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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Diese
Erfindung betrifft Materialien und Verfahren zur Herstellung von
Schaltkreismaterialien und Mehrschichtschaltkreisen.
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Gedruckte
Leiterplatten müssen zunehmend strengere Leistungs- und
Umweltanforderungen erfüllen. Zum Beispiel enthalten hochentwickelte
gedruckte Leiterplatten mehr Schichten und arbeiten mit zunehmend höheren
Frequenzen. Dünnere Schichten sind wünschenswert,
aber erhöhen möglicherweise die dielektrischen
oder Schaltkreisbezogenen Verluste. Um diesem Erfordernis Rechnung
zu tragen, können Substrate mit einer Dielektrizitätskonstante
(Dk) von kleiner als 4 verwendet werden, da solche Substrate höhere
Signalausbreitungsgeschwindigkeiten bewältigen können,
während der Einfügungsverlust minimiert wird.
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Aus
Umweltgründen sind die Hersteller bestrebt, die Schwermetalle
in Schaltkreisbaugruppen zu verringern. Bleifreies Lot wird diesem
Erfordernis gerecht, aber es erfordert höhere Prozesstemperaturen,
die für Mehrschicht-Schaltkreismaterialien mit einem hohen
Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) oder geringer thermischer
Stabilität schädlich sind. Solche Materialien
können sich delaminieren, können chemisch degradieren
oder einfach schmelzen. Des Weiteren sind die Hersteller von hochfrequenzelektronischen
Geräten – ebenfalls aus Umweltgründen – auch
bestrebt, auf den Einsatz von chlorierten und bromierten Flammhemmern
zur Erreichung der UL-94-Entflammbarkeitseinstufung von V0 im Wesentlichen
zu verzichten.
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Das
Verlangen nach niedriger Dk, geringem Verlust, Hochtemperaturfestigkeit
und inhärentem Flammhemmvermögen macht neue Arten
von Schaltkreissubstraten notwendig. Eine Klasse von Materialien,
die dieser Notwendigkeit gerecht werden, sind die Poly(aryletherketon)polymere
(PAEKs). Zu den PAEKs gehören Poly(etheretherketon) (PEEK),
Poly(etherketon) (PEK), Poly(etheretherketonketon) (PEEKK), Poly(etherketonketon)
(PEKK) und ähnliche Materialien. Diese Klasse von Materialien
zeichnet sich durch Hochtemperaturfestigkeit (mit Schmelzpunkten
von 307°C bis 381°C) und hinreichend niedrige
Dielektrizitätskonstanten- und Verlustwerte aus.
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Neben
den oben angesprochenen Vorteilen lassen sich PAEK-Polymere problemlos
zu Dünnfilmen extrudieren, und sie haben einen kleinen
Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE). Durch Zugabe relativ
geringer Mengen von mineralischem oder keramischem Füllstoff
zu den PAEK-Polymeren kann eine gute planare CTE-Übereinstimmung
mit einer Kupferfolien-Laminat-Plattierung (Kupferfolien-Schichtstoffverbund-Plattierung)
erreicht werden. Eine gute planare CTE-Übereinstimmung
ist wichtig für das Erreichen von Abmessungsstabilität
in dem Schaltkreis, wenn die Kupferfolie selektiv geätzt
wird, um eine Schaltkreisschicht zu bilden. PAEK-Polymere besitzen
daher viele der Vorteile von Flüssigkristallpolymerlaminaten,
wie zum Beispiel Rogers Ultralam® 3000,
mit dem zusätzlichen Vorteil eines höheren Schmelzpunktes.
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Doch
obgleich PAEK ein ausgezeichneter Kandidat als ein dielektrisches
Material für die Produktion von kupferplattierten Hochfrequenzschaltkreislaminaten
ist, erfordert seine Verwendung die gleichzeitige Entwicklung neuer
Verbundmaterialien, die auch eine niedrige Dk, einen geringen Verlust,
Hochtemperaturfestigkeit und inhärentes Flammhemmvermögen
aufweisen. Solche Verbundmaterialien (Bond-Plies (Verbundlagen))
werden verwendet, um zwei oder mehr Schaltkreislaminate zu einer
Mehrschichtschaltkreisbaugruppe zu verbinden.
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Eine
Reihe thermoplastischer Verbundmaterialien mit niedrigem dielektrischem
Verlust sind auf dem freien Markt erhältlich und werden
zum Laminieren von Hochfrequenzschaltkreisbaugruppen verwendet.
Jedoch können diese Materialien niedrige Schmelzpunkte
haben, die die maximale Arbeitstemperatur oder Verarbeitungstemperatur
von Schaltkreisbaugruppen begrenzt. CuClad® 6250
Bond-Ply, zu beziehen bei der Arlon Corporation, beschränkt
die Arbeitstemperaturen in Mehrschichtschaltkreisen auf maximal
75°C. CuClad® 6700 Bond-Ply,
ebenfalls bei Anion zu beziehen, hat einen Schmelzpunkt von 184°C.
Schaltkreisbaugruppen, die aus diesem Material hergestellt sind,
würden die Temperaturen von 220°C oder mehr, die
für die Montage mit bleifreiem Lot erforderlich sind, nicht überstehen.
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Thermoplastische
Bond-Plies mit höherem Schmelzpunkt, darunter DuPont Teflon® FEP (Schmelzpunkt = 250°C),
Teflon® PFA (Schmelzpunkt = 308°C)
und Rogers Ultralam® 3908 (Schmelzpunkt
= 280°C), sind ebenfalls für die Herstellung von
verlustarmen Hochfrequenz-Leiterplatten verwendet worden. Obgleich hochschmelzende
Substrate (Träger) die Herstellung von Mehrschichtschaltkreisen
vereinfachen, können andere Faktoren, wie zum Beispiel
der Substratmodul, Grenzen vorgeben. Zum Beispiel kann ein typisches
Substratmaterial, Rogers Ultralam® 3850
(Schmelzpunkt = 315°C), mit einem Bond-Ply, wie zum Beispiel
Ultralam® 3908, verwendet werden.
Zwar gibt es ein Temperaturfenster von 35°C zwischen den
Schmelzpunkten dieses Substrats und dem Bond-Ply, doch der niedrige
Modul des Substrats bei hoher Temperatur führt zu einem
Verziehen des Substrats während der Verbindung. Dieses
Verziehen verursacht eine schlechte Erfassung zwischen den Schichten
der Schaltkreisbaugruppe. Wenn andererseits ein Substrat wie zum
Beispiel DuPont Teflon PFA-Film mit einem Bond-Ply wie zum Beispiel
Ultralam® 3908 verwendet wird,
so ist das Temperaturfenster von 7°C zwischen dem Schmelzpunkt
des Substrats und dem Schmelzpunkt des Bond-Ply zu klein, um die Herstellung
von Mehrschichtschaltkreisen in einem industriellen Prozess zu erlauben.
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Duroplastische
Bond-Plies werden ebenfalls weithin in der Mehrschichtschaltkreisindustrie
verwendet. In den letzten Jahren war das am häufigsten
verwendete Material ”FR4” – eine Familie
von flammhemmenden Epoxidharz-Glasfaser-Verbundsubstratmaterialien
und Bond-Plies. Die Glasübergangstemperatur (Tg), die Zersetzungstemperatur
und das elektrische Hochfrequenzverhalten hängen von der
genauen Formulierung des Epoxidharzes ab. In der Regel weisen die
preiswertesten Sorten von FR4, die in niedrigerfrequenten Konsumgütern
werden verwendet, eine Tg von etwa 125°C und einen Verlustfaktor
(DF) bei 10 GHz von mehr als 0,02 auf. Mehrschichtschaltkreise,
die mit PAEK-Substraten und FR4-Epoxidharz (Tg = 125°C)
hergestellt werden, können die hohe Temperatur, die für
bleifreies Löten erforderlich sind, nicht überstehen.
Solche Mehrfachschichten weisen außerdem DF-Werte auf,
die zur Verwendung in vielen Hochfrequenzgeräten zu hoch
sind.
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Die
Isola-Gruppe stellt eine Hochleistungs-FR4-Formulierung unter der
Bezeichnung FR408 her, die eine Tg von 180°C und einen
DF von 0,013 bei 10 GHz aufweist. Selbst mit diesen verbesserten
Eigenschaften des duroplastischen Bond-Plys würde eine
mit diesem Material und PAEK hergestellte Schaltkreisbaugruppe keine
hohe Leistung aufweisen. Weder wäre die Beständigkeit
gegen die für bleifreies Löten erforderliche Temperatur
hoch genug für einen stabilen Fertigungsprozess, noch wäre
der DF der Mehrschichtbaugruppe für viele Hochfrequenzanwendungen
niedrig genug.
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Es
werden derzeit noch andere Polymere mit niedriger Dielektrizitätskonstante
als Schaltkreismaterialien verwendet, darunter Phenolformaldehydharze,
Epoxidharze und Harze auf Isopren- und Butadien-Basis. Zwar sind
sie für ihre vorgesehenen Zwecke geeignet, doch es besteht
auf diesem technischen Gebiet ein ständig spürbarer
Bedarf nach Schaltkreismaterialien mit verbesserten Kombinationen
von Eigenschaften, insbesondere Materialien mit einer Kombination
aus niedriger Dielektrizitätskonstante und niedrigem Verlust,
Beständigkeit gegen hohe Löttemperaturen und Flammhemmvermögen
ohne Einsatz bromierter und/oder chlorierter Flammhemmer.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
oben beschriebenen Schwächen und Nachteile werden durch
eine Schaltkreisbaugruppe gemindert, die zwei oder mehr Schaltkreislaminate,
die jeweils eine leitfähige Metallschicht umfassen, die
auf einer Poly(arylenetherketon)-Substratschicht angeordnet ist,
wobei mindestens eine der leitfähigen Metallschichten zu
einem Schaltkreis strukturiert wurde, und eine thermoplastische
Bond-Ply-Schicht umfasst, die zwischen den Schaltkreislaminaten
angeordnet ist, wobei das Bond-Ply einen Schmelzpunkt zwischen 250°C
und 370°C, eine Zersetzungstemperatur von mehr als etwa
290°C und einen Verlustfaktor von kleiner als 0,01 bei 10
GHz aufweist. Diese Schaltkreismaterialien eignen sich sowohl für
flexible als auch für starre Leiterplattenanwendungen.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Schaltkreisbaugruppe
zwei oder mehr Schaltkreislaminate, die jeweils eine leitfähige
Metallschicht umfassen, die auf einer Poly(arylenetherketon)-Substratschicht angeordnet
ist, wobei mindestens eine der leitfähigen Metallschichten
zu einem Schaltkreis strukturiert wurde, sowie eine duroplastische
Bond-Ply-Schicht, die zwischen den leitfähigen Metallschichten
angeordnet ist, wobei das Bond-Ply einen Verlustfaktor von kleiner
als 0,01 bei 10 GHz und eine Zersetzungstemperatur von mehr als
etwa 290°C aufweist.
