DE10317403A1 - Verfahren zur Verklebung von FPCB's - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verklebung von Kunststoffteilen, insbesondere von Flexible Printed Circuit Boards (FPCBs). DOLLAR A Erfindungsgemäß wird zur Verklebung eine thermisch aktivierbare Klebstofffolie verwendet, umfassend DOLLAR A (i) mindestens ein thermoplastisches Polymer oder einen modifizierten Kautschuk und DOLLAR A (ii) mindestens ein Harz, das vorzugsweise mindestens ein Phenolharz und mindestens ein Epoxidharz aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Verklebung von Kunststoffteilen, insbesondere von Flexible Printed Circuit Boards (FPCB's).
  • Klebebänder sind im Zeitalter der Industrialisierung weitverbreitete Verarbeitungshilfsmittel. Insbesondere für den Einsatz in der elektronischen Industrie werden an Klebebänder sehr hohe Anforderungen gestellt. Zur Zeit besteht in der Elektronikindustrie ein Trend zu immer schmaleren, leichteren und schnelleren Bauteilen. Um dies zu erreichen, werden an den Herstellungsprozess immer größere Anforderungen gestellt. Dies betrifft auch die so genannten Flexible Printed Circuit Boards, die sehr häufig zur elektrischen Kontaktierung von IC Chips oder konventionellen Printed Circuit Boards eingesetzt werden.
  • Flexible Printed Circuit Boards (FPCB's) sind in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, wie z. B. Handys, Autoradios, Computern, vertreten. FPCB's bestehen üblicherweise aus Schichten von Kupfer und Polyimid, wobei gegebenenfalls die Polyimidschicht mit der Kupferfolie verklebt wird. Für den Einsatz der FPCB's werden diese mit anderen Bauteilen aber auch miteinander verklebt. In letzterem Fall wird Polyimidfolie auf Polyimidfolie verklebt.
  • Für die Verklebung von FPCB's werden in der Regel Hitze-aktivierbare Klebebänder eingesetzt, die keine flüchtigen Bestandteile freisetzen und auch in einem hohen Temperaturbereich eingesetzt werden können. Weiterhin sollte das Hitze-aktivierbare System nach der Temperaturaktivierung selbstvernetzend sein, um einer üblicherweise nachfolgenden Behandlung im Lötbad standzuhalten.
  • Da reine Thermoplaste bei hohen Temperaturen wieder weich werden und somit ihre Lötbadbeständigkeit verlieren, verbietet sich ihr Einsatz in der Regel. Thermoplaste wären an sich zu bevorzugen, da sie in einigen wenigen Sekunden aktiviert werden können und dementsprechend schnell die Verbindung aufgebaut werden könnte.
  • Weitere Hitze-aktivierbare Klebebänder, wie die in der US 5,478,885 beschriebenen, auf epoxidierten Styrol-Butadien bzw. Styrol-Isopren basierenden Blockcopolymere, besitzen den Nachteil, dass sie sehr lange Aushärtzeiten zur Vollaushärtung benötigen und somit den Verarbeitungsprozess deutlich verlangsamen. Dies trifft auch auf andere Epoxy-basierende Systeme, wie sie z. B. in der WO 96/33248 beschrieben sind, zu.
  • Auf Phenolharz-basierende Hitze-aktivierbare Klebebänder werden in der Regel ebenfalls ausgeschlossen, da sie während der Aushärtung flüchtige Bestandteile freisetzen und somit zu einer Blasenbildung führen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Verklebung von Kunststoffteilen, insbesondere von FPCB's, bereitzustellen, das die oben beschriebenen Nachteile überwindet. Insbesondere soll für diesen Einsatz ein Hitze-aktivierbares Klebesystem gefunden werden, das schnell aushärtet, selbstvernetzend und lötbadbeständig ist sowie eine gute Haftung auf Polyimid besitzt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe überraschend durch Verwendung einer Klebstofffolie, wie sie in dem Hauptanspruch näher gekennzeichnet ist. Gegenstand der Unteransprüche sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des Erfindungsgegenstandes.
