DE10059234B4 - Elektrisch leitende Paste und Verfahren zur Bildung eines Schaltkreises - Google Patents

Elektrisch leitende Paste und Verfahren zur Bildung eines Schaltkreises Download PDF

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Abstract

Elektrisch leitende Paste umfassend
– Komplexe (A), die durch Mischen und Reaktion eines elektrisch leitenden Materials und eines magnetischen Materials hergestellt sind und so ausgebildet sind, dass bei Wirksamwerden elektromagnetischer Induktion Wärme erzeugt wird, und
– ein Harz (5), das mit den Komplexen gemischt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch leitende Paste, die zur Herstellung eines Schaltkreises verwendet wird, und ein Verfahren zur Bildung einer Schaltkreisanordnung mit Hilfe der elektrisch leitenden Paste.
  • Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltkreisanordnung bekannt, bei dem, wie in 4 gezeigt, eine elektrisch leitende Paste 10, bei der ein elektrisch leitender Füller, zum Beispiel Kupfer, Aluminium und Ruß, einem thermoplastischen Harz oder einem in Wärme aushärtenden Harz beigemischt sind, auf einen Isolationsträger 11 nach einem vorbestimmten Schaltkreismuster aufgebracht wird. Dieser Isolationsträger 11 wird in einem Wärmeofen 12 platziert und die leitende Paste 10 bei einer vorbestimmten Temperatur ausgehärtet.
  • Bei diesem Verfahren ist es eine wichtige Voraussetzung für den Isolationsträger 11, der Aushärtetemperatur der leitenden Paste 10 widerstehen zu können. Bei einer leitenden Paste aus Kupferphenol, die repräsentativ für eine solche Paste 10 ist, ist es allgemein üblich, die Aushärtung bei 160°C und einer Dauer von ungefähr 20 Minuten zu vollziehen. Für den Isolationsträger 11 ist es notwendig, ein Material zu verwenden, das solch einer Hitze widerstehen kann. Aus diesem Grund kann ein Harz, dessen Erweichungspunkt niedriger als die vorangehend beschriebene Erwärmungstemperatur ist, wie zum Beispiel Polyethylen oder Polypropylen, nicht für den Isolationsträger 11 verwendet werden. Es besteht daher eine Begrenzung der Auslegung. Auch bei einem Isolationsträger 11, der aus einem anderen Harz als Polyethy len oder Polypropylen gebildet ist, treten auf Grund der Erwärmung geringfügige Maßänderungen auf, so daß eine Verformung des Isolationsträgers 11 unvermeidlich ist.
  • Dementsprechend ist es üblich, die Verformung des Isolationsträgers durch Verringern dessen Wärmespannungen zu verhindern, indem nur die Schaltkreisanordnung, die durch die leitende Paste 10 gebildet wird, anstelle des gesamten Isolationsträgers erwärmt wird.
  • Insbesondere ist dann ein magnetischer Werkstoff zusammen mit einem leitenden Füller in der leitenden Paste 10 enthalten. Eine Schaltkreisanordnung wird auf dem Isolationsträger 11 unter Verwendung dieser leitenden Paste 10 ausgebildet. Mittels einer Hochfrequenzinduktionsspule wird der magnetische Werkstoff in der leitenden Paste 10 dazu gebracht, Wärme zu erzeugen, so dass das Harz aufgrund dieser Wärme aushärtet, wodurch der Schaltkreis gebildet wird. Durch diese Hochfrequenzinduktionserwärmung ist es möglich, dass nur der Abschnitt, der durch die leitende Paste 10 gebildet ist, ausgehärtet wird und dadurch die Verformung des Isolationsträgers, verglichen mit dem vorangehend beschriebenen Erwärmen im Brennofen, bemerkenswert klein zu halten ist.
  • Ein Klebemittel des Hochfrequenzinduktionserwärmungstyps, in dem zerkleinerte magnetische Metallfasern und Metallpulver in einem Harz eingelassen sind, ist auch in der JP-A-6-35570 als leitende Paste 10, als für solch eine elektromagnetische Induktion geeignet, offenbart.