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Ein
Verfahren zum Herstellen einer Schaltkreisbaugruppe umfasst das
Ausbilden einer Schichtstruktur, die zwei oder mehr Schaltkreislaminate
umfasst, die jeweils eine leitfähige Metallschicht umfassen,
die auf einer Poly(arylenetherketon)-Substratschicht angeordnet
ist, wobei mindestens eine der leitfähigen Metallschichten
zu einem Schaltkreis strukturiert wurde, sowie eine thermoplastische
Bond-Ply-Schicht umfasst, die zwischen den Schaltkreislaminaten
angeordnet ist, wobei das Bond-Ply einen Schmelzpunkt zwischen 250°C und
370°C, eine Zersetzungstemperatur von mehr als etwa 290°C
und einen Verlustfaktor von kleiner als 0,01 bei 10 GHz aufweist;
sowie das Laminieren der Schichtstruktur zu einer Schaltkreisbaugruppe.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum
Herstellen einer Schaltkreisbaugruppe das Ausbilden einer Schichtstruktur,
die zwei oder mehr Schaltkreislaminate umfasst, die jeweils eine
leitfähige Metallschicht umfassen, die auf einer Poly(arylenetherketon)-Substratschicht
angeordnet ist, wobei mindestens eine der leitfähigen Metallschichten
zu einem Schaltkreis strukturiert wurde, sowie eine duroplastische Bond-Ply-Schicht
umfasst, die zwischen den Schaltkreislaminaten angeordnet ist; sowie
das Laminieren der Schichtstruktur zu einer Schaltkreisbaugruppe;
wobei das Bond-Ply in der Schaltkreisbaugruppe einen Schmelzpunkt
zwischen 250°C und 370°C, eine Zersetzungstemperatur
von mehr als etwa 290°C und einen Verlustfaktor von kleiner
als 0,01 bei 10 GHz aufweist.
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Die
im vorliegenden Dokument offenbarten Schaltkreisbaugruppen eignen
sich für eine bleifreie Hochtemperaturverarbeitung. Die
Schaltkreisbaugruppen können halogenfrei und trotzdem flammhemmend
hergestellt werden und können darum zur Herstellung flammhemmender
Schaltkreismaterialien mit ausgezeichneten elektrischen und physikalischen
Eigenschaften verwendet werden.
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Die
oben besprochenen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Offenbarung können durch den Fachmann anhand der folgenden
detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen gewürdigt
und verstanden werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltkreisbaugruppe,
die eine einzelne Schaltkreisschicht umfasst, die aus einem einzeln
plattierten Laminat gemäß der Erfindung aufgebaut
ist;
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2 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltkreisbaugruppe,
die eine einzelne Schaltkreisschicht umfasst, die aus einem doppelt
plattierten Laminat gemäß der Erfindung aufgebaut
ist;
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3 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltkreisbaugruppe,
die drei Schaltkreisschichten umfasst, die aus zwei doppelt plattierten
Laminaten gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut
sind.
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4 ist
eine schematische Darstellung der in Beispiel 9 verwendeten Schichtstruktur.
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5 ist
eine schematische Darstellung der in Beispiel 10 verwendeten Schichtstruktur.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
Autoren der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass unerwarteterweise
Schaltkreisbaugruppen mit ausgezeichneten Eigenschaften unter Verwendung
einer Kombination bestimmter Materialien hergestellt werden können,
insbesondere eines thermoplastischen oder duroplastischen Bond-Plys
(zum Beispiel eines Flüssigkristallpolymers oder eines
Polybutadien- und/oder Polyisoprenhaltigen Polymers) und eines dielektrischen
Substratmaterials, das ein Poly(arylenetherketon) umfasst. Die Verwendung
eines der genannten Bond-Ply-Materialien in Kombination mit einem
Poly(arylenetherketon)-Substrat gestattet die Herstellung von Schaltkreisbaugruppen,
die sich nicht verziehen und die gute elektrische und thermische
Eigenschaften aufweisen. Die Schaltkreismaterialien können
anstelle von Hochfrequenzschaltkreismaterialien, die bromierte Flammhemmer
enthalten, verwendet werden.
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Schaltkreisbaugruppen
umfassen mehrere leitfähige Schichten, von denen mindestens
eine zu einem Schaltkreis strukturiert wurde. In der Regel werden
Schaltkreisbaugruppen gebildet, indem ein oder mehrere strukturierte,
einzeln oder doppelt plattierte Laminate unter Verwendung von Bond-Plies
und, in einigen Fällen, harzbeschichteten leitfähigen
Schichten in korrekter Ausrichtung unter Verwendung von Wärme
und/oder Druck miteinander laminiert werden. Das Strukturieren nach
der Laminierung ist eine weitere Option. Ein einzeln plattiertes
Laminat weist eine leitfähige Schicht auf, die fest an
eine dielektrische Substratschicht gebunden ist. Ein doppelt plattiertes
Laminat weist zwei leitfähige Schichten auf, eine auf jeder
Seite des Substrats. Das Strukturieren einer leitfähigen
Schicht, zum Beispiel durch Ätzen, ergibt eine Schaltkreisschicht
und somit einen Schaltkreis. Ein Schaltkreislaminat ist ein einzeln
oder doppelt plattiertes Laminat, das eine oder mehrere Schaltkreisschichten
aufweist. Bond-Plies werden verwendet, um eine Adhäsion
zwischen Schalt kreisen und/oder zwischen einer Schaltkreisschicht
und einer leitfähigen, unstrukturierten Schicht oder zwischen
zwei unstrukturierten leitfähigen Schichten herzustellen.
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Schaltkreislaminate
zur Verwendung in den Schaltkreisbaugruppen umfassen eine dielektrische
Poly(arylenetherketon)-Substratschicht und eine leitfähige
Metallschicht. Mindestens eine der leitfähigen Metallschichten
wurde zu einem Schaltkreis strukturiert. Eine thermoplastische Bond-Ply-Schicht
ist zwischen den Schaltkreislaminaten angeordnet.
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Die
dielektrischen Substrate umfassen ein PAEK-Harzsystem, ein dielektrisches
Partikelfüllstoffsystem und eine optionale Faserbahn. Das
PAEK enthält Einheiten der Formel -(-Ar-X-)- und der Formel
-(-Ar'-Y-)-, wobei Ar und Ar' jeweils unabhängig eine substituierte
oder nichtsubstituierte bivalente aromatische Verbindung sind, zum
Beispiel Phenylen, Naphthylen und dergleichen. Zu beispielhaften
Substituenten gehören C1-4-Alkyl-
und -Alkoxy-Gruppen, Halide und Kombinationen, die mindestens eine
der oben genannten Gruppen umfassen. Zu konkreten Beispielen von
Ar und Ar' gehören 1,4-Phenylen, 4,4'-Biphenylen oder 1,4-,
1,5- oder 2,6-Naphthylen. Des Weiteren ist X eine Elektronen abziehende
Gruppe, bevorzugt Carbonyl oder Sulfonyl; Y ist eine bivalente Gruppe,
wie zum Beispiel -O-, -S-, -CH2-, Isopropyliden
oder dergleichen, wobei mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens
70%, oder ganz besonders bevorzugt mindestens 80%, der Gruppen X
eine Carbonyl-Gruppe sind und mindestens 50%, besonders bevorzugt
mindestens 70%, oder ganz besonders bevorzugt mindestens 80%, der
Gruppen Y -O- sind.
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In
einer besonders nützlichen Ausführungsform sind
100% der Gruppen X Carbonyl-Gruppen, und 100% der Gruppen Y sind
Sauerstoff. In dieser Ausführungsform kann das PAEK ein
Polyetheretherketon (PEEK; Formel I), ein Polyetherketon (PEK; Formel
II), ein Polyetherketonketon (PEKK; Formel III) oder ein Polyetheretherketonketon
(PEEKK; Formel IV) sein, aber andere Anordnungen der Carbonyl-Gruppen
und Sauerstoff-Gruppen sind ebenfalls möglich.
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Zu
beispielhaften auf dem freien Markt erhältlichen PAEK-Materialien
gehören PEEK von Victrex (Schmelzpunkt 343°C)
und PEKK, das unter dem Handelsnamen OXPEKK bei der Oxford Performance
Materials, Inc. (Schmelzpunkt, je nach Sorte, von 307°C
bis 360°C) zu beziehen ist.
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Außerdem
kann das dielektrische Substrat einen oder mehrere dielektrische
Partikelfüllstoffe umfassen. Zu brauchbaren Partikelfüllstoffen
gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Titandioxid
(Rutil und Anatas), Bariumtitanat, Ba2Ti9O20, Strontiumtitanat,
Siliziumdioxidpartikel und -hohlkügelchen, darunter amorphes Quarzglas
und pyrogenes Siliziumdioxid, andere hohle keramische Kügelchen,
Glaskügelchen, Korund, Wollastonit, Aramidfasern, zum Beispiel
KEVLAR von DuPont, Fiberglas, Quarz, Bornitrid, Aluminiumnitrid,
Siliziumcarbid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumsilikathydroxid,
(Mg3Si4O10(OH)2, Talk) und
Magnesiumoxid. Die Partikelfüllstoffe können allein
oder in Kombination verwendet werden. Um die Adhäsion zwischen
den Füllstoffen und dem Polymer zu verbessern, kann der
Füllstoff mit einem oder mehreren Haftvermittlern behandelt
werden, wie zum Beispiel Silanen, Zirconaten oder Titanaten.
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Die
Gesamtmenge an dielektrischem Partikelfüllstoff beträgt
etwa 10 bis etwa 60 Gewichtsprozent (Gewichts-%) des Gesamtgewichts
des dielektrischen Substrats. Bevorzugte Mengen sind etwa 20 bis
etwa 50 Gewichts-%, und ganz besonders bevorzugt etwa 30 bis etwa
40 Gewichts-%, auf der Basis des Gesamtgewichts des dielektrischen
Substrats.
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Ein
besonders brauchbarer Füllstoff in einem starren oder flexiblen
dielektrischen Poly(arylenetherketon), zum Beispiel Polyetheretherketon,
ist Talk. Es wurde festgestellt, dass Talk-gefüllte dielektrische
Polyetheretherketon-Substrate einem ungefüllten Polyetheretherketon-Film
elektrisch und thermo-mechanisch gleichwertig sein können,
jedoch mit verbessertem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE).
Dies ist besonders für flexible Schaltkreismaterialien
von Nutzen. In einer Ausführungsform hat ein Talk-gefüllter
Polyetheretherketon-Film einen CTE (von 30 bis 150°C gemessen)
von kleiner als 30 ppm/°C, bevorzugt kleiner als 25 ppm/°C.
In einer Ausführungsform hat ein extrudierter, mit 40 Gewichts-%
Talk gefüllter Film einen CTE von 16,5 ppm/°C
in der Maschinenrichtung und einen CTE von 22,5 ppm/°C
quer zur Maschinenrichtung.
