第５３回 日本化学工業協会 技術特別賞“ 平滑界面への銅配線形成技術 ”● 高周波対応配線形成用新シードフィルム

ＤＩＣ株式会社

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ＪＰＣＡ賞（アワード）受賞
ＪＰＣＡ：社団法人日本電子回路工業会

２０２０年 ６月

＜アブストラクト＞
フィルムの両面に、導電性の新シード層が塗工されたＦＰＣ用フィルムを開発。
この新シード層は、セミアディティブプロセスにおける導電層として使用でき、銅めっきで形成した銅配線を劣化させずに新シード層のみを取り除くことができる。
そのため、銅配線の表面は非常に平滑であり、高周波伝送用の低損失な銅パターン形成用フィルム基材として使用することができる。
本品はＤＩＣ株式会社との共同開発品である。
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内容● 本製品に関わるＤＩＣの基盤技術● 金属ナノ粒子 ＋ 銅めっきプロセス● 平滑界面で密着させる機構● 高周波伝送用・銅配線形成技術● 新シード ・ セミアディティブプロセス● まとめ
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ＤＩＣ
1908

１１３年の歩み
印刷インキ、有機顔料、合成樹脂をベースとした多角化

印刷インキ事業の拡大

オフセットインキ
グラビアインキ
新聞インキ

印刷
インキ

有機顔料

合成樹脂

フレキソインキ
包装用接着剤

M&Aによるグローバル進出と地球環境保護への対応

包装用フィルム
ポリスチレン

インキ用顔料
塗料用顔料
プラスチック用顔料

ネマティック型液晶

アクリル樹脂ウレタン樹脂エポキシ樹脂ポリエステル樹脂
水性樹脂
樹脂着色剤
繊維着色剤

新たな飛躍に向けてジェットインキ
セキュリティインキ

TFT液晶
ヘルスケア食品

フッ素化学品
UV硬化型樹脂
工業用粘着テープ
化粧板・内装建材

カラーフィルタ用顔料
化粧品用顔料・光輝材
天然系色素

PPSコンパウンド
中空糸膜モジュール

2019

包装材料
パッケージング&グラフィック

表示材料
カラー＆ディスプレイ

機能材料
ファンクショナルプロダクツ

1915

1925

19521974

1980

1999

2010

オフセットインキの製造を開始

有機顔料の国内初の自給生産を開始

合成樹脂事業に本格参入

シャープの液晶電卓にDICのネマティック型液晶が採用

PPSコンパウンドの生産を開始

100%植物油インキ(Naturalith)を開発突出した輝度を有するカラーフィルタ用グリーン顔料(G58)を開発

1908

1952

1962

1986

2008

2019

川村インキ製造所として創業

米Reichhold社との合弁出資により日本ライヒホールド化学工業(JRC)を設立

大日本インキ化学工業の発足

Sun Chemical社のグラフィックアーツ部門を買収

創業100周年を機に
DIC株式会社に社名変更

中期経営計画｢DIC111｣スタート

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4有機材料 と 無機材料複合化

50nm

Crystallization
自己組織化高分子

LPEI (-NHCH2CH2-)
In solution state

To SiO2/TiO2=無機材料をlamellaestructure
ナノサイズ化COPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

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金属ナノ粒子の導電性● 金属ナノ粒子
1.0E-0150nm

体積抵抗率 [ohm･cm]

1.0E-02

焼成時間 30 min.
1.0E-03

1.0E-04

5.8E-06

3.2E-06

1.0E-05

1.0E-06
100120COPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

140160
焼成温度 [℃]1802006

金属ナノ粒子 ＋ 銅めっき 密着力● 金属ナノ粒子をシード層に用いた“銅配線”
金属ナノ粒子層 50 – 100 nm
高分子密着層 50 – 200 nm● 金属ナノ粒子 ＋ 銅めっき

