(57)【要約】【課題】炭素素材の本来の特性を十分に奏することができる炭素素材と樹脂とからなる複合材料およびその好適な製造方法を提供する。【解決手段】グラファイトあるいはグラファイト構造を備える炭素素材と樹脂とからなる複合材料であって、前記炭素素材の表面が改質され、前記樹脂と炭素素材とが化学的もしくは物理的に結合されていることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラファイトあるいはグラファイト構造を備える炭素素材と樹脂とからなる複合材料であって、
前記炭素素材の表面が改質され、前記樹脂と炭素素材とが化学的もしくは物理的に結合されていることを特徴とする炭素素材と樹脂とからなる複合材料。
【請求項２】
前記炭素素材の表面の炭素原子と、前記樹脂の分子とが化学的に結合されていることを特徴とする請求項１記載の炭素素材と樹脂とからなる複合材料。
【請求項３】
前記炭素素材と前記樹脂とが、前記炭素素材の表面の炭素原子と化学的に結合した有機材料もしくは無機材料を介して、結合していることを特徴とする請求項１記載の炭素素材と樹脂とからなる複合材料。
【請求項４】
前記炭素素材がカーボンファイバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の炭素素材と樹脂とからなる複合材料。
【請求項５】
グラファイトあるいはグラファイト構造を備える炭素素材の表面に、樹脂と化学的に結合する活性基あるいは樹脂と物理的に結合する部位を形成する改質処理を施す工程と、
前記改質処理が施された炭素素材に樹脂を接触させて、炭素素材と樹脂との複合材料を形成する工程とを備えていることを特徴とする炭素素材と樹脂との複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記改質処理として、強アルカリ処理を施すことを特徴とする請求項５記載の炭素素材と樹脂との複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記改質処理として、プラズマ処理を施すことを特徴とする請求項５記載の炭素素材と樹脂との複合材料の製造方法。
【請求項８】
前記炭素素材としてカーボンファイバを使用することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項記載の炭素素材と樹脂との複合材料の製造方法。
【請求項９】
グラファイトあるいはグラファイト構造を備える炭素素材と樹脂とからなり、前記炭素素材の表面が改質され、前記樹脂と炭素素材とが化学的もしくは物理的に結合されて形成された炭素素材と樹脂とからなる複合材料を用いた電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線基板のコア部を構成するプリプレグ等として利用される炭素素材と樹脂とからなる複合材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を搭載する配線基板には、コア基板のコア部にカーボンファイバを含有する製品がある。コア部にカーボンファイバを含有するコア基板を使用した配線基板は、従来のガラスエポキシからなるコア基板を使用した配線基板と比較して低熱膨張率であり、半導体素子と熱膨張係数をマッチングさせることができ、半導体素子と配線基板との間で生じる熱応力を抑制することができ、信頼性の高い配線基板として提供される。
【０００３】
コア基板のカーボンファイバを含有するコア部は、カーボンファイバに樹脂を含浸させて形成したプリプレグを複数枚重ね合わせ、加熱および加圧して一体化することによって形成される。コア基板はこのコア部の両面に配線層を積層することによって形成され、コア基板の両面に、ビルドアップ法等により配線層を形成して配線基板とすることができる。
【特許文献１】特開２００３−２７３４８２号公報
【特許文献２】特開平１１−２６９３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したカーボンファイバを含有するコア部は、ガラスエポキシ基板等と比べて低熱膨張率にできる他に、高熱伝導率および高強度を備えるという特性を有する。この高熱伝導率および高強度という特性は配線基板を構成するコア基板の特性として有用である。
なお、低熱膨張率および高強度を有する有機材料には、たとえばアラミド繊維がある。しかしながら、アラミド繊維は弾性率が低いためにコア部に使用すると樹脂基材の熱膨張力に支配されてしまい、低熱膨張率であるという特性を発揮することができない。これに対して、カーボンファイバは高弾性率であることから、低熱膨張率であるという本来の特性を発揮することができ、強度および熱伝導性についても本来の特性を発揮することができるという特徴がある。
【０００５】
しかしながら、カーボンファイバを含有したプリブレグからコア部を構成するよう場合のように、樹脂基材とカーボンファイバとから構成される樹脂材料において、カーボンファイバの本来の特性が十分に発揮されるようにするためには、カーボンファイバと樹脂基材との密着性が問題となる。
