DE10151859A1

DE10151859A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen mehrlagiger Leiterplatten

Info

Publication number: DE10151859A1
Application number: DE2001151859
Authority: DE
Inventors: Norbert Damm; Gerhard Doelker; Markus Heintel; Thomas Schmidt; Wolfgang Stein
Original assignee: Robert Buerkle GmbH
Current assignee: Robert Buerkle GmbH
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2001-10-24
Publication date: 2003-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren oder eine Vorrichtung zum Herstellen mehrlagiger Leiterplatten, wobei zumindest eine Lage aus optisch leitfähigem Material besteht, die mit zumindest einer ihrer Nachbarlagen verklebt wird, indem die genannten Lagen mittels einer wärmhärtenden Kleberschicht unter Einwirkung von Wärme und gegebenenfalls Druck zusammengefügt werden. Während der Erwärmung werden die Lagen zumindest zeitweise Unterdruck ausgesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen mehrlagiger Leiterplatten, wobei zumindest eine der Lagen aus optisch leitfähigem Material, insbesondere Dünnglas, besteht, die mit zumindest einer ihrer Nachbarlagen verklebt wird, indem die genannten Lagen mittels einer warmhärtenden Kleberschicht unter Einwirkung von Wärme und gegebenenfalls Druck zusammengefügt werden.
Durch die WO/90/01176 und WO/00/50946 sind mehrlagige Leiterplatten bekannt geworden, die zusätzlich zu den üblichen elektrischen Leitungsebenen aus Kupferfolie optische Leitungsebenen aus optisch durchsichtigem Material, insbesondere Dünnglas, aufweisen. Diese optischen Leitungsebenen haben den Vorteil höherer Signal-Integrität; außerdem erfolgt die Signal-Übertragung mit Lichtgeschwindigkeit und daher schneller als bei den herkömmlichen metallischen Leiterplatten.
In der WO/00/50946 wird eine Kombination elektrischer und optischer Leiterbahnen beschrieben, wobei neben elektrisch leitenden und optisch leitenden Schichten Signaltrennschichten, Kleberschichten und eventuell Trägerschichten zur Erhöhung der mechanischen Stabilität zur Anwendung kommen. Die Verbindung der verschiedenen Schichten soll durch Verpressen bzw. Verkleben erfolgen.
Untersuchungen der Anmelderin haben ergeben, dass die bisher bekannten Herstellungsverfahren für mehrlagige Leiterplatten nicht geeignet sind, wenn Schichten aus Dünnglas eingesetzt werden sollen. Selbst die in DE 198 31 377 beschriebene Mehretagenpresse, die dank ihres Gewichtsausgleiches einen sehr schonenden Pressvorgang gestattet, führt bei Einsatz von Dünnglasschichten zu einer hohen Ausschussrate in den optischen Leitungsebenen. Fehleranalysen zeigten, dass in den Dünnglasschichten Sprünge entstehen, die die Signalübertragung erheblich beeinträchtigen, zumindest keine reproduzierbare Signalübertragung gestatten.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um optisch leitfähige Schichten aus Dünnglas zuverlässig ohne Glasbruch zumindest einseitig mit einer Nachbarlage zu verkleben. Insbesondere sollen Kombinationen elektrischer und optischer Leitungsebenen in einer Leiterplatte ermöglicht werden. Des weiteren soll eine Vorrichtung zur kostengünstigen Serienfertigung vorgenannter Leiterplatten aufgezeigt werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, dass die Lagen während des Zusammenfügens zumindest zeitweise einem Unterdruck ausgesetzt werden.
Untersuchungen der Anmelderin haben überraschend gezeigt, dass bei der Verbindung der einzelnen Lagen mittels warmhärtender Kleberschichten Gase frei werden, und zwar insbesondere während der Erhitzungsphase, und dass diese Gase - wohl bedingt durch die absolute Undurchlässigkeit der Glasschichten - zu lokalen Druckeinwirkungen und damit letztlich zum Glasbruch führen. Durch den erfindungsgemäß angelegten Unterdruck, der vorzugsweise während der gesamten Erhitzungsphase aufrecht erhalten wird, werden diese Gase bereits bei ihrer Entstehung seitlich zwischen den Lagen herausgesaugt und es können sich keine lokalen Drucknester und Gaseinschlüsse mehr aufbauen. Die Erfindung gestattet somit Leiterplatten mit zahlreichen Dünnglasschichten unter Verwendung ähnlicher Methoden wie bei der herkömmlichen Leiterplattenfertigung herzustellen.
