JP7568991B2 - フッ素樹脂シート、銅張積層体、回路用基板及びアンテナ - Google Patents
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Description
特許文献2には、フッ素樹脂フィルムに対して、表面処理及びアニール処理を施すことで、銅箔との接着性を良好とすることが提案されている。
特許文献3には、フッ素樹脂基板の表面を親水化処理し、アミノ基と水酸基を有する親水化処理表面とすることで、金属箔との密着性を向上させることが提案されている。
更に、前記同面において、XPSによって測定した際の珪素元素比率が0.5atomic%以上であるフッ素樹脂シートであることが好ましい。
前記シリカ粒子として、シランカップリング剤処理されたシリカ粒子を用いることが好ましい。
前記シリカ粒子の平均粒径が10μm以下であることが好ましい。
前記シリカ粒子は、フッ素樹脂シート全量に対する含有量が30質量%以上であることが好ましい。
前記シリカ粒子は、フッ素樹脂シート全量に対する含有量が50質量%以上であることが好ましい。
前記シリカ粒子は、フッ素樹脂シート全量に対する含有量が50質量%以上65質量%以下であることが好ましい。
前記フッ素樹脂シートの厚みが5~250μmであることが好ましい。
また、実質的にフッ素樹脂粒子と、少なくともシリカ粒子を含むフィラー粒子とからなる組成物を用いて成膜し、表面処理するフッ素樹脂シートの製造方法であることが好ましい。
前記銅箔の表面粗さ(Rz)が2.0μm以下であることが好ましい。
前記銅箔の表面粗さ(Rq)が0.01~0.15μmであることが好ましい。
前記銅箔とフッ素樹脂シートとが直接積層されてなり、前記表面粗さ(Rz)が2.0μm以下である銅箔と前記フッ素樹脂シートとの界面のピール強度が0.5kN/m以上であることが好ましい。
本開示は、前記回路用基板から形成されたアンテナでもある。
前記アンテナは、モビリティ向けのミリ波アンテナであることが好ましい。
5G以上の高周波基板においては、フッ素樹脂シートと銅箔との界面が平滑であると伝送損失が少なく、高周波基板の特性がよくなる。そのため、フッ素樹脂シートと、表面が平滑な銅箔との良好な接着が求められる。
このように、本開示のフッ素樹脂シートは、低い線膨張率と良好なピール強度とを両立させ得るものである。
上記酸素原子比率は、3.0atomic%以上であることが好ましく、5.0atomic%以上であることがより好ましく、10.0atomic%以上であることが更に好ましい。上限に関しては特に規定はしないが、生産性やその他の物性への影響を鑑みると、25.0atomic%以下であることが好ましい。
このように接着に寄与する、フッ素樹脂シート表面の窒素元素比率を高めることで、誘電特性を損なわず、充分な銅箔とのピール強度を得ることができる。
上限に関しては特に規定はしないが、生産性やその他の物性への影響を鑑みると、25.0atomic%以下であることが好ましい。
このように接着に寄与する、フッ素樹脂シート表面の珪素元素比率が高いことで、表面処理されうるシリカ粒子が露出しており、銅箔とのピール強度を高めることができる。
上限に関しては特に規定はしないが、生産性や強度などの他の物性への影響を鑑みると、10.0atomic%以下であることが好ましい。
このような範囲を満たすことで、フッ素樹脂シートに新たな官能基が生成しており、銅箔とのピール強度が高くなる。
上記上限は、70ppm/℃であることがより好ましく、50ppm/℃であることが更に好ましく、40ppm/℃であることがより更に好ましい。上記下限は、10ppm/℃であることが好ましく、18ppm/℃であることがより好ましい。
フッ素樹脂は、低誘電性を有するものであることから、本開示において好適に使用することができる。
