CH687490A5 - Leiterplattenverstaerkung. - Google Patents
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Description
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Beschreibung description
Die Erfindung betriffl ein Verfahren zur Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten und mit diesem Verfahren hergestellte mehrlagige Leiterplatten. The invention relates to a method for producing multilayer printed circuit boards and multilayer printed circuit boards produced using this method.
Mehrlagige Leiterplatten weisen mitunter eine Kernschicht auf, wie das bspw. in der EP-0 393 312 (insbesondere in Fig. 3) dargestellt ist. Solche Kernschichten dienen mehrfachem Zweck: der Versteifung der Leiterplatte, dem Dickenausgleich für eine Leiterplatte mit Normdicke und, falls die Kernschicht eine gewisse Dicke aufweist, zur Unterbringung von Bauelementen, wie bspw. Anpassungskondensatoren und so weiter. Da die Kernschicht an sich schon multiple Funktionen aufweist und deswegen in sich selber zu Sachzwängen führt, kommt es auch vor, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient der Kemschicht mit dem der darüberlie-genden Schichten nicht übereinstimmt, was zu Ablösungen führen kann. Die Problematik der Ausdehnung zwischen den Komponenten und Leiterplatten, bzw. zwischen den Schichten der Leiterplatte, bzw. zwischen Kern und Schichten der Leiterplatte, ist in der oben genannten EP 0 393 312 eingehend beschrieben. Davon ist hervorzuheben: Multi-layer printed circuit boards sometimes have a core layer, as is shown, for example, in EP-0 393 312 (in particular in FIG. 3). Such core layers serve multiple purposes: the stiffening of the circuit board, the thickness compensation for a circuit board with standard thickness and, if the core layer has a certain thickness, for accommodating components such as, for example, matching capacitors and so on. Since the core layer itself already has multiple functions and therefore leads to constraints in itself, it also happens that the linear expansion coefficient of the core layer does not match that of the layers above, which can lead to detachment. The problem of expansion between the components and printed circuit boards, or between the layers of the printed circuit board, or between the core and layers of the printed circuit board, is described in detail in EP 0 393 312 mentioned above. It should be emphasized:
Bei den Kompositionsverfahren werden Folienbleche bzw. aus Kupfer-Invar-Kupfer (CIC), die ihrerseits durch Aufeinanderwalzen von zwei Kupferfolien auf einen lnvar(Ni-Fe)-Träger hergestellt werden, in der Art eines Sandwiches in den Mehrlagenaufbau mit einbezogen. CIC-Folienbleche weisen je nach Invar-Anteil einen Temperaturkoeffizienten zwischen 4-10 ppm/°C auf. Will man einen Multilay-er mit Hilfe einer solchen Folie bspw. auf einen Temperaturkoeffizienten von 6,5 ppm/°C stabilisieren, was etwa dem eines Keramikmaterials entspricht, so müssen 40-60% der Leiterplattendicke aus solchen Folienblechen bestehen, da sonst das Harzmaterial mit seinem Temperaturkoeffizienten von 16 ppm/°C überwiegt. In the composition process, foil sheets or made of copper-invar-copper (CIC), which in turn are produced by rolling two copper foils onto an inv (Ni-Fe) carrier, are included in the multi-layer structure in the manner of a sandwich. Depending on the Invar component, CIC foil sheets have a temperature coefficient between 4-10 ppm / ° C. If you want to stabilize a multilayer with the aid of such a film, for example to a temperature coefficient of 6.5 ppm / ° C, which corresponds approximately to that of a ceramic material, 40-60% of the circuit board thickness must consist of such film sheets, otherwise the resin material predominates with its temperature coefficient of 16 ppm / ° C.
