DE3538937C2

DE3538937C2 -

Info

Publication number: DE3538937C2
Application number: DE3538937A
Authority: DE
Inventors: David C. Baldwin N.Y. Us Frisch; Wilhelm Hicksville N.Y. Us Weber
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: AMP Akzo Corp
Priority date: 1984-11-02
Filing date: 1985-10-31
Publication date: 1988-06-09
Also published as: EP0471386A2; EP0180220B1; EP0471386A3; EP0180220A3; DE3546611C2; DE3538937A1; EP0180220A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Basismaterialien für gedruckte Schaltungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hochtemperaturbeständige, technische Thermoplaste wie Polysulfone, Polyäthersulfone, Polyarylsulfone und Polyätherimide haben ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften. Es wurden viele Verfahren zum Herstellen von gedruckten Leiterzügen auf solchen Materialien vorgeschlagen. Beispielsweise ist aus der DE-OS 20 65 349 ein Verfahren zum Herstellen von aluminiumplattierten Schichtstoffen für gedruckte Schaltungen bekannt, bei dem thermoplastische Werkstoffe wie Polypropylen, Polysulfone, Polycarbonate oder dgl. mit Aluminiumfolien unter Zuführung ausreichender Wärme und Druck miteinander verbunden werden.

Seit 1975 wird von den Herstellern gedruckter Leiterplatten versucht, Hochtemperatur-Thermoplaste als Trägermaterial zu verwenden. Vergleiche z. B. Modern Plastics, Juni 75, S. 52-54 "New Day Dawns for Circuit Boards". Große Stückzahlen konnten nach dem dort beschriebenen Verfahren nie erreicht werden, da kein geeignetes, kupferkaschiertes, Hochtemperatur-Thermoplast auf dem Markt war.

Naegle, IPC-TP-319, The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, April 1980, beschreibt in "Polysulfone: Its Microwave Properties" zwei Arten von kupferkaschierten Polysulfonen. In einem Fall ist das Kupfer direkt mit der Polysulfonoberfläche verbunden. Es wird allerdings nirgens beschrieben, wie die Haftung zustande kommt. Im zweiten Fall wird eine Zwischenschicht, ein sogenannter pre-preg aus Epoxy-imprägniertem Glasfasermaterial, verwendet. Die Haftfestigkeit der Metallfolie auf der Unterlage ist im zweiten Fall zwar wesentlich besser, dafür sind aber alle anderen Eigenschaften des Trägers wesentlich schlechter. Das Material war nur für kurze Zeit im Handel und wurde dann wieder vom Markt genommen.

In "Polyetherimide: A New High Perfomance Polymer for Printed Circuit Applications", Okt. 1982 Treffen der American Society for Electroplated Plastics, beschreibt der Autor, Going, die Herstellung von Trägermaterial aus kupferkaschiertem Polyätherimid. Dort wird vorgeschlagen, die Kupferfolie mit dem Polyätherimid-Träger durch Verpressen bei Temperaturen zwischen 260 und 288°C und einem Druck von 3,5 MPa oder weniger zu verbinden. Aus der DE-OS 32 05 591 ist ein Basismaterial bekannt, bei dem als Thermoplast Polyätherätherketon (PEEK) verwendet wird und die Metallfolie direkt ohne Hilfsstoffe zu einem Duplex- oder Multiplex-Verbund aufgepreßt wird. Die so hergestellten Trägermaterialien waren nicht vollkommen zufriedenstellend, da sie aufgrund von Spannungen und wegen des Fließens des Harzes beim Verpressen bei der Weiterverarbeitung zum Verwerfen neigen und Schwankungen in der Materialstärke aufweisen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Basismaterialien auf Thermoplast-Basis mit guter Dimensionsstabilität, geringen Schichtdickentoleranzen sowie guter Haftfestigkeit zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Als "Hochtemperatur-Thermoplast-Polymere" werden solche Polymere bezeichnet, die ein aromatisches Grundgerüst enthalten, das sich beim Lötvorgang für 5 Sekunden bei 245°C weder verflüssigt noch zersetzt.