  • Bei der herkömmlichen leitenden Paste des Hochfrequenzinduktionswärmebehandlungstyps sind, da der leitende Füller und die Heizelemente (magnetisches Material) getrennt gebildet werden, die Heizelemente und der leitende Füller durch das Harz getrennt, so daß es schwierig ist, die Wärme des Heizelements zu übertragen. Aus diesem Grund ist es beispielsweise notwendig, die Leistung der Hochfrequenzinduktionsspule zu erhöhen oder die Wärmebehandlungszeit zu verlängern, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden.
  • Für den Fall, daß der leitende Füller und die Heizelemente schlecht in der leitenden Paste verteilt sind, treten außerdem Ungleichmäßigkeiten bei der Aushärtung der leitenden Paste auf und die Qualität des Schaltkreises ist gering.
  • Beispielsweise geht aus der EP 359709 A2 hervor, dass Massen bekannt sind, die induktiv gehärtet werden. Diese umfassen ein Harz und Partikel, mit denen elektromagnetisch Wärme erzeugt werden kann. Sie enthalten jedoch keine Komplexe, die sowohl elektrischen Strom leiten, als auch mittels elektromagnetischer Induktion Wärme erzeugen und Harze aushärten können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch leitende Paste vorzusehen, deren Wärmeerzeugungswirkungsgrad bei Hochfrequenzinduktionswärmebehandlung hoch ist, die eine Aushärtung mit geringer Energie ermöglicht und die frei von Ungleichmäßigkeiten der Aushärtung ist, und auch ein Verfahren zur Bildung eines Schaltkreises, der eine hohe Qualität aufweist und kostengünstig eine hohe Zuverlässigkeit durch Verwendung der leitenden Paste aufweist, zu schaffen.
  • Gelöst wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Elektrisch leitende Paste umfassend
    • – Komplexe, die durch Mischen und Reaktion eines elektrisch leitenden Materials und eines magnetischen Materials hergestellt sind und so ausgebildet sind, dass bei Wirksamwerden elektromagnetischer Induktion Wärme erzeugt wird, und
    • – ein Harz, das mit den Komplexen gemischt ist.
  • Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Schaltkreises vorgesehen, folgende Schritte umfassend
    • – Erzeugen einer Paste gemäß Anspruch 1 und
    • – Bildung einer Schaltkreisanordnung und Aushärten der Schaltkreisanordnung mittels elektromagnetischer Induktion.
  • Es wird durch die Erfindung möglich, eine leitende Paste zu erzielen, deren Wärmeerzeugungswirkungsgrad bei der Hochfrequenzinduktionswärmebehandlung hoch ist, die ein Aushärten mit geringer Energie ermöglicht und die frei von Ungleichmäßigkeiten beim Aushärten ist. Es ist außerdem möglich, einen Schaltkreis zu bilden, der durch Verwendung der leitenden Paste gemäß der Erfindung eine hohe Qualität und hohe Zuverlässigkeit kostengünstig aufweist.
  • In den anhängenden Zeichnungen
    zeigen
  • 1(A) und (B) schematische Darstellungen der Gestalt eines Komplexes, der in der elektrisch leitenden Paste gemäß der Erfindung enthalten ist,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Schaltkreisanordnung, die aus der elektrisch leitenden Paste der Erfindung gebildet ist,
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Hochfrequenzinduktionsspule, die zur Bildung der Schaltkreisanordnung gemäß der Erfindung verwendet wird, und
  • 4 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Verfahrens zur Bildung einer Schaltkreisanordnung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • Für die erfindungsgemäße elektrisch leitende Paste ist es möglich, solche elektrisch leitende Füller und Heizelemente zur Erzeugung von Wärme auf Grund einer elekt romagnetischen Induktion als geeignet zu wählen, die auch herkömmlicherweise hierbei verwendet werden.