高分子設計技術が重要

高分子密着層あり
Cu

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Cu7

● 平滑界面で銅／基材間を密着させる機構

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8銅めっき配線の層構成
Cu

金属ナノ粒子をシード金属層として銅めっきの足場に活用

Ag

３つの界面の制御が重要！
高分子密着層
基材

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9基材／高分子密着層
Cu

界面
高分子密着層の設計と選択● 基材の分析Ag➢ 化学構造・組成➢ 表面組成➢ 溶剤耐性

高分子密着層基材➢ 耐熱温度● 幅広いポリマ製品群からの『知識』 と 『経験』➢ 印刷インキ・塗料➢ 接着剤・粘着剤➢ 電子材料 （リジッド基板・封止剤）➢ 自動車部品 （エンプラ）

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10ＤＩＣの金属ナノ粒子
低分子分散剤

高分子分散剤

脱着

脱着吸着吸着凝集
沈殿

活性表面を露出させるため容易に脱着→

分散安定性に課題

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◼ 多点吸着◼ 立体反発◼ 静電反発分散安定性確保◼ 反応性官能基導入による密着性付与
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ＤＩＣの金属ナノ粒子
50nm

高分子分散剤

反応性官能基

反応性官能基高分子密着層COPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

12高分子密着層／金属ナノ粒子 界面
neckingaggregation

高分子密着層

高分子分散剤の分布を分析
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13高分子分散剤の分布
グロー放電発光分光法（ＧＤ－ＯＥＳ）

シード金属Ag
シード金属

高分子分散剤由来元素

高分子分散剤COPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

ガラス基板

高分子分散剤は、
空気界面と、基材界面に偏析14高分子分散剤と密着層の反応
高分子分散剤

ボトルをひっくり返す

混合at 25℃

反応性官能基

反応性官能基高分子密着層COPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

高分子密着層

高分子分散剤＋
高分子
密着層

高分子密着層基材15

高分子分散剤と密着層の反応

高分子
密着層

高分子分散剤＋
高分子密着層

高分子密着層

基材“高分子分散剤” と “高分子密着層” を混合すると、２５℃でも反応し、３次元の高分子ネットワークを形成
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金属ナノ粒子層／銅めっき 界面
断面SEM観察像
シード金属層 : 2000 nm
高分子密着層Cu

60nm

2000 nm

シード金属PIEDS Cu Image

2000 nmCOPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

EDS シード金属 Image

2000 nm17

金属ナノ粒子層／銅めっき 界面
金属ナノ粒子／銅 界面の高分解断面ＴＥＭ観察

金属拡大Cu

拡大拡大

Cu

金属COPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

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シード金属／銅 界面の結晶粒界構造分析
金属フーリエ変換

Cu

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銀結晶相

銅結晶相

粒界の周期構造

粒界の周期構造

2.1nm

2.4nm

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平滑界面での密着機構 まとめ
CuAg

III: シード金属／銅めっき 界面相互貫入構造
II: 高分子密着層／シード金属層 界面
高分子密着層

化学結合
I: 基材／高分子密着層 界面基材

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化学結合
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新シードフィルムを用いたＦＣＣＬＦＣＣＬ : Flexible Copper Clad Laminate

高分子密着層の塗工

金属ナノ粒子の塗工

新シードフィルムCOPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

銅めっき

ＦＣＣＬ21

新シードＦＣＣＬ と 市販 ＦＣＣＬ のピール強度
ＦＣＣＬ : Flexible Copper Clad Laminate

断面SEM画像

ピール強度
常態 (kN / m)
ピール強度
耐熱 (150℃168h)(kN / m)