Als "Formbeständigkeits-Temperatur" wird die Temperatur bezeichnet, bei der unter einer Last von 1.82 MPa eine Verbiegung des Polymers einsetzt (vgl. ASTM Standard D 642).

Fig. 1 zeigt ein schematisches Flußdiagramm der Verfahrensschritte zum Herstellen des metallkaschierten Trägermaterials.

Nach einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird die Konzentration der vom polymeren Material absorbierten flüchtigen Bestandteile mit einem Siedepunkt von unter 245°C vor dem Laminieren reduziert, vorzugsweise auf weniger als 1%. Die flüchtigen Bestandteile können von Feuchtigkeit oder Lösungsmitteln stammen, die von dem thermoplastischen Material absorbiert wurden; sie können durch Erhitzen entfernt werden. Hierzu wird das Material für mindestens 30 Minuten auf 100°C erwärmt. Zum Entfernen der Feuchtigkeit wird das Polymermaterial für einen längeren Zeitraum, mindestens für 2, besser für 3 Wochen bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von unter 50% gelagert. Es können auch beide Verfahren, Erwärmung und Lagerung bei entsprechender Luftfeuchtigkeit, miteinander kombiniert werden. Dauer und Temperatur beim Erwärmen sowie die Lagerzeit richten sich nach der Stärke des Trägermaterials.

Vorzugsweise werden die flüchtigen Bestandteile durch Erwärmen des thermoplastischen Polymers auf 100°C bis 165°C, vorzugsweise auf weniger als 130°C für mindestens 30 Minuten, und vorzugsweise für 2 bis 24 Stunden, entfernt. Niedertemperatur-Thermoplaste mit einer Erweichungs-Temperatur von unter 110°C werden zum Entfernen der flüchtigen Bestandteile auf eine Temperatur zwischen etwa 65°C und der Erweichungs-Temperatur erwärmt.

Der Laminiervorgang erfolgt bei einem Druck von 1 bis 10 MPa, und vorzugsweise von 3 bis 7 MPa, und bei einer Temperatur zwischen 2°C und 45°C, und vorzugsweise 15°C bis 35°C über der Glasumwandlungs-Temperatur des thermoplastischen Materials. Die Dauer des Laminiervorgangs liegt zwischen 1 und 60 Minuten, und vorzugsweise zwischen 3 und 30 Minuten; das Verpressen kann nach jedem bekannten, dafür geeigneten Verfahren erfolgen.

Nach dem Verpressen ist das Material flach (nicht verworfen) und gleichmäßig dick. Beim Herstellen eines metallischen Musters, beispielsweise eines Schaltungsmusters, durch Ätzen der Metallschicht kann das Material springen, rissig werden oder sich verwerfen. Erfindungsgemäß wird deshalb nach dem Verpressen und vor dem Herstellen des metallischen Musters das mit dem Metall kaschierte Material durch Erwärmen entspannt, und zwar vorzugsweise direkt im Anschluß an das Verpressen. Hierzu wird das Material, vorzugsweise als Stapel, in eine Flachpresse gebracht und bei nur leichtem Druck und einer Temperatur, die nahe, aber unterhalb der Formbeständigkeits-Temperatur des Polymers liegt, entspannt.

Anschließend wurde die Haftfestigkeit der Kupferfolie auf dem thermoplastischen Polymer gemessen; die Werte sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Thermoplastisches PolymerHaftfestigkeit (N/mm)

Polysulfon0,88-1,28 Polyäthersulfon0,88-1,28 Polyätherimid1,37-2,45

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ebenfalls zum Herstellen eines Laminates aus mehreren, sich abwechselnden Schichten aus Metall und thermoplastischen Polymer; so können beispielsweise Trägerplatten mit einer verstärkenden Kernlage hergestellt werden. Kupferkaschierte thermoplastische Polymere mit einem Metallkern eignen sich gut als Vielebenen-Schaltungen mit Metallkern. Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich zum Laminieren von Metallfolien oder -platten auf Hoch- und Niedertemperatur Thermoplasten.