Bei durchgehenden Verbindungslöchern ergibt sich aber das Problem, dass beim Freiätzen, das heisst, an Stellen, an denen die Durchplattierhülse nicht an das Folienblech angeschlossen ist, den dadurch gebildete Hohlraum wieder blasenfrei mit Harz zu füllen. Dies ist bei Einlagefolien mit einer Dicke von mehr als 150 um bereits schon schwierig und nur unter Anwendung von Vakuum während des Verpressens der einzelnen Lagen zu einem Multilayer überhaupt erreichbar. Ferner ist von gravierendem Nachteil, dass ein solcher Hohlraum, durch das Verpressen mit reinem, nicht mit Fasern verstärktem Harz aufgefüllt wird. Dieses faserfreie Harz hat aber einen noch höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten, was zu weiteren mechanischen Belastungen durch Wärmedehnung führt. With continuous connection holes, however, the problem arises that when etching free, that is, at locations where the through-plating sleeve is not connected to the foil sheet, the cavity formed thereby is again filled with resin without bubbles. This is already difficult in the case of insert films with a thickness of more than 150 μm and can only be achieved at all by using a vacuum during the pressing of the individual layers to form a multilayer. Another serious disadvantage is that such a cavity is filled by pressing with pure resin that is not reinforced with fibers. However, this fiber-free resin has an even higher coefficient of thermal expansion, which leads to further mechanical stresses due to thermal expansion.
Es wäre also wünschenswert, ein Verfahren zu kennen, mit welchem Kernschichten hergestellt werden können, die zur Verminderung des linearen Ausdehnungskoeffizienten des gesamten Multilayers führen. It would therefore be desirable to know a method with which core layers can be produced, which lead to a reduction in the linear expansion coefficient of the entire multilayer.
Wird ein Kern mit niedrigem a zur Stabilisierung der Wärmeausdehnung des Gesamtaufbaus eingesetzt, so muss dieser, wie oben schon gesagt, in den meisten Fällen verhältnismässig dick ausgeführt werden, da sonst die beidseitig auflaminierten Multilayer gegenüber dem Kern kräftemässig die Oberhand behalten würden und die Wärmedehnung nicht hinreichend niedrig gehalten werden kann. Ein dicker Kern bietet (nebst seinen speziellen Vorteilen) jedoch folgende Schwierigkeiten: If a core with a low a is used to stabilize the thermal expansion of the overall structure, it must, as already mentioned above, be made relatively thick in most cases, since otherwise the multilayers laminated on both sides would have the upper hand over the core and the thermal expansion would not can be kept sufficiently low. However, a thick core (along with its special advantages) offers the following difficulties:
Müssen von einem Multilayer zum anderen durchkontaktierte Lochverbindungen hergestellt werden, so muss der aus Metall oder Kohlefaser-Kom-posit bestehende Kern mit einem grösseren Lochdurchmesser an den entsprechenden Stellen vorgebohrt werden (Freimachen). Die vorgebohrten Löcher müssen anschliessend mit einem elektrisch isolierenden Harz wiederum gefüllt werden, damit beim Durchbohren bzw. Durchplattieren des gesamten, zusammenlaminierten Aufbaus des Multilayers, die Löcher nicht elektrisch mit dem Kern verbunden und dadurch alle kurzgeschlossen werden. If plated-through holes have to be made from one multilayer to another, the core made of metal or carbon fiber composite must be pre-drilled with a larger hole diameter at the appropriate points (clearing). The pre-drilled holes must then be filled again with an electrically insulating resin so that when drilling through or plating through the entire laminated structure of the multilayer, the holes are not electrically connected to the core and all are short-circuited.
