液晶ポリマー（LCP）の配向制御と次世代高速通信基板での適用

LCPとは何か―次世代材料としての位置付け

液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer：LCP）は、分子骨格が液晶相を示す高機能ポリマーです。
耐熱性、低誘電率、低吸水性、優れた機械特性を併せ持ち、電子機器や車載部品などで採用が進んでいます。
特にミリ波帯や5G、さらには6Gを視野に入れた高速通信基板では、信号損失を最小化しつつ微細配線を可能にする材料として注目されています。

配向制御の重要性

LCPは結晶性と液晶性を併せ持つため、成形プロセス中の分子配向が物性に大きく影響します。
配向が揃うと、機械強度や寸法安定性、熱伝導率が向上し、誘電特性も方向依存性を示します。
高速通信基板では、信号が伝搬する方向に合わせて誘電率を最適化し、損失を低減するために配向制御が不可欠です。

誘電率と誘電正接の方向依存性

LCPの誘電率は2.9前後で、熱硬化性樹脂より低い値を示します。
しかし分子鎖が並ぶ方向ではさらに低く、垂直方向ではやや高くなる傾向にあります。
設計者は基板層構成やビア配置を考慮し、X-Y 平面と Z 方向の電気特性差を最小化するよう配向設計を行います。

LCPの配向制御手法

射出成形時のせん断流動

射出成形では溶融ポリマーが金型内を高速で流れ、せん断力によって分子鎖がフロー方向に整列します。
ノズル温度を高めに設定し、金型温度を結晶化温度付近に保つことで、配向状態を固定しやすくなります。
また充填速度を段階的に制御すると、表層とコア層の配向差を縮小でき、反り変形も抑制できます。

押出・延伸による二軸配向

フィルムやシート用途では、押出→段階冷却→縦横延伸のプロセスが用いられます。
縦方向の一次延伸で主鎖を整列させ、横方向の二次延伸で結晶サイズを微細化することで、等方的な低誘電率と高寸法安定性を両立できます。
延伸比を3〜5倍に設定すると、フィルムの熱膨張係数（CTE）が金属配線に近づき、積層基板の信頼性が向上します。

圧縮成形とアニール処理

複雑な三次元成形が不要な基板用途では、ペレットをシート化した後に高温高圧で圧縮成形し、続いてアニール処理を行います。
アニール温度はガラス転移点（約280℃）より高く、溶融点未満に設定すると、内部応力を除去しつつ高配向を保持できます。
この手法は低熱膨張と面内配向を両立できるため、高速伝送路の寸法ばらつきを最小化します。

配向評価技術

X線回折（WAXD／SAXS）

散乱ピークの半値幅と強度比から分子鎖の配向度を定量化できます。
特に幅広い q 範囲を測定すると、結晶サイズや折り重なり構造まで評価可能です。

二色性赤外分光（FT-IR）

偏光 IR 光を用いて吸収強度の差を測定し、官能基の配向係数を算出します。
誘電率に強く寄与する芳香環の C–C ストレッチを観察すると、電気特性との相関が把握できます。

光学位相差法

透明なフィルムでは、配向による複屈折分布を高速でマッピングできます。
ラインセンサーと組み合わせたインライン検査により、ロット間の品質ばらつきを即時フィードバックできます。

次世代高速通信基板への適用

LCP基板の構造とメリット

LCPは銅張積層板（CCL）やフレキシブルプリント基板（FPC）の絶縁層として用いられます。
低誘電率により信号の遅延を抑え、誘電正接が0.002以下と低いため、ミリ波領域でも挿入損失を大幅に低減できます。
また吸水率が0.04％前後と極めて低く、湿度環境でも特性変動が少ないことが利点です。

微細配線との相性

フォトリソグラフィと電解銅めっきにより、10 µmライン／10 µmスペース以下の回路形成が可能です。
LCPの面粗度が小さいため、信号反射を抑えつつ高速アイパターンを維持できます。
さらに低CTEによりリジッド基板とのハイブリッド実装時の熱歪みを最小化し、はんだ接合強度も維持できます。

5G／6Gアンテナモジュールへの応用

ミリ波アンテナでは放射効率を高めるため、基板材料の誘電率が低いほど利得が向上します。
LCPはフィルムベースで三次元成形が容易なため、アンテナとフェーズシフタを一体化したモジュール設計が可能です。
また樹脂パッケージ内へのシステムインパッケージ（SiP）化により、配線長を短縮しつつ高周波損失を低減できます。

課題と対策

銅との密着性

LCPは化学的に安定である反面、銅との接着が弱い傾向にあります。
プラズマ処理やクロムスパッタシード層を介在させることで、密着強度を2〜3倍に改善できます。

熱伝導率の向上

放熱を要求される高出力モジュールでは、LCP単体の熱伝導率（0.3 W/m・K）が課題になります。
酸化アルミナや窒化ケイ素フィラーを低充填率で併用し、誘電率を3.2以下に抑えつつ熱伝導率を1 W/m・K程度まで向上させる研究が進んでいます。

量産コスト

原料単価は一般エンプラより高価ですが、ロール to ロール成形やレーザーダイシングを取り入れることで、パネルあたりコストを削減できます。
また、既存PI／PETラインを転用可能な点もあり、工場投資を抑えて量産立ち上げが可能です。

今後の展望

6GやBeyond 6Gの周波数帯では、100 GHzを超えるテラヘルツ領域が想定されます。
この領域では誘電正接0.001以下が求められる可能性が高く、LCPの高度配向化とナノ複合化が重要になります。
さらに、フォトポリマー型LCPインクによるインクジェット3D配線技術や、ガラスインターポーザとのハイブリッド積層など、新しい実装形態が登場する見込みです。

配向制御を起点とした材料開発とプロセス革新により、LCPは次世代高速通信のキーマテリアルとして一層存在感を高めるでしょう。