中でも、低誘電性、低線膨張率という観点から、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)であることが特に好ましい。PTFEはフィブリル性を有するものが好ましい。フィブリル性を有するPTFEとは、未焼成のポリマー粉末をペースト押出できるPTFEを意味する。
CF2=CF-ORf・・・(1)
(式中、Rfは、パーフルオロ有機基を表す。)
PAVEにおけるパーフルオロアルキル基としては、例えば、パーフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基、パーフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基等が挙げられる。PAVEとしては、パーフルオロプロピルビニルエーテル(PPVE)、パーフルオロメチルビニルエーテル(PMVE)が好ましい。
本開示のフッ素樹脂シートは、シリカ粒子を含有することが必須である。
上記シリカ粒子は、その形状を特に限定されるものではないが、球状であることが特に好ましい。球状であると、穴あけ加工時に均一に加工しやすい、比表面積が少なく伝送損失が低いという点で好ましいものである。本開示においては、球状シリカを使用することが最も好ましい。
シリカ粒子の平均粒径の上限は、8μm以下であることがより好ましく、5μm以下であることが更に好ましい。
また、シリカ粒子の平均粒径の下限は、特に限定されないが、0.5μm以上であることが好ましい。平均粒径が0.5μm未満であると、フィラーの凝集が生じることで、充分な効果が得られない傾向にある。
なお、ここでの平均粒径は、レーザー解析式粒度分布計によって測定したD50の値である。
上記配合量は、35質量%以上であることがより好ましく、50質量%以上であることが更に好ましく、55質量%以上であることがより更に好ましい。シリカ粒子の配合量の上限は特に限定されるものではないが、70質量%以下であることが好ましく、68質量%以下であることがより好ましく、65質量%以下であることが更に好ましい。
本開示のフッ素樹脂シートは、10GHzにおける誘電正接が0.0015以下であることが好ましい。誘電正接を当該範囲内のものとすることで、回路中の電気信号の損失を低く抑えることができる点で好ましい。上記誘電正接は、0.0012以下であることがより好ましく、0.0011以下であることが更に好ましい。一方、上記誘電正接の下限は、0.00001であることが好ましい。
上記比誘電率の上限は、3.2であることがより好ましく、3.1であることが更に好ましい。一方、上記比誘電率の下限は、2.0であることが好ましく、2.5であることがより好ましい。
なお、本開示のフッ素樹脂シートは、ガラス繊維を含まないことが好ましい。ガラス繊維又はガラス繊維からなるクロスを含まないことで、フッ素樹脂シートの薄膜化が可能であり、また、より柔軟になり、屈曲させて使用する用途で使いやすいという有利な点がある。
本開示のフッ素樹脂シートは、例えば、上述したフッ素樹脂粒子とシリカ粒子とを混合して成膜し、表面処理することによって得ることができる。上記成膜する方法は限定するものではないが、ペースト押出成形、粉体圧延成形等によって行うことができる。
二次粒子径が500μm以上のPTFEを用いることで、より抵抗が低く、靭性に富んだシートを得ることができる。
PTFEの平均一次粒子径が大きいほど、その粉末を用いてペースト押出成形をする際に、ペースト押出圧力の上昇を抑えられ、成形性に優れる。上限は特に限定されないが、500nmであってよい。重合工程における生産性の観点からは、350nmであることが好ましい。
上記フッ素樹脂シートの製造方法は、炭化水素系界面活性剤を使用して得られた粉末状のフッ素樹脂粒子、シリカ粒子及び押出助剤を混合する工程(1a)、得られた混合物をペースト押出成形する工程(1b)、押出成形で得られた押出物を圧延する工程(1c)、圧延後のシートを乾燥する工程(1d)、乾燥後のシートを焼成して成形体を得る工程(1e)を含むものであってよい。