Ist der Kern relativ dick, so kann man das Füllen der vorgebohrten Kernlöcher nicht gleichzeitig mit dem Verpressen der beiden Multilayer mit dem Kern bewerkstelligen, da das Klebermaterial zwischen Kern und Multilayem die Löcher nicht blasenfrei füllen kann. Daher muss man üblicherweise die Löcher vor dem Verpressen mit Harz füllen, was durch Einfüllen eines pulverförmigen Harzes in die Löcher mit anschliessendem Aufschmelzen geschehen kann. Es ist klar, dass dieses Verfahren recht aufwendig ist und es besteht auch die Gefahr, dass das Harzpulver die übrige Oberfläche verschmutzt. Des weiteren besteht bei dieser Methode das Problem, dass der mit Harz gefüllte Bereich der Kernlöcher durch den hohen Temperaturkoeffizienten des Harzes bei thermischer Belastung eine hohe thermische Ausdehnung in Z-Richtung (Richtung der Dicke) zeigt. Die durchplattierte Kupferhülse des Durchgangsloches wird demnach bei thermischen Zyklen starken Zug- bzw. Druckbelastung ausgesetzt, was mit der Zeit zu Rissbildungen führt. Ausserdem weist der Bereich, wo reiner Harz als Ausgussmaterial vorhanden ist, keine Verankerungsmöglichkeit der Kupferhülse auf, sodass sich das Kupfer von der Bohrlochwand ablösen kann. Dies führt bei den unvermeidbaren thermischen Zyklen zu einer weiteren Schwächung der Hülse und einer Abnahme der Zuverlässigkeit der Gesamtschaltung. If the core is relatively thick, the pre-drilled core holes cannot be filled simultaneously with the pressing of the two multilayers with the core, since the adhesive material between the core and multilayer cannot fill the holes without bubbles. Therefore, you usually have to fill the holes with resin before pressing, which can be done by pouring a powdered resin into the holes and then melting. It is clear that this process is quite complex and there is also a risk that the resin powder will contaminate the rest of the surface. Furthermore, there is the problem with this method that the area of the core holes filled with resin shows a high thermal expansion in the Z direction (direction of the thickness) due to the high temperature coefficient of the resin under thermal stress. The plated-through copper sleeve of the through hole is therefore exposed to strong tensile or compressive loads during thermal cycles, which leads to the formation of cracks over time. In addition, the area where pure resin is present as the pouring material has no possibility of anchoring the copper sleeve, so that the copper can detach from the borehole wall. With the inevitable thermal cycles, this leads to a further weakening of the sleeve and a decrease in the reliability of the overall circuit.
Aus diesem Grunde wurde vielfach die Konstruktion des Multilayers so gewählt, dass alle durchgehenden Löcher in einem bestimmten klar definierten Bereich vorgesehen werden. Dieser Bereich kann dann im Kern ausgefräst werden. Anschliessend wird dann eine glasfaserverstärkte Kunststoffplatte gleicher Dicke in diese Ausnehmungen eingelegt und beim anschliessendem Laminieren mit dem Multilayem mit diesen und dem Kern verklebt. Werden dann in diesem Bereich Bohrungen eingebracht, so ist die Bohrlochwandung in diesem Bereich des Kernes nicht glatt, sondern durch die angeschnittenen Glasfasern aufgerauht und bietet damit eine Verankerungsmöglichkeit für das galvanisch abgeschiedene Kupfer. For this reason, the construction of the multilayer was chosen so that all through holes are provided in a certain clearly defined area. This area can then be milled out in the core. A glass fiber reinforced plastic plate of the same thickness is then placed in these recesses and glued to the core and the multilayer when it is subsequently laminated. If holes are then drilled in this area, the borehole wall in this area of the core is not smooth, but is roughened by the cut glass fibers and thus offers an anchoring option for the electrodeposited copper.
Der Nachteil dieser Methode ist, dass die Durchgangslöcher alle in einem klar begrenzten Gebiet vorgesehen werden müssen, was zusätzliche Lei5 The disadvantage of this method is that the through holes must all be provided in a clearly defined area, which means additional lei5
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terführungen in den beiden Multilayem notwendig macht. Diese zusätzlichen Leiter erhöhen nicht nur die Verbindungsdichte in den Multilayem, verbunden mit einer möglichen Erhöhung der notwendigen Lagenzahl, sondern erhöhen die Leiterlänge und sind für höherfrequente Schaltungen nicht optimal oder sogar aus schaltungstechnischen Gründen verboten. Ausserdem wird im Bereich der Ausnehmung die stabilisierende Wirkung des Kernes geschwächt, was zusätzliche Kräfte und Spannungen bei einer Temperaturbelastung bewirken kann. guided tours in the two multilayers. These additional conductors not only increase the connection density in the multilayers, combined with a possible increase in the number of layers required, but also increase the conductor length and are not optimal for higher-frequency circuits or are even prohibited for circuitry reasons. In addition, the stabilizing effect of the core is weakened in the region of the recess, which can cause additional forces and stresses when exposed to temperature.
