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Die
Erfindung betrifft eine mehrlagige Leiterplatte, insbesondere einen
Schaltungsträger
für eine elektronische
Schaltung für
ein Kraftfahrzeug.
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In
Bereichen, in denen häufig
Temperaturschwankungen auftreten, werden immer höhere Anforderungen an die Schaltungsträger elektronischer Schaltungen
gestellt. Häufig
dienen Leiterplatten (PCB) als Schaltungsträger.
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Herkömmliche
mehrlagige Leiterplatten, weisen einen Kern aus einem Basismaterial
und darauf aufgebrachte elektrische Leiter in Form von Kupferschichten
auf. Bei einem mehrlagigen Aufbau werden die übereinander angeordneten Kupferschichten mit
jeweils einer isolierenden Zwischenschicht (Prepreg) verklebt.
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Als
gängigen
Basismaterialien werden aufgrund ihrer flammschützenden Additive FR-Materialien
(flame retarded), beispielsweise FR-4, verwendet. Die Bezeichnung
FR-4 bezeichnet ein Basismaterial aus Epoxidharz, das mit Glasfasergewebe
verstärkt
ist und einen Flammschutz, wie beispielsweise eine Brom- oder eine
Phosphorverbindung enthält. Der
Harzanteil der bisher verwendeten Materialien für diese Zwischenschichten (Prepregs) – beispielsweise
ein Prepreg vom Typ 2125 – liegt üblicherweise bei
mehr als 50 Gewichtsprozent (vgl. hierzu Produktinformationen unter
www.isolaag.com). Durch den hohen Harzgehalt und den Lagenaufbau
wird der Wärmeausdehnungskoeffizient
senkrecht zur Leiterplattenebene jedoch negativ beeinflusst.
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Bei
Umgebungstemperaturen von mehr als 100°C kann es bei den so aufgebauten
Leiterplatten aufgrund des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
senkrecht zur Leiterplattenebene zu Defek ten kommen. Hierbei kann
es beispielsweise zu einer Delamination, einem Ablösen der
leitenden Kupferschicht, oder zu Rissen von Durchkontaktierungen (Vias)
kommen. In Richtung der Leiterplattenebene verhindert das Glasfasergewebe
eine temperaturbedingte Ausdehnung der Leiterplatte.
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Besonders
anfällig
für diese
Defekte sind Leiterplatten, die hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt
sind, wie diese beispielsweise in der Umgebung einer Brennkraftmaschine
auftreten.
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Eine
bekannte Möglichkeit,
Schaltungsträger zu
schaffen, die in Temperaturbereichen größer 100°C einsetzbar sind, besteht darin,
den Schaltungsträger
in einer sogenannten Hybridtechnologie aufzubauen. Hierbei werden
mit Hilfe von Siebdruckverfahren Leiterbahnstrukturen, Isolationsschichten und
auch Widerstände
auf Keramikplatten (Substrate) aufgedruckt. Schaltungsträger, die
in der Hybridtechnologie gefertigt sind, weisen zwar eine gute Temperaturbeständigkeit
auf, haben aber den Nachteil, dass die Wärmeabfuhr durch das Substrat
relativ schlecht ist und somit aufgrund von Verlustleistungen entstehende
Wärme schlecht
abgeleitet werden kann. Auch sind die Prozesse zur Herstellung eines Schaltungsträgers in
Hybridtechnologie zeitintensiv und aufwendig.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine mehrlagige Leiterplatte
zu schaffen, die auch bei hohen Temperaturen ihre mechanische Festigkeit
behält
und eine so geringe temperaturbedingte Ausdehnung aufweist, dass
auch keine Defekte auftreten, wenn die Leiterplatte häufig hohen
Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Eine
solche Leiterplatte weist zumindest einen Kern mit einer Ober- und
einer Unterseite auf. Auf der Ober- und der Unterseite des Kerns
ist jeweils eine Kupferschicht angeordnet.
