはこの粗大化した銅結晶により形成された粗大粒の界面や、表面の凹凸の存在により、信号が反射して高周波信号の伝送損失が増加するという問題があった。

また、特許文献２には、回路用銅箔と樹脂基板との接着強度を高めるためにＧｅを含有する多数の銅電着物からなる粗化処理層を形成する技術が開示されている。Ｇｅイオンを電解液中に含有させることにより銅析出物のデンドライト化を抑制し、球状化させ、後のエッチング処理時に銅微粉の発生による粉落ちを防止し、基板とのを密着性の改善はみられるが、高周波信号の伝送損失は避けられないという問題があった。

特開平１１−２５６３８９号公報 特許３２０１８５０号公報

本発明は、高密度実装された高周波基板の放熱性を高め、長期にわたって電子機器を発熱から保護し、放熱性に優れた高周波信号の高速伝送用高周波基板を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、高周波信号の高速伝送用高周波基板の構成として、基材の樹脂フィルムの一方の表面に、所定の膜厚の平滑性に優れ且つ緻密な膜質であり基材との高い密着性を有する配線層の銅層を備え、もう一方の表面に高い熱伝導率を有し且つ高い硬度を有するダイヤモンドライクカーボン層を放熱層として備える構成とすることで、優れた放熱性を備えることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の高周波基板は、高周波信号の高速伝送用高周波基板であって、基材となる樹脂フィルムの一方の表面に銅層を備え、もう一方の表面にダイヤモンドライクカーボンを備える高周波基板であることを特徴とする。

本発明の高周波基板は、基材の樹脂フィルムの一方の表面に、所定の膜厚の平滑性に優れ且つ緻密な膜質の銅層を備え、もう一方の表面に高い熱伝導率を有し且つ高い硬度を有するダイヤモンドライクカーボン層を放熱層として備える構成としている。このような構成とすることで、高周波信号の伝送損失が少なく、且つ優れた放熱性を備え、また長期間使用しても、基板が高温にさらされることを防止し、信頼性を向上することができる。以上のことから本発明の高周波基板は、高速伝送デバイスの実用化に貢献できる。

以下に、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の高周波基板は、高周波信号の高速伝送用高周波基板であって、基材となる樹脂フィルムの一方の表面に銅層を備え、もう一方の表面にダイヤモンドライクカーボンを備えることを特徴としている。

本発明の高周波基板は、高密度実装された基板の放熱性を高めており、長期間使用による発熱を効率的に放熱することで、実装された電子機器の信頼性の低下を防止し、高周波基板として放熱性に優れている。本発明の高周波基板は、優れた放熱性を有している限り、その形状に特に制限はなく、例えば基材の樹脂フィルムや配線層としての銅層の厚さは、使用目的など必要に応じて調整することができる。

以下に、本発明について、（１）基材、（２）銅層、（３）ダイヤモンドライクカーボン層、（４）高周波基板の製造方法の順に説明する。

（１）基材
本発明の高周波基板の基材は、高周波基板の用途に適した材料を選択することができる。例えば、安価で汎用的に使用されるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、耐熱性・耐薬品性・寸法安定性に優れた液晶ポリマー（ＬＣＰ）、透明性・低誘電率を有し耐熱性も優れたシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、機械強度・低誘電率を有し耐熱性も優れたポリイミド樹脂（ＰＩ）などの樹脂を挙げることができる。

基材の形態としては、高密度実装し、高速伝送用配線基板として使用することから、表面の平滑性が高い樹脂フィルムを高周波基板の基材として選択する。

本発明の高周波基板の用途、使用目的により、形状だけでなく、配線層としての銅層及び放熱層としてのダイヤモンドライクカーボン層を支持し、その機能を損なわない範囲で樹脂フィルムの厚さを任意に選択することができる。

樹脂フィルムの厚さとしては、１０μｍ以上４００μｍ以下の範囲が好ましく、２０μｍ以上２００μｍ以下の範囲がより好ましい。樹脂フィルムの厚さが、１０μｍ未満では、銅層、ダイヤモンドライクカーボン層を支持する基板としての強度が不足するため好ましくない。樹脂フィルムの厚さが、４００μｍを超えると、配線層としての銅層側で発生した熱が効率よく放熱層としてのダイヤモンドライクカーボン層に伝わりにくくなるため好ましくない。また、加工性やハンドリング性が悪くなるため好ましくない。

（２）銅層
本発明の高周波基板の配線層には、電気抵抗が少なく電気配線回路に汎用的に使われている銅を用いる。銅は、コスト的にも比較的安価で、配線加工しやすいので好ましい。配線層としての銅層の厚さは任意に設定できるが、高密度に実装した高周波基板として使用する場合の銅層の厚さとしては、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲とすることが好ましい。さらに高密度化するには、１μｍ以上４μｍ以下の厚さの銅層とすることがより好ましい。厚さが１μｍ未満では、配線層が薄すぎて、断線のおそれが生じ、厚さが２０μｍを超えると、配線の断面が台形状になり、配線上部と下部の配線幅に差が生じ、高密度に配線した際に配線間でショート不良のおそれが生じ好ましくない。