  • Die erfindungsgemäße verwendete Klebstofffolie ist thermisch aktivierbar und insbesondere für die Verklebung von FPCB's geeignet und umfasst
    • (i) mindestens ein thermoplastisches Polymer oder einen modifizierten Kautschuk und
    • (ii) mindestens ein Harz.
  • Diese unter Hitzeeinwirkung klebrig werdende Reaktivfolie ist demnach eine Mischung mindestens eines reaktiven Harzes, das bei Raumtemperatur vernetzt und ein dreidimensionales, hochfestes Polymernetzwerk bildet, und mindestens eines dauerelasti schen Thermoplasten (Elastomers), das einer Versprödung des Produktes entgegenwirkt.
  • Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Klebstoftfolie verwendet, die
    • (i) mindestens ein thermoplastisches Polymer oder einen modifizierten Kautschuk und
    • (ii) mindestens ein klebrigmachendes Phenolharz und/oder
    • (iii) mindestens ein Epoxidharz
    umfasst.
  • Die Klebstofftolie setzt sich vorteilhaft zusammen aus dem mindestens einen thermoplastischen Polymer mit einem Massenanteil in der Folie von 20 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise von 30 bis 90 Gew.-%, dem mindestens einen klebrigmachenden Phenolharz mit einem Massenanteil von 5 bis 50 Gew.-% und dem mindestens einen Epoxidharz, das gegebenenfalls noch mit Härtern, gegebenenfalls auch Beschleunigern versetzt sein kann, mit einem Massenanteil von 0 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 30 Gew.-%.
  • Das thermoplastische Polymer (Elastomer) kann bevorzugt aus der Gruppe der Polyolefine, Polyester, Polyurethane oder Polyamide stammen oder ein modifizierter Kautschuk, beispielsweise Nitrilkautschuk sein. Die insbesondere bevorzugten thermoplastischen Polyurethane (TPU) sind als Reaktionsprodukte aus Polyester- oder Polyetherpolyolen und organischen Diisocyanaten, wie Diphenylmethandiisocyanat bekannt. Sie sind aus überwiegend linearen Markomolekülen aufgebaut. Solche Produkte sind zumeist in Form elastischer Granulate im Handel erhältlich, zum Beispiel von der Bayer AG unter dem Handelsnamen "Desmocoll".
  • Durch Kombination des thermoplastischen Polymers, insbesondere von TPU, mit ausgewählten verträglichen Harzen kann die Erweichungstemperatur der Klebstofffolie ausreichend gesenkt werden. Parallel dazu tritt eine Erhöhung der Adhäsion auf. Als geeignete Harze haben sich beispielsweise bestimmte Kolophonium-, Kohlenwasserstoff- oder Cumaronharze (auch Cumaron-Indenharze genannt) erwiesen.
  • Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Reduzierung der Erweichungstemperatur der Klebstofftolie durch die Kombination des Thermoplasten, insbesondere von TPU mit aus gewählten Epoxidharzen auf der Basis von Bisphenol A und/oder Bisphenol B, denen ein latenter Härter zugesetzt sein kann, erreicht werden. Eine Klebstofffolie aus einem derartigen System erlaubt ein thermisches Nachhärten der Verklebung, wenn beispielsweise ein mit der erfindungsgemäßen Klebstofffolie verklebtes FPCB durch ein Lötbad geführt wird.
  • Durch die chemische Vernetzungsreaktion der Harze werden große Festigkeiten zwischen dem Klebefilm und dem zu verklebenden Substrat, beispielsweise der Polyimidfolie des FPCB's, erreicht und eine hohe innere Festigkeit des Produktes erzielt.