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Zwischen
diesen Kupferschichten und darüber
bzw. darunter angeordneten Kupferschichten ist jeweils eine Zwischenschicht
angeordnet. Die mehrlagige Leiterplatte weist erfindungsgemäß einen durchschnittlichen
Harzanteil von mehr als 15 und weniger als 50 Gewichtsprozent auf.
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Die
Angabe Gewichtsprozent bezeichnet hier den Gewichtsanteil des Harzes
am Gesamtgewicht der Leiterplatte.
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Eine
so aufgebaute Leiterplatte zeichnet sich durch einen kostengünstigen
und einfachen Aufbau aus.
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Vorzugsweise
wird sowohl als Kern als auch als isolierende Zwischenschicht (Prepreg)
ein Material verwendet, das einen Harzgehalt von weniger als 50
Gewichtsprozent, insbesondere weniger als 45 Gewichtsprozent aufweist.
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Leiterplatten
mit Zwischenschichten, die eine Glasübergangstemperatur von mehr
als 150°C
aufweist und einen Harzgehalt von weniger als 50% aufweisen, können in
Bereichen mit einer Umgebungstemperatur von 110°C und mehr eingesetzt werden, ohne
dass die Leiterplatte ihre mechanische Festigkeit verlieren.
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Die
Glasübergangstemperatur
ist die Temperatur, bei der Polymere vom flüssigen oder gummielastischen,
flexiblen Zustand in den glasigen oder hartelastischen, spröden Zustand übergehen,
sie wird daher auch "Erweichungstemperatur" genannt. Die Glasübergangstemperatur
ist für
jeden Kunststoff spezifisch.
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Durch
diesen Aufbau wird der Wärmeausdehnungskoeffizient
senkrecht zur Leiterplattenebene soweit reduziert, dass sich auch
bei häufigen
hohen Temperaturschwankungen aufgrund der geringen temperaturabhängigen Dehnung
keine Risse in den zur Durchkontaktierung verwendeten Hülsen bilden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Vorzugsweise
weist eine so aufgebaute Leiterplatte eine Glasübergangstemperatur von mehr als
150°C auf.
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Ein
solcher Kern kann starr oder starr-flexibel sein. Zur Verstärkung kann
er weiter Glasfasergewebe enthalten.
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Eine
starr-flexible Leiterplatte weist sowohl starre, als auch flexible
Bereiche auf. Die geometrische Form der Leiterplatte kann so an
den jeweiligen Einbauort angepasst werden. Die starren Bereiche der
Leiterplatte können
beispielsweise durch aufbringen der flexiblen Leiterplatte auf einen
starren Träger gefertigt
werden.
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Eine
vierlagige Leiterplatte kann beispielsweise einen doppelseitig mit
Kupferlagen kaschierten Kern enthalten. Eine sechslagige Leiterplatte
enthält vorzugsweise
zwei doppelseitig mit Kupferlagen kaschierte Kerne. Zwischen diesen
Kernen ist zur elektrischen Isolierung eine Zwischenschicht angeordnet.
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Es
sind jedoch auch Leiterplatten mit einem Aufbau mit acht oder mehr
Lagen denkbar.
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Als
Material für
die elektrisch isolierenden Zwischenschicht eignen sich besonders
Materialien, die einen geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten
(CTE) senkrecht zur Leiterplattenebene aufweisen. Hier eignet sich
besonders ein harzarmes Material mit oder ohne Füllstoff wie beispielweise ein Prepreg
vom Typ 7628.
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Aufgrund
der verbesserten mechanischen Steifigkeit des Materials eignet sich
eine so aufgebaute Leiterplatte auch zur Aufnahme von Einpresskontakten
(sog. Press-Fit-Technologie).