本発明の銅層は、下地層にスパッタリング法により成膜した銅層を形成することが望ましい。スパッタリング法で成膜した銅層と基材の樹脂フィルムとの密着性は、化学結合により極めて高い。表面が平滑な基材を選択することで、表面を粗面化処理せずに、平滑な基材の表面上に直接成膜するため、得られるスパッタリング法による銅層も、平滑な膜となり、さらにめっき法で成膜された銅層も平滑な膜が得られる。従って、本発明の高周波基板を使用して高周波信号を高速伝送した時に、信号の反射や乱れが生じにくく、信号の伝送損失を少なく抑えることができる。

本発明の銅層は、高周波信号の高速伝送用の配線として用いるため、基材との密着性が高く、後で配線加工する際にエッチング性の良い膜質であることが要求される。これらの要求特性を満足させるため配線層の銅層は、化学蒸着法、物理蒸着法、スパッタリング法などの乾式法により成膜することで実現することができる。特にスパッタリング法は、膜が緻密になり、且つ平滑な膜や、より密着性の高い膜を得るのに適している。但し、成膜時間が長くなり、コスト的には不利な面がある。

そこで、スパッタリング法の特徴を生かし、且つ生産性の低下を補うために、配線用銅層は、まず基材表面に下地層として銅層をスパッタリング法で成膜した後に、電気めっき法で銅層を所定の膜厚に成膜する方法を選択することができ、得られる配線層の銅層は高周波信号の高速伝送用基板の配線に要求される種々の品質を満足することができる。

（３）ダイヤモンドライクカーボン層
本発明のダイヤモンドライクカーボン層は、配線上に設置したデバイスから発生した熱を効率的に放熱するための放熱層である。ダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと称することがある）は、ダイヤモンドに類似した炭素材料のことをいい、ダイヤモンドとグラファイトとの中間的な結晶構造を持つものある。より具体的には、炭素を主成分としつつ若干の水素を含み、ダイヤモンド構造（ＳＰ３結合）とグラファイト構造（ＳＰ２結合）の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとる。ＤＬＣは所定の放熱性を有する材料であるほか、電気絶縁性やガスバリア性も有する材料である。

放熱性を十分確保するためには、ダイヤモンドライクカーボン層の熱伝導率は３０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。ＤＬＣ層の熱伝導率の上限は、通常ダイヤモンドの熱伝導率の２０００Ｗ／ｍＫ以下となる。

ダイヤモンドライクカーボン層の熱伝導率は、光交流法を用いて測定することができる。高周波基板の放熱層を光交流法熱拡散測定装置（アドバンス理工株式会社製、型式：ＬａｓｅｒＰＩＴ−１）を用い、熱源にダイオードレーザ、測定環境を大気圧（２０℃）として、熱伝導率を測定することができる。

ダイヤモンドライクカーボン層の熱伝導率は、ＤＬＣの組成により制御することができる。具体的には、ＤＬＣは、通常水素を所定量含み、この水素により熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫより下回ることがある。このため、熱伝導率を精度よく制御するためには水素の含有量を調整することが好ましい。

本発明の高周波基板は、基材の樹脂フィルムを挟んで一方の面に配線層の銅層が配置され、もう一方の面に放熱層のダイヤモンドライクカーボン層が配置される。ダイヤモンドライクカーボン層の厚さは、厚いほど放熱性は向上するが、必要な放熱量に応じて厚さを設定することができる。

高周波信号の高速伝送用高周波基板として使用する場合、ダイヤモンドライクカーボン層の厚さは、０．１μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましく、０．５μｍ以上１μｍ以下とすることがさらに好ましい。０．１μｍ未満では、放熱効果が小さく、効率よい放熱効果を得ることが困難であり、５μｍを超えて厚くすると、基板の耐折り曲げ性が低下するため好ましくない。また、これ以上厚くしても放熱効果の向上は見られず、コスト高になるだけであり好ましくない。

また、ダイヤモンドライクカーボン層は、高い熱伝導性のほか高い硬度を有する。従って、放熱層の表面に保護層を設ける必要はなく、耐傷つき性を有する膜として長期信頼性の向上が期待できる。さらに、ガスバリア性も有するので、基材の樹脂フィルムにポリイミドフィルムを使用するときには、透過する水蒸気による変形や剥離の防止効果も期待できる。ＤＬＣ膜は、絶縁性も備えており、高周波基板に要求される種々の要求特性を同時に対応できる有用な機能性薄膜である。