  • Die Zugabe dieser reaktiven Harz/Härtersysteme führt dabei auch zu einer Erniedrigung der Erweichungstemperatur der obengenannten Polymere, was ihre Verarbeitungstemperatur und -geschwindigkeit vorteilhaft senkt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können der Klebstofffolie noch Härtersysteme zugefügt sein. Es können hier alle dem Fachmann bekannten Härter eingesetzt werden, die zu einer Reaktion mit den Phenolharzen und/oder den Epoxidharzen führen. In diese Kategorie fallen alle Formaldehydspender, beispielsweise Hexamethylentetraamin.
  • Beim Erwärmen des Produktes kommt es kurzfristig zu einer Erniedrigung der Viskosität, wodurch das Produkt die Oberfläche des zu klebenden Substrats, insbesondere des Polyimids, sehr gut benetzen kann.
  • Die Zusammensetzung der Klebstofffolie lässt sich durch Veränderung von Rohstoffart und Rohstoffanteilen in einem weiten Rahmen variieren. Ebenso können weitere Produkteigenschaften wie beispielsweise Farbe, thermische oder elektrische Leitfähigkeit durch gezielte Zusätze von Farbstoffen, mineralischen bzw. organischen Füllstoffen und/oder Kohlenstoff- bzw. Metallpulvern erzielt werden. Vorzugsweise weist die Klebstofffolie eine Dicke von 5 bis 100 μm, bevorzugt zwischen 10 und 50 μm, auf.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die thermisch aktivierbare Folie
    • (i) einen elastischen modifizierten Kautschuk, insbesondere Nitrilkautschuk, mit einem Massenanteil von 20 bis 95 Gew.-%,
    • (ii) mindestens ein klebrigmachendes Phenolharz mit einem Massenanteil von 5 bis 50 Gew.-% und
    • (iii) mindestens ein Epoxidharz, dem Härter, gegebenenfalls auch Beschleuniger zugesetzt sein können, mit einem Massenanteil von 0 bis 30 Gew.-%.
  • Zur Herstellung der Klebstofffolie wird eine Lösung oder eine Schmelze der Bestandteile, enthaltend mindestens ein thermoplastisches Polymer und mindestens ein Harz, hergestellt, die Lösung oder die Schmelze in eine dünne Schicht ausgestrichen oder gegossen und nachfolgend gegebenenfalls getrocknet. Vorzugsweise wird die die Folie bildende Masse als Lösung oder als Schmelze auf ein flexibles Trägersubstrat (Trennfolie, Trennpapier) beschichtet und gegebenenfalls getrocknet, so dass die Masse von dem Substrat leicht wieder entfernt werden kann. Nach entsprechender Konfektionierung können Stanzlinge oder Rollen von dieser Klebstofffolie bei Raumtemperatur oder bei leicht erhöhter Temperatur auf das zu verklebende Substrat (z. B. Polyimid) aufgeklebt werden. Die zugemischten reaktiven Harze sollten bei der leicht erhöhten Temperatur noch keine chemische Reaktion eingehen. Auf diese Weise muss die Verklebung nicht als einstufiges Verfahren erfolgen, sondern auf eines der beiden Substrate kann einfachheitshalber, wie bei einem Haftklebeband, zunächst die Klebstofffolie geheftet werden, indem man in der Wärme laminiert. Beim eigentlichen Heißklebeprozess mit dem zweiten Substrat (zweite Polyimidfolie des zweiten FPCB) härtet das Harz dann ganz oder teilweise aus und die Klebstofffuge erreicht die hohe Verklebungsfestigkeit, weit oberhalb denen von Haftklebesystemen.
  • Die Klebstofffolie ist dementsprechend insbesondere für ein Heißpressverfahren bei Temperaturen oberhalb 80 °C, bevorzugt oberhalb 100 °C, besonders bevorzugt oberhalb 120 °C, geeignet.
