DE60126832T2 - Leichte leiterplatte mit leitungsmaterial enthaltenden kernen - Google Patents

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    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T442/00Fabric [woven, knitted, or nonwoven textile or cloth, etc.]
    • Y10T442/20Coated or impregnated woven, knit, or nonwoven fabric which is not [a] associated with another preformed layer or fiber layer or, [b] with respect to woven and knit, characterized, respectively, by a particular or differential weave or knit, wherein the coating or impregnation is neither a foamed material nor a free metal or alloy layer
    • Y10T442/2418Coating or impregnation increases electrical conductivity or anti-static quality

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Mehrschicht-Leiterplatten oder PWBs ('printed wiring boards') werden für die Montage integrierter Schaltungen (ICs) und anderer Bauteile verwendet. Der Zwang zur Verringerung der Größe und des Gewichts von Schaltungen und zum Arbeiten bei höheren Frequenzen und Taktgeschwindigkeiten hat zu kleineren Bauteilen geführt, die mehr Wärme erzeugen und auf der PWB enger aneinander angeordnet sind. Weitere Verbesserungen hinsichtlich Größe und Geschwindigkeit konnten auch durch Verringerung der Standfläche der Bauteile durch Verwendung von lotfreien Chipsockeln erreicht werden.
  • Die größere Bauteildichte auf den PWBs und heißere Bauteile führten zu Problemen des thermischen Managements. Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten („WAK") zwischen den PWBs und den Bauteilen wird bedeutender, wenn größere Temperaturen erzeugt werden. Eine WAK-Fehlanpassung zwischen den PWBs und den Bauteilen kann zu Bruch oder Ermüdung während der thermischen Zyklen führen, die durch das Ein- und Ausschalten elektronischer Einrichtungen hervorgerufen werden. Lotlose Chipsockel sind besonders anfällig gegen ein Loslösen von der PWB bei WAK-Fehlanpassungen. Lötstellen und Verbindungen neigen dazu, bei dem durch die WAK-Fehlanpassung hervorgerufenen „Tauziehen" aufzugehen.
  • Bisherige PWB-Konstruktionen verwenden metallische Versteifungsschichten oder -kerne, wie Kupfer-Invar-Kupfer, Aluminium oder Stahl, um den WAK der Platte zu verringern. Allerdings tragen diese Materialen unerwünschtes Gewicht bei. US-Patent 4,318,954 (Jensen) gibt ein Beispiel einer PWB-Konstruktion zur Verwendung in Umgebungen mit thermischen Zyklen, die Versteifungslagen auf leichter Kohlenstoffbasis verwendet, um die WAK der Platte zu erniedrigen. US-Patent 4,591,659 (Leibowitz) zeigt auch, dass Kohlenstoffversteifungsschichten als thermische Leiter dienen können, um Wärme von den auf der PWB montierten Bauteilen abzuführen, zusätzlich zur Verringerung der WAK der Platten. US-Patent 4,138,954 (Jensen) und US-Patent 4,591,659 (Leibowitz) werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.
  • Die Fähigkeit früherer PWBs, Wärme von den auf ihren Oberflächen montierten Bauteilen wegzuleiten, wird durch das Prepreg begrenzt, das dazu dient, eine elektrische Leitung zwischen den Funktionsschichten der PWB zu verhindern. Die in Prepregs verwendeten Materialien besitzen schlechte thermische Leitfähigkeit. Die Fähigkeit der versteifenden Kohlenstoffschicht, Wärme von der Oberfläche der Leiterplatte abzuführen, war daher durch die Menge des Prepregs zwischen ihr und der Oberfläche der Leiterplatte begrenzt. Das in den versteifenden Kohlenstoffschichten verwendete Kohlenstoffmaterial ist elektrisch leitfähig, was bei den bisherigen Konstruktionen erforderte, dass die Funktionsschichten der PWB von den versteifenden Kohlenstoffschichten elektrisch isoliert waren, um Kurzschlüsse und Übersprechen zu vermeiden. Bei früheren Konstruktionen ergibt diese Bedingung eine untere Grenze für die Abstand zwischen den versteifenden Kohlenstoffschichten und der Oberfläche der Leiterplatte entsprechend einer minimalen Menge von Prepreg, die benötigt wird, um die Funktionsschichten der Leiterplatte voneinander und von den versteifenden Kohlenstoffschichten zu isolieren. Diese untere Grenze lässt sich in eine obere Grenze bezüglich der von der Oberfläche der PWB ableitbaren Wärmemenge umsetzen. Dem entsprechend bestand ein Bedürfnis für eine PWB, welche eine mechanische Festigkeit mit einem geringen WAK besitzt und welche die den bisherigen Konstruktionen inhärente obere Grenze der von der Oberfläche der PWB ableitbaren Wärme übersteigt.
  • In US 4,951,659 ist eine Leiterplatte mit zwei Schichten aus mit Harz imprägniertem Graphit gezeigt, zwischen welchen verschiedene Schichten aus dielektrischen Material und Kupfer vorhanden sind.
  • US 5,004,639 offenbart elektrische Prepreg-Schichten und zwischen diesen andere Schichten einschließlich Schaltungen in einer zentralen steifen Schicht und Klebe- und dielektrische Lagen.
  • WO 95/02505 zeigt ein thermisch leitfähiges Zwischenlagenmaterial, gebildet aus einem Polymerbinder, einem oder mehreren thermisch leitenden Füllstoffen und einer ausgedehnten metallischen Gitterlage, die zumindest teilweise in eine der Hauptoberflächen des Binders eingebettet ist. Weitere Laminatstrukturen sind in EP 0 313 961 A2 und WO 97/17199 geoffenbart.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In einer Hinsicht betrifft die Erfindung eine Konstruktion und Verfahrensweise, in welcher eine thermisch leitende Schicht in einer PWB oder einem Abschnitt davon vorgesehen ist. Beispielsweise kann die Erfindung eine Prepreg-Schicht aus einem Ersatzstoff, der mit einem thermisch leitenden Harz imprägniert und gegebenenfalls auch elektrisch leitend ist, beinhalten. Aus einer solchen Prepreg-Schicht kann ein Laminat gebildet sein, wobei das Laminat eine erste und eine zweite Metallschicht oberhalb bzw. unterhalb des Prepregs besitzt. Alternativ kann das Laminat selbst thermisch und/oder elektrisch leitend sein, wodurch es in Hochleistungsleiterplatten verwendet werden kann.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine halbschematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen PWB mit einem elektrisch und thermisch leitenden Laminat,
  • 2A ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer PWB gemäß der Erfindung darstellt,
  • 2B ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Imprägnieren eines Substrates mit Harz gemäß der Erfindung darstellt,
  • 3 ist eine halbschematische Querschnittsansicht eines Laminats, worin vier Schichten von gleichlaufenden (unidirektionalen) Kohlenstofffasern aufgenommen sind,
  • 4 ist eine halbschematische Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Laminats, worin vier Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern aufgenommen sind,
  • 5 ist eine halbschematische Querschnittsansicht eines Laminats, worin drei Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern aufgenommen sind,
  • 6 ist eine halbschematische Querschnittsansicht eines Laminats, worin vier Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern in einer isotropen Konfiguration aufgenommen sind,
  • 7 ist eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung, die ein Prepreg-Schichten enthaltendes Laminat beinhaltet,
  • 8 ist eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung, das ein elekrisch und thermisch leitendes Laminat mit einer Glasfaserschicht, die mit elektrisch und thermisch leitendem Harz imprägniert ist, beinhaltet,
  • 9 ist eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung, das ein elektrisch und thermisch leitendes Laminat mit einer Glasfaserschicht beinhaltet, die mit in Prepreg-Schichten enthaltenes elektrisch und thermisch leitendem Harz imprägniert ist,
  • 10 ist eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung, das zwei elektrisch und thermisch leitender Laminate und eine Anzahl von Schlotbohrungen und durchkontaktierten Bohrungen beinhaltet,
  • 11A ist ein Flussdiagramm, welches einen Herstellungsprozess einer PWB gemäß der Erfindung einschließlich mehreren elektrisch und thermisch leitenden Laminaten, Schlotbohrungen und durchkontaktieren Bohrungen darstellt,
  • 11B ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Bestimmung von Orten darstellt, an denen Schlotbohrungen in eine PWB gebohrt werden sollen,
  • 11C ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Bestimmung von Orten darstellt, an denen während der Herstellung einer PWB gemäß der Erfindung gefüllte Freistellbohrungen in elektrisch und thermisch leitenden Laminaten gebohrt werden sollten, und
  • 12 ist eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung, das zwei elektrisch und thermisch leitender Laminate und eine elektrisch isolierte Kohlenstoff-Stützlage beinhaltet.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 eine Leichtgewicht-Mehrschicht-PWB gemäß der Erfindung. Die PWB 10 beinhaltet ein Laminat 12 mit einer Kohlenstoffenthaltenden Schicht 14, die zwischen einer ersten Schicht 16 aus Metall oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material und einer zweiten Schicht 18 aus Metall oder einem anderen elektrisch leitfähigem Material eingebettet ist. Das Laminat ist zwischen einer ersten Prepreg-Schicht 20 und einer zweiten Prepreg-Schicht 22 eingebettet. Die oberste Schicht der PWB ist aus einer dritten Schicht 24 aus Metall oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material erzeugt. Die unterste Schicht 26 der PWB ist unter Verwendung einer vierten Schicht aus Metall oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material erzeugt. Wie unterstehend erläutert, können die elektrisch leitfähigen Schichten 16, 18, 24 und 26 und die entsprechenden Schichten der anderen hier beschriebenen Ausführungsformen aus Metall oder jeder anderen Varietät von Metall-enthaltenden Zusammensetzungen mit geeigneten Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit bestehen. Der Bequemlichkeit halber jedoch werden diese Schichten hier oft einfach als „Metall"-Schichten bezeichnet.