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Weiter
können
im Vergleich zu einer herkömmlich
aufgebauten Leiterplatte aufgrund des verbesserten Wärmeausdehnungskoeffizienten
senkrecht zur Leiterplattenebene die Durchmesser der Durchkontaktierungen
reduziert werden.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Leiterplatte
werden im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer mehrlagigen Leiterplatte,
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2 einen
Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
einer mehrlagigen Leiterplatte, und
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3 einen
Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel
einer mehrlagigen Leiterplatte.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer vierschichtigen Leiterplatte. Hierbei ist der Kern 1 der Leiterplatte
aus vier Schichten eines Prepregs vom Typ 7628 aufgebaut. Der Kern 1 weist
eine Dicke von 0,710 mm und einen mittleren Harzanteil von maximal
45 Gewichtsprozent auf.
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Oberhalb
und unterhalb des Kerns 1 ist jeweils eine Kupferschicht 3.2 bzw. 3.3 angeordnet. Diese
Kupferschichten 3.2, 3.3 weisen eine Dicke von
jeweils 0,035 mm auf. Oberhalb der oberen Kupferschicht 3.2 ist
eine Zwischenschicht 2.1 angeordnet. Diese weist zwei Schichten
des Prepregs vom Typ 7628 mit einer Gesamtdicke von 0,360 mm und einem
mittleren Harzanteil von maximal 45 Gewichtsprozent auf. Oberhalb
dieser Zwischenschicht 2.1 ist eine weitere Kupferlage 3.1 mit
einer Dicke von 0,018 mm angeordnet.
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Unterhalb
der Kupferlage 3.3 ist entsprechend eine Zwischenschicht 2.2 und
darauf folgend eine Kupferschicht 3.4 symmetrisch zur Mittelebene des
Kerns 1 angeordnet. Die Dicke der Zwischenschicht 2.2 und
der Kupferlage 3.4 entsprechen denen der Zwischenschicht 2.1 bzw.
der Kupferlage 3.1.
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Im
Folgenden werden Kerne 1, Zwischenschichten 2 und
Kupferschichten 3 ohne weitere Indizes bezeichnet, wenn
sich die Aussage auf alle Kerne, Zwischen- oder Kupferschichten
der jeweiligen Leiterplatte bezieht.
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Aufgrund
dieses speziellen Aufbaus und des für den Kern 1 und die
Zwischenschichten 2 verwendeten Materials wird der Wärmeausdehnungskoeffizient
(CTE) senkrecht zur Leiterplattenebene reduziert. Auf diese Weise
wird verhindert, dass Strukturen der Leiterplatte, wie beispielsweise
hier nicht dargestellte Durchkontaktierungen aufgrund von wärmebedingten
Ausdehnungen der Leiterplatte senkrecht zur Leiterplattenebene reißen.
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2 zeigt
einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer sechsschichtigen Leiterplatte. Der Aufbau ähnelt dem in 1 dargestellten
Aufbau einer vierschichtigen Leiterplatte, jedoch weist die in 2 dargestellte
Leiterplatte einen ersten Kern 1.1 und einen zweiten Kern 1.2 auf.
Zwischen diesen beiden Kernen 1.1 und 1.2 sind – in 2 – von oben nach
unten eine Kupferschicht 3.3, eine Zwischenschicht 2.2 und
eine weitere Kupferschicht 3.4 angeordnet. Die Kerne 1.1 und 1.2 weisen
hier jeweils zwei Schichten des Prepregs 7628 auf. Der mittlere Harzanteile
der Kerne 1.1 und 1.2 beträgt maximal 45 Gewichtsprozent
bei einer Dicke von jeweils 0, 360 mm.
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Die
zwischen den Kernen 1.1 und 1.2 angeordnete Zwischenschicht 2.2 besteht
ebenfalls aus dem Prepreg vom Typ 7628 mit einem mittleren
Harzanteil von maximal 45 Gewichtsprozent und einer Dicke von 0,180
mm. Die zwischen den Kernen ange ordneten Kupferlagen 3.3 und 3.4 weisen
jeweils eine Dicke von 0,035 mm auf.
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Auf
der der Kupferschicht 3.3 abgewandten Seite des Kerns 1.1 ist
eine Kupferschicht 3.2 mit einer Dicke von ebenfalls 0,035
mm angeordnet. Auf die Kupferschicht 3.2 folgt eine weiter
Zwischenschicht 2.1 vom Typ 7628 mit einem mittleren Harzanteil
von maximal 45 Gewichtsprozent und einer Dicke von 0, 180 mm.
