JP7102402B2 - ポリテトラフルオロエチレン及び充填剤を含有する板状の複合材料 - Google Patents
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Description
即ち、本発明は、低い比誘電率を示すとともに、電子回路基板の製造に使用される処理液等にさらされた場合に外観不良や特性変化が生じにくい複合材料を提供する。
[1] ポリテトラフルオロエチレン及び充填剤を含有する板状の複合材料であって、前記充填剤が、平均一次粒子径5~200nmの無機微粒子が凝集して形成された多孔性無機微粒子凝集体を含み、前記複合材料の気孔率が35%以上であり、かつ下記のぬれ張力試験によって決定される臨界撥液張力が、34.0mN/m以下であることを特徴とする複合材料。
[ぬれ張力試験]
日本工業規格JISK6768:1999に記載の試験用混合液に該当し、23℃におけるぬれ張力が22.6mN/m、25.4mN/m、27.3mN/m、30.0mN/m、31.0mN/m、32.0mN/m、33.0mN/m、34.0mN/m、35.0mN/m、36.0mN/m、37.0mN/m、38.0mN/m、39.0mN/m、40.0mN/m、41.0mN/m、42.0mN/m、43.0mN/m、44.0mN/m、45.0mN/m、46.0mN/m、48.0mN/m、及び50.0mN/mである試験用混合液のそれぞれに、被検体を25℃で1分間浸漬して、それぞれの試験用混合液が前記被検体に浸透するか否かを確認し、前記被検体に浸透しなかった試験用混合液のうちの最もぬれ張力が小さいもののぬれ張力の数値をその被検体の臨界撥液張力と決定する。
[2] 前記充填剤のBET比表面積が、30~240m2/gである、[1]に記載の複合材料。
[3] 前記充填剤の含有量が、前記ポリテトラフルオロエチレン及び前記充填剤の合計を100質量部としたときに40質量部以上である、[1]又は[2]に記載の複合材料。
[4] 前記充填剤の見かけ比重が、100g/L以下である、[1]~[3]の何れかに記載の複合材料。
[5] 電子回路基板用である、[1]~[4]の何れかに記載の複合材料。
本発明の一態様である複合材料(以下、「複合材料」と略す場合がある。)は、ポリテトラフルオロエチレン及び充填剤を含有する板状の複合材料であり、充填剤が、平均一次粒子径5~200nmの無機微粒子が凝集して形成された多孔性無機微粒子凝集体(以下、「無機微粒子凝集体」と略す場合がある。)を含み、前記複合材料の気孔率が35%以上であり、かつ下記のぬれ張力試験によって決定される臨界撥液張力(以下、「臨界撥液張力」と略す場合がある。)が、34.0mN/m以下であることを特徴とする。
[ぬれ張力試験]
日本工業規格JISK6768:1999に記載の試験用混合液に該当し、23℃におけるぬれ張力が22.6mN/m、25.4mN/m、27.3mN/m、30.0mN/m、31.0mN/m、32.0mN/m、33.0mN/m、34.0mN/m、35.0mN/m、36.0mN/m、37.0mN/m、38.0mN/m、39.0mN/m、40.0mN/m、41.0mN/m、42.0mN/m、43.0mN/m、44.0mN/m、45.0mN/m、46.0mN/m、48.0mN/m、及び50.0mN/mである試験用混合液のそれぞれに、被検体を25℃で1分間浸漬して、それぞれの試験用混合液が前記被検体に浸透するか否かを確認し、前記被検体に浸透しなかった試験用混合液のうちの最もぬれ張力が小さいもののぬれ張力の数値をその被検体の臨界撥液張力と決定する。
また、前述のように基板やその材料を浸透性の高い処理液にさらした場合に、処理液が内部に浸透して基板に外観不良や特性変化が生じるという新たな課題を本発明者らは明らかとしている。そして、本発明者らは無機微粒子凝集体や複合材料の表面組成や表面構造等を調整して、複合材料の臨界撥液張力を34.0mN/m以下に制御することにより、低い比誘電率を示すとともに、電子回路基板の製造に使用される処理液等にさらされた場合でも外観不良や特性変化が生じにくい複合材料となることを見出したのである。
以下、「ポリテトラフルオロエチレン」、「充填剤」、「複合材料」の物性・特性、「複合材料」の形態・構造、「複合材料」の用途、「複合材料」の製造方法等について詳細に説明する。