  • Im Unterschied zu anderen Klebstofffolien, die zumeist aus reinen Epoxidharzen bestehen, weist die Klebstofffolie dieser Erfindung einen hohen elastischen Anteil durch den hohen Thermoplastanteil, insbesondere Kautschukanteil auf. Durch das so verursachte zähelastische Verhalten können die flexiblen Bewegungen der FPCB's besonders gut ausgeglichen werden, so dass auch hohe Beanspruchungen und Schälbewegungen gut überstanden werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Klebstofffolie gegenüber Konkurrenzsystemen liegt in der durch die Phenolharze verursachten schnellen Aushärtung. Optimale Aushärtungen können bereits unter Druck in weniger als 30 Minuten erzielt werden. Konkurrenzsysteme benötigen deutlich mehr als 60 Minuten, um eine optimale Aushärtung zu erzielen. Hierdurch lassen sich die Verklebungen im industriellen Verarbeitungsprozess bedeutend schneller durchführen.
  • Durch die Applizierung von Druck während der Verklebung der FPCB's lässt sich auch eine hohe Lötbadbeständigkeit erzielen. Durch den Druck werden flüchtige Bestandteile, die während der Aushärtung entstehen können, als gasförmige Bestandteile aus der Klebefuge gedrückt. Nach der Vollaushärtung können auch mit nachgeschaltetem Lötbad keine flüchtigen Bestandteile mehr entstehen. Daher wird für die erfinderisch bevorzugte Verwendung der Klebstofffolie die Klebstofffuge zwischen den FPCB's vollständig ausgehärtet.
  • Weiterhin besitzt die Klebstofffolie durch den hohen viskoelastischen Anteil einen Vorteil gegenüber anderen Hitze-aktivierbaren Systemen. Für die Kontaktierung werden häufig Löcher durch die Klebstofffolie gebohrt. Ein Problem hier ist, dass bisher bestehende Hitze-aktivierbare Klebemassen in die Löcher reinfließen und somit die Kontaktierung stören. Bei der erfinderischen Verwendung der oben beschriebenen Klebstofffolien tritt dieses Problem gar nicht oder nur stark vermindert auf.
  • Neben der Verklebung von auf Polyimid-basierenden FPCB's können auch auf Polyethylennaphthylat (PEN) und Polyethylenterephthalat (PET) basierende FPCB's verklebt werden. Auch in diesen Fällen wird mit der Klebstofffolie eine hohe Verklebungsfestigkeit erreicht.
  • Nachfolgend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der einzigen zugehörigen Zeichnung, die den Aufbau zweier verklebter FPCB's darstellt, näher erläutert, ohne dass die Wahl der Beispiele den Umfang der Erfindung beschränken soll.
  • Herstellung der thermisch aktivierbaren Klebstofffolie
  • Beispiel 1:
  • Eine Mischung aus 50 Gew.-% Nitrilkautschuk (Breon®, Fa. Zeon), 40 % Phenolharz (der Fa. Oxychem), 10 % Phenolresolharz (Ionomer®, Fa. Dyneac Erkner) wurde aus Methylethylketon aus Lösung auf ein mit 1,5 g/m2 silikonisiertes Trennpapier beschichtet und bei 90 °C für 10 Minuten bei dieser Temperatur getrocknet. Die Dicke der Klebeschicht betrug 25 μm.
  • Beispiel 2:
  • Eine Mischung aus 55 Gew.-% Nitrilkautschuk (Breon®, Fa. Zeon), 35 % Phenolharz (der Fa. Oxychem), 10 % Phenolresolharz (Ionomer®, Fa. Dyneac Erkner) wurde aus Methylethylketon aus Lösung auf ein mit 1,5 g/m2 silikonisiertes Trennpapier beschichtet und bei 90 °C für 10 Minuten bei dieser Temperatur getrocknet. Die Dicke der Klebeschicht betrug 25 μm.
