(57)【要約】【課題】誘電率を高めるために導電性フィラー密度を増やした場合においても、厚み方向の電気絶縁性を確保できる誘電体材料を提供する。また、高容量密度、低損失のコンデンサを内蔵したプリント配線板を提供する。【解決手段】絶縁樹脂２に板形状の導電性フィラー１を含有させた平板状の誘電体材料３の両面に、電極４、５を配設してコンデンサとして機能させる。導電性フィラー１は、板形状の導電性フィラー１の板面と、平板状の誘電体材料３の板面とがほぼ平行となるように配向させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁層に導電性フィラーを含有した平板状の誘電体材料において、上記導電性フィラーが板形状であり、上記板形状の導電性フィラーの板面と、上記平板状の誘電体材料の板面とがほぼ平行となるように配向していることを特徴とする誘電体材料。
【請求項２】
板形状の導電性フィラーは、板面の長軸の長さａと板面の厚さｔとの比ｔ／ａが０．５以下であることを特徴とする請求項１記載の誘電体材料。
【請求項３】
請求項１または２記載の誘電体材料の板面に金属配線回路を配設して構成された配線層をコンデンサ層として機能させることを特徴とするプリント配線板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は絶縁層から構成されている平板状の誘電体材料、及びこれを用いたプリント配線板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、絶縁層に金属配線回路を配設した配線層を積層して成る多層プリント配線板では、少なくとも一つの絶縁層をコンデンサ層として機能させる誘電層として利用することによりコンデンサ機能を内蔵させている。またその際、上記コンデンサ層には、絶縁層中に、粉末状粒子よりなる金属フィラーを含有させることにより、高誘電率化を実現している（例えば、特許文献１参照。）。
コンデンサ層をこのような高誘電率絶縁層で構成することにより、コンデンサの容量密度が向上し、限られた基板面積内に高容量のコンデンサを多数内蔵することが出来る。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１９０２４１号公報（第３−５頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のコンデンサ内蔵の多層プリント配線板にあっては、コンデンサ層の単位体積あたりの金属フィラー量、すなわち導電性フィラー密度を増やすと、コンデンサ層の誘電率が高くなることは一般的に知られている。しかし、導電性フィラー密度が増えると、導電性フィラー同士の間隔が狭くなり、コンデンサとして使用した時に電界が集中してコンデンサの誘電損失が大きくなったり、さらに導電性フィラー密度が増えすぎると、導電性フィラー同士が相互に接触しやすくなり、コンデンサ層の厚み方向の抵抗値が低くなったり、極端な場合には電気絶縁破壊を起こすといった問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、誘電率を高めるために導電性フィラー密度を増やした場合においても、厚み方向の電気絶縁性を確保できる誘電体材料を提供することを目的とする。また、高容量密度、低損失のコンデンサを内蔵したプリント配線板を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘電体材料は、絶縁層に導電性フィラーを含有した平板状の誘電体材料であって、上記導電性フィラーが板形状であり、板形状の導電性フィラーの板面と平板状の誘電体材料の板面とがほぼ平行となるように配向しているものである。
【０００７】
また、本発明のプリント配線板は、上記誘電体材料の板面に金属配線回路を配設して構成された配線層をコンデンサ層として機能させるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態１による誘電体材料をコンデンサの誘電層として用いた場合の構造及びその動作を示す図である。
図１において、誘電体材料３は、板形状の導電性フィラー１を含有した絶縁樹脂２で構成されており、平板状に構成されている。また、上記導電性フィラー２は、板形状の導電性フィラー１の板面と、平板状の誘電体材料３の板面とがほぼ平行となるように配向している。また、導電性フィラー１の長軸方向は一方向に揃って配向している。このような構成の誘電体材料３の両面に、電極４、５を配設してコンデンサとして機能させる。