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Geeignete
Talksorten haben eine geringe Partikelgröße, zum
Beispiel mit einer durchschnittlichen größten
Abmessung von kleiner als 10 Mikrometern, bevorzugt kleiner als
5 Mikrometern. Ein Vorteil der Verwendung von Talk ist, dass er
inhärent flammbeständig und nicht-halogeniert
ist und nicht nennenswert die elektrischen Eigenschaften des Poly(arylenetherketon)-Harzsystems
beeinträchtigt. Poly(arylenetherketon)-Harze mit geringen
Mengen Talk zeichnen sich außerdem durch geringe Wasserabsorption
aus und können somit für den Einsatz in Umgebungen
mit hoher Feuchte geeignet sein. In einer Ausführungsform
ist Talk in einer Menge von etwa 5 bis etwa 60 Gewichts-%, bevorzugt
etwa 10 bis etwa 55 Gewichts-%, besonders bevorzugt etwa 20 bis
etwa 50 Gewichts-% des Gesamtgewichts der Substratzusammensetzung
enthalten. Ein mit 40 Gewichts-% Talk gefülltes Polyetheretherketon
ist auf dem freien Markt zum Beispiel bei Victrex PLC unter dem
Handelsnamen VICTREX® PEEKTM 450TL40 zu beziehen.
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Zu
besonders brauchbaren Partikelfüllstoffen in starren dielektrischen
Substratmaterialien gehören Rutil-Titandioxid und amorphes
Siliziumdioxid, weil diese Füllstoffe eine hohe bzw. eine
niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisen, wodurch ein
weiter Bereich an Dielektrizitätskonstanten in Kombination
mit einem niedrigen Verlustfaktor im Endprodukt erreicht werden
kann, indem die jeweiligen Mengen der zwei Füllstoffe in
der Zusammensetzung entsprechend eingestellt werden.
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Bei
Verwendung als starres dielektrisches Substrat kann das Poly(arylenetherketon)-Harzsystem
des Weiteren eine Faserbahn als Verstärkung und eine Gewebe-
oder Vlies-Zusammenstellung von Fasern umfassen, die den Verarbeitungsbedingungen
stand halten können, die bei der Herstellung des dielektrischen Materials,
der Leiterplattenmaterialien und der daraus gebildeten Schaltkreise
herrschen. Die Faserbahn umfasst thermisch stabile Bahnen aus einer
geeigneten Faser, bevorzugt Glas, zum Beispiel E-, S- und D-Glas, oder
Hochtemperaturpolymerfasern, zum Beispiel KODEL-Polyester von Eastman
Kodak, oder Polyphenylensulfidfaser von Phillips Petroleum, Flüssigkristallpolymere
wie zum Beispiel VECTRAN von Kuraray und Polyaramidfasern. Eine
solche thermisch stabile Faserverstärkung verleiht dem
dielektrischen Substratverbund die gewünschte strukturelle
Steifigkeit. Außerdem erbringt die Verwendung der Faserbahn
ein dielektrisches Material mit einer relativ hohen mechanischen
Festigkeit. Konkrete Beispiele von Faserbahnen sind auf dem freien
Markt zum Beispiel zu beziehen bei Fiber Glast unter der Typbezeichnung ”519-A” (0,0015
Inch (38 Mikrometer) dick); Hexcel-Schwebel unter den Typbezeichnungen ”112” (0,0032
Inch (81 Mikrometer) dick), ”1674” (0,0045 Inch
(114 Mikrometer) dick) und ”1080” (0,0025 Inch
(63,5 Mikrometer) dick); BGF unter der Typbezeichnung ”106” (0,0015
Inch (38 Mikrometer) dick); und BGF unter der Typbezeichnung ”7628” (0,0069 Inch
(175 Mikrometer) dick).
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Wird
die Faserbahn verwendet, so umfasst sie etwa 10 Gewichts-% bis etwa
50 Gewichts-% des Gesamtgewichts des dielektrischen Substrats. Bevorzugte
Mengen sind etwa 15 Gewichts-% bis etwa 40 Gewichts-%, oder besonders
bevorzugt etwa 20 bis etwa 30 Gewichts-%, auf der Basis des Gesamtgewichts
des dielektrischen Substrats. Wenn eine Faserbahn verwendet wird,
so kann die Dicke der dielektrischen Substratsschicht etwa 1 bis
etwa 120 mils (etwa 0,025 bis etwa 3,05 Millimeter) oder besonders
bevorzugt etwa 5 bis etwa 80 mils (etwa 0,13 bis etwa 2,03 mm) betragen.
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Das
Poly(arylenetherketon)-Harzsystem kann des Weiteren optional weitere
dem Fachmann bekannte Zusatzstoffe umfassen, zum Beispiel Antioxidanzien
und UV-Absorptionsstoffe. Da einer der signifikanten Vorteile der
Verwendung von PEEK sein Flammhemmvermögen ist, enthalten
in einer Ausführungsform die Zusammensetzungen keinen zugesetzten
Flammhemmer. In einer weiteren Ausführungsform enthalten
die Zusammensetzungen keinen bromierten oder chlorierten Flammhemmer.
Es ist dennoch in weiteren Ausführungsformen möglich,
nicht-halogenierte und/oder halogenierte Flammhemmer beizugeben,
zum Beispiel Ethylen-Bistetrabromphthalimid, Tetradecabromdiphenoxybenzen
und/oder Decabromdiphenoxyloxid.
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Die
dielektrischen Substratmaterialien können durch im Stand
der Technik bekannte Verfahren bearbeitet werden. Zum Beispiel werden
alle Komponenten (Harzkomponente(n) und optionale Zusatzstoffe)
in herkömmlichen Mischanlagen in schmelzflüssigem
Zustand gründlich vermischt. Das Mischen wird fortgesetzt, bis
Harze und Zusatzstoffe gleichmäßig in der gesamten
Zusammensetzung gleichmäßig verteilt sind. Das
Gemisch kann zu einem Film extrudiert werden. In einem beispielhaften
Prozess wird ein starres dielektrisches Substrat, das eine Faserbahn
umfasst, durch Anordnen der Bahn zwischen zwei Poly(arylenetherketon)-Harzfilmen
hergestellt und bei einer Temperatur und einem Druck und über
eine Zeit gepresst, die bzw. der ausreicht, um die Faserbahn mit
dem Harz zu infiltrieren. Geeignete Bedingungen für ein
solches Infiltrieren können durch einen Durchschnittsfachmann
mit der vorliegenden Anleitung problemlos und ohne übermäßiges Experimentieren
ermittelt werden und richten sich nach Faktoren wie zum Beispiel
der Erweichungs- oder Schmelztemperatur des Harzes und der Dicke
der Faserbahn. Beispielhafte Bedingungen sind etwa 300 bis etwa
400°C (), bevorzugt etwa 340 bis etwa 360°C (etwa
171 bis etwa 182°C), und etwa 100 bis etwa 1200 pounds
per square inch (psi) (etwa 0,689 bis etwa 8,27 Megapascal (MPa))
für bis zu etwa drei Stunden.
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Die
Schaltkreismaterialien werden am häufigsten in der Form
eines einzeln oder doppelt plattierten Laminats verwendet. Einzeln
oder doppelt plattierte Laminate können durch schichtweises
Anordnen des Dielektrikums und der entsprechenden Anzahl leitfähiger
Metallschichten und anschließendes Laminieren hergestellt werden.
Geeignete Bedingungen für das Laminieren können
durch einen Durchschnittsfachmann mit der vorliegenden Anleitung
problemlos und ohne übermäßiges Experimentieren
ermittelt werden und richten sich nach Faktoren wie zum Beispiel
der Erweichungs- oder Schmelztemperatur des Harzes und der Dicke
der Faserbahn, sofern vorhanden. Beispielhafte Bedingungen sind
etwa 300 bis etwa 400°C und etwa 100 bis etwa 1200 psi
(etwa 0,689 bis etwa 8,27 MPa) für bis etwa drei Stunden.
Eine oder beide leitfähige Schichten können zu
einem Schaltkreis geätzt werden.
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Zu
brauchbaren Metallen für die leitfähige Schicht
in Schaltkreislaminaten, strukturierte Schaltkreisschichten und
Schaltkreisbaugruppen gehören Edelstahl, Kupfer, Aluminium,
Zink, Eisen, Übergangsmetalle sowie Legierungen, die mindestens
eines der oben genannten Metalle umfassen, wobei Kupfer besonders
geeignet ist. Es gelten keine besonderen Einschränkungen
hinsichtlich der Dicke der leitfähigen Schicht, und es gelten
keine Einschränkungen hinsichtlich der Form, Größe
oder Beschaffenheit der Oberfläche der leitfähigen Schicht.
Bevorzugt hat jedoch die leitfähige Schicht eine Dicke
von etwa 1 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer, wobei etwa 9 Mikrometer
bis etwa 180 Mikrometer besonders brauchbar sind. Wenn zwei oder
mehr leitfähige Schichten vorhanden sind, so kann die Dicke
der zwei Schichten gleich oder verschieden sein.
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Leitfähige
Schichten aus Kupfer sind besonders geeignet. Die Kupferfolie kann
entweder durch Elektroabscheidung (ED) auf einer rotierenden Edelstahltrommel
aus einem Kupfersulfatbad oder durch Walzen massiver Kupferstäbe
hergestellt werden. Die leitfähige Kupferschicht kann oberflächenvergrößernd
behandelt werden, kann mit einem Stabilisator, zum Beispiel durch
Behandeln mit einem schmutzabweisenden Mittel, behandelt werden,
um ein Oxidieren der leitfähigen Schicht zu verhindern,
oder kann so behandelt werden, dass eine thermische Barriere gebildet
wird. Leitfähige Kupferschichten sowohl mit geringer als
auch mit starker Rauhigkeit, auf denen durch Behandeln mit Zink
oder einer Zinklegierung eine thermische Barriere errichtet wurde,
sind besonders geeignet und können des Weiteren optional
eine schmutzabweisende Schicht umfassen.
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Geeignete
leitfähige Kupferschichten (Folien) sind auf dem freien
Markt zum Beispiel bei Circuit Foil unter dem Handelsnamen TWS,
bei Oak-Mitsui unter den Handelsnamen MLS-TOC-500, SQ-VLP und MQ-VLP
und bei Furukawa Circuit Foils unter den Handelsnamen F2-WS und
FWL-WS zu beziehen.
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Die
einzeln oder doppelt plattierten Laminate werden für den
Bau von Schaltkreisbaugruppen in Kombination mit einem Bond-Ply
verwendet. Die Autoren der vorliegenden Erfindung haben festgestellt,
dass die Temperatur des Laminierungsschrittes unterhalb des Schmelzpunktes
des Poly(arylenetherketon)-Substratmaterials liegen sollte, damit
die Schichten einer Schaltkreisbaugruppe einander gut erfassen.
Gleichermaßen sollte der Schmelzpunkt eines thermoplastischen
Bond-Plys nicht über 370°C liegen.
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Es
ist des Weiteren vorteilhaft, wenn das Bond-Ply in der Lage ist,
den höheren Verarbeitungstemperaturen zu widerstehen, die
während der bleifreien Bauteilmontage auftreten. Eine übliche
Anforderung an ”bleifreies” Löten ist,
dass die Mehrschichtbaugruppe 10 Minuten bei einer Temperatur von
288°C ohne Delaminierung übersteht. Eine Materialeigenschaft,
die oft die Fähigkeit anzeigt, die 10 Minuten bei 288°C
zu überstehen, ist die ”Zersetzungstemperatur” Td. Die Zersetzungstemperatur wird unter Verwendung
eines thermogravimetrischen Analysators (TGA) gemessen. Das zu testende
Material wird in den TGA gelegt, und die Temperatur wird mit einer
Rate von 10°C/Minute erhöht. Die Td ist
als die Temperatur definiert, bei der der kumulative Gewichtsverlust
5% erreicht. Um den Delaminierungstest von 10 Minuten bei 288°C
zu überstehen, muss die Td höher
als etwa 290°C sein.