Zweckmäßig wird der Unterdruck bis zum Erreichen einer Temperatur von zumindest 100°C, insbesondere 120°C in der Kleberschicht aufrecht erhalten. Dadurch soll sichergestellt werden, dass weitgehend alle während der Erhitzungsphase entstehenden Gase oder Dämpfe abgesaugt werden. Die Höhe des Unterdruckes sollte bei weniger als 0,3 bar Absolutdruck, insbesondere bei etwa 0,03 bar Absolutdruck liegen, damit auch schwerflüchtige Bestandteile erfasst werden und die Taktzeit nicht verlängert wird.
Die vorbeschriebene Unterdruck-Einwirkung kann während des Verpressens der einzelnen Lagen stattfinden. Es liegt aber gleichermaßen im Rahmen der Erfindung, in einem separaten Arbeitsgang, gegebenenfalls außerhalb der Presse, die Erwärmung und Entgasung durchzuführen und erst danach die Verpressung.
Die Verpressung selbst beginnt zweckmäßig bei einer Flächenbelastung der Lagen von weniger als 1 N/cm², vorzugsweise weniger als 0,3 N/cm², um sicherzustellen, dass die Dünnglasschichten keiner gefährlich hohen Punktbelastung durch die noch nicht erweichten Kleberschichten ausgesetzt werden. Aus diesem Grund sollte die genannte Flächenbelastung eingehalten werden, bis die Kleberschichten eine schmelzflüssige Konsistenz, also eine Temperatur von über 80°C, insbesondere über 100°C erreicht haben. Daran anschließend kann die Flächenbelastung dann allmählich gesteigert werden, und zwar auf über 10 N/cm², insbesondere über 20 N/cm².
Auch hinsichtlich der Wärmeeinwirkung auf die einzelnen Lagen empfiehlt sich ein vorsichtiges Vorgehen. Untersuchungen der Anmelderin haben hier ergeben, dass mit einem Temperaturgradient von weniger als 10°C/min., insbesondere weniger als 7°C/min. gearbeitet werden sollte.
Zur Großserien-Herstellung der Leiterplatten wird zweckmäßig auf an sich bekannte Mehretagenpressen zurückgegriffen, wobei zumindest einige dieser Etagen an einen Gewichtsausgleich angeschlossen sind, um die Flächenbelastung im gewünschten Rahmen zu halten.
Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens empfiehlt es sich, die Mehretagenpresse mit einer verschließbaren Kammer zu versehen, die die einzelnen Etagen nach ihrer Beschickung luftdicht umschließt und die an eine Unterdruckquelle anschließbar ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen; dabei zeigt
Fig. 1 ein Presspaket aus übereinanderliegenden Lagen, die zu einer mehrlagigen Platte zusammengefügt werden sollen;
Fig. 2 eine Presse zur Durchführung des Verfahrens;
Fig. 3 Zeitdiagramme für Laminatbelastung, Unterdruck und Temperatur im Presspaket.
Ein Presspaket zur Herstellung kombinierter Leiterplatten für elektrische und optische Signale besteht gemäß Fig. 1 von unten nach oben aus einer elektrisch leitenden Folie 1, die den bekannten Aufbau haben kann, einer darauf liegenden Kleberschicht 2 aus an sich bekanntem Klebeharz, dessen Erweichungszone bei 60°C bis 80°C beginnt und dessen chemischer Härtungsbereich bei etwa 130°C bis 180°C liegt. Auf dieser Kleberschicht 2 wird eine optisch leitende Schicht 3 aus Dünnglas aufgelegt. Sie hat eine Dicke von etwa 0,1 mm und extrem glatte, polierte Oberflächen. Hierauf wird wieder eine Kleberschicht 4 und eine elektrisch leitende Folie 5 gelegt. Die genannten Lagen 1 bis 5 sollen dauerhaft miteinander verbunden werden. Dies geschieht durch Erwärmung und daraus resultierende Aktivierung der anfänglich harten und trockenen Kleberschichten 2 und 4.