  • Das Laminat 12 ist elektrisch leitend, was die Verwendung des Laminats als Masse-Ebene in der PWB gestattet, als Stromversorgungsebene in einer PWB oder sowohl Masse- als auch Versorgungsebene in der PWB, wobei Routing zum elektrischen Isolieren von Bereichen des Laminats verwendet wird. Die Verwendung des Laminats 12 in einer PWB führt dazu, dass die PWB dünner ist und geringeres Gewicht hat als frühere PWB-Konstruktionen, die elekt risch isolierte Kohlenstoff-enthaltende Schichten zur Verringerung des WAK einsetzen. Die Verringerung der Dicke der PWB 10 ermöglicht es auch, dass die Kohlenstoff-enthaltenden Schichten 14 näher zur Oberfläche der Platte gelegen sind als in PWBs, die elektrisch isolierte Kohlenstoffversteifungsschichten einsetzen. Ein Vorteil dieser Konfiguration ist, dass es der PWB im Vergleich zu früheren Konstruktionen ein verbessertes Vermögen, Wärme von seiner Oberfläche wegzuleiten, verleiht. Ein anderer Vorteil dieser Konfiguration ist, dass es für geringen Oberflächen-WAK sorgt, was in Anwendungen wie z.B. Halbleiter-Anwendungen von Bedeutung ist.
  • Ein Prepreg ist eine Verbundschicht, die ein Substrat oder Stützmaterial beinhaltet, das aus mit Harz imprägniertem Fasermaterial besteht. Ein Prepreg kann auch ein Film sein. Ein Film ist eine Sorte Prepreg, das kein Substrat enthält, sondern stattdessen ein nur Harze beinhaltender Verbundwerkstoff ist. Die erste Prepreg-Schicht 20 und die zweite Prepreg-Schicht 22 isolieren das elektrisch leitende Laminat 12 elektrisch gegenüber der dritten Schicht 24 aus Metall und der vierten Schicht 26 aus Metall. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die dritte und vierte Schicht aus Metall oder anderem elektrisch leitendem Material mit elektrischen Schaltungen strukturiert. Beispielsweise kann ein elektrischer Kontakt zwischen der dritten Metallschicht, dem elektrisch leitenden Laminat oder der vierten Metallschicht eine Unterbrechung der Funktion der elektrischen auf den dritten und vierten Metallschichten strukturierten Schaltkreisen ergeben. In anderen Ausführungsformen ist nur die dritte oder die vierte Schicht aus Metall mit elektrischen Schaltungen strukturiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der PWB gemäß der Erfindung besteht die zur Herstellung des Laminats 12 verwendete Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus gewobenen Kohlenstofffasern, wie z.B. gewobenem K13C2U erzeugt von Mitsubishi Chemical America, Inc. in Sunnyvale (Kalifornien), und hat eine Dicke von 0,006" (0,15 mm). In einer anderen Ausführungsform kann die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus Kohlenstofffasern hergestellt sein, die ein Elastizitätsmodul von 110 msi (758 GPa), eine Zugfestigkeit von 540 ksi (3,72 GPa), thermische Leitfähigkeit von 610 W/m.K, Faserdichte von 2,15 g/cm3 und eine Faserdehnung von 0,5 % haben und mit Rechtslinksflechtung gewoben sind. In anderen Ausführungsformen kann die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus jeglichen Kohlenstofffasern mit einer Dicke über 0,002" (0,05 mm), thermischen Leitfähigkeit über 10 W/m.K, WAK im Bereich von -3,0 bis 3,0 ppm/°C, Steifheit über 20 msi, Zug über 250 ksi, Dichte unter 2,25g/cm3 erzeugt sein. Vorzugsweise ist die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus Kohlenstofffasern mit einer thermischen Leitfähigkeit über 75 W/m.K, WAK im Bereich von -1,25 bis 1,0 ppm/°C, Steifheit über 35 msi, Zugfestigkeit über 350 ksi, Dichte unter 2,22g/cm3 erzeugt. Noch wünschenswerterer Weise ist die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus Kohlenstofffasern mit einem WAK im Be reich von 0,0 ppm/°C hergestellt. In anderen Ausführungsformen ist die Kohlenstoffenthaltende Schicht aus jeglichen Kohlenstofffasern erzeugt, die zum Ableiten der nötigen Wärmemenge von der Oberfläche der PWB 10 fähig sind, um die Anforderungen hinsichtlich des WAK an die PWB zu erfüllen und die gewünschte Steifigkeit der PWB zu erreichen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die gewobenen Kohlenstofffasern mit einem elektrisch und thermisch leitenden Harz, wie z.B. einem Pyrolysekohlenstoff-Epoxyharz, in Übereinstimmung mit dem in Bezug auf 2B beschriebenen Verfahrensablauf imprägniert. Elektrische Leitfähigkeit ist definiert als Vorliegen einer Dielektrizitätskonstante von über 6,0 bei 1 MHz. Thermische Leitfähigkeit ist definiert als Vorliegen eines WAK von über 1,25 W/m.K. Vorzugsweise hat ein Material, das thermisch leitfähig ist, einen WAK von über 2,5 W/m.K. In anderen Ausführungsformen sind die gewobenen Kohlenstofffasern mit einem Harz imprägniert, wie z.B. mit auf Polyimid (Cyanat-Ester) basierendem Pyrolysekohlenstoffharz, Epoxy- oder Polyimid-basierendem Silberoxidharz, Epoxy- oder Polyimid-basierendem Kohlenstoffpulverharz oder irgendein anderes Harz mit einer Glasübergangstemperatur über 100°F (37,8°C), niedriger Feuchtigkeitsabsorption, hohe chemische Korrosionsbeständigkeit, hohe Widerstandskraft gegen Mikrorisse, hohe strukturelle Beständigkeit, kontrolliertes Fließen, gute Haftung, Wärmeleitfähigkeit über 0,2 W/m.K und eine dielektrische Konstante über 6,0 bei 1 MHz. Vorzugsweise werden die gewobenen Kohlenstofffasern mit einem Harz mit einer Glasübergangstemperatur über 250°F (121°C) und Wärmeleitfähigkeit über 2,0 W/m.K imprägniert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Schicht aus Metall aus einer 1/4 oz (8,75 μm) Kupferfolie erzeugt, wie z.B. NT-TW-HTE hergestellt von Circuit Foil Trading, Inc. in Glenside (Philadelphia). In anderen Ausführungsformen können andere elektrisch leitende Materialien, z.B. Cu, Pd, Ag, Al, Au, Ni und Sn, oder Legierungen oder andere Verbindungen davon, mit einer Dicke von 0,00003 bis 0,021'' (0,75-533 μm) zur Erzeugung der ersten und zweiten Schicht aus Metall verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann ein elektrisch leitendes Material jeglicher Dicke zur Erzeugung der ersten und zweiten Schicht aus Metall verwendet werden, sofern die gesamte Leitfähigkeit des elektrisch leitenden Laminats 12 ausreicht, die elektrische Last im Laminat