上記ペースト押出成形は、上記フッ素樹脂粒子及びシリカ粒子に、顔料や充填剤等の従来公知の添加剤を加えて行うこともできる。
上記フッ素樹脂シートは、粉体圧延成形によって成形することもできる。粉体圧延成形は、粉末状のフッ素樹脂粒子に剪断力を付与することで、フィブリル化させ、これによってシート状に成形する方法である。その後、焼成して成形体を得る工程を含むものであってよい。
より具体的には、
フッ素樹脂粒子及びフィラー粒子を含む原料組成物を混合しながら、剪断力を付与する工程(1)
前記工程(1)によって得られた混合物をバルク状に成形する工程(2)及び
前記工程(2)によって得られたバルク状の混合物をシート状に圧延する工程(3)
を有する製造方法等によって得ることができる。
更に、上記で得られたシート状物を、200~400℃で、1~60分間焼成する工程(4)を有するようにしてもよい。
また、工程(2)は省略しても構わない。
フィラー粒子は、少なくともシリカ粒子を含むものであり、その他のフィラー粒子としては、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化チタン、炭酸カルシウム、酸化マグネシウム等が好ましい。また、シリカ粒子以外のフィラー粒子は、用いなくてもよく、1種類用いるようにしてもよく、また、2種類以上を混合して用いても構わない。シリカ粒子以外のフィラー粒子は、フィラー粒子中、0.1~80質量%であることが好ましい。
特に、フッ素樹脂粒子とシリカ粒子のみを混合して成形することが好ましい。
上記酸素原子比率は、1.65atomic%以上であることが好ましく、1.7atomic%以上であることがより好ましく、1.8atomic%以上であることが更に好ましい。上限に関しては特に規定はしないが、生産性やその他の物性への影響を鑑みると、4.9atomic%以下であることが好ましい。
表面処理前のフッ素樹脂シートの酸素元素比率を上記範囲とする方法は、特に限定されるものでなく、例えば、シリカ粒子の配合量の調整や成形方法の調整等により制御すればよい。
上記珪素元素比率は、0.3atomic%以上であることが好ましく、0.5atomic%以上であることがより好ましく、0.7atomic%以上であることが更に好ましい。上限に関しては特に規定はしないが、生産性やその他の物性への影響を鑑みると、2.0atomic%以下であることが好ましい。
表面処理前のフッ素樹脂シートの珪素元素比率を上記範囲とするためには、シリカ粒子の配合量を調整する等により行えばよい。
上記のような方法で得られたフッ素樹脂シートに対して、適切な条件で片面もしくは両面への表面処理を行うことによって、上記要件を満たすフッ素樹脂シートとすることができる。
フッ素樹脂は、一般的に銅箔との接着性を得ることが困難な素材である。このため、本開示においては、ラミネート特性を向上させるために、フッ素樹脂シートの表面処理を行う。このような表面処理は、主に、樹脂表面の酸素原子量を増加させるような方法が一般的に知られている。
フッ素樹脂シートの表面処理は、従来行なわれている、プラズマ放電処理、コロナ放電処理やグロー放電処理、スパッタリング処理などによる放電処理が採用できる。中でも、プラズマ処理が好適である。
例えば、放電雰囲気中に酸素ガス、窒素ガス、水素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスなどを導入することで表面自由エネルギーをコントロールできる。
上述したフッ素樹脂シートの片面又は両面に銅箔を接着させた積層体としてもよい。
本開示は、銅箔及び上述したフッ素樹脂シートを必須の層とする銅張積層体でもある。上述したように、本開示のフッ素樹脂及びシリカ粒子を含むフッ素樹脂シートは、接着性に優れたものである。よって、本開示のフッ素樹脂シートの表面処理面と銅箔とが直接積層した積層体が好ましい。
