DE4102441A1 - Fluorpolymer-verbundmaterial mit keramischem fuellstoff - Google Patents

Fluorpolymer-verbundmaterial mit keramischem fuellstoff

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Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Fluorpolymer- Verbundmaterial. Insbesondere bezieht sich diese Erfin­ dung auf ein Fluorpolymer-Verbundmaterial, das sich besonders gut eignet für die Verwendung als Klebeschicht bei einer Mehrschicht-Leiterplatte und bei anderen Anwendungen, die ein gutes Fließvermögen, sowie gute thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften erfordern.
In der am 17. Februar 1987 eingereichten US-Patent­ anmeldung 0 15 191 wird ein mit einem keramischem Füll­ stoff versehenes elektrisches Substratmaterial auf Fluor­ polymer-Basis beschrieben, das von der Rogers Corporation unter dem Warenzeichen RO-2800 vertrieben wird. Dieses elektrische Substratmaterial besteht vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen, das mit Silika und einer kleinen Menge Mikroglasfaser gefüllt ist. Ein wichtiges Merkmal dieses Materials ist, daß der keramische Füllstoff (Silika) mit einem Silanüberzug versehen ist, der die Oberfläche der keramischen Partikel hydrophob macht und eine größere Zugfestigkeit, Abziehfestigkeit und Dimensionsstabilität bewirkt. Das Verbundmaterial der US-Patentanmeldung 0 15 191 enthält einen Füllstoffanteil von mindestens 50 Volumenprozent (auf hohlraumfreier Basis) bei Verwendung als Leiterplatten-Substrat oder Klebeschicht.
Das mit einem keramischen Füllstoff versehene elektrische Substratmaterial auf Fluorpolymerbasis der US-Patentanmeldung 0 15 191 ist gut geeignet für die Herstellung von Substratmaterialien für starre Leiter­ platten und weist gegenüber anderen Leiterplatten- Materialien bessere elektrische Eigenschaften auf. Außer­ dem haben der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient und die guten natürlichen Eigenschaften dieses elektrischen Substratmaterials eine größere Oberflächenbefestigungs­ und Lochplattierungs-Zuverlässigkeit zur Folge. Wie bekannt ist, können einzelne Folien aus diesem elektri­ schen Substratmaterial übereinander angeordnet werden, um eine Mehrschicht-Leiterplatte zu bilden. Dünnfilm- Formulierungen des in der US-Patentanmeldung 0 15 191 beschriebenen Materials (das von der Rogers Corporation unter dem Warenzeichen RO-2810 vertrieben wird) können in der Tat als Klebeschicht verwendet werden, um eine Vielzahl von übereinander angeordneten Substratschichten zusammenzukleben, wobei die Mehrschicht-Leiterplatte erhalten wird.
Hohe Volumenanteile (über 55 Volumenprozent) an keramischem Füllstoff haben einen sehr ungünstigen Ein­ fluß auf die rheologischen Eigenschaften (wie beispiels­ weise das Fließvermögen) des Fluorpolymer-Verbund­ materials. Dies ist besonders wichtig, wenn das Verbund­ material als Klebefilm oder zum Füllen von Öffnungen in zuvor starren Strukturen verwendet wird. Obwohl Anteile an keramischem Füllstoff von 50-55 Volumenprozent gegenüber höheren Füllstoff-Anteilen wesentlich bessere rheologische Eigenschaften ergeben, ist es notwendig, die Fließeigenschaften des Fluorpolymer-Verbundmaterials noch weiter zu verbessern, ohne jedoch die ausgezeich­ neten thermischen, mechanischen und elektrischen Eigen­ schaften wesentlich zu ändern.
Es wurde nun festgestellt, daß der Gehalt an keramischem Füllstoff des in der US-Patentanmeldung 0 15 191 beschriebenen Materials bis auf 45 Volumenprozent auf hohlraumfreier Basis vermindert werden kann, und dennoch aus reichende thermische, mechanische und elektri­ sche Eigenschaften erhalten werden, um das Material als Klebeschicht bei Mehrschicht-Leiterplatten, und als Füllmaterial für gewisse starre Strukturen zu verwenden. Dementsprechend bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Fluorpolymer, das 45-50 Volumenprozent eines mit einem Silan überzogenen keramischen Füllstoffs enthält.
Das mit einem keramischen Füllstoff versehene Fluorpolymer-Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung weist gegenüber dem Material der US-Patentanmeldung 0 15 191 bessere rheologische Eigenschaften auf, und zwar ohne eine übermäßige Zunahme des Wärmeausdehnungs­ koeffizienten in Z-Richtung, und es ist nützlich für die Anwendungen, die Zugangslöcher erfordern, in die das Harz hineinfließen muß.