aufzunehmen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Prepreg-Schicht und die zweite Prepreg-Schicht aus wärmeleitendem dielektrischen Material erzeugt, wie z.B. dem Prepreg 44N0680 hergestellt von Arlon Materials for Electronics in Rancho Cucarnonga (Kalifornien) mit einer Dicke von 0,0015'' (0,038 mm), einem Harzgehalt von ca. 80%, Harzfluss von ca. 50% und einer Gelierzeit im Bereich von 90 bis 110 Sekunden. In anderen Ausführungsformen können andere Prepregs wie z.B. FR-4, Polyimid, Teflon, Keramiken, GIL, Gtek oder Hochfrequenzschaltkreismaterialien hergestellt von Rogers Corporation, die Zusatzstoffe wie z.B. Aluminiumoxid, Diamantteilchen oder Bornitrid oder jegliches andere Prepreg mit dielektrischen Konstanten unter 6,0 bei 1 MHz und einer Wärmeleithfähigkeit über 1,25 W/m.K beinhalten, bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten verwendet werden. Noch wünschenswerter Weise sind die ersten und zweiten Prepregschichten aus einem dielektrischen Material mit einer dielektrischen Konstanter unter 4,0 bei 1 MHz und einer Wäremleitfähigkeit über 2,0 W/m.K erzeugt. In anderen Ausführungsformen können bei der Erzugung der ersten und zweiten Prepregschichten Prepregs verwendet werden, die eine Wärmeleitfähigkeit unter 1,25 W/m.K haben. Die Verwendung von Prepregschichten, die eine Wärmeleitfähigkeit unter 1,25 W/m.K haben, kann die Fähigkeit der PWB verringern, Wärme von seiner Oberfläche abzuleiten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die obersten und unterste Schicht aus leitendem Material aus Materialien erzeugt, die zu denen ähnlich sind, die bei der Erzeugung der ersten und zweiten Metall-Schichten wie oben beschrieben verwendet werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer PWB gemäß der Erfindung ist in 2A dargestellt. Eine erste Laminierung wird in Schritt 32 durchgeführt. Zur ersten Laminierung gehört, eine 1/4 oz (8,75 μm) dicke Kupferfolien-Schicht auf eine Seite einer Schicht von gewobenen Kohlenstofffasern, die mit dem Epoxy-basierten Pyrolysekohlenstoffharz imprägniert sind, zu platzieren. Die Schichten werden dann in ein Vakuum gebracht und von Raumtemperatur auf 350°F (177°C) erhitzt. Die Temperaturzunahme wird so gesteuert, dass der Temperaturanstieg in einem Bereich von 8-12°F/min (4,4-6,7 K/min) gehalten wird, wenn die Temperatur von 150°F auf 350°F (65,6 auf 149°C) ansteigt. Wenn die Temperatur im Bereich von 150°F-165°F (65,6-73,9°C) ist, wird der Druck auf der Schicht auf 250 psi (1,72 MPa) erhöht. Sobald eine Temperatur von 350°F (177°C) erreicht worden ist, wird die Temperatur auf dieser Temperatur für 70 Minuten gehalten. Nach Beendigung der 70 Minuten Zeitdauer werden die Schichten für eine Dauer von 30 Minuten Raumtemperatur und einem Druck über Atmoshärendruck ausgesetzt. Der erste Laminierungszyklus liefert das oben beschriebene elektrisch leitende Laminat 12. Vorzugsweise wird das elektrisch leitende Laminat so hergestellt, dass es möglichst flach ist.
  • Auf den ersten Laminierungszyklus folgt ein zweiter Laminierungszyklus in Schritt 34. Zum zweiten Laminierungszyklus gehört, einen 44N0680 Schicht-Prepreg auf eine Seite des elektrisch leitenden Laminats, das im ersten Laminierungszyklus hergestellt wurde, und eine zweite Schicht eines 44N0680 Prepreg auf die andere Seite des elektrisch leitenden Laminats zu platzieren. Zusätzlich werden Schichten aus 1/2 oz (17,5 μm) Kupferfolie auf die Außenflächen der beiden 44N0680 Prepregschichten platziert. Die Schichten werden dann in ein Vakuum gebracht und von Raumtemperatur auf 350°F (177°C) erhitzt. Die Temperaturzunahme wird so gesteuert, dass der Temperaturanstieg in einem Bereich von 8-12°F/min (4,4-6,7 K/min) gehalten wird, wenn die Temperatur von 150°F auf 300°F (65,6 auf 149°C) ansteigt. Wenn die Temperatur im Bereich von 150°F-165°F (65,6-73,9°C) ist, wird der Druck auf der Schicht auf 250 psi (1,72 MPa) erhöht. Sobald eine Temperatur von 350°F (177°C) erreicht worden ist, wird die Temperatur für 90 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Nach Beendigung der 90 Minuten Zeitdauer werden die Schichten für eine Dauer von 30 Minuten Raumtemperatur und einem Druck über Atmoshärendruck ausgesetzt. Der erste Laminierungszyklus liefert das oben beschriebene elektrisch leitende Laminat 12. Der zweite Laminierungszyklus liefert die in 1 gezeigte PWB 10. Die dritten und vierten Metall-Schichten der in 1 gezeigten PWB werden dann mit elektrischen Schaltungen in Schritt 36 strukturiert.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens 40 zum Imprägnieren einer aus gewobenen Kohlenstofffasern erzeugten Kohlenstoff-haltigen Schicht mit einem elektrisch leitenden Harz ist in 2B gezeigt. Zum ersten Schritt im Verfahren 42 gehört das Zusammengeben von Bestandteilen um ein Harz zu bilden. Die meisten Harze werden unter Verwendung von Epoxy- oder Polyimid-Festoffharzen, Lösungsmittel, Azetonen, Katalyten und Zusatzstoffen gebildet. Typischerweise werden die Eigenschaften eines bestimmten Harzes durch die verschiedenen Zusatzstoffe, die im Harz enthalten sind, und deren Menge bestimmt. Zusatzstoffe können dazu dienen, die elektrische Leitfähigkeit oder die thermischen Eigenschaften eines Harzes zu verbessern. Wenn ein Zusatzstoff zur Verbesserung der elektrischen oder Wärmeleitfähigkeit eines Harzes verwendet wird, nimmt die Wärme- oder elektrische Leitfähigkeit mit der Menge des durch das Harz gemischten Zusatzstoffes zu. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Menge Pyrolysekohlenstoff in Pulverform, die 10 Gewichts% des Harzes gleich ist, als Bestandteil zum Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit und der thermischen Eigenschaften des Harzes hinzugefügt. In anderen Ausführungsformen kann zum Verbessern der thermischen und elektrischen Eigenschaften des Harzes eine beliebige Menge Pyrolysekohlenstoff zugefügt werden. Vorzugsweise ist die Menge des dem Harz zugefügten Pyrolysekohlenstoffs zwischen 5 und 50 Gewichts% des Harzes. Die verschiedenen Harzbestandteile werden dann in Schritt 44 gemischt, um ein im Wesentlichen homogenes Harz zu erhalten.