  • Als Beispiele zum Bilden des leitenden Füllers sind Kupfer, Silber, Gold und dergleichen Werkstoffe zu nennen. Als Beispiele zum Bilden der Heizelemente sind Eisen, Ferrit, nichtrostender Stahl, Nickel, Aluminium oder dergleichen Werkstoffe zu nennen.
  • Der leitende Füller und das Heizelement sind vorzugsweise granulatförmig, faserförmig oder in der Form von Whiskern, mit dendritischer Form oder flockenförmig, vorzusehen.
  • Aus dem leitenden Füller und dem Heizelement werden dann Komplexe gebildet und diese werden in einem Harz verteilt. Diese Dispersion wird als leitende Paste gemäß der Erfindung verwendet.
  • Die Kombination des Füllers mit dem Heizelement ist willkürlich. Mehrere Heizelemente können weiter mit einem leitenden Füller zu einem Komplex vereinigt werden (gemischt werden), oder ein Heizelement kann mit mehreren leitenden Füllern zu einem Komplex vereinigt werden.
  • Die Form des Komplexes ist außerdem nicht begrenzt. Die vorangehend genannten Formen können beliebig kombiniert werden. Wenn aber wengistens der leitende Füller oder das Heizelement, faserig, in der Form von Whiskern oder einer dendritischen Form vorgegeben sind, sind die Komplexe in der leitenden Paste miteinander verworren (verschlungen), so daß ein ausreichender Wärmeaustausch erzielt wird. Da der leitende Füller ein Metall ist, weist nämlich der leitende Füller selber einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten auf und leitet zufriedenstellend die Wärme von dem Heizelement zu anderen verworrenen Komplexen, so daß der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient der leitenden Paste insgesamt höher als der der herkömmlichen leitenden Paste wird, und die Ungleichmäßigkeit der Wärmeübertragung klein (gering) wird.
  • Als ein besonders günstiges Beispiel für einen Komplex aus einem leitenden Füller und Heizelement kommt zum Beispiel der Komplex A in Frage, in dem ein Kupferwhisker 1 als leitender Füller und ein Eisenwhisker 2 als ein Heizelement vorgesehen sind, wie in 1A gezeigt, und ein Komplex A, in dem Eisenpartikel 3 an der Fläche des Kupferwhiskers 1, wie in 1B gezeigt, aufgebracht sind. Ein Komplex, in dem Nickel als Heizelement verwendet wird, ist auch günstig.
  • Das Verhältnis zwischen dem leitenden Füller und dem Heizelement ist nicht spezifisch begrenzt und ist in Übereinstimmung mit den jeweiligen Formen und dergleichen auswählbar.
  • Das Verfahren zum Bilden von Komplexen aus dem leitenden Füller und dem Heizelement ist nicht spezifisch begrenzt, d.h. verschiedene Verfahren sind möglich.
  • Zum Beispiel werden das Material für den leitenden Füller, das Material für die Heizelemente und ein Reduktionsmittel, wie zum Beispiel Kohlenstoffpulver, ausreichend miteinander vermischt. Diese Mischung wird in ein Keramikboot und dann in einen elektrischen Brennofen gegeben und in einer Atmosphäre aus einem Edelgas bei einer Temperatur von 400°C bis 800°C für 1 bis 10 Stunden, während Dampf und, wenn notwendig, Wasserstoffgas hinzugegeben wird, zur Reaktion gebracht. Es ist folglich möglich, Komplexe zu erzielen, bei denen jeweils Partikel des Heizelements an der Oberfläche des whiskerförmigen leitenden Füllers angebracht sind.
  • Das Harz, in dem die vorangehend genannten Komplexe verteilt aufgenommen werden, ist auch nicht spezifisch begrenzt und kann aus der Gruppe der thermoplastischen Harze und der in Wärme aushärtenden Harze, die für diesen Typ leitender Paste herkömmlicherweise verwendet werden, zweckmäßigerweise ausgewählt werden. Es ist zum Beispiel möglich, im allgemeinen ein Akrylharz, Urethanharz, Epoxyharz, Phenolharz oder dergleichen zu verwenden.