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Es
kann ein thermoplastisches oder ein duroplastisches Material als
Bond-Ply verwendet werden. Geeignete thermoplastische Bond-Plies
haben einen Schmelzpunkt zwischen 250°C und 370°C,
eine Zersetzungstemperatur von mehr als etwa 290°C und
einen Verlustfaktor von kleiner als 0,01 bei 10 GHz. Zu beispielhaften
thermoplastischen Materialien gehören Flüssigkristallpolymere,
Polyimide, PFA, FEP und PTFE.
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Flüssigkristall-Bond-Ply-Zusammensetzungen
umfassen Materialien, die zum Beispiel im
US-Patent Nr. 6,602,583 beschrieben
sind, das durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen
wird. Zu brauchbaren thermotropen Flüssigkristallpolymeren
gehören Polymere, die ein Segment eines Polymers umfassen,
das in der Lage ist, eine anisotrope schmelzflüssige Phase
als Teil einer Polymerkette des Polymers zu bilden, und ein Segment
eines Polymers umfasst, das nicht in der Lage ist, eine anisotrope
schmelzflüssige Phase als den Rest der Polymerkette zu
bilden, und auch ein Verbund aus mehreren thermotropen Flüssigkristallpolymeren.
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Zu
repräsentativen Beispielen der Monomere, die für
die Bildung des thermotropen Flüssigkristallpolymers brauchbar
sind, gehören: Verbindung a – eine aromatische
Dicarbonsäureverbindung, Verbindung b – eine aromatische
Hydroxycarbonsäureverbindung, Verbindung c – eine
aromatische Diolverbindung, Verbindung d – ein aromatisches
Dithiol d1, ein aromatisches Thiophenol d2 und eine aromatische
Thiolcarbonsäureverbindung d3, oder Verbindung e – eine
aromatische Hydroxyaminverbindung und eine aromatische Diaminverbindung.
Sie können mitunter allein verwendet werden, können
aber häufig in einer Kombination von Monomeren a und c;
a und d; a, b und c; a, b und e; a, b, c und e; oder dergleichen
verwendet werden.
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Zu
Beispielen der aromatischen Dicarbonsäureverbindung a gehören
aromatische Dicarbonsäuren, wie zum Beispiel Terephthalsäure,
4,4'-Diphenyldicarbonsäure, 4,4'-Triphenyldicarbonsäure,
2,6-Naphthalendicarbonsäure, 1,4-Naphthalendicarbonsäure,
2,7-Naphthalendicarbonsäure, Diphenylether-4,4'-dicarbonsäure,
Diphenoxyethan-4,4'- dicarbonsäure, Diphenoxybutan-4,4'-dicarbonsäure,
Diphenylethan-4,4'-dicarbonsäure, Isophthalsäure,
Diphenylether-3,3'-dicarbonsäure, Diphenoxyethan-3,3'-dicarbonsäure,
Diphenylethan-3,3'-dicarbonsäure und 1,6-Naphthalendicarbonsäure;
und Alkyl-, Alkoxy- und Halogen-substituierte Derivate der oben
genannten aromatischen Dicarbonsäuren, wie zum Beispiel
Chlorterephthalsäure, Dichlorterephthalsäure,
Bromterephthalsäure, Methylterephthalsäure, Dimethylterephthalsäure,
Ethylterephthalsäure, Methoxyterephthalsäure und
Ethoxyterephthalsäure.
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Zu
Beispielen der aromatischen Hydroxycarbonsäureverbindung
b gehören aromatische Hydroxycarbonsäuren, wie
zum Beispiel 4-Hydroxybenzoesäure, 3-Hydroxybenzoesäure,
6-Hydroxy-2-naphthoesäure und 6-Hydroxy-1-naphthoesäure;
und Alkyl-, Alkoxy- und Halogen-substituierte Derivate der aromatischen
Hydroxycarbonsäuren, wie zum Beispiel 3-Methyl-4-hydroxybenzoesäure,
3,5-Dimethyl-4-hydroxybenzoesäure, 6-Hydroxy-5-methyl-2-naphthoesäure,
6-Hydroxy-5-methoxy-2-naphthoesäure, 2-Chlor-4-hydroxybenzoesäure,
3-Chlor-4-hydroxybenzoesäure, 2,3-Dichlor-4-hydroxybenzoesäure,
3,5-Dichlor-4-hydroxybenzoesäure, 2,5-Dichlor-4-hydroxybenzoesäure,
3-Brom-4-hydroxybenzoesäure, 6-Hydroxy-5-chlor-2-naphthoesäure, 6-Hydroxy-7-chlor-2-naphthoesäure
und 6-Hydroxy-5,7-dichlor-2-naphthoesäure.
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Zu
Beispielen der aromatischen Diolverbindung c gehören aromatische
Diole, wie zum Beispiel 4,4'-Dihydroxydiphenyl, 3,3'-Dihydroxydiphenyl,
4,4'-Dihydroxytriphenyl, Hydrochinon, Resorcinol, 2,6-Naphthalendiol,
4,4'-Dihydroxydiphenylether, Bis-4-hydroxyphenoxyethan, 3,3'-Dihydroxydiphenylether,
1,6-Naphthalendiol, 2,2-Bis-4-hydroxyphenylpropan und Bis-4-hydroxyphenylmethan;
und Alkyl-, Alkoxy- und Halogen- substituierte Derivate der aromatischen
Diole, wie zum Beispiel Chlorydrochinon, Methylhydrochinon, t-Butylhydrochinon,
Phenylhydrochinon, Methoxyhydrochinon, Phenoxyhydrochinon, 4-Chlorresorcinol
und 4-Methylresorcinol.
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Zu
Beispielen des aromatischen Dithiols d1 gehören Benzen-1,4-dithiol,
Benzen-1,3-dithiol, 2,6-Naphthalen-dithiol und 2,7-Naphthalen-dithiol.
Zu Beispielen des aromatischen Thiophenols d2 gehören 4-Mercaptophenol,
3-Mercaptophenol und 6-Mercaptophenol. Zu Beispielen der aromatischen
Thiolcarbonsäure d3 gehören 4-Mercaptobenzoesäure,
3-Mercaptobenzoesäure, 6-Mercapto-2-naphthoesäure
und 7-Mercapto-2-naphthoesäure.
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Zu
Beispielen der aromatischen Hydroxyaminverbindung und der aromatischen
Diaminverbindung e gehören 4-Aminophenol, N-methyl-4-aminophenol,
1,4-Phenylendiamin, N-methyl-1,4-phenylendiamin, N,N'-dimethyl-1,4-phenylendiamin,
3-Aminophenol, 3-Methyl-4-aminophenol, 2-Chlor-4-aminophenol, 4-Amino-12-naphthol,
4-Amino-4'-hydroxydiphenyl, 4-Amino-4'-hydroxydiphenylether, 4-Amino-4'-hydroxydiphenylmethan,
4-Amino-4'-hydroxydiphenylsulfid, 4,4'-Diaminodiphenylsulfid-thiodianilin,
4,4'-Diaminodiphenylsulfon, 2,5-Diaminotoluen, 4,4'-Ethylendianilin,
4,4'-Diaminodiphenoxyethan, 4,4'-Diaminodiphenylmethanmethylendianilin
und 4,4'-Diaminodiphenylether-oxydianilin.
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Das
Molekulargewicht des thermotropen Flüssigkristallpolyesters
kann etwa 2.000 bis 200.000, bevorzugt 4.000 bis 100.000 betragen.
Die Messung des Molekulargewichts kann zum Beispiel entweder durch
Ermittlung der Endgruppen eines komprimierten Films des Polyesters
gemäß Infrarotspektroskopie oder durch Gelpermeationschromatografie
(GPC) erfolgen.
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Thermotrope
Flüssigkristallpolymere können entweder allein
oder in einem Gemisch aus mindestens zwei von ihnen verwendet werden.
Eine bevorzugte thermotrope Flüssigkris tallpolymerzusammensetzung
ist 2-Naphthalen-carbonsäure, 6-Acetyloxy-Polymer mit 4-Acetyloxy-benzoesäure.
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Im
Allgemeinen werden diese thermoplastischen Bond-Ply-Zusammensetzungen
folgendermaßen verarbeitet. Als Erstes werden alle Komponenten
(Bond-Ply-Harze und optionale Zusatzstoffe) gründlich in schmelzflüssigem
Zustand in herkömmlichen Mischanlagen vermischt. Die Mischtemperatur
wird so geregelt, dass eine wesentliche Zersetzung der Komponenten
vermieden wird. Das Mischen wird fortgesetzt, bis die Harze und
die Zusatzstoffe gleichmäßig in der gesamten Zusammensetzung
verteilt sind. Das schmelzflüssige Gemisch wird zu einer
Schicht mit der korrekten Dicke extrudiert und dann abgekühlt.
Brauchbare Bond-Plies, die ein Flüssigkristallpolymer umfassen,
sind auf dem freien Markt bei Rogers unter dem eingetragenen Handelsnamen
Ultralam 3908 zu beziehen. Zu weiteren thermoplastischen Bond-Ply-Materialien
gehören FEP-, PFA- oder PTFE-Fluorpolymere, die bei DuPont
zu beziehen sind.
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Geeignete
duroplastische Bond-Plies haben eine Zersetzungstemperatur von mehr
als etwa 290°C und einen Verlustfaktor (DF) von kleiner
als 0,01 bei 10 GHz gemäß Messung durch die X-Band-Streifenleitungsresonanztestverfahren
nach IPC TM-650 2.5.5.5c. Zu beispielhaften duroplastischen Bond-Ply-Materialien
gehören ein Polybutadien- und/oder Polyisoprenpolymer und
geschäumtes PTFE, das mit duroplastischem Material imprägniert
wurde.