Für gedruckte Schaltungen werden Hochtemperatur-Thermoplaste bevorzugt; geeignete Niedertemperatur-Thermoplaste sind Polymethacrylate und Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere. Die Dicke der polymeren Substrate kann zwischen 0,7 mm und 7 mm liegen. Für gedruckte Schaltungen sind Stärken von 1,5 mm bis 1,6 mm geeignet, für flexible gedruckte Schaltungen wird eine Materialstärke zwischen 0,13 und 0,25 mm verwendet.

Metallfolien oder -platten weisen häufig innere Spannungen auf, die beim Herstellen entstehen können. Beispielsweise finden sich innere Spannungen bei Metallfolien, die durch galvanische Metallabscheidung hergestellt sind. Werden thermoplastische Polymerfolien mit einer Dicke von 0,7 mm oder mehr verwendet, so wird die Wirkung dieser inneren Spannung weitgehend reduziert.

Bei den Arbeiten, die zu der Erfindung führten, wurde jedoch festgestellt, daß (1) wenn der thermoplastische Polymerfilm weniger als 0,7 mm dick ist, oder (2) wenn eine dünne Polymerfolie mit weniger als 0,5 mm Dicke, wie sie für flexible Schaltungen verwendet werden, nach dem hier beschriebenen Verfahren zum Kaschieren von dickeren Polymerfolien mit Metall behandelt wird, sich nach dem Herstellen des Schaltungsmusters der Träger wirft, auftrollt oder verzerrt. Diese Erscheinungen beruhen (1) auf inneren Spannungen der durch galvanisches Abscheiden erzeugten Metallschicht und (2) auf den unterschiedlichen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten von Metallfolie und thermoplastischem Material. Versuche, diese unerwünschten Erscheinungen durch Tempern nach dem Laminieren oder durch entgegengesetztes Aufrollen des Laminates zu reduzieren, erwiesen sich als unwirksam oder zeigten nur sehr geringe Verbesserungen.

Es konnte festgestellt werden, daß die beschriebenen unerwünschten Erscheinungen wie Verwerfen, Aufrollen oder Verzerren der Schaltungsmuster entweder stark eingeschränkt oder sogar vollkommen eliminiert werden können, wenn die folgenden Maßnahmen einzeln oder gemeinsam durchgeführt werden: Einmal wurde zum Beispiel eine Metallfolie oder -platte geringer Dicke, beispielsweise 0,017 mm oder weniger, verwendet. Es konnte festgestellt werden, daß die Stärke der Metallkaschierung nicht nur die Differenz zwischen den Wärmeausdehnungs-Koeffizienten der Metallfolie und des Thermoplastträgers reduziert, sondern ebenfalls im Laminat vorhandene Spannungen.

Das Verhältnis von Metallfoliendicke zur Dicke der thermoplastischen Folie sollte so gewählt werden, daß die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten sowie inneren Spannungen verursachten Erscheinungen wie Verwerfen, Aufrollen oder Verzerren nur minimal sind. Für das im Handel erhältliche, durch galvanische Abscheidung hergestellte Metallfolienmaterial und Hochtemperatur-Thermoplastfolien mit einer Dicke von weniger als 0,7 mm eignet sich besonders ein Verhältnis der Materialschichtdicken von 0,03 oder darunter.

Bei einer anderen Technik wird eine getemperte Metallfolie mit einer Dicke von 0,035 mm in einem Verhältnis von 0,1 verwendet, um so Verwerfungen aufgrund innerer Spannungen bei einer Thermoplastfolie von weniger als 0,7 mm Dicke nach Möglichkeit zu vermeiden. Für Mehrebenen-Platten und/oder flexible Schaltungen werden ebenfalls getemperte Kupferfolien einer Stärke von 0,035 mm zum Kaschieren bevorzugt. Wird nachträglich Metall aufplattiert, so kann eine noch dünnere, weniger als 0,017 mm starke Cu-Folie verwendet werden.

