S C A S N O W ・・・分析技術紹介 ・・・
５G向けプリント配線板に求められる材料分析・評価技術
マテリアル事業部

岡林真義

配線板の材料特性として低誘電率，低誘電正接がこれまで以上に求められます。

1 はじめに5G（第5世代移動通信システム）は４Gに代わる新しい通信規格・通信技術です。世界各国の標準化団体が参加する３GPP（Third Generation Partnership Project）を通じて国際標準仕様の策定が進み，商用サービスが開始されています。5Gは「超高速」，「超低遅延」，「多数同時接続」という３つの特徴を合わせて実現することで，あらゆるモノがインターネットにつながるIoT（Internet of Things）の基盤となることが期待されています。
5G通信にはミリ波帯が利用されるため，新たな技術的課題を解決する必要があります。本報では，5Gで使用される電子機器のうち重要な構成部品であるプリント配線板材料の開発課題における分析技術，および基板樹脂の誘電特性に対する化学構造と吸水率の関係性について，実際の分析事例を用いて紹介します。

3 プリント配線板材料の開発課題と評価項目および分析技術
プリント配線板は，基材樹脂，添加剤，銅箔，接着‫ࡒخ‬धࢹʶ శՅࡐ剤で構成されます（図１）。
４Gまでは基材樹脂と銅箔間の物理的なアンカー効果
ಖഫによって密着性を上げていં஥ࡐましたが，5Gなどのミリ波帯では表皮効果の影響が無
図1 プリント配線板の断面概要図視できないため，低粗度の銅箔が使用されます。したがって，基材樹脂と銅箔の界面にはアンカー効果に加えて密着性を上げるためのさらなる工夫が必要となります。プリント配線板
材料の開発課題，その評価項目および分析技術について表１に示します。基材樹脂は低誘電特性だけでなく，超高速化・集積化による端末の発熱量が増大するため，高放熱性も同時に満たすことが重要となります。当社ではプリント配線板材料の開発課題に幅広く対応することが可能です。

2 ５G向けプリント配線板の特徴
信号の伝搬速度V（cm/msec）および伝送損失αd（db/cm）
はそれぞれ以下の式で表されます。

V =C /√εr （ C ：光速，εr ：比誘電率）
αd ＝k ×f ×√εr ×tanδ
（k：比例定数，f：周波数，εr：比誘電率，tanδ：誘電正接）上2式により，周波数の高いミリ波帯では基材の伝送損失が大きな問題となります1）。信号を高速化するために，プリント4 ポリイミド樹脂の分析事例：
誘電特性と化学構造，吸水率