（４）高周波基板の製造方法
本発明の高周波基板の製造方法について以下に説明する。本発明の高周波基板は、以下の（Ａ）から（Ｃ）の工程により得られる。
（Ａ）基材の樹脂フィルムを準備する工程
（Ｂ）樹脂フィルムの一方の面に配線層の銅層を成膜する工程
（Ｃ）（Ｂ）で得られた基板に放熱層のＤＬＣ層を成膜する工程

以下、それぞれの工程について説明する。
（Ａ）基材の樹脂フィルムを準備する工程
前述したように、本発明の高周波基板の基材としては、安価で汎用的に使用されるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、耐熱性・耐薬品性・寸法安定性に優れた液晶ポリマー（ＬＣＰ）、透明性・低誘電率を有し耐熱性も優れたシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、機械強度・低誘電率を有し耐熱性も優れたポリイミド樹脂（ＰＩ）などの樹脂製の基材のなかから、用途に適した材料を選択する。本発明では、高周波信号の高速伝送用に使用することから、伝送損失を抑制するために表面の平滑性が高い樹脂フィルムを基材として選択する。

（Ｂ）樹脂フィルムの一方の面に配線層の銅層を成膜する工程
本発明の銅層は、高周波信号の高速伝送用の配線として用いるため、基材との密着性が高く、後で配線加工する際にエッチング性の良い膜質であることが要求される。これらの要求特性を満足させるため配線層の銅層は、化学蒸着法、物理蒸着法、スパッタリング法などの乾式法により成膜することで実現することができる。特にスパッタリング法は、膜が緻密になり、且つ平滑な膜や、より密着性の高い膜を得るのに適している。但し、成膜時間が長くなり、コスト的には不利な面がある。

そこで、スパッタリング法の特徴を生かし、且つ生産性の低下を補うために、配線用銅層は、まず基材表面に下地層として銅層をスパッタリング法で成膜した後に、電気めっき法で銅層を所定の膜厚に成膜する方法を選択することができる。

すなわち、本発明において銅層は、下地層の銅層をスパッタリング法で５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さで成膜し、その後、電気めっき法で最終的に厚さが１μｍ以上２０μｍ以下となるように成膜することにより形成することができる。

下地層の銅層は、銅ターゲットを用いて、スッパッタリング装置に基材をセットして、アルゴンガスを導入しながらスパッタリングして、所定の膜厚の銅層を成膜することにより得られる。なお、基材と銅層との密着性をより高めるためには、銅層を成膜する前に、クロム、ニッケル、ニッケル−クロム合金の群から選ばれる下地層を２０ｎｍ以上１００ｎｍの厚さで成膜することが好ましい。その他、アルゴンイオンにより基材表面を洗浄したり、酸素プラズマを発生させて基材表面を活性化させる処理を施すことも密着性を高めるのに有効である。

次に、下地層の銅層を形成した基材を、めっき装置により銅めっきを施し、最終的に厚さが１μｍ以上２０μｍ以下になるように配線用銅層を形成する。銅めっきには、毒性が少なく、操作性に優れる硫酸銅を用いた酸化浴のメッキ装置を使用することが望ましい。

（Ｃ）（Ｂ）で得られた基板に放熱層のＤＬＣ層を成膜する工程
最後に、（Ｂ）の工程で得られた配線層の銅層を成膜した基材に、もう一方の基材表面に放熱層のＤＬＣ層を成膜することにより、本発明の高周波基板を作製する。

ダイヤモンドライクカーボンは、プラズマＣＶＤ法を用いた成膜が適している。プラズマＣＶＤ法では、アセチレンガスを化合物ガスとして導入し、プラズマでアセチレンガスを分解することにより、ＤＬＣ層が基材の樹脂フィルムの表面に成膜される。プラズマＣＶＤ法では、プラズマを用いて化合物ガスを活性化させているので、低温で成膜できるため、樹脂フィルムへの成膜に特に適している。

以上のように、本発明の高周波基板は、基材の樹脂フィルムの表面に配線層の銅層、放熱層のＤＬＣ層のいずれも、乾式法により成膜しており、接着層を設けないため、緻密な膜質であり基材との密着性に優れており、高周波信号の高速伝送用基板の製造方法として有用な方法といえる。

以下に、実施例を示して本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されることはない。なお、下記に示す実施例及び比較例の高周波基板において、以下の評価方法により評価した。

（ａ）放熱性の評価
得られた基板に合計１０ＷのＬＥＤライトを取付け、毎秒１００回点滅させながら１ 時間動作させ、基板の裏面にサーモテープを貼り付けて、動作後の基板温度を測定して 基板の放熱性能を評価した。