  • Sobald ein Harz gebildet ist, wird in Schritt 46 das Harz in einen Prepreg-Imprägnator platziert. Der Prepreg-Imprägnator wird dazu verwendet, ein Substrat mit Harz zu imprägnieren. Im nächsten Schritt 48 wird das zu imprägnierende Substrat durch den Prepreg-Imprägnator geschickt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Substratmaterial gewobene Kohlenstofffasern, wie z.B. die oben beschriebenen gewobenen Kohlenstofffasermaterialien. In einer bevorzugten Ausführungsform, die ein Substrat mit gewobenen Kohlenstofffasern verwendet, wird das Substrat mit 45 Gewichts% Harz imprägniert. In anderen Ausführungsformen wird das Substrat mit zwischen 5 und 80 Gewichts% Harz imprägniert.
  • Sobald das Substrat durch den Prepreg-Imprägnator geschickt worden ist, wird in Schritt 50 ein B-Zustand-Härtevorgang durchgeführt. Zum B-Zustand-Härtevorgang gehört, das Substrat und Harz einer Temperatur zwischen 250°F und 300°F (121-149°C) auszusetzen. Die Zeitmenge, für die das Substrat und Harz dieser Temperatur ausgesetzt werden, bestimmt sich aus der Menge Harz, die auf das Substrat geladen ist, und dem benötigten Ausmaß der Härtung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Zeitdauer von 15 Minuten für die Imprägnierung eines gewobenen Kohlenstofffasersubstrats mit 45% Harz, das zum B-Zustand gehärtet ist, nötig, damit es zur Verwendung im oben in Bezug auf 2A beschriebenen Verfahren geeignet ist. Nach Beendigung des B-Zustand-Härtevorgangs wird das Harz vor Verwendung in Schritt 52 in einer kontrollierten Umgebung aufbewahrt.
  • In anderen Ausführungsformen werden Silberoxid-Teilchen als Harz-Zusatzstoff verwendet, um die elektrische Leitfähigkeit und thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Silberoxid-Menge von 40 Gewichts% des Harzes zugesetzt. In anderen Ausführungsformen kann irgendeine Menge Silberoxid zugefügt werden, um die thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. Vorzugsweise ist die dem Harz zugefügte Menge Silberoxid zwischen 5 und 70 Gewichts% des Harzes.
  • In anderen Ausführungsformen werden Bornitrid-Teilchen als Harz-Zusatzstoff verwendet, um die thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Bornitrid-Menge von 40 Gewichts% des Harzes zugesetzt. In anderen Ausführungsformen kann irgendeine Menge Bornitrid zugefügt werden, um die thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. Vorzugsweise ist die dem Harz zugefügte Menge Silberoxid zwischen 5 und 70 Gewichts% des Harzes.
  • In anderen Ausführungsformen werden Diamant-Teilchen als Harz-Zusatzstoff verwendet, um die thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Menge Diamantteilchen von 15 Gewichts% des Harzes zugesetzt. In anderen Ausführungsformen kann irgendeine Menge Diamantteilchen zugefügt werden, um die thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. Vorzugsweise ist die dem Harz zugefügte Menge Diamantteilchen zwischen 2 und 50 Gewichts% des Harzes.
  • In anderen Ausführungsformen werden Aluminiumoxid-Teilchen als Harz-Zusatzstoff verwendet, um die thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Menge Aluminiumoxid von 40 Gewichts% des Harzes zugesetzt. In anderen Ausführungsformen kann irgendeine Menge Aluminiumoxid zugefügt werden, um die thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. Vorzugsweise ist die dem Harz zugefügte Menge Aluminiumoxid zwischen 5 und 70 Gewichts% des Harzes. In anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr der oben beschriebenen Zusatzstoffe als Zusatzstoffe für das Harz verwendet werden.
  • In anderen Ausführungsformen können Prepregs mittels des obigen Verfahrens durch Verwendung von Substratmaterialien mit dielektrischen Konstanten unter 6,0 bei 1 MHz hergestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Glasfaser-Substrat mit einem Bornitrid-haltigen Harz imprägniert, um ein wärmeleitendes Prepreg mit einer dielektrischen Konstante unter 6,0 bei 1 MHz zu erzeugen. Vorzugsweise wird die Glasfaser mit 70 Gewichts% Harz imprägniert. In anderen Ausführungsformen wird die Glasfaser mit zwischen 20 und 80 Gewichts% imprägniert.
  • In anderen Ausführungsformen können andere Substrate wie z.B. Kevlar, Quarz, Aramid oder irgendein anderes Material oder Materialmischung mit einer dielektrischen Konstante unter 6,0 bei 1 MHz, einer Glasübergangstemperatur über 250°F (121°C), eine Wärmeleitfähigkeit über 0,1 W/m.K, einem WAK zwischen -4,5 und 30 ppm/°C, hoher Zugfestigkeit und hoher thermischer Widerstandskraft bei der Erzeugung von Prepregschichten verwendet werden. Vorzugsweise hat das Substratmaterial eine Glasübergangstemperatur über 400°F (204°C), einen WAK zwischen -4,5 und 12 ppm/°C, behält 50% bis 60% seiner Festigkeit bei 700°F (371°C) bei und hat eine dielektrische Konstante unter 3,0 bei 1 MHz. Ein mit diesem Verfahren hergestelltes Prepreg kann bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten der erfindungsgemäßen PWB 10 wie in 1 dargestellt verwendet werden.
  • In anderen Ausführungsformen wird die kohlenstoffhaltige Schicht mit einem Harz imprägniert, das wärmeleitend ist, wie z.B. ein Epoxy- oder Polyimid-basiertes Bornitrid-Harz, Epoxy- oder Polyimid-basiertes Aluminiumoxid-, Epoxy- oder Polyimid-basiertes Keramik-Harz, Epoxy- oder Polyimid-basiertes Diamantteilchen-Harz oder irgendein anderes Harz mit Eigenschaften, die den oben beschriebenen elektrisch und thermisch leitenden Harzen ähnlich sind, ausgenommen, dass die dielektrische Konstante des Harzes unter 6,0 bei 1 MHz liegt.
  • In anderen Ausführungsformen wird die kohlenstoffhaltige Schicht aus einem Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern erzeugt, wie z.B. unidirektionalem K13C2U, hergestellt von Mitsubi shi Chemical America, Inc., und mit einer Dicke von 0,001" (25 μm). Das zur Verwendung bei der Erzeugung der Kohlenstoff-enthaltenden Schicht ausgewählte gleichlaufende Kohlenstofffasermaterial hat vorzugsweise Eigenschaften, die denen ähnlich sind, die oben für die gewobenen Kohlenstofffasern beschrieben sind, die bei der Erzeugung der Kohlenstoff-haltigen Schicht verwendbar sind.
  • In anderen Ausführungsformen wird das Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Harz imprägniert. Harze mit Eigenschaften, die denen ähnlich sind, die oben in Bezug auf Ausführungsformen von Laminaten mit Blättern gewobener Kohlenstofffasern beschrieben sind, können auch dazu verwendet werden, Blätter gleichlaufender Kohlenstofffasern zu imprägnieren, die bei der Erzeugung von Laminaten gemäß der Erfindung verwendet werden.