【０００９】
上記構成のコンデンサにおいて、電極４と電極５とを結ぶ最も電気抵抗が低い経路は、例えば図１の点線６に示す経路となる。比較のために、従来の誘電体材料を用いて同様のコンデンサ層を形成した場合を図２に示す。図２で示す誘電体材料３０は、導電性フィラーとして球状の導電性フィラー１０を絶縁樹脂２に多量に含有させたものである。このとき電極４と電極５とを結ぶ最も電気抵抗が低い経路は、例えば図２の点線６０に示す経路となる。なお、図１、図２において、絶縁樹脂２に対する導電性フィラー１、１０の含有体積は同じとする。図１に示した経路６と、図２に示した経路６０とを比較すると、図２の場合、導電性フィラー１０は球状であるため、導電性フィラー密度を増加させると、導電性フィラー同士の間隔が狭くなり、その結果、コンデンサ電極４、５間を結ぶ最も電気抵抗が低い経路６０の内、絶縁樹脂２を通過する長さが短くなり、誘電損失を増大させたり、コンデンサ層の絶縁抵抗の低下を招く。これに対して、図１の場合は、導電性フィラー１を絶縁樹脂２に多量に含有させても、導電性フィラー１の板面が平板状の誘電体材料３の板面とほぼ平行となるように配向しているため、板面に垂直な方向（厚み方向）における導電性フィラー間の距離は、図２の場合と比較して長くでき、コンデンサ層の厚み方向の絶縁性を保つことができる。その結果、導電性フィラーの含有量を増やして誘電率を上げてもコンデンサ層の絶縁抵抗が十分にあるコンデンサ層が得られ、容量密度が高く、かつ誘電損失の小さいコンデンサを得ることができる。
【００１０】
板形状の導電性フィラー１を絶縁樹脂２中で所定方向に配向させるには、絶縁樹脂中に板形状の導電性フィラーを含有させた誘電体材料を用いて平板状のコンデンサ層を形成する際に、平板状コンデンサ層の板面の方向に上記誘電体材料を流動させればよい。このようにすれば、絶縁樹脂中に含有させた導電性フィラーの長軸方向が流動方向に揃って配向すると共に、導電性フィラーの板面がコンデンサ層の板面に沿って配向する。具体的には、板形状の導電性フィラーを含有させた絶縁樹脂を２軸延伸、または１軸延伸することにより、上記導電性フィラーをコンデンサ層の板面方向に配向させることができる。
【００１１】
また、コンデンサ電極を含む基材に、上記誘電体材料もしくは溶媒で液状化した上記誘電体材料をスピンコートしたり、ディップコートすることによっても、同様に導電性フィラーの板面をコンデンサ層の板面に沿って配向させることができる。
【００１２】
さらに、上記誘電体材料を押し出し成型させたり射出成型させてコンデンサ層を形成しても、同様に配向させることが可能である。また、スクリーン印刷法等によりコンデンサ電極上にコンデンサ層を形成しても、同様に配向させることが可能である。
また、板形状の導電性フィラーの板面をコンデンサ層の板面に対して平行に配向させる方法がその他の方法により達成できるなら、特に指定はしない。
【００１３】
また、さらなる高誘電率化のため、上記導電性フィラーに加え、誘電率の高いフィラーを絶縁樹脂中に含有させても構わない。
【００１４】
また、本実施の形態に係わる導電性フィラーの板面の形状は、絶縁樹脂中で配向すれば、円形でも構わず、さらに面内に長軸と短軸を有するような形状、すなわち、だ円形、多角形でも構わない。また、厚さは少なくとも板面の短軸よりも短ければよい。ただし、長軸に対して垂直な面の断面積が小さく、板に平行な面の断面積が大きい方が配向し易く、より大量の導電性フィラーをコンデンサ層に含有させてもコンデンサ電極間の絶縁性が保たれるため望ましいが、長軸に対して垂直な面の断面積を小さくするために厚みを薄くしすぎると、コンデンサ層を形成する場合に導電性フィラーが変形し、板形状が損なわれ、その結果コンデンサ層を短絡させる可能性が高くなるため、コンデンサ層の形成時に導電性フィラーが変形しない程度に長軸に対して垂直な面の断面積は大きい必要がある。
また、コンデンサの電極間が一つの導電性フィラーで短絡しないよう、板形状の導電性フィラーはコンデンサ層を形成する時に変形することのないだけの剛性が必要である。さらに、板形状の導電性フィラーの板面の短軸の長さ及び板形状の導電性フィラーの厚さは、コンデンサ層の厚みよりも短い必要がある。また、板形状の導電性フィラーの板面の長軸方向の長さは、コンデンサ層に隣接する配線間を短絡させないように、配線間より短いことが必要である。
【００１５】