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Geeignete
Polyisopren- und/oder Polybutadienpolymersysteme sind zum Beispiel
im
US-Patent Nr. 6,071,836 beschrieben,
das hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Im Sinne des vorliegenden Textes enthält der Begriff duroplastisches ”Polybutadien-
und/oder Polyisoprenharz” Homopolymere und Copolymere,
die Einheiten umfassen, die von Butadien, Isopren oder Gemischen
daraus abgeleitet sind. Einheiten, die von anderen copolymerisier baren
Monomeren abgeleitet sind, können ebenfalls in dem Harz,
zum Beispiel in Form von Aufpropfungen, vorhanden sein. Zu beispielhaften
copolymerisierbaren Monomeren gehören, ohne darauf beschränkt
zu sein, vinylaromatische Monomere, zum Beispiel substituierte und nichtsubstituierte
monovinylaromatische Monomere, wie zum Beispiel Styrol, 3-Methylstyrol,
3,5-Diethylstyrol, 4-n-propylstyrol, Alpha-methylstyrol, Alpha-methyl-vinyltoluen,
Para-hydroxystyrol, Para-methoxystyrol, Alpha-chlorstyrol, Alpha-bromstyrol,
Dichlorstyrol, Dibromstyrol, Tetrachlorstyrol; und substituierte
und nicht-substituierte divinylaromatische Monomere, wie zum Beispiel
Divinylbenzen und Divinyltoluen. Kombinationen, die mindestens eines
der oben genannten copolymerisierbaren Monomere umfassen, können
ebenfalls verwendet werden. Zu beispielhaften duroplastischen Polybutadien-
und/oder Polyisoprenharzen gehören, ohne darauf beschränkt
zu sein, Butadienhomopolymere, Isoprenhomopolymere, Butadien-vinylaromatische
Copolymere, wie zum Beispiel Butadien-styrol, und Isoprenvinylaromatische
Copolymere, wie zum Beispiel Isoprenstyrol-Copolymere.
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Die
duroplastischen Polybutadien- und/oder Polyisoprenharze in dem Bond-Ply-System
können auch modifiziert werden. Zum Beispiel können
die Harze Hydroxyl-terminiert, Methacrylat-terminiert oder Carboxylat-termierte
Harze sein. Es können nachreagierte Harze verwendet werden,
wie zum Beispiel Epoxid-, Maleinanhydrid- oder Urethanemodifizierte
Butadien- oder Isoprenharze. Die Harze können auch zum
Beispiel durch divinylaromatische Verbindungen, wie zum Beispiel
Divinylbenzen, vernetzt sein, zum Beispiel ein mit Divinylbenzen
vernetztes Polybutadien-styrol. Geeignete Harze sind durch ihre
Hersteller weithin als ”Polybutadiene” klassifiziert,
zum Beispiel durch die Nippon Soda Co., Tokio, Japan, und die Sartomer
Company Inc., Exton, Pennsylvania. Es können auch Harzgemische
verwendet werden, zum Beispiel ein Gemisch aus einem Polybutadienhomopolymer
und einem Poly(Butadien-Isopren)-Copolymer. Kombinationen, die ein
syndiotaktisches Polybutadien umfassen, können ebenfalls
brauchbar sein.
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Das
duroplastische Polybutadien- und/oder Polyisoprenharz in dem Bond-Ply-System
kann bei Raumtemperatur flüssig oder fest sein, wobei flüssige
Harze bevorzugt sind, um eine für die Verarbeitung geeignete Viskosität
herzustellen. Geeignete flüssige Harze können
ein zahlengemitteltes Molekulargewicht von größer als
etwa 5.000 aufweisen, haben aber allgemein ein zahlengemitteltes
Molekulargewicht von kleiner als etwa 5.000, oder besonders bevorzugt
etwa 1.000 bis etwa 3.000. Duroplastische Polybutadien- und/oder
Polyisoprenharze mit mindestens 90 Gewichts-% 1,2-Addition sind
bevorzugt, weil sie aufgrund der großen Zahl von Vinyl-Seitengruppen,
die für das Vernetzen zur Verfügung stehen, die
höchste Vernetzungsdichte beim Aushärten aufweisen.
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Das
Polybutadien- und/oder Polyisoprenharz ist in dem Bond-Ply-Harzsystem
in einer Menge bis etwa 60 Gewichts-% des gesamten Bond-Ply-Harzsystems
enthalten, besonders bevorzugt etwa 10 bis etwa 55 Gewichts-%, oder
ganz besonders bevorzugt etwa 15 bis etwa 45 Gewichts-%, auf der
Basis des gesamten Bond-Ply-Harzsystems.
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Es
können noch weitere Polymere, die zusammen mit den duroplastischen
Polybutadien- und/oder Polyisoprenharzen in dem Bond-Ply-System
aushärten können, beigegeben werden, um bestimmte
Veränderungen der Eigenschaften oder der Verarbeitung herbeizuführen.
Um zum Beispiel die Stabilität der dielektrischen Festigkeit
und die mechanischen Eigenschaften des elektrischen Substratmaterials
im zeitlichen Verlauf zu verbessern, kann ein Ethylenpropylenelastomer
mit niedrigerem Molekulargewicht in den Harzsystemen verwendet werden.
Ein Ethylenpropylenelastomer, wie es in der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, ist ein Copolymer, Terpolymer oder ein sonstiges Polymer,
das überwiegend Ethylen und Propylen umfasst. Ethylenpropylenelastomere
können des Weiteren als EPM-Copolymere (d. h. Copolymere
von Ethylen- und Propylenmonomeren) oder EPDM-Terpolymere (d. h.
Terpolymere von Ethylen-, Propylen- und Dienmonomeren) klassifiziert
werden. Insbesondere Ethylenpropylendien-Terpolymerkautschuksorten
weisen gesättigte Hauptketten auf, wobei abseits der Hauptkette
Ungesättigtheit für leichtes Vernetzen zur Verfügung
steht. Flüssige Ethylenpropylendien-Terpolymerkautschuksorten,
bei denen das Dien Dicyclopentadien ist, sind bevorzugt.
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Brauchbare
Molekulargewichte der Ethylenpropylenkautschuksorten sind kleiner
als ein viskositätsgemitteltes Molekulargewicht von 10.000.
Zu geeigneten Ethylenpropylenkautschuksorten gehören ein
Ethylenpropylenkautschuk mit einem viskositätsgemittelten
Molekulargewicht (MV) von etwa 7.200, das bei der Uniroyal Chemical
Co., Middlebury, Connecticut, unter dem Handelsnamen Trilene CP80
zu beziehen ist; ein flüssiger Ethylenpropylen-dicyclopentadien-Terpolymerkautschuk
mit einem Molekulargewicht von etwa 7.000, der bei der Uniroyal
Chemical Co. unter dem Handelsnamen Trilene 65 zu beziehen ist;
und ein flüssiges Ethylenpropylenethyliden-norbornen-Terpolymer
mit einem Molekulargewicht von etwa 7.500, das bei der Uniroyal Chemical
Co. unter dem Namen Trilene 67 zu beziehen ist.
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Der
Ethylenpropylenkautschuk ist bevorzugt in einer Menge vorhanden,
die geeignet ist, die Stabilität der Eigenschaften des
Bond-Plys im zeitlichen Verlauf beizubehalten, insbesondere die
dielektrische Festigkeit und die mechanischen Eigenschaften. In
der Regel betragen solche Mengen bis etwa 20 Gewichts-% mit Bezug
auf das Gesamtgewicht des Bond-Ply-Harzsystems, besonders bevorzugt
etwa 4 bis etwa 20 Gewichts-% und ganz besonders bevorzugt etwa
6 bis etwa 12 Gewichts-%.
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Ein
weiterer Typ eines mithärtbaren Polymers, das in dem Bond-Ply-System
verwendet werden kann, ist ein ungesättigtes Polybutadien-
oder Polyisopren-haltiges Elastomer. Diese Komponente kann ein ungeordnetes
oder Blockcopolymer von überwiegend 1,3-Addition-Butadien
oder -Isopren mit einem ethylenisch ungesättigten Monomer
sein, zum Beispiel eine vinylaromatische Verbindung, wie zum Beispiel
Styrol oder Alpha-methylstyrol, ein Acrylat oder Methacrylat, wie
zum Beispiel ein Methylmethacrylat oder Acrylnitril. Das Elastomer
ist bevorzugt ein festes, thermoplastisches Elastomer, das ein lineares
oder Aufpropf-Blockcopolymer mit einem Polybutadien- oder Polyisoprenblock
und einen thermoplastischen Block umfasst, der vorzugsweise von
einem monovinylaromatischen Monomer, wie zum Beispiel Styrol oder
Alpha-methylstyrol, abgeleitet ist. Zu geeigneten Blockcopolymeren
dieses Typs gehören Styrol-Butadien-Styrol-Triblockcopolymere,
zum Beispiel jene, die bei Dexco Polymers, Houston, Texas, unter
dem Handelsnamen Vector 8508M zu beziehen sind, oder jene, die bei
Enichem Elastomers America, Houston, Texas, unter dem Handelsnamen
Sol-T-6302 zu beziehen sind, und jene, die bei der Fina Oil and
Chemical Company, Dallas, Texas, unter dem Handelsnamen Finaprene
401 zu beziehen sind; Styrol-Butadien-Diblockcopolymere; und gemischte
Triblock- und Diblockcopolymere, die Styrol und Butadien enthalten,
zum Beispiel jene, die bei der Shell Chemical Corporation, Houston,
Texas, unter dem Handelsnamen Kraton D1118X zu beziehen sind. Kraton
D1118X ist ein gemischtes Diblock/Triblock-Styrol- und Butadien-haltiges
Copolymer mit 30 Vol.-% Styrol.
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Das
optionale Polybutadien- oder Polyisopren-haltige Elastomer in dem
Bond-Ply-System kann des Weiteren ein zweites Blockcopolymer ähnlich
dem umfassen, das oben beschrieben wurde, außer dass der Polybutadien-
oder Polyisoprenblock hydriert ist, wodurch ein Polyethylenblock (im
Fall von Polybutadien) oder ein Ethylen-Propylen-Copolymerblock
(im Fall von Polyisopren) gebildet wird. Bei Verwendung in Verbindung mit
dem oben beschriebenen Copolymer können Materialien mit
größerer Zähigkeit hergestellt werden.
Ein beispielhaftes zweites Blockcopolymer dieses Typs ist Kraton
GX1855 (auf dem freien Markt bei der Shell Chemical Corp. zu beziehen),
bei dem es sich vermutlich um ein Gemisch aus einem styrolreichen
1,2-Butadien-Styrol-Blockcopolymer und einem Styrol-(Ethylen-Propylen)-Styrol-Blockcopolymer
handelt.
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In
der Regel liegt die ungesättigte Polybutadien- oder Polyisopren-haltige
Elastomerkomponente in dem Bond-Ply-Harzsystem in einer Menge von
etwa 10 bis etwa 60 Gewichts-% mit Bezug auf das gesamte Bond-Ply-Harzsystem
vor, besonders bevorzugt etwa 20 bis etwa 50 Gewichts-%, oder ganz
besonders bevorzugt etwa 25 bis etwa 40 Gewichts-%.
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Freie
radikalisch härtbare Monomere können ebenfalls
hinzugefügt werden, um bestimmte Eigenschaften oder Verarbeitungsweisen
zu modifizieren, zum Beispiel um die Vernetzungsdichte des Bond-Ply-Harzsystems
nach dem Härten zu erhöhen. Zu beispielhaften
Monomeren, die geeignete Vernetzer sein können, gehören
zum Beispiel di-, tri- oder höher ethylenisch ungesättigte
Monomere, wie zum Beispiel Divinylbenzen, Triallylcyanurat, Diallylphthalat
und multifunktionale Acrylatmonomere, zum Beispiel Sartomerharze,
die bei der Arco Specialty Chemicals Co., Newtown Square, Pennsylvania,
zu beziehen sind, oder Kombinationen daraus, die alle auf dem freien
Markt erhältlich sind. Der Vernetzer, wenn er verwendet
wird, wird im Harzsystem in einer Menge von bis etwa 20 Vol.-%,
auf der Basis des Gesamtgewichts des Bond-Ply-Harzsystems, verwendet.