複合材料は、ポリテトラフルオロエチレン及び充填剤を含有する板状の材料であるが、複合材料におけるポリテトラフルオロエチレンは、「フィブリル化(繊維状構造化)」していることが好ましい。フィブリル化における繊維は、一方向にのみならず、多方向に配向していることがより好ましく、図2のSEM撮影画像で表されているように、フィブリルと後述する無機微粒子凝集体とが連結して「三次元の微細網目構造」を形成していることが特に好ましい。複合材料においてポリテトラフルオロエチレンがフィブリル化している、特に三次元の微細網目構造を形成していると、複合材料として優れた機械的強度、寸法安定性を確保することができる。なお、ポリテトラフルオロエチレンのフィブリル化等については、SEM等による表面観察で確認することができる。また、ポリテトラフルオロエチレンのフィブリル化は、例えば剪断力を加えることによって進めることができるが、より具体的には後述する多段階圧延によって行う。また、三次元の微細網目構造は、後述する異方向多段階圧延によって行うことが挙げられる。
複合材料は、ポリテトラフルオロエチレン及び充填剤を含有する板状の材料であり、充填剤が、平均一次粒子径5~200nmの無機微粒子が凝集して形成された多孔性無機微粒子凝集体を含むことを特徴の1つとするが、多孔性無機微粒子凝集体は具体的には図3のSEM撮影画像で表されているようなものであり、複数の無機微粒子が融着して凝集体を形成し、無機微粒子の間に空隙を有して多孔質となっているものを意味する。ここで、多孔性無機微粒子凝集体の「多孔」とは、凝集体を構成する無機微粒子の間の空隙を意味する。
無機微粒子の二次凝集物(一次凝集物の凝集物)の平均粒子径は、通常0.1μm以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm以上であり、通常100μm以下、好ましくは90μm以下、より好ましくは80μm以下である。
なお、複合材料における無機微粒子凝集体は、二次凝集物の状態であることが好ましい。二次凝集物の状態であると、前述の三次元の微細網目構造を形成しやすくなる。
また、無機微粒子の一次凝集物の平均粒子径と無機微粒子の二次凝集物の平均粒子径は、前述した無機微粒子の平均一次粒子径と同様の方法により算出することができる。
複合材料は、気孔率が35%以上であることを特徴の1つとするが、複合材料の気孔率は、好ましくは40%以上、より好ましくは45%以上、さらに好ましくは50%以上、特に好ましくは55%以上であり、通常は80%以下、好ましくは70%以下である。前記範囲内であると、複合材料として良好な比誘電率、膨張率等の特性を確保することができる。特に気孔率が高い複合材料は、処理液が浸透しやすいため、本発明をより有効に活用することができる。なお、複合材料の気孔率は、複合材料の体積、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の比重と質量(配合質量)、無機微粒子凝集体の比重と質量(配合質量)を測定し、下記式に代入することによって算出される数値とする。
[気孔率(%)]=([複合材料の体積]-[PTFEの質量/PTFEの比重]-[無機微粒子凝集体の質量/無機微粒子凝集体の比重])/[複合材料の体積]×100
[ぬれ張力試験]
日本工業規格JISK6768:1999に記載の試験用混合液に該当し、23℃におけるぬれ張力が22.6mN/m、25.4mN/m、27.3mN/m、30.0mN/m、31.0mN/m、32.0mN/m、33.0mN/m、34.0mN/m、35.0mN/m、36.0mN/m、37.0mN/m、38.0mN/m、39.0mN/m、40.0mN/m、41.0mN/m、42.0mN/m、43.0mN/m、44.0mN/m、45.0mN/m、46.0mN/m、48.0mN/m、及び50.0mN/mである試験用混合液のそれぞれに、被検体を25℃で1分間浸漬して、それぞれの試験用混合液が前記被検体に浸透するか否かを確認し、前記被検体に浸透しなかった試験用混合液のうちの最もぬれ張力が小さいもののぬれ張力の数値をその被検体の臨界撥液張力と決定する。
(i)充填剤(無機微粒子凝集体を含む。)の表面を、疎水性基を有する表面修飾剤(以下、「表面修飾剤」と略す場合がある。)で修飾する方法。
(ii)充填剤の表面に微細構造を形成する方法。
以下、「(i)の方法」、「(ii)の方法」等について詳細に説明する。
表面修飾剤は、充填剤の表面に対して化学的に吸着(反応)するものであっても、充填剤の表面に物理的に吸着するものであってもよく、低分子化合物であっても、高分子化合物であってもよい。充填剤の表面に対して化学的に吸着(反応)する表面修飾剤は、通常、充填剤の表面官能基(ヒドロキシル基(-OH)等)と反応する反応性官能基を有しており、反応性官能基としてはアルコキシシリル基(-SiOR(Rの炭素原子数は1~6))、クロロシリル基(-SiCl)、ブロモシリル基(-SiBr)、ヒドロシリル基(-SiH)等が挙げられる。なお、充填剤の表面を表面修飾剤で修飾する方法は、公知の方法を適宜採用することができるが、充填剤と表面修飾剤を接触させることが挙げられる。