このように、本実施の形態の誘電体材料は、絶縁層に板形状の導電性フィラーを含有させて平板状の誘電体材料を構成しており、上記板形状の導電性フィラーを、上記導電性フィラーの板面と平板状の誘電体材料の板面とがほぼ平行となるように配向させることにより、導電性フィラー密度を増加させて誘電率を増加させても、平板状の誘電体材料の厚み方向の電気絶縁性を確保することができる。
また、導電性フィラーの板面と平板状の誘電体材料の板面とがほぼ平行となるように配向させると共に、導電性フィラーの長軸方向も同一方向の揃えて配向させることにより、導電性フィラー密度をさらに増加させて誘電率を増加させても、平板状の誘電体材料の厚み方向の電気絶縁性を確保することができる。
【００１６】
また、プリント配線板の絶縁層を上記のような誘電体材料で構成し、この絶縁層をコンデンサ層として利用することにより、高容量密度、低損失のコンデンサを内蔵したプリント配線板が得られる。また、より小さい面積で所望の容量のコンデンサを得ることができる。
【００１７】
また、本実施の形態の誘電体材料を用いたプリント配線板は、使用時や保管している間に当該プリント配線板が水分を含んでしまっても、導電性フィラー間が従来のものより離れているので、通電時にマイグレーションが起こり難く、コンデンサ層間の短絡を防止することが可能となる。
【００１８】
実施の形態２．
実施の形態１による誘電体材料をコンデンサ層として利用し、プリント配線板を構成した場合においても、板形状の導電性フィラーの含有量がさらに増えると、コンデンサ電極間の絶縁性が損なわれ、誘電損失がある含有量を境に急激に増加する。これは、コンデンサ電極間が導電性フィラーにより短絡するためである。そこで、本実施の形態では板形状の導電性フィラーを多量に含有させ、誘電率をさらに大きくした場合における上記導電性フィラーの各寸法と上記導電性フィラーを用いて構成したコンデンサの誘電率及び誘電損失との関係を調べた。その結果、導電性フィラーの板面の長軸の長さａと厚さｔとの比ｔ／ａが０．５以下の導電性フィラーを用いることにより、誘電率を高めるために含有量を多くしても、コンデンサの電極間の絶縁性が損なわれにくくなり、高誘電率でかつ誘電損失の小さいコンデンサ層を得ることができることが判明した。
【００１９】
【実施例】
実施例１〜７．
ポリエチレン樹脂と所定量の板形状の導電性フィラーとを真空中で加熱混練し、その後平板に成型した。その後、２軸延伸を行い、厚さ約０．１ｍｍのコンデンサ層を形成した。板形状の導電性フィラーの材料は銀で、平面の長軸方向の長さの平均値は１５μｍ、短軸方向の長さの平均値は５μｍ、厚さの平均値は３．５μｍであった。
２軸延伸でコンデンサ層を形成する場合、絶縁樹脂としては、２軸延伸が可能な材料であれば良く、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリビニルアルコール、塩化ビニルフィルム等が可能であり、耐熱性、延伸性を得るために他の材料を混合しても良い。
また、板形状の導電性フィラーの材料は銀以外に、導電性をもつものであればよく、劈開性のあるグラファイトや銅、金、アルミニウムなどが挙げられる。
【００２０】
延伸条件は、コンデンサ層を構成する絶縁樹脂や板形状の導電性フィラーの大きさや種類、含有量によるが、延伸後に、図１のように板形状の導電性フィラーがコンデンサ層の板面に平行に配向することが肝要である。
【００２１】
さらに、厚さ１８μｍの銅箔で当該コンデンサ層を挟みこみ、熱圧着し、銅箔を写真製版によりパターニングすることにより、コンデンサ層を介して対向する円形のコンデンサ電極が付属したプリント配線板を得た。コンデンサ層を介して対向するコンデンサ電極面積は３．１４ｃｍ２とした。
【００２２】
コンデンサの１００Ｖの直流抵抗値、および１ｋＨｚにおけるコンデンサの容量、誘電損失を、ＬＣＲメーター（アドバンテスト製）で測定し、コンデンサ層の比誘電率を式１から求めた。その結果を表１に示す。
また、比較例として、導電性フィラーを含有しないもの、および板形状の導電性フィラーの代わりに、直径１２μｍの球状の銀フィラーを用いた場合の結果も表１にあわせて示す。
【００２３】
【数１】
2004247382.tif 000003
【００２４】
【表１】
2004247382.tif 000004
【００２５】