  • Beispiel 3:
  • Eine Mischung aus 50 Gew.-% thermoplastischem PU (Desmocoll 400®, Bayer AG), 30 % Phenolharz (der Fa. Oxychem), 10 % Epoxidharz (Bisphenol A, Rütapox 0164®, Bakelite AG) und 5 Gew.-% Dicyanamid (Dyhard 100 S®, Degussa) wurde aus Methylethylketon aus Lösung auf ein mit 1,5 g/m2 silikonisiertes Trennpapier beschichtet und bei 90 °C für 10 Minuten bei dieser Temperatur getrocknet. Die Dicke der Klebeschicht betrug 25 μm.
  • Als Referenzbeispiel wurde eine kommerziell erhältliche Klebstofffolie, nämlich Pyralux® LF001 der Fa. DuPont, mit 25 μm Folienstärke in den Vergleichsuntersuchungen verwendet.
  • Verklebung von FPCB's mit der Klebstofffolie
  • Zwei FPCB's wurden jeweils mit den nach den Beispielen 1 bis 3 hergestellten Klebstofffolien sowie mit der Referenzfolie (Pyralux® LF001, Fa. DuPont) verklebt. Dafür wurde die Klebstofffolie auf die Polyimidfolie des FPCB-Laminats aus Polyimid/Kupferfolie/Polyimid bei 100 °C auflaminiert. Anschließend wurde mit einer zweiten Polyimidfolie eines weiteren FPCB's dieser Vorgang wiederholt und somit eine Klebfuge zwischen zwei Polyimid/Kupferfolie/Polyimid-Laminaten hergestellt, wobei jeweils die Polyimidfolien miteinander verklebt waren. Zur Aushärtung wurde der Verbund in einer beheizbaren Presse der Fa. Bürkle bei 170 °C für 30 Minuten bei einem Druck von 50 N/cm2 verpresst.
  • Die so hergestellten Verbindungen wiesen den in der 1 dargestellten Aufbau auf, wobei (a) jeweils eine Polyimidschicht, (b) jeweils eine Kupferschicht und (c) die Klebstofffolie bezeichnet. Ein Verbund (a-b-a) aus einer Kupferschicht (b) mit beidseitig jeweils einer Polyimidschicht (a) stellt eine FPCB-Einheit dar.
  • Prüfmethoden
  • Die Eigenschaften der nach den oben genannten Beispielen hergestellten Klebstofffolien wurden mit folgenden Testmethoden untersucht.
  • A. T-Peel Test mit FPCB
  • Mit einer Zugprüfmaschine der Fa. Zwick wurden die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten Verbunde aus FPCB/Klebstofffolie/FPCB (Figur) im 180° Ziehwinkel mit einer Geschwindigkeit von 50 mm/min auseinander gezogen und die Kraft in N/cm gemessen. Die Messungen wurden bei 20 °C unter 50 % Feuchtigkeit durchgeführt. Jeder Messwert wurde dreifach bestimmt und gemittelt.
  • B. Lötbadbeständigkeit
  • Die nach dem oben beschriebenen Verfahren verklebten FPCB-Verbunde (Figur) wurden für 10 Sekunden in ein 288 °C heißes Lötbad vollständig eingetaucht. Die Verklebung wurde als lötbadbeständig gewertet, wenn sich keine Luftblasen bildeten, welche die Polyimidfolie des FPCB's aufblähen ließen. Der Test wurde als nicht bestanden gewertet, wenn bereits eine leichte Blasenbildung eintrat.
  • C. Verklebungsfestigkeit
  • Die Verklebungsfestigkeit wurde analog DIN EN 1465 gemessen. Die Messwerte wurden in N/mm2 angegeben.
  • Ergebnisse
  • Zur klebtechnischen Beurteilung der obengenannten Beispiele wurde zunächst der T-Peel Test mit FPCB-Material durchgeführt. Die entsprechenden Messwerte sind in Tabelle 1 aufgelistet.