Die obenerwähnten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet aufgrund der folgenden ausführlichen Beschreibung und der im Anhang beigefügten Zeichnungen ersichtlich und verständlich werden.
Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen:
Die Fig. 1A und 1B sind vertikale Schnitt­ ansichten einer mit Öffnungen versehenen starren Struktur vor bzw. nach dem Füllen dieser Öffnungen mit dem Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 2 ist eine vertikale Schnittansicht einer Mehrschicht-Leiterplatte, bei der das thermoplastische Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung als dünne Klebeschicht verwendet wird.
Das mit einem keramischen Füllstoff versehene Fluorpolymer-Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung entspricht im wesentlichen dem in der US-Patentanmeldung 0 15 191 beschriebenen Verbundmaterial, wobei der Unter­ schied darin besteht, daß der keramische Füllstoff, auf hohlraumfreier Basis, nur einen Anteil von 45 Volumen­ prozent ausmacht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Verbundmaterial einen Anteil von ungefähr 45 bis 50 Volumenprozent an einem partikel­ förmigen keramischen Füllstoff, und einen Anteil von ungefähr 50 bis 45 Volumenprozent an Fluorpolymer (beispielsweise PTFE) auf hohlraumfreier Basis auf. Der bevorzugte keramische Füllstoff ist amorphes Quarzpulver. Wie erwähnt, sind alle anderen Bestandteile und Herstel­ lungsverfahren (einschließlich des mit einem Silan über­ zogenen keramischen Füllstoffs) die gleichen wie in der US-Patentanmeldung 0 15 191. Daher wird hinsichtlich dieser Einzelheiten auf die US-Patentanmeldung 0 15 191 verwiesen.
Durch diese Verminderung des Füllstoffgehalts werden die rheologischen Eigenschaften des erfindungs­ gemäßen Materials in einem solchen Maße verbessert, daß es "fließt" und vergleichsweise große Öffnungen in dicken Metallfolien oder inneren Schichten der Leiterplatte aus­ füllt, die nicht mit einem der in der US-Patentanmeldung 0 15 191 beschriebenen Materialien mit hohem Füllstoff­ anteil (über 55 Volumenprozent) gefüllt werden können. Der einzige erforderliche Unterschied hinsichtlich der Zusammensetzung zwischen den Materialien der vorliegenden Erfindung und den in der US-Patentanmeldung 0 15 191 beschriebenen Materialien besteht darin, daß die Materialien der vorliegenden Erfindung einen geringeren Anteil an partikelförmigem keramischem Füllstoff und keine Mikroglasfaser enthalten. Um die Materialien der vorliegenden Erfindung herzustellen, kann entweder PTFE- Polymer in Dispersion mit dem keramischen Füllstoff "naß gemischt" werden und eine Koagulation hervorgerufen werden, oder es kann feines PTFE-Pulver mit dem kerami­ schen Füllstoff trocken gemischt werden.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, daß die rheologischen Eigenschaften verbessert werden, ohne daß der Wärmeausdehnungs­ koeffizient des Materials in Richtung der Z-Achse über­ mäßig zunimmt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient in Richtung der Z-Achse wurde bei der Formulierung mit 45-50 Volumenprozent Füllstoff gemessen und beträgt ungefähr 70 ppm/°C über den Temperaturbereich von -55 bis +125°C; dies ist nicht ungünstiger als bei dem häufig verwendeten Epoxy/Glas-Verbundlaminat FR4. Aus RO-2800-Laminat her­ gestellte Mehrschicht-Leiterplatten, die mit erfindungs­ gemäßen Klebeschichten zusammengeklebt wurden, weisen einen Gesamt-Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der wesentlich niedriger als bei einer FR4-Leiterplatte ist. Der niedrigere Wärmeausdehnungskoeffizient ist wichtig für die Erhöhung der Zuverlässigkeit von Lochplattierun­ gen bei zyklischer thermischer Beanspruchung.
Die vorliegende Erfindung vergrößert die Anzahl der Anwendungen, bei denen mit einem keramischen Füllstoff versehene PTFE-Verbundmaterialien zur Herstellung von zuverlässigen Leiterplatten verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nützlich zum Füllen von Öffnungen in bereits starren Strukturen, wie beispielsweise in geätzten CIC-Spannungs- oder Grund­ schichten und Haltekernen, oder in auf solchen Strukturen aufgeklebten Leiterbahnen.