  • In anderen Ausführungsformen können bei der Erzeugung der kohlenstoffhaltigen Schicht mehrere Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern, die so ausgerichtet sind, dass die Fasern in jeder Schicht im Wesentlichen parallel sind, verwendet werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Laminats 12', die gemäß der Erfindung aufgebaut ist und vier gleichlaufende Kohlenstofffaserschichten verwendet, ist in 3 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist das Laminat aus einer ersten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 60, einer zweiten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 62, einer dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 64 und einer vierten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 66 erzeugt. Die gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten haben alle dieselbe Dicke und dasselbe Faser-Flächengewicht. Die erste und vierte gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten sind so gestaltet, dass die Kohlenstofffasern in jeder Schicht im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Die zweite und dritte gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten sind aus Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern erzeugt, worin die Fasern im Wesentlichen senkrecht zu den Kohlenstofffasern in den ersten und vierten Schichten ausgerichtet sind.
  • Eine andere bevorzugte Ausführungsform eines Laminats 12'', dass gemäß der Erfindung mittels gleichlaufender Kohlenstofffaserschichten erzeugt ist, ist in 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist das Laminat 12'' aus einer ersten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 70, einer zweiten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 72, einer dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 74 und einer vierten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 76 erzeugt. Die gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten haben alle dieselbe Dicke und dasselbe Faser-Flächengewicht. Die erste und dritte gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten sind aus Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Fasern, die in im Wesentlichen gleicher Richtung ausgerichtet sind, erzeugt. Die zweite und vierte gleichlaufenden Kohlenstofffaserschich ten sind aus Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Fasern erzeugt, die in einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung ist, in der die Fasern in der ersten und dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht ausgerichtet sind.
  • Eine andere bevorzugte Ausführungsform eines Laminats 12''', dass gemäß der Erfindung mittels gleichlaufender Kohlenstofffaserschichten erzeugt ist, ist in 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist das Laminat 12''' aus einer ersten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 80 mit einer Dicke von 0,002'' (0,05 mm), einer zweiten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 82 mit einer Dicke von 0,004'' (0,1 mm) und einer dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 84 mit einer Dicke von 0,002'' (0,05 mm) erzeugt. Die Faser-Flächengewichte der ersten und dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten sind dasselbe Faser-Flächengewicht, das die Hälfte des Faser-Flächengewichts der zweiten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht ist. Die erste und dritte gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten sind aus Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern mit in derselben Richtung ausgerichteten Fasern erzeugt. Die zweite gleichlaufende Kohlenstofffaserschicht ist aus einer Schicht gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Fasern erzeugt, die in einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung ist, in der die Fasern in der ersten und dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht ausgerichtet sind.
  • In anderen Ausführungsformen kann eine Zahl von gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten größer als vier zur Erzeugung der Leiterplatte verwendet werden, vorausgesetzt dass die Kohlenstofffasern-enthaltende Schicht ausgewogen ist.
  • In anderen Ausführungsformen beinhalten Laminate gemäß der Erfindung Kohlenstoffenthaltende Schichten, die im Wesentlichen isotrop sind. Eine Ausführungsform eines Laminats gemäß der Erfindung mit einer isotropen Kohlenstoff enthaltende Schicht ist in 6 dargestellt. Das Laminat 12'''' beinhaltet eine erste gleichlaufende Kohlenstofffaserschicht 90, die aus einem Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern mit in einer ersten Bezugsrichtung ausgerichteten Fasern erzeugt ist, eine zweite gleichlaufende Kohlenstofffaserschicht 92, die aus einem so angeordneten Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern erzeugt ist, dass seine Fasern in einem Winkel von 45° zu der ersten Bezugsrichtung ausgerichtet sind, eine dritte gleichlaufende Kohlenstofffaserschicht 94, die aus einem so angeordneten Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern erzeugt ist, dass seine Fasern in einem Winkel von 90° zu der ersten Bezugsrichtung ausgerichtet sind, und eine vierte gleichlaufende Kohlenstofffaserschicht 96, die aus einem so angeordneten Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern erzeugt ist, dass seine Fasern in einem Winkel von 135° zu der ersten Bezugsrichtung ausgerichtet sind. Die gleich laufenden Kohlenstofffaser-Blätter können mit Harzen imprägniert sein, die den oben beschriebenen ähnlich sind.
  • Eine PWB gemäß der Erfindung ist in 7 dargestellt. Die PWB 10' beinhaltet eine Laminatstruktur 12''''' mit einer Kohlenstoff-enthaltenden Schicht 14', die sich zwischen einer ersten Prepregschicht 100 und einer zweiten Prepregschicht 102 befindet. Eine erste Metallschicht 16' ist über der ersten Prepregschicht angeordnet und eine zweite Metallschicht 18' ist unter der zweiten Prepregschicht angeordnet. Eine dritte Prepregschicht 20' ist über der ersten Metallschicht angeordnet und eine zweite Prepregschicht 22' ist unter der zweiten Metallschicht angeordnet. Eine dritte Metallschicht 24' ist über der dritten Prepregschicht angeordnet und eine vierte Metallschicht 26' ist unter einer vierten Prepregschicht angeordnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kohlenstoff-enthaltende Schicht 14' aus einer gewobenen Schicht Kohlenstofffasern erzeugt, und die Metallschichten sind aus Materialien erzeugt, die zu denen ähnlich sind, die oben bei der Erzeugung der Metallschichten beschrieben sind, die bei der Konstruktion der in 1 als 10 gezeigten PWBs verwendet werden. Zusätzlich sind dritte und vierte Prepregschichten aus Materialien erzeugt, die zu denen ähnlich sind, die oben bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten der Ausführungsform der in 1 als 10 gezeigten PWBs beschrieben sind.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine elektrisch und thermisch leitende Prepregschicht, wie z.B. gemäß dem oben in Bezug auf 2B beschriebenen Verfahren erzeugtes Epoxy-basiertes Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg, und mit zu dem oben beschriebenen Pyrolysekohlenstoff-Harz ähnlichen Eigenschaften, bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten verwendet. Ein elektrisch und thermisch leitender Prepreg wird bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten verwendet, um dafür zu sorgen, dass ein elektrisch leitender Pfad zwischen der Kohlenstoff-enthaltenden Schicht und den ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten besteht. In anderen Ausführungsformen können andere elektrisch und thermisch leitende Prepregs, wie z.B. Polyimid-basierter Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg, Epoxy- oder Polyimid-basierter Silberoxid-Harz-Prepreg oder irgendein anderes Prepreg mit einer Glasübergangstemperatur über 100°F (37,8°C), niedriger Feuchtigkeitsabsorption, hohe chemische Korrosionsbeständigkeit, hohe Mikrorissfestigkeit, hohe strukturelle Beständigkeit, kontrolliertem Fließen, guter Adhäsion, einer Wärmeleitfähigkeit über 0,2 W/m.K und einer dielektrischen Konstante über 6,0 bei 1 MHz bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten verwendet werden. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Prepregschichten mit einem Prepreg erzeugt, das eine Glasübergangstemperatur über 250°F (121°C) und eine Wärmeleitfähigkeit über 2,0 W/m.K hat.
  • Das in 7 dargestellte Verfahren zum Herstellen der PWB 10' ist dem in 2A dargestellten ähnlich. Eine Schicht aus Epoxy-basiertem Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg wird auf einer Seite einer Schicht gewobener Kohlenstofffasern platziert, und eine zweite Schicht aus Epoxy-basiertem Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg auf der anderen Seite der Schicht gewobener Kohlenstofffasern. Schichten von 1/4 oz (8,75 μm) Kupferfolie wird dann auf den Außenflächen der Schichten aus Epoxy-basiertem Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg platziert. Diese Schichten werden dann dem ersten Laminierzyklus wie oben in Bezug auf 2A beschrieben unterworfen, um das Laminat 12''''' herzustellen. Der zweite Laminierzyklus und die Strukturierung der PWB 10' sind auch den Verfahren ähnlich, die oben in Bezug auf 2A beschrieben sind.