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Ein
Härter kann dem Bond-Ply-Harzsystem zugegeben werden, um
die Härtungsreaktion der Polyene, die olefinische reaktive
Stellen aufweisen, zu beschleunigen. Insbesondere sind brauchbare
Härter organische Peroxide, wie zum Beispiel Dicumylperoxid,
t-Butylperbenzoat, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexan, α,α-Di-bis(t-butylperoxy)diisopropylbenzen
und 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexyn-3, die alle auf dem freien
Markt erhältlich sind. Sie können allein oder
in Kombination verwendet werden. Typische Härtermengen liegen
im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 10 Gewichts-% der gesamten Bond-Ply-Harzzusammensetzung.
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Im
Allgemeinen werden duroplastische Bond-Ply-Zusammensetzungen folgendermaßen
verarbeitet. Zuerst werden alle Komponenten (Bond-Ply-Harze und
optionale Zusatzstoffe) in herkömmlichen Mischanlagen gründlich
zu einer Schlämme gemischt. Die Mischtemperatur wird so
geregelt, dass eine nennenswerte Zersetzung des Härtungsinitiators
vermieden wird. Das Mischen wird fortgesetzt, bis die Harze und
die Zusatzstoffe in der gesamten Zusammensetzung gleichmäßig
verteilt sind. Die Schlämme wird zu einer Schicht gegossen,
auf die korrekte Dicke dosiert, und dann wird das Lösemittel
entfernt (verdampft), um ein Prepreg zu bilden. Brauchbare Bond-Plies,
die ein Polybutadien- und/oder Polyisoprenpolymer umfassen, sind
auf dem freien Markt bei der Rogers Corporation unter den eingetragenen
Handelsnamen RO4450B, RO4450F und RO4430 zu beziehen.
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Sowohl
eine thermoplastische als auch eine duroplastische Bond-Ply-Zusammensetzung
kann optional des Weiteren Partikelfüllstoffe, wie oben
beschrieben, umfassen. Diese Füllstoffe können
allein oder in Kombination verwendet werden. In einer Ausführungsform
werden der Typ und die Menge an Füllstoff, zum Beispiel
amorphes Quarzglas, so gewählt, um eine Zusammensetzung
bereitzustellen, die eine sehr geringe Klebrigkeit aufweist und
darum problemlos durch die Arbeiter gehandhabt werden kann. Dieses
Merkmal einer niedrigen Klebrigkeit gestattet die Verwendung einer
herkömmlichen automatisierten Auflegeverarbeitung, einschließlich
Folienplattierung, mittels einer oder mehrerer bekannter Walzlaminiermaschinen.
Während das Bond-Ply unklebrig genug ist, um relativ einfach
von Hand gehandhabt werden zu können, ist es gleichzeitig klebrig
genug, um mittels einer Walzlaminiermaschine, zum Beispiel einer
Quetschwalze, bei Raumtemperatur an sich selbst geklebt werden zu
können. Die Bond-Ply-Zusammensetzung kann des Weiteren
optional Zusatzstoffe enthalten, wie zum Beispiel Antioxidanzien
und flammhemmende Zusatzstoffe, wie zum Beispiel bromhaltige Flammhemmer.
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In
einer Ausführungsform wird eine Schaltkreisbaugruppe gemäß der
Erfindung durch Bilden eines Stapels, der eine Bond-Ply-Schicht
umfasst, die zwischen einer oder mehreren einzeln oder doppelt plattierten Schaltkreislaminaten
angeordnet ist, sowie Laminieren des Mehrschichtstapels hergestellt.
Die Bond-Ply-Schicht kann aus einem oder mehreren Bond-Plies oder
Bond-Ply-Prepregs (d. h. Materialien, die mit anderen Materialien
vorimprägniert sind) gebildet werden. Gleichermaßen
kann die dielektrische Substratschicht aus einer oder mehreren dielektrischen
Substratschichten oder Prepregs gebildet werden. In den meisten
Fällen wird die leitfähige Schicht des einzeln
oder doppelt plattierten Schaltkreislaminats zu einem Schaltkreis
geätzt. Geeignete Bedingungen für die Laminierung
können durch einen Durchschnittsfachmann dank der im vorliegenden
Text gegebenen Anleitung problemlos und ohne unnötiges
Experimentieren ermittelt werden und richten sich nach Faktoren
wie zum Beispiel der Erweichungs- oder Schmelztemperatur des Harzes und
der Dicke des Substrats. Beispielhafte Bedingungen sind 150–320°C,
50–500 pounds per square inch (psi) (0,345–3,45
MPa) für bis etwa drei Stunden. Es können noch
weitere Schichten vorhanden sein, zum Beispiel weitere leitfähige
Schichten, Substrate und/oder Bond-Ply-Schichten, um eine Schaltkreisbaugruppe
zu bilden.
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Unter
Verwendung der oben beschriebenen Substrate können viele
verschiedene Mehrschichtschaltkreiskonfigurationen gebildet werden.
Eine beispielhafte Ausführungsform ist in 1 gezeigt,
wobei eine Schaltkreisbaugruppe 110 ein einzelnes plattiertes
Laminat 112, das eine dielektrische Schicht 114 und
eine leitfähige Schicht 116 umfasst, und ein doppelt
plattiertes Laminat 118 umfasst, das eine dielektrische
Schicht 120, eine leitfähige Schicht 122 und
eine Schaltkreisschicht 124 umfasst, wobei mindestens eine,
und bevorzugt beide, der dielektrischen Schichten 114, 120 ein
dielektrisches Poly(arylenetherketon)-Substratmaterial ist. Die
Bond-Ply-Schicht 126 ist ein thermoplastisches oder duroplastisches
Material, wie oben beschrieben. Eine oder beide der dielektrischen
Schichten 114, 120 können eine Gewebebahn
und/oder einen Partikelfüllstoff (nicht gezeigt) umfassen.
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Eine
weitere Ausführungsform einer Mehrschichtschaltkreisbaugruppe
ist bei 210 in 2 gezeigt. Die Baugruppe 210 umfasst
eine doppelt plattierte Schaltkreisschicht 212, die eine
leitfähige Schicht 214 und eine Schaltkreisschicht 216 umfasst,
die auf gegenüberliegenden Seiten einer dielektrischen
Substratschicht 218 angeordnet sind, und eine weitere doppelt
plattierte Schaltkreisschicht 222, die eine leitfähige
Schicht 224 und eine Schaltkreisschicht 226 umfasst,
die auf gegenüberliegenden Seiten einer dielektrischen
Substratschicht 228 angeordnet sind, wobei mindestens eine,
und vorzugsweise beide, der dielektrischen Schichten 218, 228 ein
dielektrisches Poly(arylenetherketon)-Substrat sind. Die Bond-Ply-Schicht 230 ist
ein thermoplastisches oder duroplastisches Material, wie oben beschrieben.
Eine oder beide der dielektrischen Schichten 218, 228 können
eine Gewebebahn und/oder einen Partikelfüllstoff (nicht
gezeigt) umfassen.
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Eine
oder beide der leitfähigen Schichten 214, 224 können
zu Schaltkreisen strukturiert sein (nicht gezeigt).
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3 zeigt
eine beispielhafte Schaltkreisbaugruppe 310 mit einem ersten
doppelt plattierten Schaltkreis 312, einem zweiten doppelt
plattierten Schaltkreis 332 und einem Bond-Ply 322.
Der doppelt plattierte Schaltkreis 312 umfasst ein dielektrisches
Substrat 314, das zwischen zwei leitfähigen Schaltkreisschichten 316, 318 angeordnet
ist. Der doppelt plattierte Schaltkreis 332 umfasst ein
dielektrisches Substrat 334, das zwischen zwei leitfähigen
Schaltkreisschichten 336, 338 angeordnet ist.
Mindestens eine, und bevorzugt beide, der dielektrischen Schichten 314, 334 sind
ein dielektrisches Poly(arylenetherketon)-Substrat. Jede dielektrische
Substratsschicht 314, 334 kann einen Partikelfüllstoff
und/oder eine Glasvliesverstärkung (nicht gezeigt) umfassen.
Zwei Deckschichten 340, 350 sind ebenfalls gezeigt.
Jede Deckschicht 340, 350 enthält eine leitfähige
Schicht 342, 352, die auf einer Bond-Ply-Schicht 344, 354 angeordnet
ist. Mindestens eine und bevorzugt alle der Bond-Ply-Schichten 322, 344, 354 umfassen
thermoplastischen oder duroplastischen Klebstoff, wie oben beschrieben.
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Die
Verwendung von PAEKs, wie im vorliegenden Text beschrieben, ist
vorteilhaft, weil PAEKs Halbkristall-Polymere mit einem hohen Schmelzpunkt
(etwa 300°C bis 381°C) und einer Dielektrizitätskonstante von
kleiner als 4 sind, die sich durch einen niedrigen Verlust in einer
Schaltkreisbaugruppe auszeichnen. PAEKs sind außerdem ohne
Zusatzstoffe flammhemmend gemäß UL 94 V-0 und
erfüllen die strengsten Definitionen ”grüner” (umweltfreundlicher)
Materialien. PAEKs lassen sich auch problemlos zu Dünnfilmen
extrudieren. Des Weiteren ist der Wärmeausdehnungskoeffizient
(CTE) der PAEK-Polymere niedrig genug, um eine gute CTE-Übereinstimmung
mit der Kupferfolienlaminatplattierung planar zu erreichen, indem
relativ geringe Mengen an mineralischem oder keramischem Füllstoff
beigegeben werden. Die planare CTE-Übereinstimmung ist
wichtig für die ”Abmessungsstabilität”,
wenn die Kupferfolie selektiv zu einer Schaltkreisschicht geätzt wird.
Somit weist das Material viele der Vorteile von Flüssigkristallpolymerlaminaten
auf, wie zum Beispiel Rogers Ultralam 3000, mit dem zusätzlichen
Vorteil eines höheren Schmelzpunktes.
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Der
höhere Schmelzpunkt des PAEK-Materials vergrößert
wesentlich das Prozessfenster beim Verbinden eines Mehrschichtschaltkreises
mit Hochtemperatur-Bond-Plies, wie zum Beispiel Teflon PFA oder
Ultralam 3908. Bei geeigneter Auswahl von thermoplastischen Bond-Plies
mit niedrigem dielektrischem Verlust und hohem Schmelzpunkt können
verlustarme Hochfrequenz-Mehrschichtschaltkreise, die die mit bleifreiem Löten
verbundenen Temperaturen überstehen, zuverlässig
unter Verwendung von kupferplattierten Laminaten auf der Basis von
PEEK-Polymer hergestellt werden.
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Die
oben beschrieben Schaltkreislaminate besitzen akzeptable dielektrische
Eigenschaften, das heißt, eine Dielektrizitätskonstante
von kleiner als etwa 4, bevorzugt kleiner als etwa 3,8, besonders
bevorzugt kleiner als etwa 3,6, und einen Verlustfaktor von kleiner
als etwa 0,015, besonders bevorzugt kleiner als etwa 0,010, ganz
besonders bevorzugt kleiner als etwa 0,008, jeweils über
1 bis 10 Gigahertz (GHz) gemessen.