Die für das Verfahren nach der Erfindung am besten geeigneten thermoplastischen Polymere sind u. a. Polysulfone, Polyäthersulfone, Polycrylsulfone und Polyätherimide, denen je nach Anwendung Füllstoffe zugegeben werden können. Das Flußdiagramm aus Fig. 1 zeigt die Verfahrensschritte zum Herstellen von metallkaschierten Trägermaterialien entsprechend der Erfindung. Als Ausgangsmaterial dienen extrudierte Folien aus amorphem thermoplastischem Harz mit 1,6 mm Dicke, wie sie in vielen Bereichen verwendet werden.

Da, wie beschrieben, auch flexible Schaltungen nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt werden können, ist es selbstverständlich, daß es sich weder auf die genannte Folienstärke noch auf extrudiertes Folienmaterial beschränkt.

Im ersten Verfahrensschritt werden die extrudierten thermoplastischen Polymerfolien vor dem Verpressen getrocknet, wobei die Temperatur zwischen 100°C und einer Temperatur nahe der Erweichungs-Temperatur (Tg) des Polymers liegen kann und vorzugsweise weniger als 165°C beträgt. Werden die Folien einzeln getrocknet, so ist die Trocknungszeit sehr kurz. Es ist aber praktisch, die Folien stapelweise zu trocknen, wobei dann die Trocknungszeit 2 oder mehr Stunden beträgt. Es hat sich als praktisch erwiesen, Folienstapel über Nacht bei 125°C zu trocknen. Die Oberflächen des verwendeten thermoplastischen Polymers sind in der Regel hydrophob, nicht in Wasser löslich und weisen eine geringe Wasserabsorption auf. Es ist allgemein bekannt, daß Thermoplast-Granulat vor dem Extrudieren oder Gießen getrocknet werden muß. Aus Thermoplast-Polymeren extrudierte oder gegossene Gegenstände sind in der Regel nur gering hygroskopisch. Gegenstände aus Polysulfonen können bis zu 0,7%, aus Polyäthersulfonen bis zu 1,65% und aus Polyätherimiden bis zu 1,25% Wasser absorbieren. Werden derartige Thermoplaste beidseitig mit einer Metallfolie kaschiert, so ist das Aussehen des Laminats zunächst sehr gut. Später und besonders, wenn das Laminat höheren Temperaturen, wie etwa beim Löten, von 230°C bis 290°C ausgesetzt wird, bilden sich zwischen dem Polymer und der aufkaschierten Metallfolien Blasen.

Überraschenderweise kann diese Blasenbildung durch den zuvor beschriebenen Trocknungsschritt bei reltiv niedrigen Temperaturen vollständig vermieden werden.

Eine andere Möglichkeit hierzu ist die Lagerung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von weniger als 50%. Das heißt, daß der Trocknungsschritt nur dann erforderlich ist, wenn die relative Luftfeuchtigkeit während der Lagerung über 50% liegt.

Im zweiten Verfahrensschritt entsprechend Fig. 1 wird die getrocknete Polymerfolie mit einer Kupferfolie verpreßt. Die Laminier-Temperatur liegt über der Glasumwandlungs-Temperatur (Tg) des amorphen thermoplastischen Polymermaterials. Für die verschiedenen Thermoplaste geeignete Laminier-Temperaturen sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Eine extrudierte Folie aus thermoplastischem Polymer soll beidseitig mit einer Kupferfolie versehen werden. Hierzu werden Wärme und Druck bei geschlossener Laminierpresse zugeführt. Die Temperatur wird vorzugsweise an der Oberfläche des thermoplastischen Materials gemessen. Nach dem Erreichen der erforderlichen Temperatur werden diese und der Druck für mindestens eine, vorzugsweise 3 Minuten beibehalten, um ein fest verpreßtes Laminat zu erhalten.