  • Das Mischungsverhältnis zwischen den Komplexen und dem Harz ist nicht spezifisch begrenzt, aber es ist vorteilhafterweise 10 bis 1000 Gewichtsanteile der Komplexe auf 100 Gewichtsanteile des Harzes vorzusehen. Wenn der Anteil der Komplexe kleiner als der vorangehend beschriebene Anteil an der Mischung ist, kann es zu Aushärtungsfehlern der leitenden Paste auf Grund des zu geringen Anteils der Heizelemente und zu fehlerhafter elektrischer Leitung auf Grund des geringen Betrags an leitendem Füller führen. Falls der Anteil der Komplexe den vorangehend beschriebenen Anteil an der Mischung übersteigt, wird der Anteil des Harzes relativ gering, so daß die Beschichtungseigenschaft während der Bildung der Schaltkreisanordnung, die Formbeständigkeit der Schaltkreisanordnung und die Haftfähigkeit in Bezug auf den Isolationsträger verschlechtert werden.
  • Des weiteren können mehrere Arten von Komplexen durch Mischen erzeugt und verwendet werden.
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Schaltkreisanordnung 4, die aus der elektrisch leitenden Paste gemäß der Erfindung besteht. Bei dieser Schaltkreisanordnung (Muster) sind die Komplexe, die jeweils aus Kupferwhiskern 1 und Eisenpartikeln 3, wie in 1B gezeigt, aufgebaut sind, miteinander verworren (verschlungen) und sind gleichmäßig in einem Harz 5 verteilt. Während der Bildung des Schaltkreises, was nachfolgend beschrieben wird, wird die Wärme der Eisenpartikel 3, die die Heizelemente bilden, ausreichend an die anderen verworrenen Komplexe mittels der Kupferwhisker 1 übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit der leitenden Paste ist daher insgesamt verbessert, wobei die Schaltkreisanordnung 4, ohne daß eine Ungleichmäßigkeit des Aushärtens sogar bei geringer Energie hervorgerufen wird, ausgehärtet werden kann.
  • Es ist zu bemerken, daß das Bezugszeichen 11 in den Zeichnungen einen Isolationsträger kennzeichnet.
  • Zur Bildung des Schaltkreismusters, beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte unter Verwendung der elektrisch leitenden Paste gemäß der Erfindung ist es möglich, ein herkömmliches Hochfrequenzinduktionerwärmungsverfahren anzuwenden. Der Isolationsträger 11 mit der vorbestimmten Schaltkreisanordnung 4 (Muster), die mittels der leitenden Paste, wie oben beschrieben, auf diesem ausgebildet wird, wird in einer Hochfrequenzinduktionsspule 20, wie in 3 gezeigt, angeordnet, und ein Hochfrequenzstrom wird an der Hochfrequenzinduktionsspule 20 von einer nicht dargestellten Hochfrequenzspannungsquelle angelegt, um ein magnetisches Feld hervorzurufen. Die Heizelemente in der leitenden Paste werden dazu angeregt, Wärme auf Grund der Wirkung dieses magnetischen Feldes zu erzeugen, um das Harz auszuhärten.
  • Die Bedingungen, wie zum Beispiel die Frequenz und die Leistung des Hochfrequenzstroms und die Wärmebehandlungszeit werden dabei in Übereinstimmung mit der Art des Harzes und des Heizelementes zum Bilden der leitenden Paste als aufgrund des Mischungsverhältnisses gewählt. Die Frequenz kann beispielsweise auf den Bereich von 1 k bis 10 Mhz festgelegt werden. Die Leistung wird auf einen Bereich von 10 kW oder weniger festgelegt und die Wärmebehandlungszeit wird auf einen Bereich von 1 Stunde oder weniger festgelegt, wobei die Bedingungen nicht spezifisch begrenzt sind.
  • Beispiele
  • Nachfolgend wird die Erfindung durch Angabe von Beispielen im Detail beschrieben. Die Erfindung sollte jedoch nicht auf die folgenden Beispiele begrenzt werden.
