DE3545159A1 - Verfahren zur herstellung von basismaterialien mit optimiertem eigenschaftsbild - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Basismaterialien für Leiterplatten mit höchster Dimensions- und Feuchtestabilität.

Zur Herstellung solcher Basismaterialien wird eine Doppelbandpresse in erfindungsgemäßer Bauweise benötigt.

Zur Herstellung von Basismaterialien für die kommerzielle Elektronik wird üblicherweise eine Imprägnierung von Glasgeweben mit einer Epoxidharz/ Härterlösung durchgeführt, die in einem Trockner vorpolymerisiert werden. Diese sogenannten Prepregs werden auf Preßformat geschnitten, je nach gewünschter Dicke aufeinandergelegt und mit elektrolytischer Cu-Folie zwischen Edelstahlblechen auf Etagenpressen unter Druck und Temperatur aus gehärtet.

Zwischen zwei Heizplatten werden üblicherweise 4 bis 12 Tafeln gepreßt. Das vorpolymerisierte Harz kommt durch Druck und Temperatur zum Fließen und sorgt für die Umhüllung der Glasfilamente mit Epoxidharz. Da der aufgebrachte Druck "statisch" ist, benötigt das Harz eine gewisse Fließzeit und eine bestimmte niedrige Schmelzviskosität, um alle Hohlräume und Glasilamente zu durchtränken. Diese als "open window" bezeichnete Zeit führt während des Preßvorganges zu einem Harzfluß an den Tafelrändern. Der Harzfluß verringert die Materialdicke im Randbereich.

Die Dickendifferenz kann von der Mitte bis zum Rand 10% der Nenndicke erreichen. Dieser Dickenabfall hat einen Druckabfall zur Folge. Um dies auszugleichen, werden komprimierbare Polstermaterialen verwendet. Dieser Druckgradient über die Tafelfläche macht eine Druckbeaufschlagung von 40 bis 80 bar erforderlich. Der maximale Druck, welcher nur auf dem Mittelplateau der Tafel anliegt, führt zum Verspannen der Glasgewebefäden und unterstützt durch den von der Mitte ausgehenden Harzfluß den Gewebeverzug. Diese Preßtechnik läßt daher nur die Herstellung von Basismaterialien mit abfallendem Dickenprofil und von vorgespannten Glasgewebeträgern zu, die bei der Weiterverarbeitung zu Leiterplatten bei Temperatureinwirkung einer variablen Dimensionsveränderung von 0,1 bis 0,5‰ unterliegen.

Die weiter fortschreitende Miniaturisierung der elektronischen Bauelemente führt zu einer erhöhten Packungsdichte von Bohrungen und Leiterzügen auf der Leiterplatte. Dimensionsveränderungen können daher nicht mehr verkraftet werden. Man behilft sich heute mit dem Tempern von Basismaterialien vor der Schaltungserstellung, um diese Restspannungen zu beseitigen.

Durch diese engen Lochabstände wird auf das Feuchtigkeitsverhalten der Leiterplatten immer größeren Wert gelegt. Um Schaltungsdefekte zu vermeiden, muß eine Ionenwanderung entlang der Glasfaser möglichst ausgeschlossen werden. Zur Vermeidung von Hohlräumen im Laminat durch Feuchtigkeit, Restlösemittel und Lufteinschluß, werden Etagenpressen mit Vakuumrahmen ausgelegt. Hierdurch wird das Prepreg vor der Druckaufgabe von gasförmigen Resten befreit. Dies gelingt bei großen Flächen jedoch nur unzureichend. Dies ist insbesondere bei großen Formaten durch die entsprechend langen Diffusionswege und Zeiten erklärlich. Die an der Glasfaser anliegenden Luftblasen sind jedoch vom Harz umschlossen und lassen sich auch durch Vakuum nicht entfernen.

Es ist daher, bedingt durch das Pressen in Etagenpressen, nicht ein einheitlich homogenes und in allen Anforderungen identisches Basismaterial herzustellen.

