DE60012824T2

DE60012824T2 - Leiterplattenanordnung mit integriertem Verbundkern mit organischer Matrix

Info

Publication number: DE60012824T2
Application number: DE60012824T
Authority: DE
Inventors: Carl R. Cary Smith; Jeffrey R. Lake Zurich Madura; Jesse J. Park Ridge Kramer
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: EP1058490A2; US6207904B1; EP1058490B1; EP1058490A3; DE60012824D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Dieser Erfindung betrifft allgemein Leiterplatten (Platinen) mit einer Oberflächenanbringungs(surface mount) und Plattierungsdurchloch-Technologie, und insbesondere den Aufbau einer Leiterplatte, die mit einem integralen Kern gekoppelt ist, wobei der Plattenaufbau und der Kern integral (einstückig) miteinander an einer Vielzahl von Verbindungsstellen entlang des Übergangs davon verbunden sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aufbauten mit einer Leiterplatte sind allgemein aus einem Kern konstruiert, auf dem ein oder mehrere Schichten, die keramische Chips oder mit Zuleitungen versehene Komponenten tragen, auflaminiert sind. Diese Schaltung und die Chip-tragenden Schichten sind gewöhnlicherweise aus einer metallisierten (Kupferüberzug) polymerischen Konstruktion wie Polyamid gebildet und können oberhalb und unterhalb des Kernmaterials aufgestapelt werden. Ein Beispiel des Laminataufbaus einer Leiterplatte wird in der US-A-4,609,586 beschrieben, die eine Kernkonstruktion mit einer organischen Matrix aufweist, in der Graphitfasern angeordnet sind. Um einen effizienten Betrieb innerhalb des Aufbaus der Schaltungsplatte bereitzustellen, sollte sich der Kern in Bezug auf den Zugmodulus, die thermische Leitfähigkeit und die thermische Ausdehnung günstig verhalten.
Eine herkömmlichen Kernkonstruktion, die nun verwendet wird, ist ein Metallkern, der aus einer Schicht aus Molybdän hergestellt ist, wobei auf jeder Oberfläche davon eine jeweilige Schicht aus Kupfer gebildet ist. Während dieser Kupfer-Molybdän-Kupfer-Kern in Bezug auf Betrachtungen des Zugmodulus, der thermischen Leitfähigkeit und der thermischen Ausdehnung zufriedenstellend ist, kann das Gewicht dieses herkömmlichen Kerns ein wesentlicher Nachteil bei Anwendungen, die gegenüber den Gewicht empfindlich sind, sein. Im Gegensatz dazu muss natürlich irgendein Ersatzkernmaterial, dessen Attribute ein leichtes Gewicht einschließen, noch eine ausreichende Stärke, einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Wärmeansprechcharakteristiken aufweisen, um als Schaltungsplattenkonstruktion verwendbar zu sein.
Im Hinblick auf die oben beschriebenen Anforderungen ist ersichtlich, dass ein Bedarf für den Aufbau einer Leiterplatte besteht, die einen Kern aufweist, der hergestellt ist, um Gewichtsbeschränkungen zu erfüllen, während ein effizientes Schaltungsplattenbetriebsverhalten bereitgestellt wird. Demzufolge besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin einen Aufbau mit einer integrierten Leiterplatte mit einem Kern bereitzustellen, der einen hohen Zugmodulus, eine hohe thermische Leitfähigkeit, einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, und ein leichtes Gewicht aufweist, während sie kompatibel mit den Oberflächenanbringungs- und Plattierungsdurchloch-Technologie-Komponenten und entsprechenden Schaltungsanordnungen ist.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin einen Aufbau einer Leiterplatte bereitzustellen, dessen Kernkonstruktion eine organische Matrix einschließt, in der Graphitfasern auf Basis von Pech angeordnet sind.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung ergeben sich näher durch die Beschreibung davon, die nun folgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist ein Aufbau (eine Struktur) einer Leiterplatte, wie im Anspruch I beansprucht, mit wenigstens einer Chip-tragenden Schicht angrenzend zu einem Kern, der aus einer organischen Matrix hergestellt ist, in der Graphitfasern auf Basis von Pech angeordnet sind. Die Chip-tragende Schicht und der Kern weisen einen Übergang dazwischen auf und sind integral (bzw. einstückig) miteinander über Kontaktierungslöcher verbunden, die mit einem thermisch und elektrisch leitenden Material plattiert sind, um eine Vielzahl von Verbindungsstellen entlang dieses Übergangs bereitzustellen. Eine organische Matrix ist vorzugsweise auf einem Polymermaterial, wie Epoxydharz oder einem anderen geeigneten thermoaushärtendem Material, hergestellt. Ein Aufbau einer typischerweise bevorzugten gegenwärtigen Leiterplatte weist zwei Chip-tragende Schichten jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Kerns auf, wobei jede der Schichten und der Kern jeweilige Übergänge dazwischen aufweisen, wobei jede Schicht integral mit dem Kern an einer Vielzahl von Verbindungsstellen entlang der jeweiligen Übergänge (Schnittflächen) verbunden ist. Zusätzliche Schaltungsschichten können an diesen Schichten befestigt werden, was eine Schichtzwischenverbindung erlaubt, und/oder mit dem Kern gekoppelt werden, wodurch eine Schaltungsdichte eines Schaltungsplattenaufbaus erhöht wird. Der gegenwärtige Leiterplattenaufbau besitzt einen hohen Zugmodulus, geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten und ein leichtes Gewicht, um dadurch eine Vielseitigkeit bei der strukturellen Verwendung und Platzierung der Leiterplatte bereitzustellen. Wegen der Vielzahl von Verbindungsstellen entlang jeweiliger