比較例１と比較して、実施例１〜７および比較例２〜４のように、導電性フィラーを含有したコンデンサ層を用いた場合には誘電率が向上する。しかし、比較例２と実施例６とを比較すると、同じ導電性フィラーの含有量で同等の誘電率であるが、実施例６に比べ比較例２では誘電損失が大きい。これはコンデンサ層中での導電性フィラー同士の平均最短距離が、実施例６と比較して比較例２では短く、コンデンサ層の直流抵抗値が低くなったためと考えられる。さらに、実施例７と比較例３とを比較すると、同じ導電性フィラーの含有量で同等の誘電率であるが、さらに誘電損失の顕著な差が出ており、実施例７ではコンデンサ電極間の絶縁性は十分保たれており、誘電損失も小さいが、比較例３では極端に直流抵抗値低く、コンデンサ電極間の絶縁性が保持できず、コンデンサとして十分な機能が発揮できなくなっている。また、実施例７と比較して比較例４では、コンデンサの直流抵抗値が低く、誘電損失が非常に大きくなっている。これは板形状の導電性フィラーを用いても、コンデンサ電極間が短絡してしまうことを示している。
【００２６】
これらの結果より、板形状の導電性フィラーを用いることにより、より多量の導電性フィラーを樹脂中に含有させてもコンデンサ電極間の電気絶縁性が保たれ、その結果、より大きな誘電率をもち、かつ誘電損失が小さいコンデンサをプリント配線板に形成することができる。また、このコンデンサ層を第一のコンデンサ層が表面に露出した基材上に形成することにより多層プリント配線板に適用することができる。
【００２７】
実施例８〜１５．
硬化剤と硬化触媒とビスフェノールＡ型エポキシと所定量の板形状の導電性フィラーとエチレングリコールモノメチルエーテルおよびメチルエチルケトンの混合溶媒とを混ぜて、厚さ１８μｍの銅箔上にコンデンサ層をスピンコートにより形成した。その後、乾燥炉で溶媒を蒸発させ、薄いコンデンサ層を形成した。このコンデンサ層の上にさらにコンデンサ層を同様の方法で積み重ねることにより、厚さ約０．１ｍｍのコンデンサ層を得た。さらにコンデンサ層を銅箔で挟み込むように、厚さ１８μｍの銅箔を積層し、１８０℃でコンデンサ層を硬化させた。その後、銅箔を写真製版によりパターニングすることによりコンデンサ層を介して対向する円形のコンデンサ電極が付属したプリント配線板を得た。コンデンサ層を介して対向するコンデンサ電極面積は３．１４ｃｍ２とした。
【００２８】
コンデンサ層を構成する絶縁樹脂は、液状か、溶媒と混合することにより液状となれば、一般的なプリント配線板の基材に用いられる材料で問題なく、エポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。
板形状の導電性フィラーは前述の実施例１〜７と同じであり、コンデンサ層の比誘電率、誘電損失、直流抵抗値は実施例１〜７と同様にして求めた。その結果を表２に示す。
また、比較例として、導電性フィラーを含有しないもの、および板形状の導電性フィラーの代わりに、直径１２μｍの球状の銀フィラーを用いた場合の結果も表２にあわせて示す。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
スピンコートにより板状のコンデンサ層を形成した場合においても、板形状の導電性フィラーの板面はコンデンサ層の板面と平行に配向する。比較例５と比較して、実施例８〜１５および比較例６〜８のように、導電性フィラーを含有したコンデンサ層を用いた場合には誘電率が向上する。しかし、比較例６と実施例１２とを比較すると、同じ導電性フィラーの含有量で同等の誘電率であるが、実施例１２と比べ比較例６では誘電損失が大きい。これは、コンデンサ層中での導電性フィラー同士の平均最短距離が、実施例１２と比較して比較例６では短く、コンデンサ層の直流抵抗値が低くなったためと考えられる。さらに、実施例１５と比較例７とを比較すると、同じ導電性フィラーの含有量で同等の誘電率であるが、さらに誘電損失の顕著な差が出ており、実施例１５ではコンデンサ電極間の絶縁性は十分保たれており、誘電損失も小さいが、比較例７では極端に直流抵抗値低く、コンデンサ電極間の絶縁性が保持できず、コンデンサとして十分な機能が発揮できなくなっている。また実施例１５をみると、実施例１４よりも導電性フィラーの含有量をさらに増やすことにより、コンデンサ層の絶縁性を保ちつつ、さらに誘電率が向上することがわかる。しかし、実施例１５と比較して比較例８では、コンデンサの直流抵抗値が低く、誘電損失が非常に大きくなっている。これは板形状の導電性フィラーを用いても、樹脂に対する含有量が所定の含有量を越えるとコンデンサ電極間が短絡してしまうことを示している。
【００３１】