複合材料の形状は、板状であるが、複合材料の厚みは、通常0.01mm以上、好ましくは0.02mm以上、より好ましくは0.05mm以上、さらに好ましくは0.07mm以上、特に好ましくは0.08mm以上であり、通常2.0mm以下、好ましくは1.0mm以下、より好ましくは0.5mm以下、さらに好ましくは0.2mm以下、特に好ましくは0.15mm以下である。
配線として使用する場合の金属層の金属種は、通常金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、これらの金属種を含む合金等が挙げられる。
配線として使用する場合の金属層の厚みは、通常5μm以上、好ましくは10μm以上、より好ましくは15μm以上であり、通常50μm以下、好ましくは45μm以下、より好ましくは40μm以下である。
接着層として使用する場合の樹脂層の種類は、通常熱可塑性樹脂であり、好ましくはフッ素系樹脂、より好ましくはポリテトラフルオロエチレン(PTFE、融点:327℃)よりも融点が低い、パーフルオロアルコキシアルカン(PFA、融点:310℃)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP、融点:260℃)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTEF、融点:220℃)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE、融点:270℃)、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体(ECTFE、融点:270℃)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF、融点:151~178℃)、特に好ましくはPFAである。
複合材料の用途は、特に限定されないが、好ましくは電子回路基板、より好ましくは携帯電話、コンピュータ、アンテナ等のモジュールの配線基板、特に好ましくはミリ波アンテナの配線基板(高周波用配線基板)が挙げられる。ミリ波アンテナの配線基板が用途であると、複合材料の比誘電率等の特性を有効に活用することができる。
複合材料は、ポリテトラフルオロエチレン及び充填剤を含有する板状の材料であるが、複合材料の製造方法は、特に限定されず、公知の知見を適宜採用して製造することができる。特に下記の充填剤準備工程、混合工程、成形工程、及び圧延工程を含む複合材料の製造方法(以下、「複合材料の製造方法」と略す場合がある。)が好ましい。
・平均一次粒子径5~200nmの無機微粒子が凝集して形成された多孔性無機微粒子凝集体を含む充填剤を準備する充填剤準備工程(以下、「充填剤準備工程」と略す場合がある。)。
・ポリテトラフルオロエチレン及び前記充填剤を混合して前駆体組成物を得る混合工程(以下、「混合工程」と略す場合がある。)。
・前記前駆体組成物を成形して圧延可能な被圧延物を得る成形工程(以下、「成形工程」と略す場合がある。)。
・前記被圧延物を圧延して圧延物を得る圧延工程(以下、「圧延工程」と略す場合がある。)。
以下、「充填剤準備工程」、「混合工程」、「成形工程」、「圧延工程」等について詳細に説明する。
ポリテトラフルオロエチレンの微粉末品又は造粒品の平均粒子径は、無機微粒子凝集体の平均一次粒子径5~200nmよりも大きいことが好ましく、0.2μmを超え650μm以下であることが特に好ましい。なお、微粉末品又は造粒品の平均粒子径は、JIS K 6891-5.4に準じて決定することができる。
溶媒としては、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール等の低級アルコール等が挙げられる。
なお、圧延倍率λは、原反シートの長さ(L1)と圧延後の長さ(L2)を用いてλ=L2/L1の式より求められる。
・前記圧延物から前記揮発性添加剤を除去する添加剤除去工程(以下、「添加剤除去工程」と略す場合がある。)。
・前記圧延物を加熱加圧する加熱加圧工程(以下、「加熱加圧工程」と略す場合がある。)。
・前記圧延物の片面又は両面に、金属層及び樹脂層の少なくとも一方を形成する他層形成工程(以下、「他層形成工程」と略す場合がある。)。
・前記金属層をパターニング処理するパターニング工程(以下、「パターニング工程」と略す場合がある。)。
以下、「添加剤除去工程」、「加熱加圧工程」、「他層形成工程」、「パターニング工程」等について詳細に説明する。
無機微粒子凝集体として親水性フュームドシリカ(日本アエロジル社製、品番「AEROSIL50」、BET比表面積50±15m2/g、見かけ比重50g/L、平均一次粒子径40nm、二次凝集物の平均粒子径0.2μm)を、表面修飾剤として下記式で表されるトリエトキシ-1H,1H,2H,2H-トリデカフルオロ-n-オクチルシラン(東京化成工業社製、品番「T1770」)を使用し、表面修飾剤によって無機微粒子凝集体を修飾した。