新シード

市販
スパッタ

市販
ラミネート

市販
キャスト

Cu

Cu

Cu

Cu

Polyimide

Polyimide

Polyimide

Polyimide

0.6

1.5

1.2

0.4

1.1

0.5

Kapton EN-C

0.94
Upilex SGA

1.29
Kapton EN-C

0.94
Upilex SGA

1.13

UpilexCOPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

（Cu厚：15 μm）

Kapton22● 高周波伝送用
銅配線形成技術COPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

23信号劣化・損失を引き起こす要因

出展 テクトロニクス・イノベーション・フォーラム ２０１３ 芝浦工業大学 須藤俊夫先生
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高周波伝送における表皮効果
粗化表面の高周波伝送への影響
局在化電流は粗化表面で損失大電流

電流
平滑表面

粗面化表面

導体の磁性と表皮効果
表皮深さ [μm ]2５Ｇ・ミリ波
で必要な周波数領域

1.51

表皮深さ δ
➔ この厚みに６３％ の信号が流れる

銀：１．０0.5

210 nm0135 10 20 30 40 50 100
信号周波数 (GHz)COPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

25高品質な銅配線
我々がめざす 「高品質な銅配線」 とは？

➢平滑面 （非粗化表面） で充分な 密着強度 を保持➢理想的な矩形の 断面形状 で 四辺が平滑➢設計通りの 配線形成 と ファインピッチ への対応
★ 低損失の高周波伝送配線★ 高品質アンテナ★ 高精度配線・高密度配線
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26高品質な銅配線
導体損失が小さい銅配線● 四辺が平滑● 矩形（台形ではない）● 磁性体なし
ニッケルなし銅配線形成プロセス
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27銅配線の形状・既存技術との比較
MSAP : Modified Semi-Additive Process

比透磁率：Cu , Ag =1 Ni = 600

ＤＩＣ法
銅配線の形成プロセス

伝送特性への影響因子

シード層

新ＳＡＰ

既存技術
ＭＳＡＰ

ＭＳＡＰ

スパッタ＋銅めっき

ダイレクトめっき

SubtractiveProcess

配線側面の凹凸小○大×大×大×

配線底面の凹凸

小○

小○

小○

大×

配線の形状

矩形○

矩形～台形

矩形～台形△△台形×

磁性体層の有無 （Ni）なし○あり×あり×あり×

非磁性金属

Ni / Cr / Cu

Ni / Cu

Ni / Cu

金属種

銅配線の断面イメージ
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ポリイミド基材 ＦＣＣＬ ロール品 試作
ＦＣＣＬ : Flexible Copper Clad Laminate

高分子密着層の塗工

金属ナノ粒子の塗工

新シードフィルムCOPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

銅めっき

ＦＣＣＬ
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新シードＦＣＣＬ と 市販 ＦＣＣＬ の比較
新シード

市販
スパッタ

市販
ラミネート市販
キャスト

Cu

Cu

Cu

Cu

PolyimidePolyimide

Polyimide

Polyimide

断面SEM画像

銅エッチング後のポリイミド表面x10000x10000x10000x10000

透過率％57573865

ヘイズ％

9999991.30.031.70.034.70.35.90.5

表面粗さ [ μm ]Rz：
Ra：
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高周波伝送：銅／基材界面の平滑性■ サブトラクティブ法での比較
１００ ｍｍ 線路長・マイクロストリップライン

側面 ： 凹凸あり

断面形状 ： 台形

銅／基材界面

線幅 100 μm

銅／基材間
断面新シード

市販ＬＣＰ

市販ポリイミド

Cu

Cu

Cu

Polyimide

LCP

Polyimide

Ra: 0.03
Rz: 1.3

Ra: 0.17
Rz: 3.8

銅エッチング後基材の表面

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Ra: 0.36
Rz: 6.5 [μm]3131

高周波伝送：銅／基材界面の平滑性■ サブトラクティブ法での比較@28GHz

ポリイミド

ＬＣＰ

誘電率3.66

3.48

誘電正接

0.01340.00226倍

0新シード● 誘電損失を導体損失が大幅にカバー

伝送損失 Ｓ２１[Ｓ２１ [ dB ]
伝送損失

Polyimide

Ra: 0.03 Rz: 1.3
新シード・ポリイミド

市販ＬＣＰ
市販ポリイミド-5-7dBCu

市販ＬＣＰ 約 1/3
Cu
LCP

Ra: 0.17 Rz: 3.8-10

Sub6

ミリ波

携帯電話
日本

携帯電話
日本

市販ポリイミド[μm]