本開示のフッ素樹脂シートは、Rz2.0μm以下、更にRz1.0μm以下、より更にRz0.5μm以下という平滑性の高い銅箔への接着性に優れたものである。
Rqが、上記範囲内であると、金属界面導電率を高くでき、伝送損失を良好に減少させることができるため好ましい。
銅箔は、少なくとも上述したフッ素樹脂シートと接着する面が、Rq0.01~0.15μmであればよく、他方の面は、Rqを特に限定するものではない。フッ素樹脂シートと接着する面のRqは0.015~0.1μmであることがより好ましく、0.03~0.08μmであることが更に好ましい。
上記Rqは、二乗平均平方根高さである。本明細書において、上記Rqは、測定長を4mmとして、触針式表面粗さ測定機(商品名:SE600A、小坂研究所社製)を用いて測定した値である。
なお、粗化処理が本開示において要求される性能を低下させるおそれがある場合は、必要に応じて銅箔表面に電着させる粗化粒子を少なくしたり、粗化処理を行わない態様としたりすることもできる。
本開示のフッ素樹脂シートを使用することで、上記のようなピール強度を実現することができる。
ピール強度を0.5kN/m以上とすることで、銅張積層板や回路用基板として好適に使用することができる。ピール強度は、0.7kN/m以上であることが更に好ましい。
ピール強度の上限は、特に限定するものではないが、3.0kN/m以下であってよい。
なお、ここでのピール強度は、実施例に記載した条件で測定したピール強度を意味するものである。
当該銅箔およびフッ素樹脂シート以外の層は、ポリイミド、モディファイドポリイミド、液晶ポリマー、ポリフェニレンスルファイド、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ビスマレイミド、ポリフェニレンオキサイド、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンエーテル、及び、ポリブタジエンからなる群から選択される少なくとも1種の樹脂からなる層であることが好ましい。
上記銅箔を積層する方法としては、熱プレスによる方法等が挙げられる。熱プレス温度はシートの融点-150℃~シートの融点+40℃が挙げられる。熱プレスの時間は例えば1~30分である。
このような条件下でプレス成形することで、フッ素樹脂シートの劣化がなく、銅箔との接着も可能である。
特に10GHz以上の高周波用プリント基板として好適に使用することができる。
本開示は、上記回路基板から形成されたアンテナでもある。特に、自動車、航空機等のモビリティ向けのミリ波アンテナとすることが好適である。
耐熱性樹脂フィルムおよび熱硬化性樹脂フィルムは強化繊維を含んでいても良い。強化繊維としては特に限定されないが、例えばガラスクロス、とくに低誘電タイプのものが好ましい。
上述した積層順として、具体的には、基材層/フッ素樹脂シート/銅箔層で構成されるもの、銅箔層/フッ素樹脂シート/基材層/フッ素樹脂シート/銅箔層、銅箔層/基材層/フッ素樹脂シート/基材層/銅箔層で構成されるもの等を挙げることができる。
また、必要に応じて、その他の層を有するものとすることもできる。
マイクロメーターを用いて測定した。
走査型X線光電子分光分析装置(XPS/ESCA)PHI5000VersaProbeII(アルバック・ファイ株式会社製)を用いて測定した。
TMA―7100(株式会社日立ハイテクサイエンス社製)を用いたTMA測定を引張モードで行い、サンプル片として、長さ20mm、幅5mm、厚み150μmに切出したフッ素樹脂シートを用いて、チャック間を10mmに設定し、49mNの荷重をかけながら昇温速度2℃/分で0~150℃でのサンプルの変位量から線膨張率を求めた。
スプリットシリンダ式誘電率・誘電正接測定装置(EM lab社製)を用いて、25℃、10GHzの誘電率及び誘電正接を測定した。
作製したフッ素樹脂シートの水の静的接触角は、水の静的接触角は接触角計(協和界面科学社製、「DropMaster」)を用いて、23℃、液滴量:2μL、着滴1秒後の対水接触角を測定した。