Übergänge des Kerns und der angrenzenden Schaltung und den Chip-tragenden Schichten tritt eine hervorragende thermische Leitfähigkeit von den Schichten zu dem Kern auf, da Wärme sich durch diese Verbindungsstellen bewegt, um einen extrem effizienten Wärmetransfer und eine abschließende Wärmeableitung von dem gesamten Leiterplattenaufbau zu bewirken. In dieser Weise werden reduzierte Betriebstemperaturen erreicht, um dadurch eine höhere Zuverlässigkeit, eine verbesserte dynamische Last, eine verbesserte thermische Ermüdungslebensdauer von Lötverbindungen, und eine Aufnahme von mehr Schaltungsanordnungen pro Einheitsfläche zu ergeben. Zusätzlich können. Gewichtseinsparungen von 40 % bis 60 % gegenüber gegenwärtigen Leiterplattenaufbauten realisiert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine illustrative gegenwärtige bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Seitenaufrissansicht eines herkömmlichen Leiterplattenaufbaus mit einem Kern, der aus Kupfer und Molybdän hergestellt ist.
2 eine schematische Darstellung einer Seitenaufrissansicht eines Leiterplattenaufbaus mit einem Kern, der aus einer Polymermatrix hergestellt ist, in der Graphitfasern auf Basis von Pech angeordnet sind, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
3 eine Tabelle, die Kernmaterial-Konstruktionskomponenten und Charakteristiken zeigen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bezugnehmend zunächst auf 1 ist ein typischer herkömmlicher Leiterplattenaufbau 10 gezeigt. Dieser Leiterplattenaufbau 10 ist mit einer herkömmilichen Kartenschiene 12 konfiguriert und auf jeder Seite eines Kerns 14 sind eine Vielzahl von Polyamid-Schaltungsschichten 16 positioniert, die Chipkomponenten 18 einschließen, wie in dem technischen Gebiet bekannt. Dieser herkömmliche Kern 14 weist eine Molybdän-Mittenschicht 20 mit jeweiligen Kupferschichten 22, 24, die oberhalb und unterhalb der Molybdän-Mittenschicht 20 angeordnet sind, auf. Wie voranstehend angegeben ist der Kupfer-Molybdän-Kupfer-Kern 14 allgemein zufriedenstellend in Bezug auf Betrachtungen des Zugmodulus, der thermischen Leitfähigkeit und der thermischen Ausdehnung, weist aber ein Gewicht auf, welches in Abhängigkeit von bestimmten Anwendungen höchst nachteilig sein kann. Plattierte Durchlöcher 15 sind mit einer Lochfüllung 17, die dort durch den Kern 14 angeordnet ist, gezeigt. Herkömmliche Blind-Kontaktierungslöcher (Vias) 19 sind gezeigt.
2 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der vorliegen Erfindung. Insbesondere und ähnlich wie die Konstruktion der 1, zeigt 2 einen Leiterplattenaufbau 30, der mit einer herkömmlichen Kartenschiene 12, einem neuartigen Kern 32 und Polyamid-Schaltungsschichten 16 mit Chip-Komponenten 18 konfiguriert ist. Der Kern 32 ist aus einer Epoxydharzmatrix 34 hergestellt, in der kontinuierliche Graphitfasern 36 auf Basis von Pech angeordnet sind, die im Wesentlichen unidirektional orientiert sind und allgemein gleichförmig überall in der Matrix 34 angeordnet sind. Ein Kern 32 dieser Konstruktion weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (coefficient of thermal expansion, CTE) zwischen ungefähr 0 und 5 ppm/° C auf und unterstützt den niedrigen CTE, der für die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen der Oberflächenanbringungstechnologie (Surface Mount Technology) benötigt wird. Die jeweiligen Chip-tragenden Schichten 16 und der Kern 32 der Ausführungsform der 2 weisen Übergänge 52 zwischen jenen auf und sind elektrisch miteinander (wie erforderlich) durch Kontaktierungslöcher 48 (Vias) verbunden, die sich zwischen den Schichten 16 und dem Kern 32 erstrecken und die mit einem thermisch leitenden Material 50 plattiert sind, um dadurch eine Vielzahl von Verbindungsstellen entlang dieses Übergangs bereitzustellen, um einen Wärmetransfer des Kerns 32 für eine Ableitung davon, wie voranstehend beschrieben, und zusätzlich an thermische Kontaktierungslöcher 50 aufzunehmen.
Betriebsmäßig weist die bevorzugte Ausführungsform 30 günstige Charakteristiken in Bezug auf einen hohen Zugmodulus, eine hohe thermische Leitfähigkeit, niedrige thermische Ausdehnungskoeffzienten und leichte Gewichte auf. Die auf Pech basierenden Graphitfasersegmente 36 des Kerns 32 stellen insbesondere einen extrem hohen Zugmodulus, eine hohe thermische Leitfähigkeit, eine geringe Dichte, und einen wählbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kerns 32 bereit, erhältlich durch Verändern des Faservolumens, der Fasergradation und der Faserorientierung während einer Kernherstellung. Die in 3 gezeigte Tabelle stellt nicht-beschränkt und beispielhaft eine Konstruktionsveränderbarkeit und Wählbarkeit dar, wobei die Fasergradations-Bezeichnungen Faserprodukte von Amoco Corporation, Chicago, Illinois, identifizieren. Wegen der Vielzahl und der Leitfähigkeit von Verbindungen entlang der jeweiligen Übergänge 52 stellt die vorliegende Erfindung eine neuartige Temperatursteuerung und Schaltungsdichte bereit, da jede Verbindung zu einem Wärmetransfer zu dem Kern 32 führt.
Während eine illustrative und gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung hier ausführlich beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, dass die erfinderischen Konzepte anders in verschiedener Weise verkörpert und verwendet werden können, und zwar innerhalb des Umfangs der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert wird.