  • Beispiel 1
  • Unter Verwendung einer Kugelmühle wurden 1 mol Kupferchlorid, 0.1 mol Eisenchlorid und 1 mol Kohlenstoffpulver gleichmäßig miteinander vermischt. Diese Mischung wurde in ein Keramikboot und danach in einen elektrischen Brennofen gegeben. Diese Mischung wurde bei 400°C für 1 Stunde in einer Atmosphäre aus Stickstoffgas unter Einbringung von Dampf zur Reaktion gebracht. Es war möglich, Komplexe zu erzielen, bei denen Eisenpartikel, die Durchmesser in einem Bereich von 5 bis 10μm aufwiesen, an den Flächen der Kupferwhisker, die Längen in dem Bereich von 50 bis 80μm aufwiesen, wie in 1B gezeigt, anzubringen.
  • Diese Komplexe wurden nachfolgend mit einem Phenolharz in einem Verhältnis von 600 Gewichtsanteilen der Komplexe zu 100 Gewichtsanteilen des Phenolharzes vermischt und wurden dabei so ausreichend gemischt, daß die leitende Paste erzeugt wurde.
  • Nachdem eine Schaltkreisanordnung (Schaltkreismuster) auf dem Isolationsträger, der aus PET bestand, unter Verwendung der leitenden Paste, die wie vorangehend hergestellt wurde, aufgetragen wurde, wurde dieser Isolationsträger in einer Hochfrequenzinduktionsspule angeordnet und wurde mittels eines Stromes von 80 A, der durch die Spule floß, für 10 Minuten behandelt, um der leitenden Paste zu ermöglichen auszuhärten. Die Verformung des Isolationsmaterials war gleich null und eine Ungleichmäßigkeit des Aushärtens wurde bei der leitenden Paste nicht beobachtet.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • 100 Gewichtsanteile Acrylharz wurden mit 600 Gewichtsanteilen Kupfer in der Form von kleingeschnittenen Fasern und 5 Gewichtsanteilen Eisenpartikeln gemischt und für den gleichen Zeitraum wie beim Beispiel 1 gemischt, wodurch die leitende Paste hergestellt wurde.
  • Nachdem ein Schaltkreismuster auf dem Isolationsträger, der aus PET bestand, unter Verwendung der leitenden Paste aufgetragen wurde, wurde dieser Isolationsträger einer Hochfrequenzinduktionswärmebehandlung unter Bedingungen, ähnlich denen des Beispiels 1, unterzogen, um die leitende Paste auszuhärten. Obwohl eine Verformung des Isolationsmaterials nicht beobachtet wurde, wurde eine geringfügige Ungleichmäßigkeit der Aushärtung bei der leitenden Paste bemerkt. Wenn die Leistung auf 100A und die Wärmebehandlungszeit auf 20 Minuten erhöht wurde, verschwanden die Ungleichmäßigkeiten des Aushärtens der leitenden Paste.
  • Aus einem Vergleich von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 ist zu erkennen, daß die Behandlungsbedingungen der Hochfrequenzinduktionswärmebehandlung durch Verwendung der erfindungsgemäßen leitenden Paste verringert werden können und daß ein Schaltkreis mit hoher Qualität kostengünstig ausgebildet werden kann.

Claims (2)

  1. Elektrisch leitende Paste umfassend – Komplexe (A), die durch Mischen und Reaktion eines elektrisch leitenden Materials und eines magnetischen Materials hergestellt sind und so ausgebildet sind, dass bei Wirksamwerden elektromagnetischer Induktion Wärme erzeugt wird, und – ein Harz (5), das mit den Komplexen gemischt ist.
  2. SVerfahren zur Herstellung eines Schaltkreises, folgende Schritte umfassend – Erzeugen einer Paste gemäß Anspruch 1 und – Bildung einer Schaltkreisanordnung und Aushärten der Schaltkreisanordnung mittels elektromagnetischer Induktion.
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