Das Ziel ist deshalb: ein blasenfreies Füllen der Löcher, eine gute Verankerung der Kupferhülse und die beliebige Verteilung der Löcher auf der Schaltungsfläche zu erhalten. The goal is therefore: to obtain a bubble-free filling of the holes, a good anchoring of the copper sleeve and any distribution of the holes on the circuit board.
Dies wird erreicht, in dem in einem ersten Schritt dünne Kern-Halbfabrikate hergestellt werden; diese Halbfabrikate werden vorgebohrt; die vorgebohrten Halbfabrikate werden mittels glasfaserverstärktem Prepreg zu einem Kern zusammenlaminiert, wobei das Harz der Prepregschicht die vorgebohrten Löcher vollständig und blasenfrei füllt; anschliessend kann der Kern wie gewohnt weiterverarbeitet werden. Mit Hilfe dieser Verfahrenschritte zur Herstellung eines Kerns, können alle oben dargelegten Problempunkte gleichzeitig und miteinander gelöst werden. This is achieved by producing thin core semi-finished products in a first step; these semi-finished products are pre-drilled; the pre-drilled semi-finished products are laminated together to form a core by means of glass fiber reinforced prepreg, the resin of the prepreg layer filling the pre-drilled holes completely and without bubbles; the core can then be processed as usual. With the help of these process steps for the production of a core, all the problem points outlined above can be solved simultaneously and together.
Die Idee dahinter ist folgende: man verringert die Lochtiefe zum leichteren Auffüllen, das erreicht man durch dünne Halbfabrikate, aus denen schliesslich der Kern geschichtet wird. Zur Verbindung der Schichten bringt man dünne Verankerungsschichten ein, das sind Schichten mit isolierenden mechanischen Verstärkungen (die nichtisolierenden sind in den gelochten Halbfabrikaten). Nach dem Schichten bohrt man die Kerne durch, wobei ein Bohrloch mit Verankerungspunkten entsteht und dessen Wände von den stromleitenden Verstärkungen (bspw. Metall, Kohlefasern etc.) isoliert ist. The idea behind this is as follows: the hole depth is reduced for easier filling, which is achieved by thin semi-finished products, from which the core is finally layered. In order to connect the layers, thin anchoring layers are used, i.e. layers with insulating mechanical reinforcements (the non-insulating ones are in the perforated semi-finished products). After layering, the cores are drilled through, creating a borehole with anchoring points and the walls of which are insulated from the current-carrying reinforcements (e.g. metal, carbon fibers, etc.).
Die Kern-Halbfabrikate können entweder dünnere Metallfolien aus Kupfer-Invar-Kupfer oder Kupfer-Molybdän-Kupfer sein, sie können auch aus einem dünneren Kohlefaser-Epoxy- oder aus einem Kohle-faser-Polyimid-Kompositwerkstoff hergestellt sein. Die Verwendung dünnerer Metallfolien, anstatt eines dicken Bleches ergibt zusätzlich den Vorteil, dass diese Folien leichter chemisch oder mechanisch bearbeitet werden können, als dickere Bleche. The core semi-finished products can either be thinner metal foils made of copper-Invar-copper or copper-molybdenum-copper, they can also be made of a thinner carbon fiber-epoxy or a carbon-fiber-polyimide composite material. The use of thinner metal foils instead of a thick sheet additionally gives the advantage that these foils can be processed chemically or mechanically more easily than thicker sheets.