Claims

Leiterplattenanordnung (30), umfassend wenigstens eine Chip-tragende Schicht (16) angrenzend zu einem Kern (32), wobei die Schicht und der Kern einen Übergang (52) dazwischen aufweisen, und wobei die Schicht (16) mit dem Kern (32) an einer Vielzahl von Kontaktierungslöchern (48), die jeweils mit einem thermisch und elektrisch leitenden Material plattiert sind und sich zwischen der Schicht und dem Kern erstrecken, verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (16) in einer direkten Wärmetransferverbindung mit dem Kern an der Vielzahl von Kontaktierungslöchern (48) ist, so dass ein direkter Pfad zum Ableiten von Wärme von der Chip-tragenden Schicht (16) an den Kern (32) hergestellt wird, und dass der Kern (32) aus einer organischen Matrix hergestellt ist, in der Graphitfasern auf Basis von Pech angeordnet sind.
Leiterplattenaufbau nach Anspruch 1, wobei die organische Matrix des Kerns (32) ein Polymermaterial ist.
Leiterplatteaufbau nach Anspruch 2, wobei die organische Matrix des Kerns (32) ein thermoaushärtendes Material ist.
Leiterplattenaufbau nach Anspruch 3, wobei die organische Matrix des Kerns (32) ein Epoxidharz ist.
Leiterplattenaufbau nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem zwei besagte Chip-tragende Schichten (16) und Übergänge (52) auf gegenüberliegenden Seiten des Kerns (32) vorhanden sind, wobei die Kontaktierungslöcher (48) sich zwischen den besagten Schichten (16) und ihren jeweiligen Übergängen durch den Kern (32) erstrecken.
Leiterplattenaufbau nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei wenigstens eine zusätzliche Chip-tragende Schicht (16) geschichtet an der wenigstens einen Chip-tragenden Schicht (16), die mit dem Kern verbunden ist, angebracht ist.
Leiterplattenaufbau nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem die organische Matrix kontinuierliche, im Wesentlichen unidirektional orientierte und gleichförmig angeordnete Graphitfasern auf Basis von Pech darin umfasst.