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Außerdem
werden die Schaltkreislaminate gemäß Messung nach
UL-94 mit V-0 eingestuft (bei einer Brenndauer von etwa 1 Sekunde).
In einer konkreten Ausführungsform werden Schaltkreislaminate
sogar ohne Vorhandensein eines brom- oder chlorhaltigen Flammhemmerzusatzes
gemäß Messung nach UL-94 mit V-0 eingestuft (bei
einer Brenndauer von etwa 1 Sekunde). Dies ist ein signifikanter
Vorteil gegenüber derzeitigen Substraten mit niedriger
Dielektrizitätskonstante, die oft nicht flammhemmend sind
und darum mit bromhaltigen Zusatzstoffen verwendet werden, um eine
Einstufung nach UL 94 von V-0 zu erreichen. Aufgrund neuer Gesetze
zum Beispiel in Europa und in Japan besteht ein großes
Interesse am Verzicht auf Brom und Chlor bei der Herstellung von
Schaltkreisbaugruppen. Leider erfordert der Ersatz der bromhaltigen
Verbindungen durch andere flammhemmende Zusatzstoffe oft den Zusatz
großer Mengen an Zusatzstoffen, die sich negativ auf die
elektrischen Eigenschaften von Laminaten auswirken können,
die mit den Polymermaterialien hergestellt sind.
-
In
einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmeausdehnungskoeffizient
in der Z-Achse kleiner als etwa 60 ppm, besonders bevorzugt kleiner
als etwa 40 ppm.
-
Die
Erfindung wird durch die folgenden nichteinschränkenden
Beispiele weiter veranschaulicht.
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BEISPIELE
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Die
dielektrischen Substratmaterialien, die für die Herstellung
der folgenden Beispiele verwendet werden, enthalten ein mit 40 Gewichts-%
Talk gefülltes Polyetheretherketon (PEEK), das auf dem
freien Markt bei Victrex unter dem Handelsnamen Victrex® PEEKTM 450TL40 zu beziehen ist, und ein Polymer
auf Polybutadienbasis, das unter dem Handelsnamen RO4350B bei der
Rogers Corp. zu beziehen ist. Das Glastuch, das bei der Herstellung
der Laminate der Beispiele verwendet wird, ist Glasgewebetuch vom
Typ 1080/767, das auf dem freien Markt bei der Hexcel-Schwebel Corporation
zu beziehen. Die zur Herstellung der Laminate verwendeten Kupferfolien
hatten ein Gewicht von ½ ounce per square foot (oz./ft2) und wurden bei Mitsui Mining and Smelting
und bei Circuit Foils Luxembourg unter den Handelsnamen MQ-VLP bzw.
TWS bezogen. Es wurden zwei verschiedene Bond-Plies verwendet: ein
Bond-Ply auf Polybutadienbasis, das bei der Rogers Corp. unter dem
Handelsnamen RO4450B zu beziehen ist, und ein Flüssigkristallpolymer-Bond-Ply,
das – ebenfalls bei der Rogers Corp. – unter dem
Handelsnamen R/flex 3908 zu beziehen ist.
-
Die
Dielektrizitätskonstante (Dk) wurde gemäß dem
Testverfahren für eine geklemmte Streifenleitung nach IPC
TM-650 2.5.5.5.1 bei 10 GHz ermittelt.
-
Der
Verlustfaktor (Df) wurde gemäß dem Testverfahren
für eine geklemmte Streifenleitung nach IPC TM-650 2.5.5.5.1
bei 10 GHz ermittelt.
-
Der
Kupferhaftfestigkeitstest wurde gemäß Verfahren
A von IPC TM-650 2.4.9 durchgeführt. Es wurden eine Schiebeplattentestvorrichtung
und ein TMI-Tester verwendet. Die Kupferfolie wurde vor dem Test nicht
auf 1 Unze plattiert.
-
Die
prozentuale Wasseraufnahme wurde gemäß ASTM
D570 ermittelt.
-
Der
Lötbeständigkeitstest wurde durch Aufschwimmen
von 5,08 cm × 5,08 cm (2 Inch × 2 Inch) messenden
Stücken über eine ununterbrochene Dauer von 60
Sekunden bei jeder Temperatur durchgeführt. Die Beständigkeitstemperatur
wurde als die höchste Temperatur ermittelt, die jedes Prüfstück überstehen
konnte, ohne sichtbare Anzeichen von Blasenbildung, Delaminierung
oder Verziehen aufzuweisen.
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Die
Lötbadprüfung wurde gemäß IPC
TM-650 2.4.13 durchgeführt.
-
Der
Entflammbarkeits- und Flammwidrigkeitstest wird gemäß dem
Underwriter's Laboratory-Verfahren UL-94 durchgeführt.
Eine Flamme mit einem inneren Konus mit einer Höhe von
1,9 cm (3/4 Inch) wird so an jedes Prüfstück gehalten,
dass eine Distanz von 1,0 cm (3/8 Inch) das untere Ende des Prüfstücks
von der Basis der Flamme trennt. Die Flamme wird 10 Sekunden lang
in dieser Position gehalten und dann fortgenommen. Eine Brennzeit
T1 ist als die Zeit definiert, die es dauert, bis die von dem Prüfstück
abgehende Flamme verschwindet. Wenn das Brennen des Prüfstücks
innerhalb einer T1 von 30 Sekunden aufhört, so wird die Flamme
erneut für weitere 10 Sekunden angelegt, und eine zweite
Brennzeit T2 wird ermittelt. Um eine Einstufung von V-0 zu erhalten,
dürfen die einzelnen Brennzeiten aus dem ersten und dem
zweiten Anlegen der Flamme 10 Sekunden nicht übersteigen.
Die Gesamtdauer der Brennzeiten für jeweils fünf
Prüfstücke darf 50 Sekunden nicht übersteigen.
Abtropfende Partikel, die ein Stück Baumwollgaze entzünden,
das sich unter dem Prüfstück befindet, sind nicht
zulässig. Um eine Einstufung von V-1 zu erhalten, dürfen
die einzelnen Brennzeiten aus dem ersten und dem zweiten Anlegen
der Flamme 30 Sekunden nicht übersteigen. Die Gesamtdauer
der Brennzeiten für jeweils fünf Prüfstücke
darf 250 Sekunden nicht übersteigen. Abtropfende Partikel, die
ein Stück Baumwollgaze entzünden, das sich unter
dem Prüfstück befindet, sind nicht zulässig.
Eine Einstufung von F bezeichnet Entflammbarkeit.
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Beispiel 1.
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Ein
50,8 Mikrometer (2 mil) dicker ungefüllter PEEK-Film von
Ajedium Film Group, LLC (Newark, Delaware) wurde in schmelzflüssigem
Zustand auf 1/2 Oz wiegende MQ-VLP-Kupferfolie (Mitsui Mining and Smelting,
Japan) laminiert, um beidseitig kupferplattierte Laminate herzustellen.
Das Material wurde bei 350°C und 5,52 MPa (800 psi) 45
Minuten lang in einer ölbeheizten Vakuumpresse laminiert.
Einige Eigenschaften dieser Laminate sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Beispiel 2.
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Ein
50,8 Mikrometer (2 mil) dicker, mit 40 Gewichts-% Talk gefüllter
Polyetheretherketon-Film, Victrex
® PEEK
TM 450TL40, von Ajedium Film Group, LLC (Newark,
Delaware) wurde in schmelzflüssigem Zustand auf ½ Oz
wiegende MQ-VLP-Kupferfolie (Mitsui Mining and Smelting, Japan)
laminiert, um ein beidseitig kupferplattiertes Laminat herzustellen.
Das Material wurde bei 350°C und 5,52 MPa (800 psi) 45
Minuten lang in einer ölbeheizten Vakuumpresse laminiert.
Einige Eigenschaften dieses nicht-verstärkten PEEK-Laminats
sind in Tabelle 1 gezeigt. Wie in Tabelle 1 gezeigt, senkt der Zusatz
des Talkfüllstoffs den CTE und führt zu einer
signifikanten Verbesserung der Abmessungsstabilität. Tabelle 1.
Eigenschaft | Ungefülltes
PEEK-Laminat | Mit 40 Gewichts-%
Talk gefülltes PEEK-Laminat |
| MD | CMD | Z | MD | CMD | Z |
Mechanische
Eigenschaften |
Abmessungsstabilität
% (Verfahren B) | –0,45 | –0,84 | n.
z. | –0,20 | –0,24 | n.
z. |
Abmessungsstabilität
% (Verfahren C) | –0,37 | –0,83 | n.
z. | –0,20 | –0,30 | n.
z. |
Kupferablösefestigkeit,
N/cm (pli) | 7,70 (4,4) | 7,35 (4,2) |
Thermische
Eigenschaften |
CTE
(30°C bis 150°C), ppm/°C | 44,4 | 57,6 | 35,9 | 13,4 | 19,8 | 25,7 |
Lötbeständigkeit
(60s), °C | >330 | | | >365 | | |
Elektrische
Eigenschaften |
Spannungsdurchschlagsfestigkeit,
V/mil | 1887 | | | 2425 | | |
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Beispiel 3.
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Zwei
Lagen eines 50,8 Mikrometer (2 mil) dicken ungefüllten
PEEK-Films von Ajedium Film Group, LLC (Newark, Delaware) wurden
mit einer Lage Glastuch 1080/767 (Hexcel-Schwebel) in einer ölbeheizten Vakuumpresse
kombiniert, um einen schmelzlaminierten PEEK-Prepreg herzustellen.
Dieser Prepreg hatte eine Dicke von ungefähr 127 Mikrometern
(5 mil) und wurde bei 350°C und 5,52 MPa (800 psi) 60 Minuten lang
laminiert. Ein 50,8 Mikrometer (2 mil) dicker PTFE-Trennfilm wurde
auf jeder Seite des Prepregs verwendet, um zu verhindern, dass das
PEEK an den Edelstahl-Trennvorrichtungsplatten anhaftet.
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Beispiel 4.
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Die
Prepreg-Lagen von Beispiel 3 wurden zwischen zwei Lagen 1 Oz. wiegender
TWS-Kupferfolie (Circuit Foils Luxembourg) gestapelt, um mit ungefülltem
PEEK verstärkte, kupferplattierte Laminate herzustellen.
Diese Laminate wurden bei 350°C und 5,52 MPa (800 psi)
60 Minuten lang in einer elektrisch beheizten Presse gebondet. Die
Eigenschaften dieser PEEK-Laminate sind in Tabelle 2 gezeigt.
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Beispiel 5.