Selbstverständlich kann das Presspaket noch weitere optisch oder elektrisch leitende Schichten und die entsprechende Anzahl von Kleberschichten aufweisen, ebenso auch Trägerschichten, Trennschichten oder dergleichen.
Wie Fig. 1 weiter zeigt, wird das beschriebene Presspaket unten und oben mit jeweils einer Trennfolie 6 bzw. 7 belegt und zwischen ein unteres und ein oberes Pressblech 8 bzw. 9 gelegt. Die Pressbleche 8 bzw. 9 stützen sich jeweils über Presspolster 10 bzw. 11 an einer unteren Heizplatte 12 bzw. einer oberen Heizplatte 13 ab. Die Heizplatten können auch als Transportplatten verwendet werden, um den Plattenstapel von einer Legestation in eine Pressenstation zu transportieren.
Auch liegt es selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, den beschriebenen Folienstapel aufzustocken, so dass die Schichten für mehrere Leiterplatten übereinander liegen, aber durch die Trennfolien 6 bzw. 7 voneinander getrennt sind.
Fig. 2 zeigt eine Mehretagenpresse mit Gewichtsausgleich. Sie besteht aus einem unteren Presstisch 14, der durch einen nicht gezeigten Hydraulikkolben vertikal nach oben verfahrbar ist. Dieser Presstisch 14 trägt an seiner Oberseite eine Tischplatte 15. Diese Tischplatte 15 bildet die unterste Etage der Presse und auf ihr wird der erste Folienstapel gemäß Fig. 1 gelegt.
Im Abstand oberhalb der Tischplatte 15 sind weitere vertikal verfahrbare Etagen 16 angeordnet, die jeweils eine beheizbare Tischplatte beinhalten, und die in ihrer gezeichneten abgesenkten Position jeweils untereinander etwa gleich weit voneinander entfernt sind. Jede dieser Etagen 15 bzw. 16 trägt ein Presspaket gemäß Fig. 1.
Mit Abstand oberhalb der obersten Etage 16 ist eine vertikal verfahrbarer Heizplatte 16a angeordnet, die ähnlich wie die zuvor beschriebenen Etagen aussieht, aber nicht zur Aufnahme eines Presspaketes bestimmt ist, sondern als verfahrbarer Anschlag während des Pressvorganges dient. Mit Abstand darüber befindet sich das starre Pressenoberteil 17.
Der eigentliche Pressvorgang erfolgt durch Hochfahren des Presstisches 11 mit seiner Tischplatte 15. Dabei fährt das auf der Tischplatte 15 liegende Presspaket zunächst an die unterste Etage 16, nimmt diese nach oben mit bis zum Ankommen an der nächsten Etage, so dass im Laufe der weiteren Hubbewegung schließlich eine Etage nach der anderen angehoben wird. Wesentlich bei diesem Vorgang ist, dass alle Etagen 16 jeweils mit einem Gewichtsausgleich 18 verbunden sind. Er stellt sicher, dass die Belastung der Presspakete nicht von der Anzahl der über ihnen befindlichen Etagen abhängig ist, sondern für alle Etagen möglichst gleich gering ist und während der Erwärmungsphase eine Flächenbelastung des Presspaketes von etwa 0,1 N/cm² bis 0,3 N/cm² ergibt.
Der Gewichtsausgleich 18 wird durch vorzugsweise pneumatisch wirkende Hubelemente realisiert, die über individuell zugeordnete Reglereinheiten von einer gemeinsamen Druckmittelquelle gespeist werden und eine nahezu dem jeweiligen Etagengewicht entsprechende Gegenkraft nach oben erzeugen.
Hinsichtlich der weiteren Einzelheiten des Pressvorganges wird in vollem Umfang auf die DE 198 31 377 verwiesen, die insoweit auch zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Wesentlich ist nun, dass die Mehretagenpresse insgesamt oder zumindest hinsichtlich der Tischplatte 15 und darüber angeordneten Etagen 16 von einer Kammer 19 umgeben sind, dass diese Kammer - vorzugsweise über ein selbstdichtendes Rolltor - zu öffnen und zu schließen ist, dass sie eine hermetische Abdichtung aller Presspakete gegenüber der Umgebung gestattet und dass sie an einer Unterdruckquelle 20 angeschlossen ist. Dadurch können Lufteinschlüsse oder Gase, die bei der Beheizung der Presspakete aus der Kleberschicht ausdampfen, sofort abgesaugt werden, so dass sich keine expandierenden Gasblasen und Störstellen im Inneren der Leiterplatten bilden können.