表面処理後のフッ素樹脂シートの上下に、銅箔(福田金属箔粉製 CF-T9DA-SV-18、Rz=0.85μm、Rq=0.05μm)の処理面がフッ素樹脂シートと密着するように重ね、真空ヒートプレス(360℃・2.5MPa・300s)で加圧加熱してサンプルを作製した。
得られたサンプルを10mm幅の短冊状にカットし、テンシロン万能試験機(株式会社島津製作所製)を用いて、短冊状サンプルの接着されていない部分をテンシロンの上下のチャックで掴みながら、毎分50mmの速度で引張ることで引きはがし強さを測定し、得られた値をピール強度とした。
(ペースト押出成形)
PTFE粉末(平均粒径:500μm、見掛密度:460g/L、標準比重:2.17)と、表1に示すシリカ粒子とを、表1に示す質量比となるように計量し、ドライアイス存在下、ミキサーで混合した。混合中の温度は-10℃以下であった。
得られた混合粉末にオイル(アイソパーH)を18~23%添加し、混合し、5時間程度熟成させた。
熟成させた組成物を、圧力3MPa条件で予備成形し、予備成形した成形体を40℃、50mm/minの条件で押出し、押出サンプルを得た。
押出サンプルを二本ロールで圧延し、膜厚125μmのサンプルを得、200℃の乾燥ロールを通し、乾燥させた。
さらに二本ロールのギャップ、圧力を調節し、膜厚30μmのサンプルを作製可能であることを確認した。
(粉体圧延成形)
PTFE粉末(平均粒径:500μm、見掛密度:460g/L、標準比重:2.17)と、表1に示すシリカ粒子とを、表1に示す質量比となるように計量し、ワンダークラッシャーで室温中、メモリ6で30秒×2回攪拌した。
得られた混合物を二本ロールで圧延し(ロール間隙:100μmに設定、ロール温度:100℃)、膜厚130μmのサンプルを得た。
(フッ素樹脂シート表面処理)
上電極と下電極が供えられた処理室(ダイレクト型 プラズマ表面処理装置、エア・ウォーター社製)内の上下電極間にフッ素樹脂シートを設置し、処理室内を、下記の混合ガス雰囲気にした後、表2に示す処理時間で、フッ素樹脂シート表面の放電プラズマ処理を行った。
(処理雰囲気)
A:アルゴン、ヘリウム、および酸素の混合ガス
B:アルゴン、ヘリウム、窒素および酸素の混合ガス
表面処理したフッ素樹脂シートについて、XPSにより各元素組成を測定した。
シートAについて、表面処理を行わず、XPSにより各元素組成を測定した。
シートE~Gを用いた他は、実施例5と同様にして、フッ素樹脂シート表面の放電プラズマ処理を行った。
表面処理したフッ素樹脂シートについて、XPSにより各元素組成を測定した。
実施例5で作製したシートの上下に、銅箔(福田金属箔粉製 CF-T9DA-SV-18)の処理面がシートと密着するように重ね、真空ヒートプレスに挿入し、真空下、室温から360℃まで昇温して、360℃下にて3MPaの圧力で加圧して、両面銅張積層板を作製した。作製した両面銅張積層板から、円形誘電体サンプル(両面銅なし)と円形誘電体サンプル(片面円形銅箔パターニング)を作製し、平衡型円板共振器法を用いて、周波数14.5GHzから111.5GHzの範囲の金属層界面導電率(1e7 S/m)を測定した。実施例5から作製した両面銅張積層板の金属層界面導電率の平均は5.66(1e7 S/m)であり、基準銅円板と同等の結果であった。
よって、実施例5で作製したシートを用いた両面銅張積層板は、市販の両面銅張積層板より高金属界面導電率であることが明らかとなった。
実施例5で作製したフッ素樹脂シートの上下に、銅箔(福田金属箔粉製 CF-T9DA-SV-18、Rz=0.85μm)の処理面がフッ素樹脂シートと密着するように重ね、真空ヒートプレスに挿入し、真空下、室温から360℃まで昇温して、360℃下にて3MPaの圧力で加圧して、両面銅張積層板を作製した。