Insbesondere können die vorgebohrten Löcher bei dünneren Folien, die sich üblicherweise im Dik-kenbereich von 0,1 mm bis 0,3 mm bewegen, durch Formätzen erzeugt werden, was wesentlich kostengünstiger ist, als das mechanische Bohren der Löcher. Im Falle, dass die Löcher doch gebohrt werden, ist das Bohren dünnerer Bleche wesentlich einfacher, da Invar oder auch Molybdän sehr schwer spanabhebend zu bearbeiten sind. In particular, the predrilled holes for thinner foils, which usually move in the thickness range from 0.1 mm to 0.3 mm, can be produced by form etching, which is considerably less expensive than the mechanical drilling of the holes. In the event that the holes are drilled, drilling thin sheets is much easier since Invar or molybdenum are very difficult to machine.
Das oben kurz zusammengefasst angegebene Vorgehen wird mit Hilfe der nachfolgend aufgeführten Figuren im Detail diskutiert. The procedure briefly summarized above is discussed in detail with the help of the figures listed below.
Fig. 1 zeigt in einer Sequenz von a bis c die Problematik beim Durchplattieren während der Herstellung eines Multilayer mit einem Kern. 1 shows in a sequence from a to c the problems associated with plating through during the production of a multilayer with a core.
Fig. 2 zeigt in einer Sequenz von a bis g ein aufwendiges Vorgehen zur Vermeidung der Probleme gemäss Fig. 1. In a sequence from a to g, FIG. 2 shows a complex procedure for avoiding the problems according to FIG. 1.
Fig. 3 zeigt ein Problemdetail. Fig. 3 shows a problem detail.
Fig. 4 zeigt ein anderes Problemdetail. Fig. 4 shows another problem detail.
Fig. 5 zeigt in einer Sequenz von a bis c ein Vorgehensbeispiel gemäss Erfindung, bei dem die vorgehend diskutierten Probleme vermieden werden. 5 shows in a sequence from a to c a procedure example according to the invention in which the problems discussed above are avoided.
Fig. 6 zeigt ein Detail aus dem Vorgehen gemäss Fig. 5. FIG. 6 shows a detail from the procedure according to FIG. 5.
Teil a von Fig. 1 zeigt Komponenten eines Multilayers vor dem Zusammenpressen. Auf einen Kern 1 mit zwei Löchern, deren Durchmesser grösser ist, als der der Durchkontaktierung, werden mittels Pre-pregschichten 2 die Multilayers auf beide Seiten des Kerns geklebt. Nach diesem Laminierungsvor-gang befinden sich in der Regel in den Löchern Gaseinschlüsse 4, also Hohlräume, wie das in Teil b dargestellt ist. Nach dem Durchbohren des Laminats sind auch die Hohlräume angebohrt (Loch rechts), welche beim Galvanisieren der Durchplat-tierung 6 ebenfalls mit Metall gefüllt werden und so einen Kontakt zur Kernschicht herstellen (Loch links). Part a of FIG. 1 shows components of a multilayer before being pressed together. The multilayers are glued to both sides of the core on a core 1 with two holes, the diameter of which is larger than that of the via, by means of pre-preg layers 2. After this lamination process, there are usually gas inclusions 4 in the holes, i.e. cavities, as shown in part b. After the laminate has been drilled through, the cavities are also drilled (hole on the right), which are also filled with metal when the through-plating 6 is galvanized and thus make contact with the core layer (hole on the left).