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Zwei
Lagen eines 50,8 Mikrometer (2 mil) dicken, mit 40 Gewichts-% Talk
gefüllten PEEK-Films von Ajedium Film Group, LLC (Newark,
Delaware) wurden mit eine Lage Glastuch 1080/767 (Hexcel-Schwebel)
in einer ölbeheizten Vakuumpresse kombiniert, um ein schmelzlaminiertes
PEEK-Prepreg herzustellen. Dieses Prepreg hatte eine Dicke von ungefähr
127 Mikrometer (5 mil) und wurde bei 350°C und 5,52 MPa
(800 psi) 60 Minuten lang laminiert. Ein 50,8 Mikrometer (2 mil)
dicker PTFE-Trennfilm wurde auf jeder Seite des Prepregs verwendet,
um zu verhindern, dass das PEEK an den Edelstahl-Trennvorrichtungsplatten
anhaftet.
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Beispiel 6.
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Die
Prepreg-Lagen von Beispiel 5 wurden zwischen zwei Lagen 1 Oz wiegender
TWS-Kupferfolie (Circuit Foils Luxembourg) gestapelt, um mit 40
Gewichts-% Talk gefülltem PEEK verstärkte, kupferplattierte
Laminate herzustellen. Diese Laminate wurden bei 350°C
und 5,52 MPa (800 psi) 60 Minuten lang in einer elektrisch beheizten
Presse gebondet. Die Eigenschaften dieser PEEK-Laminate sind in
Tabelle 2 gezeigt.
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Beispiel 7.
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Zwei
Lagen eines 50,8 Mikrometer (2 mil) dicken ungefüllten
OXPEKK SP-Films von Oxford Performance Materials (Enfield, Connecticut)
wurden mit einer Lage Glastuch 1080/767 (Hexcel-Schwebel) in einer ölbeheizten
Vakuumpresse kombiniert, um einen schmelzlaminierten PEEK-Prepreg
herzustellen. Dieser Prepreg hatte eine Dicke von ungefähr
127 Mikrometer (5 mil) und wurde bei 350°C und 5,52 MPa
(800 psi) 60 Minuten lang laminiert. Ein 50,8 Mikrometer (2 mil)
dicker PTFE-Trennfilm wurde auf jeder Seite des Prepregs verwendet,
um zu verhindern, dass das OXPEKK SP an den Edelstahl-Trennvorrichtungsplatten
anhaftet.
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Beispiel 8.
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Die
Prepreg-Lagen von Beispiel 7 wurden zwischen zwei Lagen 1 Oz. wiegender
TWS-Kupferfolie (Circuit Foils Luxembourg) gestapelt, um mit ungefülltem
OXPEKK SP verstärkte kupferplattierte Laminate herzustellen.
Diese Laminate wurden bei 350°C und 5,52 MPa (800 psi)
60 Minuten lang in einer elektrisch beheizten Presse gebondet. Die
Eigenschaften dieser verstärkten OXPEKK SP-Laminate sind
in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2.
| Kupferverbundsfestigkeit
bei 23°C, N/cm (pli) | Kupferverbundsfestigkeit
bei 200°C, N/cm (pli) | Dielektrizitätskonstante
bei 10 GHz | Verlustfaktor bei
10 GHz | 288°C/10
s/5x Lötbadprüfung |
Ungefülltes PEEK | 7,88
(4,5) | 6,13
(3,5) | 3,29 | 0,0035 | bestanden |
Mit
40 Gewichts-% Talk gefülltes PEEK | 8,76
(5,0) | 8,93
(5,1) | 3,59 | 0,0034 | bestanden |
Ungefülltes OXPEKK
SP | 9,11
(5,2) | 10,51
(6,0) | 3,44 | 0,0035 | bestanden |
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Beispiel 9.
-
Jedes
der Laminate der Beispiele 4, 6 und 8 wurde mit einem 4 mil (3,18
mm) dicken Prepreg RO4450B (Rogers Corporation, USA) kombiniert,
um drei verschiedene Mehrschichtleiterplatten herzustellen, wie
in 4 gezeigt. In 4 sind drei
geätzte, doppelt plattierte Schaltkreislaminate 410, 430 und 450 durch zwei
Bond-Ply-Schichten 420 und 440 getrennt. In den
Laminaten 410 und 450 wurde das Kupfer nur auf
einer Seite vollständig fortgeätzt, wodurch die
Kupferschichten 412, 452 zurück blieben.
Beim Laminat 430 wurde das Kupfer auf beiden Seiten vollständig
fortgeätzt. Die verbliebenen leitfähigen Kupferschichten
sind mit 460 und 480 bezeichnet. Die Bond-Ply-Schichten 420 und 440 bestehen
jeweils aus drei Lagen ROGERS RO4450B.
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Die
Strukturen wurden unter Verwendung des vom Hersteller empfohlenen
Laminierungszyklus' gebondet. Die verstärkten Mehrschichtschaltkreisbaugruppen
wiesen ausgezeichnete Hochtemperatureigenschaften auf (Tabelle 3). Tabelle 3.
| T260,
min | T288,
min | 288°C/10
s/5x Lötbadprüfung |
Ungefülltes
PEEK | >30 | >30 | bestanden |
Mit
40 Gewichts-% Talk gefülltes PEEK | >30 | >30 | bestanden |
Ungefülltes
OXPEKK SP | >30 | >30 | bestanden |
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Beispiel 10.
-
Jedes
der Laminate der Beispiele 4 und 6 wurde mit 50,8 Mikrometer (2
mil) dickem Bond-Ply Ultralam 3908 (Rogers Corporation, USA) gemäß dem
Schichtdiagramm von 5 kombiniert, um Mehrschichtleiterplatten
herzustellen. 5 zeigt fünf doppelt
plattierte Laminate (510, 520, 530, 540 und 550),
die im Wechsel mit vier Bond-Ply-Schichten (519, 529, 539 und 549)
gestapelt wurden. Die Schaltkreisbaugruppe weist insgesamt zehn
leitfähige Kupferschichten (512, 518, 522, 528, 532, 538, 542, 548, 552 und 558)
und fünf dielektrische Substratschichten (515, 525, 535, 545 und 555)
auf.
-
Die
Strukturen wurden unter Verwendung des vom Hersteller empfohlenen
Laminierungszyklus' gebondet. Die Mehrschichtleiterplattentestergebnisse
für das nicht-verstärkte ungefülltes
PEEK (Beispiel 4) und das nicht-verstärkte, mit 40 Gewichts-%
Talk gefüllte PEEK (Beispiel 6) waren im Wesentlichen die
gleichen und sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4.
Test | Ergebnisse |
288°C/10
s/5x Lötbadprüfung | Bestanden.
Keine Blasen, kein Verwinden oder Delaminieren |
Adhäsion
zwischen den Schichten | Kohäsionsversagen, >7,01 N/cm (4 pli) |
T288 | Übersteht >30 min |
Kontrolle
der Übereinstimmung | Ausgezeichnet.
Kein Harzfluss, keine Kernbewegung. |
-
Die
obigen Beispiele demonstrieren die überlegenen Eigenschaften
von PEEK-Schaltkreisbaugruppen, die sowohl mit duroplastischen als
auch mit thermoplastischen Bondungsschichten laminiert sind, wenn verlustarme
Hochtemperatur-Bond-Ply-Materialien verwendet werden.
-
Vergleichsbeispiele.
-
Verschiedene
technische Thermoplastharze wurden als Kernlaminatmaterialien bewertet.
Diese Harze wurden bei den jeweiligen Lieferanten bezogen und in
geformte Tafeln, uniaxiales Band oder Film umgearbeitet. Diese Produkte
wurden dann mit Glasgewebe 1080/767 kombiniert, um Prepregs herzustellen,
wie in den vorangegangenen Beispielen beschrieben. Diese Prepregs
wurden dann kombiniert, um Kerne und Mehrschichtplatten unter Verwendung
von Prepreg RO4450B als eine Bond-Ply-Schicht herzustellen. Die
entstandenen Laminat- und Mehrschicht-Eigenschaften sind in Tabelle
5 unten gezeigt. Ebenfalls gezeigt sind die Verarbeitungsbedingungen,
die für jedes Harz verwendet wurden. Alle Materialien wiesen
Schwachstellen bei einer oder mehreren entscheidenden Eigenschaften
auf.
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Aus
den Ergebnissen der Tabellen 5 und 6 ist zu ersehen, dass die Vergleichsbeispiele
11–14, 21, 23 und 24 allesamt nicht der Anforderung gerecht
wurden, eine Zeit bis zur Delaminierung bei 288°C (T288)
von länger als 30 Minuten zu überstehen. Die Vergleichsbeispiele
18 und 19 wiesen eine sehr niedrige Kupferablösefestigkeit
auf, während die Vergleichsbeispiele 20–22 einen
hohen Verlust aufweisen. Die Materialien auf PAEK-Basis hingegen
bestanden in jeder Hinsicht.
-
-
-
-
Die
Einzahlformen ”ein”, ”einer” und ”eine” enthalten
auch die Pluralbedeutung, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas
anderes verlangt. Die Endpunkte aller Bereiche, die dieselbe Eigenschaft
oder Komponente betreffen, sind unabhängig kombinierbar
und beinhalten den genannten Endpunkt. Alle Verweise sind durch
Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen. Im Sinne des vorliegenden
Textes und im gesamten Text beziehenen sich ”angeordnet”, ”kontaktiert” und
Varianten davon auf den vollständigen oder teilweisen physischen
Kontakt zwischen den jeweiligen Materialien, Substraten, Schichten,
Filmen und dergleichen. Des Weiteren bezeichnen die Begriffe ”erster”, ”zweiter” und
dergleichen im vorliegenden Text keine Reihenfolge, Menge oder Bedeutung,
sondern werden vielmehr verwendet, um ein Element von einem anderen
zu unterscheiden.
-
Obgleich
die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben wurde, leuchtet dem Fachmann ein, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können und dass Äquivalente
an die Stelle von Elementen der Erfindung treten können,
ohne vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem
können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine
bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der
Erfindung anzupassen, ohne vom wesentlichen Geltungsbereich der
Erfindung abzuweichen. Darum ist es beabsichtigt, dass die Erfindung
nicht auf die konkreten Ausführungsformen beschränkt
ist, die offenbaren, was derzeit als die beste Art der Ausführung
dieser Erfindung angesehen wird, sondern dass die Erfindung alle
Ausführungsformen enthält, die in den Geltungsbereich
der angehängten Ansprüche fallen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Eine
Schaltkreisbaugruppe umfasst zwei oder mehr Schaltkreislaminate,
die jeweils eine leitfähige Metallschicht umfassen, die
auf einer Poly(arylenetherketon)-Substratschicht angeordnet ist,
wobei mindestens eine der leitfähigen Metallschichten zu
einem Schaltkreis strukturiert wurde, und eine Bond-Ply-Schicht, die
ein thermoplastisches oder duroplastisches Material umfasst. Das
thermoplastische Bond-Ply weist einen Schmelzpunkt zwischen 250°C
und 370°C, eine Zersetzungstemperatur von mehr als etwa
290°C und einen Verlustfaktor von kleiner als 0,01 bei
10 GHz auf. Das duroplastische Bond-Ply weist einen Verlustfaktor
von kleiner als 0,01 bei 10 GHz und eine Zersetzungstemperatur von
mehr als etwa 290°C nach dem Laminieren auf. Verfahren
zum Herstellen der oben angesprochenen Schaltkreisbaugruppen sind
ebenfalls offenbart.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6602583 [0045]
- - US 6071836 [0056]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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