複合材料の体積、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の比重と質量(配合質量)、無機微粒子凝集体の比重と質量(配合質量)を測定し、下記式に代入することによって気孔率を算出した。
[気孔率(%)]=([複合材料の体積]-[PTFEの質量/PTFEの比重]-[無機微粒子凝集体の質量/無機微粒子凝集体の比重])/[複合材料の体積]×100
充填剤の疎水化度は、25℃において粉体をメタノール水溶液に散布し、粉体の浮遊量が0質量%となるときのメタノール水溶液におけるメタノール濃度を決定することによって算出した。
複合材料を和光純薬工業社製の「ぬれ張力試験用混合液」に室温で1分間浸漬させた後、蒸留水により洗浄し、複合材料に濡れ張力試験用混合液が浸透しているかを目視で判断した。ぬれ張力試験用混合液はNo.22.6~50.0を使用し、浸透が見られなかったぬれ張力試験用混合液のうち、最も表面張力の低い試験液の数値を臨界撥液張力の結果とした。
測定周波数を10GHzとし、空洞共振器摂動法により複素誘電率を測定し、その実数部(εr’)を比誘電率とした。また、実数部に対する虚数部(εr”)の比(εr”/εr’)から誘電正接を求めた。
比誘電率測定装置(アジレント・テクノロジー社製「ネットワークアナライザN5230C」、及び関東電子応用開発社製「空洞共振器10GHz」)を用い、各シートから短冊状のサンプル(サンプルサイズ幅2mm×長さ70mm)を切り出し測定した。
TMA法にて、熱機械分析装置(BRUKER AXS社製、「TMA4000SA」)を用い、-50~200℃のシート平面方向の平均熱線膨張率を、熱線膨張率(ppm/K)とした。具体的には、幅4mm、長さ20mmの複合材料を長さ方向に固定し、2gの荷重をかけ、室温から昇温速度10℃/minで200℃まで昇温し、30分間保持することで材料の残留応力を除去する。次いで、10℃/minで-50℃まで冷却し、15分間保持した後、2℃/minで200℃まで昇温させる。2回目の昇温過程における-50~200℃の平均熱線膨張率を熱線膨張率とした。
電子回路加工に使用される比較的浸透性の高い溶液である、無電解めっき前処理用の界面活性剤を含有するクリーナー・コンディショナー溶液(ロームアンドハース電子材料社製、CIRCUPOSIT(登録商標) CONDITIONER-NETRALIZER 3320)を使用して、得られた複合材料の溶液浸漬による質量変化率を測定した。具体的には、予め複合材料の質量を測定しておき、次にクリーナー・コンディショナー溶液とイオン交換水の混合溶液(体積比10:90)に45℃で5分間浸漬させ、イオン交換水ですすいで表面水分を拭き取り、質量を測定して質量変化率を算出する手順である。
ポリテトラフルオロエチレンと無機微粒子凝集体の合計を100質量部としたときに、ドデカンを45質量部となるように加えた以外、実施例1と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表1に示す。
ポリテトラフルオロエチレンと無機微粒子凝集体の合計を100質量部としたときに、ドデカンが40質量部となるように加えた以外、実施例1と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表1に示す。
表面修飾剤を3M社製Novec(登録商標)2202に変更し、表面修飾の方法を下記のように変更した以外、実施例3と同様の方法により複合材料を作製した。表面修飾は、無機微粒子凝集体100質量部に対してNovec(登録商標)2202の固形分が25質量部となるように無機微粒子凝集体を混合分散させて行った。結果を表1に示す。
無機微粒子凝集体を、アミノシラン((C2H5O)3SiC3H6NH2)とヘキサメチルジシラザン(HMDS)で処理されている疎水性フュームドシリカ(日本アエロジル社製、品番「AEROSIL NA50H」、BET比表面積40±10m2/g、見かけ比重50g/L)に変更した以外、実施例4と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表1に示す。
無機微粒子凝集体を、アミノシラン((C2H5O)3SiC3H6NH2)とヘキサメチルジシラザン(HMDS)で処理されている疎水性フュームドシリカ(日本アエロジル社製、品番「AEROSIL NA50H」、BET比表面積40±10m2/g、見かけ比重50g/L)に変更した以外、実施例2と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表2に示す。