Fig. 2 zeigt, wie mit einem relativ aufwendigen Vorgehen Gaseinschlüsse bzw. Hohlräume im Bereich der Durchbohrungen vermieden werden. Der gelochte Kern 1 wird auf einer Seite mit einer Dichtfolie 8 abgedichtet und die Löcher mit Harzpulver 7 gefüllt und anschliessend eingeschmolzen. Nach dem Erkalten bleiben Kontraktionsmulden (Teile c und d) zurück, die mit dem Harz der Prepregschicht aufgefüllt werden (Teil e). Nach dem Laminieren sind lunkerfreie Harzfüllungen vorhanden, die nach dem Bohren die Kemschicht von der Durchplattierung 6 vollständig isolieren. Der Nachteil dieser Methode ist, und das zeigt Fig. 3 in einem Detail, dass auf diese Weise ein Bereich 12 mit hoher Wärmeausdehnung und ausserdem ohne ausreichende Verankerungsstellen für die plattierte Hülse 6 entsteht. Fig. 4 zeigt ein Detail einer anderen aufwendigen Methode, bei welcher in bestimmte Zonen im Kem 1 Prepreg-Inlets 14 eingelegt werden. Man sieht gleich, dass bei diesen Vorgehen schier unannehmbare Sachzwänge entstehen. FIG. 2 shows how gas inclusions or cavities in the area of the perforations are avoided with a relatively complex procedure. The perforated core 1 is sealed on one side with a sealing film 8 and the holes are filled with resin powder 7 and then melted down. After cooling, contraction troughs (parts c and d) remain, which are filled with the resin of the prepreg layer (part e). After the lamination, void-free resin fillings are present which completely isolate the core layer from the through plating 6 after the drilling. The disadvantage of this method, and this is shown in FIG. 3 in detail, is that an area 12 with high thermal expansion is created in this way and also without sufficient anchoring points for the plated sleeve 6. FIG. 4 shows a detail of another complex method in which prepreg inlets 14 are inserted into certain zones in the core 1. You can immediately see that this approach creates almost unacceptable constraints.
Fig. 5 zeigt nun in drei Teilen a-c, wie man diese ganze Problematik elegant löst. Dünne Halbzeuge 20 aus einem mechanisch stabilisierenden Material von einigen Zehntel Millimeter Dicke werden gemäss dem Layout vorgebohrt, gelocht oder formgeätzt. Die Dicke ist so gewählt, dass sich das Halbzeug einerseits gut bearbeiten lässt (bspw. Lochätzen) und andererseits, dass die Löcher mit dem Prepreg-Harz sicher ausgefüllt werden. Man schichtet abwechslungsweise Prepreg 9 und Halbzeug 20 bis zur gewünschten Kerndicke und laminiert die Schichten zu einem Kern 25 zusammen. Dabei werden die Löcher 21 vollständig ausgefüllt, was mit Teil b der Figur gezeigt wird. Nach dem finalen Laminieren, das heisst, nach dem Laminieren der Multilayer 10 auf den Kern 25, werden die Durchplattierungslöcher 6 gebohrt und plattiert (Teil c). Hier sieht man nun detailliert in Fig. 6, dass der Harzanteil der Isolierhülse 21' nicht nur kleiner ist, Fig. 5 now shows in three parts a-c how to elegantly solve this whole problem. Thin semi-finished products 20 made of a mechanically stabilizing material with a thickness of a few tenths of a millimeter are predrilled, perforated or form-etched according to the layout. The thickness is selected so that the semi-finished product can be easily processed on the one hand (e.g. hole etching) and on the other hand that the holes are filled securely with the prepreg resin. You alternately layer prepreg 9 and semi-finished product 20 to the desired core thickness and laminate the layers together to form a core 25. The holes 21 are completely filled, which is shown with part b of the figure. After the final lamination, that is to say after the multilayer 10 has been laminated onto the core 25, the through-plating holes 6 are drilled and plated (part c). 6 that the resin content of the insulating sleeve 21 'is not only smaller,
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sondern dass die Glasfaserlagen 9, die die Isolierhülse 21' unterbrechen, der Plattierungshülse 6 zusätzlich eine Verankerung bieten. Damit sind die oben diskutierten Probleme mit einem einfachen und eleganten Verfahren gelöst. but that the glass fiber layers 9, which interrupt the insulating sleeve 21 ', additionally offer an anchoring to the plating sleeve 6. This solves the problems discussed above with a simple and elegant process.
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