  • Tabelle 1: Klebkraft nach dem T-Peel Test
    Figure 00090001
  • Tabelle 1 ist zu entnehmen, dass mit den nach den Beispielen 1 bis 3 hergestellten Klebstofffolien sehr hohe Verklebungsfestigkeiten bereits nach 30 Minuten Aushärtung erzielt wurden. Das Referenzbeispiel 1 zeigt hier etwas geringere Klebkräfte.
  • Ein weiteres Kriterium für die Anwendung von Klebstofffolien zur Verklebung von FPCB's ist die Lötbadbeständigkeit, die mit Testmethode B untersucht wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
  • In Tabelle 2: Lötbadbeständigkeit nach Testmethode B
    Figure 00090002
  • Aus den Ergebnissen wird ersichtlich, dass alle Beispiele lötbadbeständig sind und somit den Anforderungen der FPCB-Industrie gerecht werden.
  • Zur Untersuchung der Scherbelastbarkeit der Klebstofffolien wurden ebenfalls die Verklebungsfestigkeiten nach Testmethode C gemessen. In Tabelle 3 sind die entsprechenden Werte aufgelistet.
  • Tabelle 3: Verklebungsfestigkeit nach Testmethode C
    Figure 00100001
  • Tabelle 3 ist zu entnehmen, dass die in dieser Erfindung beschriebenen Klebstofffolien eine bedeutend höhere Verklebungsfestigkeit gegenüber dem Referenzbeispiel besitzen.
    • a
    Polyimidschicht
    b
    Kupferschicht
    c
    Klebstofffolie

Claims (15)

  1. Verfahren zur Verklebung von Kunststoffteilen, bei dem eine thermisch aktivierbare Klebstofffolie mit (i) mindestens einem thermoplastischen Polymer oder einem modifizierten Kautschuk und (ii) mindestens einem Harz verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zu verklebende Kunststoff aus der Gruppe, enthaltend Polyimide, Polyethylennaphthylate, Polyethylenterephthalat, gewählt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Verklebung von Flexible Printed Circuit Boards (flexiblen gedruckten Leiterplatten).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Harz der Klebstofffolie (ii) mindestens ein klebrigmachendes Phenolharz und/oder (iii) mindestens ein Epoxidharz umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine thermoplastische Polymer einen Massenanteil in der Klebstofffolie von 20 bis 95 Gew.-% aufweist, insbesondere 30 bis 90 Gew.-%.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das mindestens eine Phenolharz einen Massenanteil in der Klebstofffolie von 5 bis 50 Gew.-% aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das mindestens eine Epoxidharz einen Massenanteil in der Klebstofffolie von 0 bis 40 Gew.-% aufweist, insbesondere von 5 bis 30 Gew.-%.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Harz mindestens einen Härter enthält.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Harz mindestens einen Beschleuniger enthält.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine thermoplastische Polymer der Klebstofffolie aus der Gruppe, enthaltend Polyolefine, Polyester, Polyurethane, Polyamide und modifizierten Kautschuk, gewählt ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Harz der Klebstofffolie aus der Gruppe, enthaltend Kolophoniumharze, Kohlenwasserstoffharze und Cumaronharze, gewählt ist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Klebstofffolie eine Dicke von 5 bis 100 μm, insbesondere von 10 bis 50 μm, aufweist.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine thermoplastische Polymer und das mindestens eine Phenolharz und gegebenenfalls das mindestens eine Epoxidharz in einer im Wesentlichen homogenen Mischung in der Klebstofffolie vorliegen.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Klebstofffolie (i) einen modifizierten Kautschuk, insbesondere Nitrilkautschuk, mit einem Massenanteil von 20 bis 95 Gew.-%, (ii) mindestens ein klebrigmachendes Phenolharz mit einem Massenanteil von 5 bis 50 Gew.-% und (iii) mindestens ein Epoxidharz mit einem Massenanteil von 0 bis 30 Gew.-% umfasst.
  15. Produkt, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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