Die Unterdruckbeaufschlagung beginnt mit der Heizphase und endet auch spätestens mit ihr. Letzteres hat den Vorteil, dass die einströmende Frischluft die Abkühlung der Presspakete beschleunigt und somit die Taktzeit verkürzt.
Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Erhitzung der Presspakete und ihre Entgasung bei Unterdruck durchaus auch in einer Unterdruckkammer außerhalb der Presse stattfinden kann.
In beiden Fällen sollte der Temperaturanstieg in der Kleberschicht mit einem Gradient von weniger als 10°C/min., insbesondere weniger als 7°C/min. erfolgen.
Der eigentliche Pressvorgang selbst wird nach Erreichen einer Temperatur von über 120°C, insbesondere über 140°C in der Kleberschicht durchgeführt. Dabei steigt die Flächenbelastung auf mehr als 20 N/cm², beispielsweise bis auf etwa 30 N/cm².
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der wesentlichen Prozessparameter, nämlich die Laminatbelastung, den Unterdruck in der Vakuumkammer und die Temperatur in der Kleberschicht. Auf die in den genannten drei Diagrammen gezeigten Zusammenhänge und Zahlenwerte wird ausdrücklich Bezug genommen.
Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, dass der Unterdruck in der Vakuumkammer durchaus schon zu Beginn des schmelzflüssigen Zustandes der Kleberschicht, also beispielsweise bei 150°C, aufgehoben werden kann, weil die einströmende Frischluft die Abkühlungsdauer der Presspakete verkürzt.
Zusammenfassend gestattet es also das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung, die hochempfindlichen Dünnglas-Schichten einer Dicke im Zehntel Millimeter-Bereich mit Trägerplatten zum Aufbau rein optischer Leitungsebenen oder mit herkömmlichen elektrischen Leiterplatten zum Aufbau sowohl optisch wie auch elektrisch leitender Platten zu verbinden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen mehrlagiger Leiterplatten, wobei zumindest eine Lage (3) aus optisch leitfähigem Material, insbesondere Dünnglas, besteht, die mit zumindest einer von ihrer Nachbarlagen (1, 5) verklebt wird, indem die genannten Lagen mittels einer warmhärtenden Kleberschicht (2, 4) unter Einwirkung von Wärme und gegebenenfalls Druck zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (1 bis 5) während des Zusammenfügens zumindest zeitweise Unterdruck ausgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck zumindest während der Wärme-Einwirkung auf die Lagen (1 bis 5) aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck bis zum Erreichen einer Temperatur von zumindest 100°C, insbesondere zumindest 120°C in der Kleberschicht (2, 4) aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck bei Erreichen der schmelzflüssigen Phase in der Kleberschicht (2, 4) aufgehoben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck bei einem Absolutdruck von weniger als 0,3 bar, insbesondere von etwa 0,03 bar liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpressung mit einer Flächenbelastung der Lagen von weniger als 1 N/cm², vorzugsweise weniger als 0,3 N/cm² beginnt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenbelastung in einem Bereich weniger als 1 N/cm², insbesondere weniger als 0,3 N/cm², gehalten wird, bis eine Temperatur von über 80°C, insbesondere über 100°C in der Kleberschicht (2, 4) erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenbelastung nach Erreichen einer Temperatur von über 100°C, insbesondere über 120°C in der Kleberschicht (2, 4) auf mehr als 10 N/cm², insbesondere mehr als 20 N/cm² gesteigert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeinwirkung so gesteuert wird, dass sich in der Kleberschicht (2, 4) ein Temperaturgradient von weniger als 10°C/min., insbesondere weniger als 7°C/min. ergibt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpressung in einer Presse mit mehreren übereinander angeordneten, vertikal zusammenfahrbaren, beheizbaren Etagen (15, 16) erfolgt und zumindest einige dieser Etagen (16) an einen Gewichtsausgleich (18) angeschlossen sind.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehretagenpresse eine zumindest alle Etagen (15, 16) dicht umschließende Kammer (19) aufweist, die zur Beschickung der Etagen (15, 16) zu öffnen ist und die an eine Unterdruckquelle (20) anschließbar ist.