Die Einflußfaktoren sind:
1.) Aufheizgeschwindigkeits-Differenzen von der Innen- zur Außentafel.
2.) Druckdifferenzen von der Tafelmitte zum Tafelrand.
3.) Verteilung der Restflüchteanteile von der Mitte zum Randbereich.
4.) Aushärtedifferenzen von der Mitte zum Rand, hervorgerufen durch Wärmeabstrahlung im Randbereich des Preßpaketes.
5.) Unterschiede in der von dem Glasgewebe hervorgerufenen Welligkeit der Kupferoberfläche durch Temperatur und Viskositätsverlauf des Harzes.

Die aufgeführten Problemstellungen bei der Herstellung von Epoxidglaslaminaten lassen sich durch die erfindungsgemäße Bauweise einer Doppelbandpresse lösen.

Doppelbandpressen sind seit langem bekannt. Ihre grundsätzlichen Möglichkeiten werden in der Veröffentlichung von Herrn Dr. Bernd Angel´ in der Fachzeitschrift "Chemie-Technik", 16. Jahrgang (1981), beschrieben.

Bei den bekannten Doppelbandpressen werden unterschiedliche Techniken in bezug auf Druck- und Temperaturaufbringung eingesetzt. So wird beispielsweise die mechanische Druckaufbringung über Rollen, die Druckaufbringung über Luftkissen, über Ölkissen, über Hydraulikzylinder und Ölgleitfilm durchgeführt. Die Vorteile dieser kontinuierlichen Preßtechniken liegen in der Materialeinsparung, durch Wegfall von zwei Außenkanten und in der direkten Kontrollfähigkeit der Oberflächengüte des hergestellten Laminates.

Eingesetzt werden diese Pressen seit Jahren zur Herstellung dekorativer Laminate, Skilaminate und Spanplatten. Keine der vorhandenen Doppelbandpressen verfügt über die erfindungsgemäße Verfahrensweise.

Für die Problemlösung von in Etagenpressen hergestellten kupferkaschierten Epoxidlaminaten mußte daher eine spezielle Verfahrensweise erfunden werden.

Zur Lösung der beschriebenen Probleme hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß diese nur mit einer speziellen Doppelbandpreßtechnik gelöst werden können.

Bei einer derarigen Doppelbandpresse werden Prepregrollen zusammen mit Kupferfolien von entsprechenden Abrolleinrichtungen in eine Doppelbandpresse geführt. In dieser Presse werden die Prepregs mit einem umlaufenden Preßband durch Druck und Temperatur kontinuierlich gepreßt und in kurzer Zeit ausgehärtet.

Erfindungsgemäß muß daher die Presse folgende Voraussetzungen erfüllen.
Die Umlenktrommeln (1) sollten eine Temperatur von<ze 80 bis 120°C haben. Sie müssen auf die Laminatstärke<ze zusammenzufahren sein. Hierdurch wird das Prepreg<ze über dem Schmelzpunkt erwärmt. Die drucklose Auf-<zewärmzone sollte 1 bis 2 m betragen, um ein Abdampfen<ze von Restlösemitteln bei einer Geschwindigkeit von <ze4 m/min zu ermöglichen.

Die Verfahrenstemperatur sollte bis zur Härtung ansteigen, um ein Rückschrumpfen und somit Faltenbildung der Cu-Folie zu vermeiden.

Die Presse sollte eine Gelier- und Laminierzone von vorzugsweise 0,8 bis 1,5 m aufweisen, in der die Prozeßtemperatur nicht über 170°C ansteigt. Beim Eintritt in die Preßzone werden die letzten Lösungsmittelreste herausgedrückt, da der Harzfluß entgegen der Laufrichtung stattfindet (partielles Entgasen).

Die Temperatur muß in dieser Zone begrenzt sein, um einen definierten Viskositätsverlauf des Laminiervorganges zu gewährleisten. Hierdurch werden Spannungen und Cu-Welligkeitserscheinungen weitgehend vermieden.

Im Anschluß an die Laminierzone, welche die Qualität des Produktes wesentlich beeinflußt, sollte eine Härtungszone von vorzugsweise 180 bis 240°C folgen. Diese Härtungszone hat vorzugsweise ein Länge von 3,6 m. Sie richtet sich nach der gewünschten Produktionsgeschwindigkeit und der Härtungsgeschwindigkeit. Das verwendete Epoxidharz/Härter/Beschleuniger- System sollte vorzugsweise eine Reaktionszeit von 30 bis 90 Sekunden bei 200°C aufweisen.