これらの結果より、板形状の導電性フィラーを用いることにより、より多量の導電性フィラーを樹脂中に含有させてもコンデンサ電極間の電気絶縁性が保たれ、その結果、より大きな誘電率をもち、かつ誘電損失が小さいコンデンサをプリント配線板に形成することができる。また、このコンデンサ層を第一のコンデンサ層が表面に露出した基材上に形成することにより多層プリント配線板に適用することができる。
【００３２】
実施例１６〜２１．
板形状の導電性フィラーを多量に含有させ、誘電率をさらに大きくした場合の、導電性フィラーの各寸法とコンデンサ層の比誘電率、誘電損失、直流抵抗値との関係を調べた。種々の大きさの板形状の導電性フィラーを使用し、各々、導電性フィラーのコンデンサ層に対する体積分率を１２．５％とした以外は、上記実施例８〜１５と同様にコンデンサが付属したプリント配線板を得た。
コンデンサ層の比誘電率、誘電損失、直流抵抗値は実施例１〜７と同様にして求めた。その結果を表３に示す。なお、板形状の導電性フィラーの大きさは、導電性フィラーの板面の厚さをｔ、板面の長軸方向の長さをａ、板面の短軸方向のの長さをｂで定義した。
【００３３】
【表３】
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【００３４】
球状の導電性フィラーのように、重心を含む平面で切り取った断面積が常に一定の場合、導電性フィラーは回転せず樹脂と共に導電性フィラーが流動するのみである。しかし、本発明で用いる板形状の導電性フィラーのように、重心を含む平面で切り取った断面積が不均一の場合、導電性フィラーは、その断面積が最小となる面と樹脂の流れ方向に垂直な面とが一致するように回転し、板形状の導電性フィラーの板面の長軸方向が樹脂の流れ方向と一致するように配向する。また樹脂の流れる面に沿って配向する。その結果、平板状のコンデンサ層における厚み方向の電気抵抗が向上する。このことから、板形状の導電性フィラーの板面の長軸長さ、短軸長さ、厚みの比により、配向のしやすさが異なると考えられる。短軸長さが厚みよりも長い板形状であれば、導電性フィラーの重心を含む平面で切り取った断面積が最大となる面は、コンデンサ層の板面と平行な面であり、最小となる面はコンデンサ層の板面に対して垂直な断面である。ところで、上記板面と平行な断面と、上記板面に対して垂直な断面のおおよその面積比は、（ｂ×ｔ）／（ａ×ｂ）＝（ｔ／ａ）で表すことができる。ここでｃは定数であり、ｔ／ａで前述面積比は比較できる。
【００３５】
表３によれば、ｔ／ａが０．５以下の実施例１６〜２１の場合は、コンデンサ電極間の抵抗値は大きくなり、誘電損失は小さいコンデンサとなったが、ｔ／ａが０．５を超えた比較例９、１０の場合、抵抗値は小さくなり、誘電損失は大きくなった。比較例９、１０の場合、板形状の導電性フィラーはあまり配向せず、球状の導電性フィラーと同様の結果になったと考えられる。
また、比較例１１のように板形状の導電性フィラーが大きく、長軸の長さａがコンデンサ層の厚さ（ここでは０．１ｍｍ）の半分以上、短軸の長さｂがコンデンサ層の厚さ（ここでは０．１ｍｍ）の１／５以上の場合、抵抗値は極端に小さくなり、誘電損失は大きすぎて測定不能となった。この比較例１１の場合、コンデンサ電極間で短絡したと考えられ、その理由は明らかではないが、導電性フィラーのサイズが大きすぎるとコンデンサ電極間が短絡しやすいと予想される。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の誘電体材料は、絶縁層に導電性フィラーを含有した平板状の誘電体材料であって、上記導電性フィラーが板形状であり、板形状の導電性フィラーの板面と平板状の誘電体材料の板面とがほぼ平行となるように配向しているので、誘電率を高めるために導電性フィラー密度を増やした場合においても、厚み方向の電気絶縁性を確保できる。
【００３７】
また、本発明のプリント配線板は、上記誘電体材料の板面に金属配線回路を配設して構成された配線層をコンデンサ層として機能させるので、高容量密度、低損失のコンデンサを内蔵したプリント配線板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による誘電体材料をコンデンサの誘電層として用いた場合の構造及びその動作を示す図である。
【図２】従来の誘電体材料をコンデンサの誘電層として用いた場合の構造及びその動作を示す図である。
【符号の説明】
１  板形状の導電性フィラー、２  絶縁樹脂、３，３０  誘電体材料、４，５電極、１０  球状の導電性フィラー。
【図１】
2004247382.tif 000007
【図２】
2004247382.tif 000008