In der Fig. 1A ist beispiels­ weise bei der Kennziffer 50 eine mit verschiedenen Öffnungen 52 versehene Struktur mit starrer Grundschicht im vertikalen Schnitt wiedergegeben. Die Folien 54, 56 der vorliegenden Erfindung (beispielsweise mit einem Anteil von 45 bis 50 Volumenprozent an keramischem Füll­ stoff) werden dann auf beiden Seiten der Grundschicht 50 aufgebracht. In der Fig. 1B wurde die Stapelanordnung 58 der Fig. 1A unter Wärme und Druck laminiert. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung hat ein gutes Fließvermögen, so daß die Öffnungen vollständig gefüllt werden, während sie außerdem ausgezeichnete thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften bietet.
Außerdem kann gemäß der Fig. 2 das erfindungs­ gemäße Verbundmaterial in seiner unverdichteten, ungesin­ terten Form zu einer Folie verarbeitet werden, die zum Kleben von Mehrschicht-Leiterplatten oder zum Herstellen von Leiterplatten durch Folienlaminierung verwendet werden kann. In der Fig. 2 ist eine solche Mehrschicht- Leiterplatte bei der allgemeinen Kennziffer 10 wieder­ gegeben. Die Mehrschicht-Leiterplatte 10 weist eine Viel­ zahl von Substratmaterial-Schichten 12, 14 und 16 auf, die alle aus einem elektrischen Substratmaterial bestehen, und zwar vorzugsweise dem mit einem keramischen Füllstoff versehenen Fluorpolymer-Verbundmaterial der US- Patentanmeldung 0 15 191, das unter dem Warenzeichen RO-2800 vertrieben wird. Auf die Substratschichten 12, 14 und 16 sind leitende Muster 18, 20, 22 und 24 auf­ gebracht. Dabei ist anzumerken, daß eine Substratschicht, auf die ein Leiterbahn-Muster aufgebracht ist, ein Leiterbahn-Substrat darstellt. Die durchkontaktierten Bohrungen 26 und 28 verbinden ausgewählte Leiterbahn- Muster in bekannter Weise.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden getrennte Folien 30 und 32 aus Substratmaterial mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung als Klebeschicht ver­ wendet, um einzelne Leiterbahn-Substrate zusammen­ zukleben. Bei einer bevorzugten Methode zum Herstellen eines solchen Laminats werden Leiterbahn-Substrate mit dazwischen angeordneten Klebeschichten übereinander gestapelt. Diese Stapelanordnung wird dann miteinander verschmolzen, wobei ein homogener Aufbau mit gleich­ mäßigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften erhalten wird. Dabei ist unbedingt anzumerken, daß die Klebeschichten 30 und 32 verwendet werden können, um Leiterbahn-Substrate zu laminieren, die aus anderen Materialien als dem mit einem silanbeschichteten keramischen Füllstoff versehenen Fluorpolymer der US- Patentanmeldung 0 15 191 besteht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Mehrschicht-Leiterplatte jedoch Leiterbahn-Substrate auf, die alle aus dem elektrischen Substratmaterial der US-Patentanmeldung 0 15 191 bestehen.
Die vorliegende Erfindung wird aufgrund des folgen­ den Beispiels, das jedoch keine Begrenzung darstellt, besser verständlich werden.
Es wurden Folien von 0,125 mm, 0,175 mm und 0,225 mm Dicke aus keramischen PTFE-Verbundmaterial mit 45 bis 65 Volumenprozent keramischem Füllstoff (auf hohlraumfreier Basis) hergestellt. Um die rheologischen Eigenschaften dieser Materialien zu bestimmen, wurden die Folien mit zwei 0,79 mm dicken Kupferplatten mit identischen Zugangsloch-Mustern von 0,76 bis 3 mm Durchmesser unter einem Laminierdruck von 117·105 Pa laminiert. Die auf laminierten Kupferplatten wurden dann durchgeschnitten, und die gefüllten Löcher wurden unter dem Mikroskop betrachtet. Die Verbundmaterialien mit mehr als 60 Volumenprozent keramischem Füllstoff (auf hohl­ raumfreier Basis) waren nicht genügend geflossen, um die Zugangslöcher zu füllen. Das Verbundmaterial mit 55 Volumenprozent keramischem Füllstoff füllte die Löcher von kleinem Durchmesser, aber nicht die Löcher mit einem Durchmesser über 1,27 mm. Die Verbundmaterialien mit 45 und 50 Volumenprozent keramischem Füllstoff ergaben eine gute Füllung der Zugangsöffnungen, während bei einem höheren Anteil an keramischem Füllstoff die Löcher nicht ausreichend gefüllt wurden.