本発明は、コア部にカーボンファイバを含有する配線基板を形成する場合のように、カーボンファイバ等の炭素素材の本来の特性を発揮させることができる炭素素材と樹脂とからなる複合材料およびその好適な製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため次の構成を備える。
すなわち、グラファイトあるいはグラファイト構造を備える炭素素材と樹脂とからなる複合材料であって、前記炭素素材の表面が改質され、前記樹脂と炭素素材とが化学的もしくは物理的に結合されていることを特徴とする。
なお、改質処理とは、炭素素材と樹脂との化学的な結合性を向上させるために、たとえば炭素素材に強アルカリ処理を施して炭素素材の表面に活性基を形成する方法、あるいは炭素素材にプラズマ処理やイオンビーム処理を施し、炭素素材の表面に凹凸を形成し、アンカー作用を利用して炭素素材と樹脂との結合性を向上させる方法をいう。
【０００７】
前記炭素素材と樹脂とが化学的に結合されている態様としては、前記炭素素材の表面の炭素原子と、前記樹脂の分子とが化学的に結合されているもの、あるいは、前記炭素素材と前記樹脂とが、前記炭素素材の表面の炭素原子と化学的に結合した有機材料もしくは無機材料を介して結合しているものが有効に用いられる。
また、炭素素材としてカーボンファイバを用いた炭素素材と樹脂との複合材料は、低熱膨張率および高強度を有する点でとくに有用である。
【０００８】
また、炭素素材と樹脂との複合材料の製造方法として、グラファイトあるいはグラファイト構造を備える炭素素材の表面に、樹脂と化学的に結合する活性基あるいは樹脂と物理的に結合する部位を形成する改質処理を施す工程と、前記改質処理が施された炭素素材に樹脂を接触させて、炭素素材と樹脂との複合材料を形成する工程とを備えていることを特徴とする。
前記改質処理としては、炭素素材に強アルカリ処理を施す方法、炭素素材にプラズマ処理を施す方法が有効に利用できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る炭素素材と樹脂とからなる複合材料は、炭素素材に改質処理を施すことによって炭素素材と樹脂との結合性が向上し、炭素素材と樹脂との界面における滑りを抑えることによって、炭素素材本来の特性を十分に備えた複合材料として提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、カーボンファイバに樹脂を含浸させて形成したプリプレグの断面構造を示す電子顕微鏡写真である。図１において、左右に延びる繊維部分はカーボンファイバの長手方向に平行な断面を示し、小さな点が集合している部分はカーボンファイバの長手方向に垂直な断面を示す。カーボンファイバの中間に黒くあらわれている部分は樹脂部分である。なお、図の繊維部分は、カーボンファイバを多数本まとめて束状に形成されている。カーボンファイバから織布を形成する場合は、カーボンファイバを多数本まとめたカーボンファイバ束を使用する方法が一般的である。
図１に示すプリプレグは、カーボンファイバ束から織布を形成し、織布に樹脂を含浸させて形成したもので、隣り合ったカーボンファイバ束の中間に樹脂が充填されている。
【００１１】
図２は、カーボンファイバからなる１本の繊維（カーボンファイバ束）を拡大した電子顕微鏡写真である。樹脂繊維を3000℃程度の高温で焼成してグラファイト化したカーボンファイバは、繊維の外表面に浅い溝が形成される程度で、繊維の外表面はきわめて滑らかである。したがって、カーボンファイバからなる織布に樹脂を含浸させてプリプレグを作成した場合、カーボンファイバと樹脂とは一見して密着していても、カーボンファイバと樹脂との機械的な結合は弱く、実際にはほとんど密着していない状態になる。また、グラファイト化したカーボンファイバは化学的に安定であり、樹脂と化学的に結合することもない。
このため、たとえばカーボンファイバに樹脂を含浸させて形成したプリプレグを複数枚、加熱および加圧して一体に形成したコア部は、カーボンファイバと樹脂との間のすべりによって、カーボンファイバが本来備えている低熱膨張率、高強度といった優れた特性を発揮できない。
【００１２】
本発明の炭素素材と樹脂からなる複合材料の製造方法は、炭素素材に改質処理を施して炭素素材と樹脂との化学的な結合あるいは物理的な結合を向上させることによって、複合材料の特性として炭素素材の特性が反映されるようにするものである。
たとえば、炭素素材としてのグラファイト化したカーボンファイバについてみれば、カーボンファイバに改質処理を施し、カーボンファイバと樹脂とを化学的に結合しやすくさせ、あるいはカーボンファイバと樹脂との物理的（機械的）な結合力が向上するようにすることである。
【００１３】
図３は、グラファイト化したカーボンファイバと樹脂Ｒとが化学的に結合する状態を示している。このように、グラファイト化したカーボンファイバであっても、カーボンファイバと樹脂とを化学的に結合させることができれば、カーボンファイバと樹脂との界面における滑りが抑制され、カーボンファイバ自体が備える低熱膨張率、高強度といった特性を反映したカーボンファイバと樹脂との複合材料を得ることが可能である。