（ｂ）熱伝導性の評価
放熱層の熱伝導率は、光交流法を用いて測定することができる。高周波基板の放熱層を光交流法熱拡散測定装置（アドバンス理工株式会社製、型式：ＬａｓｅｒＰＩＴ−１）を用い、熱源にダイオードレーザ、測定環境を大気圧（２０℃）として、熱伝導率を測定した。

（実施例１）基材としてポリイミドフィルム（宇部興産株式会社製、品名：ユーピレックス-Ｓ（登録商標）、フィルム厚さ：７５μm）を２０ｃｍ四角にカットしたものを用いた。

まず、ポリイミドフィルムをスパッタリング装置（芝浦メカトロニクス株式会社製、ＣＦＳ−４ＥＳ）にセットし、このポリイミドフィルムの片面に下地層としてＮｉ−２５質量％Ｃｒを２０ｎｍ、続いて銅を１００ｎｍ成膜した。

具体的には、ターゲットに、ニクロム合金（Ｎｉ−２５％Ｃｒ、純度９９．９質量％）と銅（純度９９．９質量％）の３インチ径の円板状ターゲットを用いた。成膜条件として、到達真空度を６.５×１０^-3Ｐａとし、ＤＣ出力を２００Ｗとし、かつ、反応ガスとして、アルゴンガス（流量１５ｓｃｃｍ）導入することにより、フィルムの片面に先に膜厚２０ｎｍのＮｉ−２０質量％Ｃｒ下地層を成膜した。続いて、ＤＣ出力を３００Ｗとし、到達真空度を６.５×１０^-3Ｐａとし、かつ、反応ガスとして、アルゴンガス（流量１５ｓｃｃｍ）を導入することにより膜厚１００ｎｍの銅の下地層を成膜して積層した。

得られたフィルムに電解銅めっきを施すために、硫酸銅を用いためっき装置に下地層を成膜したフィルムをセットした。

めっき条件は、浴温度は４５℃で、電圧５Ｖとし、電流密度を３Ａ/ｄｍ²として１５分間めっきして、配線層の銅層を作製した。得られた銅層の厚さは４μｍであった。

次に、得られた銅層を成膜したポリイミドフィルムにＤＬＣ膜を成膜するためにプラズマＣＶＤ装置（サムコ株式会社製、型式ＰＤ−１００Ｄ）にセットした。

具体的な成膜条件は、到達真空度を２×１０^-2Ｐａとし、かつ、反応ガスとして、アセチレンガス（流量１０Ｌ／分）を導入して１３．５６ＭＨｚの高周波を印加し、励起してイオン化し、成膜レートを６３０ｎｍ／分として、厚さが１μｍのＤＬＣ層を成膜して高周波基板を得た。

前記した評価方法により得られた高周波基板の放熱性能を評価したところ、一時間動作後の基板の温度は４６℃であった。ＤＬＣ層の熱伝導率は、２０Ｗ／ｍＫであった。また、ＤＬＣ層の硬度はビッカース硬度で２２００Ｈｖと高い硬度であった。

（実施例２）
ＤＬＣ層の厚さを０．５μｍとした以外は実施例１と同様にして高周波基板を得た。

実施例１と同じ評価方法により得られた高周波基板の放熱性能を評価したところ、一時間動作後の基板の温度は４７℃であった。ＤＬＣ層の熱伝導率は、１９Ｗ／ｍＫであった。また、ＤＬＣ層の硬度はビッカース硬度で２２００Ｈｖと高い硬度であった。

（比較例１） 基材のポリイミドフィルム（宇部興産株式会社製、品名：ユーピレックス-Ｓ（登録商標）、フィルム厚さ：７５μm）に実施例１と同じ条件で銅層を形成し、ＤＬＣ層を成膜せずに高周波基板を作製した。

この高周波基板を実施例１と同様に評価した。一時間動作後の基板の温度は５８℃であった。

以上のように、本発明の高周波基板は、放熱性能は良好であり、ＤＬＣ層の硬度も高く優れているため、放熱性に優れ、且つ長期信頼性の向上が期待できる基板であることが分かり、高周波信号の高速伝送用配線基板として好適に使用することができる基板である。

Claims (4)

1. 高周波信号の高速伝送用高周波基板であって、基材となる樹脂フィルムの一方の表面に銅層を備え、もう一方の表面にダイヤモンドライクカーボン層を備えることを特徴とする高周波基板。
2. 前記樹脂フィルムは、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド樹脂、シクロオレフィンポリマー、フッ素樹脂、液晶ポリマー、の群から選択される一種である、請求項１に記載の高周波基板。
3. 前記銅層は、厚さが１μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の高周波基板。
4. 前記ダイヤモンドライクカーボン層は、厚さが０．１μｍ以上５．０μｍ以下である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の高周波基板。