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Die
Leiterplatte wird nach oben durch eine Kupferlage 3.1 mit
einer Dicke von 0,018 mm abgeschlossen.
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Nach
unten schließt
sich an den zweiten Kern 1.2 auf der der Kupferschicht 3.4 abgewandten Seite
ein entsprechender Aufbau aus einer Kupferschicht 3.5,
einer Zwischenschicht 2.3 und einer äußeren Kupferschicht 3.6 an.
Diese Schichten entsprechen im Bezug auf ihre Dicke und ihren Harzanteil
dem Aufbau der Kupferschicht 3.2 und der oberen Außenschicht 3.1.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel einer
mehrlagigen Leiterplatte, die sequenziell aufgebaut wurde (vgl.
sequential built up gem. IPC Norm 6016). Bei diesem Verfahren werden
auf eine mehrlagige Leiterplatte oder auf einen beidseitig kupferkaschierten
Kern 1 in weiteren Schritten zusätzlich Außenlagen aufgetragen. Diese
Außenlagen
bestehen dann jeweils aus einer Zwischenschicht 2 und einer darauf
folgenden Kupferschicht 3. Die Zwischenschichten 2 sind
hier vorzugsweise aus einem Material vom Typ 1080 oder Typ 106.
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3 zeigt
weiter eine Durchkontaktierung 5, die in diesem Fall alle
Kupferlagen 3.1 bis 3.6 elektrisch miteinander
verbindet. Des Weiteren zeigt die 3 zwei weitere
Arten von Durchkontaktierungen 4.1 und 4.2.
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Bei
der Durchkontaktierung 4.1 handelt es sich um ein so genanntes "blind via". Ein "blind via" zeichnet sich dadurch aus,
dass sie eine Außenlage 3.1 mit
einer Innenlage 3.2 verbindet.
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Bei
der Durchkontaktierung 4.2 handelt es sich um ein so genanntes "buried via". Ein "burried via" verbindet zwei Innenlagen 3.2 und 3.3 und
wird von einer Außenlage 3.1 überdeckt.
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Eine
Leiterplatte gemäß 3 wird
in mehreren aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten gefertigt.
Zunächst
werden die auf den Kern 1 auflaminierten Kupferschichten 3.3 und 3.4 geätzt. Im
Anschluss daran werden die Zwischenschichten 2.2 aufgepresst
und ebenfalls geätzt.
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Die
Durchkontaktierung 4.1 und 4.2 können hier
aufgrund der geringen Schichtdicke der Zwischenschichten 2 mit
einem Laser gebohrt werden. Im Anschluss daran werden die Zwischenschichten 2.1 und 2.4 aufgebracht
und ebenfalls verpresst und weiterbearbeitet.
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Bei
dem Herstellungsprozess werden zunächst die Innenlagen (Kern)
gefertigt. Hierbei werden die auf beiden Seiten der Innenlage angeordneten
Kupferkaschierungen beispielsweise mit einem Druck- und anschließenden Ätzverfahren
mit einem Leiterbild versehen. Im Anschluss daran wird die kaschierte
Innenlage mit einer isolierenden Zwischenschicht (Prepreg) und einer
Außenkupferfolie
versehen. Das Leiterbild der Außenlagen
wird in einem Subtraktiv- und/oder einem Additivverfahren hergestellt.
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Als
Basismaterial für
eine Leiterplatte wird je nach Anforderung an die Leiterplatte ein
Werkstoff mit bestimmten Eigenschaften, wie beispielsweise eine
hohe Temperaturbelastbarkeit, einer guten mechanische Belastbarkeit
oder einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt. Um die
Anforderung an die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs zu
erfüllen,
werden die Kunststoffe häufig
durch ein Füllmaterial
verstärkt.
Als Füllmaterialien
können
hier Hartpapier, Glasfasern, Quarz, Polymidfasern oder anderen nichtleitenden
Materialien zum Einsatz kommen.