【００１４】
そして、これらの複合材料を、たとえば配線基板を構成するコア材として使用することによって、配線基板を低熱膨張率として配線基板に搭載する半導体素子との熱膨張係数をマッチングさせることができ、また配線基板を高強度とすることによって、配線基板の反り等の変形を防止し、配線基板、半導体パッケージ、半導体装置等の信頼性を向上させることができる。
【００１５】
以下では、炭素素材の例として、グラファイト化されたカーボンファイバに改質処理を施す具体的な処理例を示す。
（強アルカリ処理）
強アルカリ処理とは、グラファイト化したカーボンファイバに強アルカリを作用させ、カーボンファイバの表面に活性基として水酸基を導入する処理である。
例として、１〜３モル濃度（mol/m3）の水酸化ナトリウム、水酸化カリウム炭酸アンモニウムあるいは炭酸水素アンモニウム水溶液などの無機アルカリを電解液として使用し、カーボンファイバまたはカーボンファイバを束を陽極として浸し、２ボルト程度の電圧を印加しながら１０分間処理することによって、グラファイト化したカーボンファイバの表面に部分的に水酸基を導入することができる。
【００１６】
また、別の方法として、１〜３モル濃度（mol/m3）の硫酸または硝酸の水溶液を電解液として使用し、カーボンファイバまたはカーボンファイバを束状にしたカーボンファイバ束を陽極として浸し、２ボルト程度の電圧を印加しながら１０分間処理することによって、グラファイト化したカーボンファイバの表面に部分的に水酸基を導入することができる。
これらの、表面に水酸基が導入されたカーボンファイバに樹脂を接触させると、樹脂と水酸基とが化学的に結合し、カーボンファイバと樹脂との密着性、結合性を向上させることができる。
【００１７】
（プラズマ処理）
グラファイト化したカーボンファイバあるいはカーボンファイバ束をチェンバー内にセットし、減圧下でプラズマ放電する方法、チェンバー内にアルコール類あるいはアルデヒド類を導入してプラズマ放電する方法、チェンバー内を二酸化炭素雰囲気としてプラズマ放電する方法によるものである。プラズマ放電は室温から200℃程度の温度範囲で行う。
このプラズマ処理によって、カーボンファイバの表面に部分的に活性基としてケトン基、エーテル基、水酸基を導入することができる。
したがって、カーボンファイバにプラズマ処理を施すことによってカーボンファイバと樹脂とを化学的に結合することができ、カーボンファイバと樹脂との密着性、結合力を向上させることができる。
【００１８】
（イオンビーム処理）
イオン加速機（200keV、10μA）を用いて、減圧下で、室温にて、窒素、酸素等の原子を、フルエンス率1014／cm2〜1018／cm2として、グラファイト化したカーボンファイバあるいはカーボンファイバ束に照射することによって、カーボンファイバの表面を改質する。
イオン照射後、カーボンファイバの表面は、元の炭素原子のみからなるグラファイト構造から、部分的に、エーテル基C-O-C、カルボニル基C=O、酸素ラジカルが結合した炭素C-O・、アミノ基などが部分的に形成される。酸素ラジカルが結合した炭素C-O・は、大気中に取り出したときに水酸基C-OHとなり、カルボニル基と同様、基材樹脂の前駆体と反応して化学的な結合を作り、樹脂基材と反応性の高い構造が形成される。改質したカーボンファイバは、樹脂を含浸させ、プリント基板を形成する際の、加熱積層時に樹脂基材前駆体と反応して化学的に結合することで高い密着力を得ることができる。
【００１９】
（強アルカリを用いたインターカレーション）
グラファイト層間に、高温、高圧（例として300℃、10気圧）でリチウムイオン、カリウムイオンを侵入させ、常圧で加熱し、部分的に層剥離させることにより樹脂との物理的密着性を改善する。また、強アルカリイオンを含浸したのちの洗浄プロセスで一部、水酸基C-OHが形成され、これは、プリント基板を形成する際の、加熱積層時に樹脂基材前駆体と反応して化学的に結合することで高い密着力を得る。
【００２０】
（密着力試験）
上述した強アルカリ処理、プラズマ処理、イオンビーム処理、インターカレーション処理（混酸処理）を施したカーボン繊維を用いて織布（カーボン繊維織布）を作製し、カーボン繊維織布に樹脂基材の前駆体を含浸させてカーボン繊維プリプレグを作製した。このカーボン繊維プリプレグをプレス条件１MPa・200℃・120分により積層し、厚さ１ｍｍの板状のサンプルを作製した。
密着力試験は、図４に示すように、直径１０ｍｍのアルミニウム製の治具６にサンプル５を挟んで接合し、剥離強度を測定することによって行った。板体状のサンプル５は接着樹脂７を介して治具６に接合した。
【００２１】
図５に密着力試験（引っ張り試験）を行った結果をグラフに示した。グラフ中において、処理なしとは、カーボン繊維に前述した強アルカリ処理やプラズマ処理をまったく施さずに樹脂基材の前駆体を含浸させて形成したサンプルについて試験した結果である。この無処理のサンプルと前記処理を施したサンプルとの密着強度を比較すると、前記処理を施したサンプルについては剥離強度が大きく向上することがわかる。