Um eine Deformation des Glasgewebes möglichst gering zu halten, wird eine erfindungsgemäße Presse vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 bar betrieben.

Üblicherweise werden alle Basismaterialien gekühlt, bevor die Druckbelastung erfolgt.

Hierdurch werden noch verbleibende Restspannungen "eingefroren".

Erfindungsgemäß sollte das Material nicht in der Presse gekühlt werden, da es sich bei der kontinuierlichen Presse um einen schockartigen Vorgang handelt. Hierzu sind jedoch speziell passivierte Cu-Folien erforderlich, die bei den Verfahrenstemperaturen nicht oxydieren.

Es wurde überraschenderweise herausgefunden, daß ein ausgehärtetes Laminat die Druckzone heiß verlassen kann.

Das Material verläßt die Presse mit 180 bis 220°C. In diesem Zustand ist das Harz weich genug, um einen Ausgleich von Restspannungen zu ermöglichen. Das Material verläßt nun spannungs- und verwindungsfrei die Preßanlage und wird drucklos mit einem Luftkühler abgekühlt.

Der mit dieser Preßeinrichtung erzielte Aushärtungsgrad wird mit einer speziellen Prüfeinrichtung kontinuierlich gemessen.

Hierzu dient ein definierter Randstreifen von vorzugsweise 10 mm Breite. Dieser wird einer kontinuierlichen Warmbiegeprüfung unterzogen. Durch Festlegung der Kraftweg-Parameter läßt sich so kontinuierlich das Warmfestigkeitsverhalten als Kriterium für die Aushärtung ermitteln.

Diese Prüfeinheit sollte vorzugsweise aus einem Rollensystem bestehen, welches das Laminat in einer Temperaturkammer mit definiertem Druck beaufschlagt. Die Wegveränderung ist somit ein Kriterium für die Aushärtung.

Zur Durchführung des Verfahrens kann eine im Hinblick auf dieses modifizierte Doppelbandpresse eingesetzt werden, wie sie z. B. aus der DE-OS 33 24 302 bekannt ist. Bei dieser Bandpresse ist neben einer Vorheizzone im Arbeitsbereich der Presse eine weitere Heizzone vorgesehen. Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden anstelle dieser Heizzone mindestens zwei Heizzonen mit getrennt regelbaren Heizkreisen eingesetzt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Basismaterialien mit optimiertem Eigenschaftsbild, dadurch gekennzeichnet, daß eine Doppelbandpresse benutzt wird, die über eine definierte Temperatur an den Umlenkwalzen von 80 bis 120°C verfügt; eine drucklose Aufschmelz- und Verdunstungszone von 1 bis 2 m aufweist; mit einer Gelier- bzw. Laminierzone von 0,8 bis 1,5 m ausgerüstet ist, welche bis maximal 170°C begrenzt ist; eine Härtungszone von vorzugsweise 2 bis 4 m bei 190 bis 240°C aufweist; auf eine Kühlung unter Druck völlig verzichtet und im Druckbereich von vorzugsweise ≧10 bar arbeitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Harzsystem mit einer Härtungszeit von 20 bis 200 Sekunden bei 200°C eingesetzt wird, vorzugsweise 30 bis 90 Sekunden bei 200°C.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß spezielle nicht oxydierende Cu-Folien verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Produktionsgeschwindigkeit von ≦λτ3 m/min. erzielt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dickenabfall von maximal 5% der Nenndicke erzielt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberflächenwelligkeit von kleiner 3 µm erzielt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erzielte Dimensionsstabilität in X-und Y-Richtung kleiner 0,2‰ beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laminatqualität kontinuierlich mit einer Warmbiege-Vorrichtung geprüft wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mittels einer Doppelbandpresse, dadurch gekennzeichnet, daß in der Doppelbandpresse außer einer ggf. vorhandenen Vorheizzone mindestens zwei Heizzonen mit getrennt regelbaren Heizkreisen vorgesehen sind.