Claims (20)

1. Elektrisches Substrat-Material, aus
  • - Fluorpolymer-Material;
  • - keramischem Füllstoff, wobei dieser keramische Füllstoff ungefähr 45 bis 50 Volumenprozent des gesamten Substratmaterials ausmacht und mit einem Silanüberzug versehen ist.
2. Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens eine Schicht aus leitendem Material auf mindestens einen Teil des besagten elektrischen Substratmaterials aufgebracht ist.
3. Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das besagte Fluorpolymer-Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polytetrafluoräthylen, Hexafluor­ propen, Tetrafluoräthylen und Perfluoralkylvinyläther besteht.
4. Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der besagte keramische Füllstoff aus Silika besteht.
5. Material gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die besagte Silika aus amorphem Quarzpulver besteht.
6. Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Silan für den besagten Silanüberzug aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus P-Chlormethylphenyltri­ methoxysilan, Aminoäthylaminotrimethoxysilan, und einem Gemisch aus Phenyltrimethoxysilan und Aminoäthylamino­ propyltrimethoxysilan besteht.
7. Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der keramische Füllstoff in Form von Partikeln vorliegt, deren mittlere Größe zwischen ungefähr 10 und 15 pm liegt.
8. Mehrschicht-Leiterplatte mit mindestens einer ersten Leiterplatten-Schicht und einer zweiten Leiter­ plattenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem aufweist:
  • - eine Klebeschicht, die zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatten-Schicht angeordnet ist, wobei diese Klebeschicht besteht aus
  • - Fluorpolymer-Material;
  • - keramischem Füllstoff, wobei dieser keramische Füllstoff ungefähr 45 bis 50 Volumenprozent der gesamten Klebeschicht ausmacht und mit einem Silanüberzug versehen ist.
9. Mehrschicht-Leiterplatte gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein durch­ kontaktiertes Loch aufweist.
10. Mehrschicht-Leiterplatte gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorpolymer-Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Polytetrafluor­ äthylen, Hexafluorpropen, Tetrafluoräthylen und Perfluor­ alkylvinyläther besteht.
11. Mehrschicht-Leiterplatte gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte keramische Füllstoff aus Silika besteht.
12. Mehrschicht-Leiterplatte gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Silika aus amorphem Quarzpulver besteht.
13. Mehrschicht-Leiterplatte gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Silan für den besagten Silanüberzug aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus P-Chlormethylphenyltrlmethoxysilan, Aminoäthylamino­ trimethoxysilan, und einem Gemisch aus Phenyltrimethoxy­ silan und Aminoäthylaminopropyltrimethoxysilan besteht.
14. Mehrschicht-Leiterplatte gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte keramische Füll­ stoff in Form von Partikeln vorliegt, deren mittlere Größe zwischen ungefähr 10 und 15 pm liegt.
15. Elektrisches Substrat-Material, aus
  • - einem starren Substrat, wobei dieses starre Substrat eine oder mehrere Öffnung aufweist, die sich mindestens teilweise durch dieses starre Substrat erstrecken;
  • - einem Verbundmaterial, das in diesen Öffnungen angeordnet ist, wobei dieses Verbundmaterial besteht aus
  • - Fluorpolymer-Material;
  • - keramischem Füllstoff, wobei dieser keramische Füllstoff mindestens ungefähr 45 bis 50 Volumenprozent des gesamten Verbundmaterials ausmacht und mit einem Silanüberzug versehen ist.
16. Material gemäß Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das besagte Fluorpolymer-Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polytetrafluoräthylen, Hexafluorpropen, Tetrafluoräthylen und Perfluoralkyl­ vinyläther besteht.
17. Material gemäß Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der besagte keramische Füllstoff aus Silika besteht.
18. Material gemäß Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die besagte Silika aus amorphem Quarzpulver besteht.
19. Material gemäß Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Silan für den besagten Silanüberzug aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus P-Chlormethylphenyl­ trimethoxysilan, Aminoäthylaminotrimethoxysilan, und einem Gemisch aus Phenyltrimethoxysilan und Aminoäthyl­ aminopropyltrimethoxysilan besteht.
20. Material gemäß Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der besagte keramische Füllstoff in Form von Partikeln vorliegt, deren mittlere Größe zwischen ungefähr 10 und 15 µm liegt.
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