無機微粒子凝集体を、ジメチルポリシロキサン(シリコーンオイル)で処理されている疎水性フュームドシリカ(日本アエロジル社製、品番「AEROSIL NY50」、BET比表面積30±10m2/g、見かけ比重50g/L、一次粒子の平均粒子径40nm)に変更し、表面修飾剤(トリエトキシ-1H,1H,2H,2H-トリデカフルオロ-n-オクチルシラン)で表面修飾しなかった以外、実施例1と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表2に示す。
無機微粒子凝集体を、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)で処理されている疎水性フュームドシリカ(日本アエロジル社製、品番「AEROSIL NAX50」、BET比表面積40±10m2/g、見かけ比重40g/L、一次粒子の平均粒子径40nm)に変更し、表面修飾剤(トリエトキシ-1H,1H,2H,2H-トリデカフルオロ-n-オクチルシラン)で表面修飾しなかった以外、実施例1と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表2に示す。
無機微粒子凝集体を、ジメチルポリシロキサン(シリコーンオイル)で処理されている疎水性フュームドシリカ(日本アエロジル社製、品番「AEROSIL RY200S」、BET比表面積80±15m2/g、見かけ比重50g/L、一次粒子の平均粒子径10nm)に変更し、表面修飾剤(トリエトキシ-1H,1H,2H,2H-トリデカフルオロ-n-オクチルシラン)で表面修飾しなかった以外、実施例1と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表2に示す。
無機微粒子凝集体を、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)で処理されている疎水性フュームドシリカ(日本アエロジル社製、品番「AEROSIL RX300」、BET比表面積200±20m2/g、見かけ比重40g/L、一次粒子の平均粒子径8nm)に変更し、表面修飾剤(トリエトキシ-1H,1H,2H,2H-トリデカフルオロ-n-オクチルシラン)で表面修飾しなかった以外、実施例2と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表2に示す。
無機微粒子凝集体をシリカエアロゲルに変更し、表面修飾剤で表面修飾しなかった以外、実施例3と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表3に示す。
無機微粒子凝集体を中空シリカ(3M社製、iM16K)に変更し、表面修飾剤で表面修飾せず、さらにポリテトラフルオロエチレンと中空シリカの合計を100質量部としたときに、ドデカンを55質量部となるように加えた以外、実施例1と同様の方法により複合材料を作製した。結果を表3に示す。
Claims (5)
- ポリテトラフルオロエチレン及び充填剤を含有する板状の複合材料であって、
前記充填剤が、平均一次粒子径5~200nmの無機微粒子が凝集して形成された多孔性無機微粒子凝集体を含み、
前記複合材料の気孔率が35%以上であり、かつ
下記のぬれ張力試験によって決定される臨界撥液張力が、34.0mN/m以下である
ことを特徴とする、複合材料。
[ぬれ張力試験]
日本工業規格JISK6768:1999に記載の試験用混合液に該当し、23℃におけるぬれ張力が22.6mN/m、25.4mN/m、27.3mN/m、30.0mN/m、31.0mN/m、32.0mN/m、33.0mN/m、34.0mN/m、35.0mN/m、36.0mN/m、37.0mN/m、38.0mN/m、39.0mN/m、40.0mN/m、41.0mN/m、42.0mN/m、43.0mN/m、44.0mN/m、45.0mN/m、46.0mN/m、48.0mN/m、及び50.0mN/mである試験用混合液のそれぞれに、被検体を25℃で1分間浸漬して、それぞれの試験用混合液が前記被検体に浸透するか否かを確認し、前記被検体に浸透しなかった試験用混合液のうちの最もぬれ張力が小さいもののぬれ張力の数値をその被検体の臨界撥液張力と決定する。 - 前記充填剤のBET比表面積が、30~240m2/gである、請求項1に記載の複合材料。
- 前記充填剤の含有量が、前記ポリテトラフルオロエチレン及び前記充填剤の合計を100質量部としたときに40質量部以上である、請求項1又は2に記載の複合材料。
- 前記充填剤の見かけ比重が、100g/L以下である、請求項1~3の何れか1項に記載の複合材料。
- 電子回路基板用である、請求項1~4の何れか1項に記載の複合材料。
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