Der Laminierdruck ist nicht kritisch und kann in bestimmten Grenzen variiert werden; er sollte hoch genug sein, um einen engen Kontakt zwischen Polymer- und Kupferfolien herzustellen, und niedrig genug, um Schwankungen der Materialstärke zu vermeiden, die durch Auspressen von Polymermaterial an den Rändern der Platte entstehen können. Nach dem Laminieren werden an den Rändern der Platte etwa 10 bis 20 mm weggeschnitten.

Im dritten Verfahrensschritt nach Fig. 1 wird die kupferkaschierte Platte zur Beseitigung von durch das Verpressen entstandenen Spannungen ausgeheizt. Hierzu wird das Laminat einer Temperatur ausgesetzt, die zwischen der Erweichungs-Temperatur des Polymers und maximal 50°C darunter, und vorzugsweise 4°C bis 10°C darunter, liegt. Die Behandlung muß so lange dauern, bis sichergestellt ist, daß beim nachfolgenden Ätzen und den weiteren Verfahrensschritten zum Herstellen einer gedruckten Schaltung aus diesem Material weder Risse noch Sprünge und auch keine Verwerfungen auftreten. Die Dauer der Entspannungsbehandlung hängt von dem Polymer, dem Füllstoff und der gewählten Temperatur ab. Die geeignete Dauer kann anhand von Versuchen ermittelt werden, bei denen auf Material, das unterschiedlich lange entspannt wurde, durch Ätzen Schaltungsmuster hergestellt werden. Eine Dauer von 4 Stunden hat sich zum Entspannen von Laminaten bei den in Tabelle 3 angegebenen Temperaturen bewährt.

TrägermaterialTemperatur (°C)

Polysulfon170 Polyätherimid195 Polyäthersulfon200

Beispiel

Sechs Polyätherimid-Folien unterschiedlicher Stärke und in einer Größe von 450 × 600 mm wurden über Nacht bei 125°C getrocknet und auf beide Seiten Kupferfolien unterschiedlicher Stärke auflaminiert. Der Laminiervorgang erfolgte bei einer Temperatur von 230°C und einem Druck von 4,3 MPa und dauerte 10 Minuten.

Die so hergestellten Laminate wurden für 4 Stunden bei 195°C entspannt. Nach dem Druck- und Ätz-Verfahren wurde ein Schaltbild hergestellt. Wie in Tabelle 4 dargestellt, waren die Schaltplatten, bei denen das Verhältnis der Folienstärken unter 0,03 lag, anschließend vollkommen eben, während diejenigen, bei denen das Verhältnis über 0,04 lag, Verzerrungen des Musters aufwiesen.

Tabelle 4

Galvanisch abgeschiedene Kupferfolie

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Basismaterialien für gedruckte Schaltungen durch direktes Wärmepressen von hochtemperaturbeständigen Thermoplasten (Glasumwandlungs-Temperatur Tg 190°C) mit Metallfolien, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Thermoplaste mindestens 30 Minuten auf max. 165°C, vorzugsweise 100°C-150°C erwärmt werden, um den Gehalt an flüchtigen Bestandteilen mit einem Siedepunkt unter 245°C auf weniger als 0,1% zu reduzieren und anschließend bei einer Temperatur von (Tg-50°C) bis Tg getempert werden.
- das Verpressen bei einer Temperatur die 2°C bis 45°C über Tg liegt und einem Druck von 1 bis 10 MPa erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur 5°C bis 35°C über Tg liegt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verpreßvorgang zwischen 1 und 60 Minuten dauert.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoplaste plattenförmig ausgebildet sind und eine Dicke von 0,1 mm bis 7 mm, und vorzugsweise von 0,7 bis 5 mm, aufweisen.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie bzw. -platte eine Dicke von 5 µm bis 5 mm aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoplaste und/oder die Metallfolie oder -platte vor dem Verpressen einer Behandlung zur Verbesserung der Haftfestigkeit unterzogen wird bzw. werden.