表 1 プリント配線板の各材料の開発課題，その評価項目および分析技術について開発課題

評価項目

分析法

誘電率が信号伝搬速度に影響

誘電率測定

円筒空洞共振器法，平衡型円板共振器法

低誘電率化の為の分極率の小さな原子団の導入等
低誘電正接化の為の無極性化等

化学構造

超臨界メタノール分解 GC‑MS，
超臨界メタノール分解 LC‑MS，
熱分解 GC‑MS，固体 13C NMR，FT‑IR

低吸水率

吸水率が誘電特性に影響

吸水率測定

重量法（JIS C 6481），加熱気化カールフィッシャー法

低誘電特性

背 景基材樹脂 ＋ 添加剤

低熱膨張率

多層化の為の低熱膨張率化

熱膨張率測定高感度 TMA

極性基の運動抑制

分子運動性が誘電損失に影響

分子運動性

パルス NMR

表面粗さ

表面粗さが信号伝搬速度および伝送損失に影響

粗さ

触針式表面粗さ測定機，共焦点顕微鏡

誘電率が信号伝搬速度に影響

誘電率測定

円筒空洞共振器法，平衡型円板共振器法

フィラーの分散が基材樹脂の誘電率に影響

粒度分布
（粒子径）

レーザー回折法，断面 SEM，
画像式粒度分布低誘電特性

樹脂とフィラーの分散性

高熱伝導率化フィラーの含有量が誘電特性に影響

含有量

ICP‑AES，ICP‑MS

樹脂と添加剤のなじみ具合が樹脂加工精度に影響

相溶性

ハンセン溶解度パラメータ

添加剤の分散性が誘電特性に影響

分散性

超音波スペクトロスコピー，
パルス NMR，遠心沈降，レオメータ

銅箔

フィラーの分散が基材樹脂の放熱性に影響

接着剤

粒度分布
（粒子径）

レーザー回折法，断面 SEM，
画像式粒度分布

表面観察

レーザー顕微鏡，SEM，共焦点顕微鏡

比表面積

ガス吸着法

界面低粗度

表皮効果に対する表面粗さの低減

低誘電特性

表皮効果に対する低誘電特性化

誘電率測定

円筒空洞共振器法，平衡型円板共振器法

銅箔表面の粗さ低減が密着性に影響

密着性評価

ピール試験，遠心剥離試験

密着性

表面処理が密着性に影響

17 住化分析センター SCAS NEWS 2021 ‑Ⅰ

表面分析

XPS，TOF‑SIMS など

表面観察

SEM，TEM など

２種類のポリイミドを用いて誘電特性と化学構造および吸水率の関係性を評価しました。ポリイミド①とポリイミド②の超臨界メタノール分解GC‑MSクロマ
トグ ラム，お よび ポリイミド ② の固 体
13
C‑NMRスペクトルを図２に示します。
図2‑1において，ピロメリット酸（テトラメチル化体）および4,4'‑ジアミノジフェニルエーテル（テトラメチル化体）が検出されたことから，ポリイミド①の化学構造は4,4'‑ジアミノジフェニルエーテル・無水ピロメリット酸重縮合物であることが推定されました。同様に，図2‑2の結果から，ポリイミド②はポリイミド①の物質に加え，4,4'‑ビス（3‑アミノフェノキシ）ビフェニル・無水ピロメリット酸重縮合物も含まれていることが推定されました。
図2‑3に示す固体13C‑NMRで検出されたシグナルの積分強度比からモル比を算出
すると，4,4'‑ビス（3‑アミノフェノキシ）ビフェニル・無水ピロメリット酸重縮合物：4,4'‑ジアミノジフェニルエーテル・無水ピロメリット酸重縮合物のユニット

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図2‑1 ポリイミド①の超臨界メタノール分解GC‑MSクロマトグラム

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図2‑2 ポリイミド②の超臨界メタノール分解GC‑MSクロマトグラム

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モル比は11:1であることが推定されました。推定した化学構造の結果からポリイミド①およびポリイミド②のイミド基含有率を算出した結果を表2に示します。

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ポリイミドの吸水率を下げるため，極性基を含まない分子量の大きなモノマーを用いて，分極率の高いイミド基の含有率を低下させる方法があります2）。一般的なポリイミドは吸湿性が高く，乾燥時には低誘電特性だが加熱・加湿条件で吸湿させた場合，誘電特性が大幅に増加することが知られています3）。これは，20GHz付近では水による吸収が大きいため，基材樹脂の吸湿が損失係数に与える影響が大きくなるためと考えられております。
当社評価でも，誘電特性，吸水率ともポリイミド②の方がポリイミド①よりも低いという結果が得られました。このことは，推定化学構造から算出したイミド基含有率において，ポリイミド②の方が低い傾向と一致しました。

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図2‑3 ポリイミド②の固体13C‑NMRスペクトル

5 おわりに文

５G向けプリント配線板の低伝送損失化のためには，基材樹脂，添加剤，銅箔，接着剤，界面の課題を解決する必要があります。
また，低誘電特性を持つ基板樹脂開発のためには，低吸水率や化学構造との関係を把握する事も重要となります。当社では誘電特性の評価だけでなく，化学構造解析技術をはじめとする幅広い分析・評価技術で材料開発を支援いたします。

献1） 渡辺充広, 杉本将治, 本間英夫：表面技術, 58, 774（2007）.
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sfj/58/12/58̲12̲774/̲pdf
2）長谷川匡俊：エレクトロニクス実装学会誌 16, 399（2013）.
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jiep/16/5/16̲399/̲pdf/‑char/ja3）福永香, 倉橋真司：第21回エレクトロニクス実装学会講演大会論文集,
p.85（2007）.
https://www.jstage.jst.go.jp/article/ejisso/21/0/21̲0̲85/̲pdf

表 2 ２種類のポリイミドの誘電特性と化学構造および吸水率の関係
評価項目

物性測定

手法

ポリイミド①ポリイミド②

比誘電率
誘電正接

摂動方式共振器法（10GHz）
ASTM D 2520（JIS C 2565）

3.33 ± 0.02
0.0256 ± 0.0003

2.96 ± 0.010.0097 ± 0.0002

吸水率

プリント配線板用銅張積層板試験方法
JIS C 6481

2.50 %1.40 %4,4 ‑ ジアミノジフェニルエーテル・無水ピロメリット酸重縮合物

ピロメリット酸 4,4 ‑ ビス（3‑アミノフェノキシ）ビフェニル系ポリイミド

化学構造化学構造解析

イミド基
含有率

超臨界メタノール分解 GC‑MS
超臨界メタノール分解 LC‑MS
熱分解 GC‑MS
固体 13C‑NMR
FT‑IR（推定化学構造から算出）

OONNOOOOnO

NNOOOOm

4.4 ‑ ジアミノジフェニルエーテル・
無水ピロメリット酸重縮合物
O36.6 wt%

ONNOOOn混合比は，ユニットモル比で推定 11：1

岡林 真義

26.4 wt%（おかばやし まさのり）
マテリアル事業部

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