  • In anderen Ausführungsformen können wärmeleitende Prepregschichten, die zu denen ähnlich sind, die bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten der Ausführungsform der in 1 gezeigten PWBs wie oben beschrieben verwendet werden, bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten der Ausführungsform der in 7 gezeigten PWBs 10' verwendet werden. In Ausführungsformen der PWB 10' die wärmeleitende Prepregschichten verwenden, die schlechte elektrische Leiter sind, werden zwischen den ersten und zweiten Metallschichten und der Kohlenstoff-enthaltenden Schicht elektrische Kontakte mittels durchkontaktierten Bohrungen hergestellt. Durchkontaktierte Bohrungen sind durch das Laminat 12''''' gebohrte Löcher, die mit elektrisch leitendem Material ausgekleidet werden und elektrische Kontakte zwischen den ersten und zweiten Metallschichten und der Kohlenstoffenthaltenden Schicht bilden.
  • In anderen Ausführungsformen ist das Laminat 12''''' aus einer Kohlenstoff-enthaltenden Schicht erzeugt, die aus Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern mit einer Anordnung ähnlich den oben in Bezug auf die Laminat-Ausführungsformen gemäß der Erfindung wie in 3 bis 6 dargestellten beschriebenen Anordnungen gebildet ist. In anderen Ausführungsformen sind die Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Harzen imprägniert, die denen ähnlich sind, die oben vor der Konstruktion des Laminats 12''''' beschrieben sind.
  • In anderen Ausführungsformen ist das Laminat 12''''' aus einer Kohlenstoff-enthaltenden Schicht erzeugt, die aus einem Kohlenstoff-Kompositblatt oder einer Kohlenstoff-Kompositscheibe gebildet ist, wie z.B. einer Kohlenstoffscheibe hergestellt von Mitsubishi Chemical America, Inc., mit einer Dicke vom 0,001 Zoll. Ein Kohlenstoff-Kompositblatt oder eine Kohlenstoff-Kompositscheibe kann unter Verwendung einer komprimierten Pulvergussform erzeugt werden. In anderen Ausfülrungsformen kann die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus irgendeinem Kohlenstoff-Kompositblatt oder einer Kohlenstoff-Kompositscheibe mit physikalischen Eigenschaften erzeugt werden, die zu denen ähnlich sind, die oben in Bezug auf gewobene Kohlenstofffasern beschrieben sind.
  • Für Ausführungsformen des Laminats 12''''', die mit aus Kohlenstoff-Kompositblättern oder -scheiben gebildeten Kohlenstoff-enthaltenden Schichten erzeugt sind, kann die erste Prepregschicht 100 und die zweite Prepregschicht 102 aus Harzen erzeugt werden, die den oben beschriebenen ähnlich sind.
  • Eine Leiterplatte gemäß der Erfindung ist in 8 gezeigt. Die Leiterplatte 10'' beinhaltet eine elektrisch und thermisch leitende Schicht 110. Eine erste Metallschicht 16'' ist über der elektrisch und thermisch leitenden Schicht angeordnet und eine zweite Metallschicht 18'' ist unter der elektrisch und thermisch leitenden Schicht angeordnet. Eine erste Prepregschicht 20'' ist über der ersten Metallschicht angeordnet und eine zweite Prepregschicht 22'' ist unter der zweiten Metallschicht angeordnet. Eine dritte Metallschicht 24'' ist über der ersten Prepregschicht angeordent und eine vierte Metallschicht 26'' ist unter der zweiten Prepregschicht angeordnet. Die elektrisch und thermisch leitende Schicht und die erste und zweite Metallschicht bilden ein elektrisch leitendes Laminat 112.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform können ähnliche Materialien zu jenen, die bei der Erzeugung der Ausführungsform der erfindungsgemäßen PWB 10 wie in 1 dargestellt verwendet werden können, auch bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschicht und der ersten, zweiten, dritten und vierten Metallschichten verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die dritte und vierte Metallschicht strukturiert um elektrische Schaltkreise zu bilden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrisch und thermisch leitende Schicht aus einem gewobenen Glasfaser-Substrat erzeugt, das mit einem elektrisch leitenden Pyrolysekohlenstoff-Epoxyharz gemäß dem oben in Bezug auf 2B beschriebenen Verfahren imprägniert ist. Vorzugsweise ist die bei der Erzeugung der elektrisch und thermisch leitenden Schicht verwendete Glasfaser E-Glas hergestellt von JPS Glass, mit Sitz in South Cickering, Ontario, Kanada. In anderen Ausführungsformen, andere Substratmaterialien wie z.B. nicht-gewobene Glasfaser, Kevlar, Quarz, Aramid oder andere Materialien mit einer Glasübergangstemperatur über 250°F (121°C), einer Wärmeleitfähigkeit über 0,1 W/m.K, einem WAK zwischen -4,5 ppm/°C und 30 ppm/°C, hoher Zugfestigkeit und hoher thermischer Beständigkeit. Vorzugsweise hat das Substrat eine Glasübergangstemperatur über 440°F (204°C), einen WAK zwischen -4,5 ppm/°C und 12 ppm/°C, behält 50% bis 60% seiner Festigkeit bei 700°F (371°C). Vorzugsweise ist das Glasfasersubstrat mit 70 Gewichts% eines Epoxyharzes, das 10% Ge wichts% Pyrolysekohlenstoff-Zusatz enthält, imprägniert. In anderen Ausführungsformen ist die elektrisch und thermisch leitende Schicht mithilfe eines Substrats gebildet, das mit zwischen 5% und 80% irgendeines der oben beschriebenen Harze mit einer Dielektrizitätskonstante über 6,0 bei 1 MHz imprägniert ist. In anderen Ausführungsformen kann irgendeine Kombination von Harz und Substrat verwendet werden, die dazu führt, dass die elektrisch und thermisch leitende Schicht 14' eine Dielektrizitätskonstante über 6,0 bei 1 MHz hat.
  • Die in 8 dargestellte Ausführungsform der PWB 10'' kann gemäß den in 2A und 2B dargestellten Verfahren hergestellt werden.
  • Eine Ausführungsform einer PWB gemäß der Erfindung ist in 9 dargestellt. Die PWB 10''' ist der in 7 dargestellten PWB 10' ähnlich, mit der Ausnahme dass die Kohlenstoffenthaltende Schicht durch irgendeines der oben beschriebenen Substratmaterialien ersetzt ist und die ersten und zweiten Prepregschichten Dielektrizitätskonstanten über 6,0 bei 1 MHz aufweisen.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsformen von PWBs setzen ein einziges Laminat ein. In anderen Ausführungsformen von PWBs gemäß der Erfindung können mehrere Laminat verwendet werden.