【００２２】
また、サンプルの剥離状態を観察したところ、無処理のサンプルは破断面がカーボンファイバの表面と樹脂との界面で生じ、処理を施したサンプルについては、樹脂の内部で破断していた。このことは、カーボンファイバに前記処理を施したことによってカーボンファイバと樹脂とが化学結合を形成し、カーボンファイバと樹脂との密着性が向上した結果によるものと考えられる。
この実験結果は、前記処理を施したカーボン繊維を用いて形成した基板は、配線基板に用いる基板として十分な強度を備え、配線基板用として好適に利用できることを示している。
【００２３】
（カーボンファイバ樹脂材料の利用例）
上述した、樹脂との密着性、結合性を向上させる処理を施したカーボンファイバの繊維から織布を形成し、あるいはカーボンファイバの繊維を平行に揃えた状態で、たとえばエポキシ樹脂に含浸させ、乾燥させて半硬化のＢステージ状態としてプリプレグを形成する。このプリプレグを、熱膨張係数あるいは強度等を勘案して所定枚数積層し、加熱および加圧して平板体とすることによって、配線基板のコア部分の構成材として使用することができる。
【００２４】
図６はカーボンファイバの織布に樹脂を含浸させて形成した３枚のプリプレグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃをコア部とする配線基板を形成する例を示す。
図６（ａ）は、プリプレグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃとコア部の表面を被覆するフィラー入りのプリプレグ１２を位置合わせして配置した状態である。この状態で、プリプレグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃとプリプレグ１２とを加圧および加熱することによってカーボンファイバを含むコア部１０が形成される（図６（ｂ））。カーボンファイバにあらかじめ樹脂基材との密着性を向上させる処理を施してプリプレグ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを形成したことによって、コア部１０はカーボンファイバ本来の低熱膨張率、高強度といった特性を発揮するものとなる。
【００２５】
図６（ｃ）は、コア部１０に導通スルーホールを貫通させるための下孔１３を形成し、下孔１３に電気的絶縁性の樹脂１４を充填し、樹脂１４に貫通孔を形成して、貫通孔の内壁面に導体層を形成する工程、貫通孔に樹脂１７を充填し、コア部１０の表面に導体層を形成した後、コア部１０の表面の導体層をパターニングしてコア部１０の表面に配線パターン１８ａを形成してコア基板を形成した状態を示す。貫通孔の内側面に形成された導体層が導通スルーホール１８ｂとなる。
このコア基板の両面に、ビルドアップ法等により配線層を形成することによって配線基板が得られる。
【００２６】
こうして得られた配線基板はカーボンファイバを含有するコア部１０が、カーボンファイバと樹脂基材との密着性が向上したことによって、カーボンファイバ自体の低熱膨張率、高強度という特性を十分に備えたものとなり、配線基板に半導体素子を搭載して得られる半導体装置の信頼性を向上させることができる。また、コア部が高強度に形成されることから、配線基板を薄型化して所要の強度を備えた製品として提供することができる。また、コア部の熱伝導性が良好であることから、熱放散性にすぐれた半導体装置として提供することができる。
【００２７】
なお、本発明に係る炭素素材と樹脂とからなる複合材料は、多層配線基板のコア部に使用できる他、一般的なプリント配線基板、種々の形態の半導体パッケージ、パッケージの封止部材、半導体ウエハの評価用基板、電子機器用放熱基板等の各種電子機器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】カーボンファイバからなる繊維に樹脂を含浸させたプリプレグの断面構造を示す電子顕微鏡写真である。
【図２】カーボンファイバの構成を示す電子顕微鏡写真である。
【図３】カーボンファイバと樹脂とが化学結合する状態を示す説明図である。
【図４】密着力試験に用いる治具の構成を示す説明図である。
【図５】密着力試験の結果を示すグラフである。
【図６】カーボンファイバを含む樹脂材料を配線基板のコア部に使用して配線基板を形成する工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  コア部
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  プリプレグ
１８ａ  配線パターン
１８ｂ  導通スルーホール
【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図５】
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