Cu

Polyimide-1501020

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30405060
70 Ra: 0.36 Rz: 6.5[μm]
周波数 [ GHz ] ■１００ｍｍ 線路長・マイクロストリップライン
3232

銅パターン形成方法・分類
フォトリソグラフィー法

ベンチマーク

新シード・平滑界面

新ＳＡＰ

ＭＳＡＰ

サブトラクティブ

セミアディティブ

セミアディティブ

高分子密着層塗工

金属ナノ粒子塗工

非フォトリソグラフィー法
レーザートリミング

高分子密着層塗工

極薄銅箔付基材

高分子密着層塗工

金属ナノ粒子塗工

レジスト貼付金属ナノ粒子塗工

印刷＋銅めっき

高分子密着層塗工

金属ナノ粒子インク印刷
銅めっき

レジスト貼付

露光・現像

金属をレーザートリミング
レジスト貼付

露光・現像

銅めっき

露光・現像

銅めっき

レジスト剥離

銅めっき

銅めっき
5 μm

銅エッチングレジスト剥離銅エッチングシード金属エッチング

シード金属エッチング

Ni / Cr エッチング

レジスト剥離
5 μm

5 μm

5 μm

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33

新ＳＡＰ
セミアディティブプロセス
・平滑な底面・上面・側面・寸法精度
・狭ピッチ化COPYRIGHT © DIC CORPORATION ALL RIGHTS RESERVED.

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新ＳＡＰが提供できる価値
ＭＳＡＰ ベンチマーク

新ＳＡＰ

10μm

10μm
Ｒｚ
０．７μｍ

Ｒｚ
３．３μｍ

1μm
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1μm
35

新ＳＡＰのプロセス概要
既存技術 （ＭＳＡＰ）
銅シード層

新ＳＡＰ
【塗工】 膜厚 200 nm
高分子密着層ポリイミドフィルム
Ni/Crスパッタ層 膜厚 30 nm
銅シード層
膜厚 1000 nm

金属ナノ粒子シード層
レジスト貼り合わせ【塗工】 膜厚 100 nm
金属ナノ粒子層

露光・現像

レジスト貼り合わせ

電解銅めっき露光・現像

レジスト剥離電解銅めっき銅シード層エッチング

レジスト剥離Ni/Crｽﾊﾟｯﾀ層

Ni/Crｽﾊﾟｯﾀ層エッチング

シード金属エッチング

シード層のみ選択的に溶解
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新ＳＡＰが提供できる価値
ＭＳＡＰ

新ＳＡＰ

レジスト

電解銅めっき後（レジスト剥離前）Cu

Cu

Cu シード1000 nm

レジスト

Cu

Cu

新シード
100 nmシードエッチング後

17 μｍ
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10 μｍ
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新ＳＡＰ・銅配線

斜め 銅配線
線幅/線間 ＝ 10μm/10μm
縦 銅配線
線幅/線間 ＝ 8μm/ 8μm
銅配線の高さ（厚み）= 8μm
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3838

高周波伝送：新ＳＡＰ

伝送損失 [ dB ]

10GHz

20GHz

30GHz

A

40GHz

B

C

新ＳＡＰ
A
B
■ ２５ｍｍ 線路長・ストリップライン

銅配線の四辺が平滑なほど伝送損失が小さい
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C3939

まとめ◎ 基材を粗化処理せず 平滑な界面 で銅配線を密着させる技術を確立した◎ 基材／銅配線の界面を平滑にすると高周波信号の 伝送損失を小さくすることができた◎ 新ＳＡＰにより四辺が平滑な銅配線 が形成でき伝送損失がさらに小さく なった
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