  • Eine zwei Laminate beinhaltende PWB gemäß der Erfindung ist in 10 dargestellt. Das PWB 10'''' weist ein erstes Laminat 120, ein zweites Laminat 122, mehrere Prepregschichten 124 und mehrere Metallschichten 126 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform bildet das erste Laminat eine Masse-Ebene und das zweite Laminat eine Stromversorgungsebene. In anderen Ausführungsformen kann die Funktion der Laminate umgekehrt sein, beide Laminate können die gleichen Funktionen teilen, oder die Laminate können lediglich wegen ihrer verbesserten thermischen Eigenschaften eingesetzt sein. Die Verwendung mehrerer Laminate kann die Fähigkeit der PWB, Wärme von seiner Oberfläche abzuleiten, erhöhen, den WAK der PWB verbessern und kann die Dicke und das Gewicht der PWB im Vergleich zu bekannten PWBs verringern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Laminat 120 und das zweite Laminat 122 ähnlich dem Laminat 12 der 1 erzeugt. In anderen Ausführungsformen kann irgendeine der oben beschriebenen Laminatstrukturen bei der Erzeugung des ersten oder zweiten Laminats verwendet werden. Vorzugsweise sind die Prepregschichten 124 und Metallschichten aus Materialien erzeugt, die denen ähnlich sind, die zum Erzeugen der Prepregschichten und Metallschichten in der in 10 dargestellten PWB 10 verwendet werden können. In anderen Ausführungsformen kann irgendeines der oben beschriebenen Laminate bei der Erzeugung des ersten und zweiten Laminats verwendet werden.
  • Nähere Betrachtung der 10 gibt zu erkennen, dass die PWB 10''''' eine Anzahl von beschichteten Löchern aufweist. Die PWB 10'''' beinhaltet Schlote 128, die mit wärmeleitendem Material gefüllte Löcher sind. Die Schlote dienen dazu, Wärme von der Oberfläche der PWB zu den elektrisch und thermisch leitenden Laminaten in der PWB zu befördern. Die Schlote erstrecken sich nicht zur Gänze durch die PWB. Wenn die Schlote sowohl das erste als auch das zweite Laminat kontaktieren würden, dann würden sie die PWB kurzschließen. Die PWB 10'''' weist auch Durchgangsbohrungen auf, die mit elektrisch leitendem Material ausgekleidet sind, das dazu dient, elektrische Verbindungen zwischen den funktionellen Schichten der PWB herzustellen. Wo Verbindungen zwischen den durchkontaktierten Bohrungen und dem ersten oder zweiten Laminat nicht erwünscht sind, kann ein Ring dielektrischen Materials 132, wie z.B. ein Epoxyharz mit einer Dielektrizitätskonstante unter 6,0 bei 1 MHz, verwendet werden, um dafür zu sorgen, dass keine elektrische Verbindung zwischen dem Laminat und der elektrisch leitenden Auskleidung der Durchgangsbohrung besteht.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der in 10 dargestellten PWB 10'''' ist in 11A gezeigt. Das Verfahren 150 beginnt mit Schritt 152, zu dem die Erzeugung zweier erfindungsgemäßer Laminate gehört, die unter Verwendung des oben in Bezug auf 2A beschriebenen Verfahrens gebildet werden. Stromversorgungs- oder Massebereiche werden dann in Schritt 154 auf den Laminaten strukturiert. Das Strukturieren isoliert Bereiche in dem Laminat elektrisch, was es dem Laminat ermöglicht, in einer PWB als Masse- oder Versorgungsebene zu funktionieren.
  • Sobald das Strukturieren fertig gestellt ist, werden die Laminate einer Oxidbehandlung in Schritt 156 unterworfen. Nach der Oxidbehandlung wird in Schritt 158 ein Bohren der Freistellbohrungen durchgeführt. Zum Freistellbohrungs-Bohren gehört Bohren von Löchern in das Laminat mit einem ersten Durchmesser und Füllen der so erhaltenden Löcher mit einem dielektrischen Material wie z.B. irgendeinem der oben beschriebenen Harze mit einer Dielektrizitätskonstante unter 6,0 bei 1 MHz. Vor dem Füllen der gebohrten Löcher werden sie inspiziert und mittels trockener Hochdruckluft gereinigt.
  • Sobald die Freistellbohrungen gebohrt worden sind, wird der zweite Laminierzyklus in Schritt 160 ausgeführt. Der zweite Laminierzyklus ist ähnlich dem oben in Bezug auf 2A beschriebenen zweiten Laminierzyklus. Nach dem zweiten Laminierzyklus werden Schlotbohrungen in die PWB in Schritt 162 gebohrt. Sobald die Schlotbohrungen gebohrt worden sind, werden in Schritt 164 die Auskleidungen der Schlotbohrungen mit einem wärmeleitenden Material ausgekleidet. Vorzugsweise ist das wärmeleitende Material Kupfer. In anderen Ausführungsformen kann irgendein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit über 5 W/m.K verwendet werden.
  • Nachdem die Schlotbohrungen ausgekleidet worden sind, werden Schaltkreise auf die Metallschichten geätzt, die im Inneren der fertigen PWB angeordnet sein sollen, in Schritt 166 strukturiert und dann einer Oxidbehandlung in Schritt 168 unterworfen.
  • Auf die Oxidbehandlung folgend wird der dritte Laminierzyklus in Schritt 170 ausgeführt. Zur dritten Laminierung gehört Ausrichten der beiden Strukturen, die im zweiten Laminierzyklus produziert worden sind, mit zusätzlichen Prepregschichten, in Entsprechung mit den Schichten der in 10 dargestellten PWB 10''''. Die Schichten werden dann Temperaturen und Drücken ähnlich denen, die während des zweiten Laminierzyklus festgestellt wurden, ausgesetzt.
  • Nach dem dritten Laminierzyklus wird das abschließende Durchgangsloch-Bohren in Schritt 172 ausgeführt. Zum abschließenden Bohren der Durchgangsbohrungen gehört es, durch die gesamte PWB Bohrungen zu bohren, die einen zweiten Durchmesser haben, der geringer als der oben beschriebene erste Durchmesser ist. Die Durchgangsbohrungen werden dann in Schritt 174 ausgekleidet. Vorzugsweise werden die Durchgangsbohrungen mit Kupfer ausgekleidet. In anderen Ausführungsformen können die Durchgangsbohrungen mit Materialien ausgekleidet werden, die denen ähnlich sind, die bei der Erzeugung der Metallschichten verwendet werden. Wenn eine Durchgangsbohrung durch eines der gefüllten Freistellbohrungen in einem Laminat geht, dann sind die Auskleidung der Durchgangsbohrungen gegenüber dem Laminat, in dem das Leerloch gebohrt ist, elektrisch isoliert. Wenn eine Durchgangsbohrung nicht durch eines der gefüllten Freistellbohrungen in einem Laminat geht, dann steht die Auskleidung der Durchgangsbohrung in elektrischem Kontakt mit dem Laminat.
  • Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Auswählen der Orte, in die Schlotbohrungen in eine PWB gebohrt werden, ist in 11B dargestellt. Das Verfahren 190 beinhaltet einen ersten Schritt 192, zu dem das Erstellen eines Modells der Struktur der PWB gehört. Zum zweiten Schritt 194 gehört das Hinzufügen eines wärmeleitenden Materials, wie z.B. Kupfer, zu den äußersten Metallschichten auf dem Modell. Das wärmeleitende Material wird dem Modell zugefügt, sodass das wärmeleitende Material keinerlei elektrischen Kontakte mit den Schaltkreisen schafft, die auf den Metallschichten, auf die das wärmeleitende Material aufgebracht wird, strukturiert wurden.
  • Sobald das wärmeleitende Material hinzugefügt worden ist, werden die Orte der Schlotbohrungen in Schritt 196 festgelegt. Die Orte der Schlotbohrungen werden durch Wahl einer Stelle auf der Oberfläche der PWB, die in einem Gebiet liegt, wo in Schritt 194 wärmeleitendes Material zugefügt wurde, festgelegt. Die Stelle ist für eine Schlotbohrung geeignet, wenn ein Loch mit bestimmtem Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des Schlots durch die PWB gebohrt werden kann, ohne irgendeinen der elektrischen Schaltkreise zu treffen, die auf den in der PWB innenliegenden Metallschichten gestaltet sind. Sonst ist die gewählte Stelle als Ort zum Bohren einer Schlotbohrung ungeeignet. Die Anzahl der Stellen, die gefunden werden müssen, hängt von der Wärmemenge ab, die von der Oberfläche der Leiterplatte abgeleitet werden muss.
  • Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Auswählen des Ortes der gefüllten Leerlöche in dem Laminaten ist in 11C dargestellt. Das Verfahren 200 beinhaltet einen ersten Schritt 202, zu dem Erzeugen eines Modells der PWB gehört. Die Stellen der Durchgangsbohrungen in der PWB werden verwendet, in Schritt 204 die Stellen festzulegen, an denen die Durchgangsbohrungen das Massenebenenlaminat oder Versorgungsebenenlaminat kreuzen. Sobald diese Stellen festgelegt worden sind, werden in Schritt 206 die Stellen der Freistellbohrungen als jene Stellen gewählt, wo die Durchgangsbohrungen die Masse- oder Versorgungsebenenlaminate kreuzen und wo eine elektrische Verbindung zwischen der Auskleidung der durchkontaktierten Bohrung und dem Masse- oder Versorgungsebenen-Laminat unerwünscht ist.
  • Eine erfindungsgemäße PWB, das erfindungsgemäße Laminate und eine zusätzliche Kohlenstoff-enthaltende Schicht miteinbezieht, ist in 12 dargestellt. Die PWB 10''''' hat ein erstes Laminat 120', ein zweites Laminat 122', eine zusätzliche Kohlenstoff-enthaltende Schicht 210, Prepregschichten 124' und Metallschichten 126'. Vorzugsweise bildet das erste Laminat eine Masseebene, und die zweite Laminat bildet eine Stromversorgungsebene. Die zusätzliche Kohlenstoff-enthaltende Schicht 210 wirkt nicht als Masse- oder Versorgungsebene und ist gegenüber den Laminaten und Metallschichten elektrisch isoliert. Die zusätzliche Kohlenstoffenthaltende Schicht erhöht die Wärmeleitfähigkeit und Steifigkeit der PWB und verbessert dessen WAK. Ähnliche Materialien zu denen, die bei der Erzeugung der Laminate, Prepregschichten und Metallschichten der in 1 dargestellten PWB verwendet werden, können auch zum Erzeugen der Laminate, Prepregschichten und Metallschichten der in 12 dargestellten PWB 10''''' verwendet werden. Die zusätzliche Kohlenstoff-enthaltende Schicht kann unter Verwendung der Materielien erzeugt werden, die zu denen ähnlich sind, die bei der Erzeugung der Kohlenstoff-enthaltenden Schichten des als 12 in 1, 12' in 3, 12'' in 4, 12''' in 5 und 12'''' in 6 dargestellten Laminats verwendet werden.
  • Die PWB 10''''' in 12 kann mithilfe eines Verfahrens erzeugt werden, das zu denen ähnlich ist, die oben in Bezug auf 11A-11C beschrieben ist. Der einzige Unterschied liegt in der Anordnung der bei der Erzeugung des dritten Laminierzyklus verwendeten Materialien und dem Umstand, dass gefüllte Freistellbohrungen auch in der zusätzlichen Kohlenstoffenthaltenden Schicht 210 gebohrt werden müssen, sodass die zusätzliche Kohlenstoffenthaltende Schicht gegenüber den Auskleidungen jeglicher in der PWB bestehender Durchgangsbohrungen elektrisch isoliert ist.
  • Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen ein einzelnes oder zwei Laminate gemäß der Erfindung beinhalten, würde der Fachmann anerkennen, dass eine PWB, die drei oder mehr Laminate beinhaltet, mittels der oben beschriebenen Verfahren erzeugt werden kann.

Claims (13)

  1. Leiterplatte (10) mit – einem elektrisch und thermisch leitenden Laminat (12), welches eine leitende Ebene bildet. – einem ersten dielektrischen Prepreg (20), das über dem elektrisch und thermisch leitenden Laminat angeordnet ist, und – einem zweiten dielektrischen Prepreg (22), welches unter dem elektrisch und thermisch leitenden Laminat angeordnet ist.
  2. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei welcher das elektrisch und thermisch leitende Laminat (12) eine Dielektrizitätszahl größer als 6,0 bei 1 MHz und das erste und das zweite dielektrische Prepreg (20, 22) Dielektrizitätszahlen von weniger als 6,0 bei 1 MHz aufweisen.
  3. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei welcher das elektrisch und thermisch leitende Laminat (12) aufweist: – ein elektrisch und thermisch leitendes drittes Prepreg (14) mit einem elektrisch leitenden Kohlenstoff-Substrat, das mit einem elektrisch oder thermisch leitendem Harz imprägniert ist, – eine erste Schicht aus elektrisch leitendem Material (16), die oberhalb des dritten Prepreg (14) angeordnet ist, und – eine zweite Schicht aus elektrisch leitendem Material, die unterhalb des dritten Prepreg (14) angeordnet ist.
  4. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei welcher das elektrisch und thermisch leitende Material aufweist: – ein Substrat (14'), – ein oberhalb des Substrats angeordnetes drittes Prepreg (100), – ein unterhalb des Substrats angeordnetes viertes Prepreg (102), – eine erste Schicht aus elektrisch leitendem Material (16), die oberhalb des dritten Prepreg (100) angeordnet ist, und – eine zweite Schicht aus elektrisch leitendem Material (18), die unterhalb des vierten Prerpreg (102) angeordnet ist, wobei die Dielektrizitätszahl des Laminats größer als 6,0 bei 1 MHz ist.
  5. Leiterplatte nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher das Substrat (14) eine Schicht aus Kohlenstoff aufweist.
  6. Leiterplatte nach Anspruch 1, welche weiters eine Schicht aus elektrisch leitendem Material (126) und eine durchkontaktierte Bohrung (130) aufweist, welche sich von der Schicht aus elektrisch leitendem Material (126) zu dem elektrisch und thermisch leitenden Laminat (12, 120) erstreckt, wobei eines der dielektrischen Prepregs zwischen der Schicht aus elektrisch leitendem Material (126) und dem elektrisch und thermisch leitenden Laminat (12, 120) gelegen ist und die durchkontaktierte Bohrung (130) eine elektrische Verbindung zwischen der Schicht aus elektrisch leitendem Material (126) und dem elektrisch und thermisch leitenden Laminat (12, 120) bildet.
  7. Leiterplatte nach Anspruch 6, bei welcher das elektrisch und thermisch leitende Laminat (12, 120) so ausgestaltet ist, dass es als elektrisch leitende Schicht in der Leiterplatte (10) wirkt.
  8. Leiterplatte nach Anspruch 1 mit einer Mehrzahl von Bohrungen (128), welche mit einem thermisch leitenden Material ausgekleidet sind, das sich von einer Oberfläche der Leiterplatte durch das elektrisch und thermisch leitende Laminat (12, 120) hindurch erstreckt.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte (10), welches folgende Schritte beinhaltet: – Herstellen (32) eines elektrisch und thermisch leitenden Laminats (12) zum Bereitstellen einer leitenden Ebene, und – Anordnen und Laminieren (34) eines ersten dielektrischen Prepregs (20) und eines zweiten dielektrischen Prepregs (22) an jeweils einer Seite des elektrisch und thermisch leitenden Laminats (12).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Schritt des Herstellens (40) eines elektrisch und thermisch leitenden Laminats (12) den Schritt des Imprägnierens (50) eines elektrisch leitenden Kohlenstoff-Substrates mit einem thermisch leitenden Harz beinhaltet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das thermisch leitende Harz auch elektrisch leitend ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei welchem die thermische Leitfähigkeit des Harzes größer als 0,2 W/m.K ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei welchem die thermische Leitfähigkeit des Harzes größer als 2,0 W/m.K ist.
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