伝送損失の尺度としては、高周波電子回路や高周波電子部品の特性を表すために使用される回路網パラメータの一つである「S21-parameter」を伝送損失値として用いた。この値は、その値が0に近い程、伝送損失が小さいことを意味する。
また、フッ素樹脂とフィラーの複合体シートの両面銅張積層板である市販のRO3003G2(Rogers社製)を用いて、同様に伝送損失測定を行ったところ、伝送損失は周波数50GHzにおいて-3.47dB/100mm,周波数67GHzにおいて-4.53dB/100mmであった。
よって、実施例5で作製したフッ素樹脂シートを用いた両面銅張積層板は、市販の両面銅張積層板より低伝送損失であることが明らかとなった。
Claims (23)
- ポリテトラフルオロエチレンとシリカ粒子とを含むフッ素樹脂シートであって、
その片面又は両面において、X線光電子分光法(XPS)によって測定した際の酸素元素比率が3.0atomic%以上であり、線膨張率(CTE)が100ppm/℃以下であるフッ素樹脂シート。 - 更に、前記同面において、X線光電子分光法(XPS)によって測定した際の窒素元素比率が1.35atomic%以上である請求項1記載のフッ素樹脂シート。
- 更に、前記同面において、X線光電子分光法(XPS)によって測定した際の珪素元素比率が0.5atomic%以上である請求項1又は2記載のフッ素樹脂シート。
- 更に、前記同面において、液滴量:2μL、着滴1秒後に測定した水の静的接触角が105°以下である請求項1又は2記載のフッ素樹脂シート。
- 前記シリカ粒子が球状シリカである請求項1又は2記載のフッ素樹脂シート。
- 前記シリカ粒子として、シランカップリング剤処理されたシリカ粒子を用いる請求項1又は2記載のフッ素樹脂シート。
- 前記シリカ粒子の平均粒径が10μm以下である請求項1又は2記載のフッ素樹脂シート。
- ガラス繊維を含まない請求項1又は2記載のフッ素樹脂シート。
- 前記シリカ粒子は、フッ素樹脂シート全量に対する含有量が30質量%以上である請求項1又は2記載のフッ素樹脂シート。
- 前記シリカ粒子は、フッ素樹脂シート全量に対する含有量が50質量%以上である請求項1又は2記載のシート。
- 前記シリカ粒子は、フッ素樹脂シート全量に対する含有量が50質量%以上65質量%以下である請求項1又は2記載のシート。
- 10GHzでの誘電正接の値が0.0015以下である請求項1又は2記載のフッ素樹脂シート。
- 厚みが5~250μmである請求項1又は2記載のフッ素樹脂シート。
- 請求項1又は2に記載のフッ素樹脂シートの製造方法であって、フッ素樹脂粒子とシリカ粒子とを混合して成膜し、表面処理することを特徴とするフッ素樹脂シートの製造方法。
- 実質的にフッ素樹脂粒子と、少なくともシリカ粒子を含むフィラー粒子とからなる組成物を用いて成膜し、表面処理することを特徴とする請求項14に記載のフッ素樹脂シートの製造方法。
- 銅箔及び請求項1又は2記載のフッ素樹脂シートを必須の層とする銅張積層体。
- 前記銅箔の表面粗さ(Rz)が2.0μm以下である請求項16記載の銅張積層体。
- 前記銅箔の表面粗さ(Rq)が0.01~0.15μmである請求項16記載の銅張積層体。
- 前記銅箔とフッ素樹脂シートとが直接積層されてなり、前記銅箔とフッ素樹脂シートとの界面のピール強度が0.5kN/m以上である請求項16記載の銅張積層体。
- 請求項16に記載の銅張積層体の製造方法であって、請求項1に記載のフッ素樹脂シートと銅箔とを積層し、180~390℃で加熱し、圧力0.5~5MPaで、真空下または不活性ガス雰囲気下でプレス成形することを特徴とする銅張積層体の製造方法。
- 請求項16記載の銅張積層体を有する回路用基板。
- 請求項21に記載の回路用基板から形成されたアンテナ。
- モビリティ向けのミリ波アンテナである請求項22記載のアンテナ。
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