DE3785487T2 - Verfahren zur herstellung von traegern fuer gedruckte schaltungen. - Google Patents

Verfahren zur herstellung von traegern fuer gedruckte schaltungen.

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DE3785487T2 DE8787304816T DE3785487T DE3785487T2 DE 3785487 T2 DE3785487 T2 DE 3785487T2 DE 8787304816 T DE8787304816 T DE 8787304816T DE 3785487 T DE3785487 T DE 3785487T DE 3785487 T2 DE3785487 T2 DE 3785487T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Prozeß zum Herstellen von Substraten für gedruckte Schaltungsplatinen und durch diesen Prozeß hergestellte Produkte. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Prozeß, mit dessen Hilfe sich aus denselben Grundmaterialien eine große Vielfalt von Substraten fertigen läßt, die speziell für gedruckte Schaltungsplatinen geeignet sind und eine niedrige Dielektrizitätskonstante sowie elektrische Kennwerte aufweist, welche verschiedene Endverbrauch-Anforderungen erfüllen.
  • Die verschiedenen Arten von durch den Prozeß hergestellten Substraten eignen sich besonders für gedruckte Schaltungsplatinen, die unterschiedlichen Anforderungen von allgemeinen elektronischen Bauelementen bis zu eine Hochgeschwindigkeits- Signalübertragung erfordernden Rechnern genügen.
  • Grundmaterialien für gedruckte Schaltungsplatinen, wie sie in herkömmlichen elektronischen Anlagen verwendet werden, umfaßten bislang:
  • (1) Glas/Epoxy- oder Papier/Epoxy-Verbund-Grundmaterialien, hergestellt durch Imprägnieren von Glastuch oder Papier mit einem Epoxyharz mit anschließender Aushärtung; oder Papier/Phenoplast- Grundmaterialien, hergestellt durch Imprägnieren von Papier mit einem Phenolharz und anschließendes Aushärten;
  • (2) flexible Isolierstoffe wie Polyimid-Film und Polyester- Film;
  • (3) wärmebeständige Grundmaterialien aus Glasfaser/Polyimid-Verbundstoff;
  • (4) Grundmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante wie Epoxy/Kevlar - (Kevlar ist ein eingetragenes Warenzeichen), Polyimid/Kevlar- und Epoxy/Quarz-Verbundstoffe; und
  • (5) Grundmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante, bestehend aus Glastuch und Polytetrafluoräthylen.
  • Jedes der oben erwähnten Materialien führt zu Endprodukten mit gut definierten Eigenschaften; d.h. es ist unmöglich oder in der Praxis nicht möglich, Produkte aus den gleichen Grundmaterialien herzustellen, die verschiedenartige Eigenschaften besitzen.
  • Materialien vom Typ (1), die am weitesten verbreitet sind, haben eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante und lassen sich für gewöhnlich nicht bei Rechnern und anderen Anlagen einsetzen, bei denen in den vergangenen Jahren eine zunehmend höhere Übertragungsgeschwindigkeit gefordert wird. Das gleiche gilt für die Materialien der Typen (2) und (3), die normalerweise nicht zu gedruckten Schaltungsplatinen mit ausreichend niedriger Dielektrizitätskonstanta führen. Der Wert der Dielektrizitätskonstanten dieser Materialien bei einer Frequenz von 1 MHz beträgt:
  • 4,5-5,5 für (1); 3,5-5,0 für (2); 4,3-4,7 für (3)
  • Materialien vom Typ (4) haben ebenfalls, obschon sie ausgezeichnete Wärmebeständigkeit besitzen, eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 3,5 bis 4,0 und können üblicherweise nicht der Forderung höherer Signalübertragungsgeschwindigkeit entsprechen.
  • Materialien vom Typ (5) haben eine Dielektrizitätskonstante von etwa 2,5 bis 3 und werden als Grundmaterialien mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante angesehen. Ihre Nachteile beinhalten jedoch eine geringe Haftfähigkeit an Metallfolien und eine schlechte Verarbeitbarkeit.
  • Sämtliche dieser Grundmaterialien sind nicht nur nicht in der Lage, den Anforderungen hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeit bei Rechnern oder dergleichen bezüglich der Dielektrizitätskonstanten Rechnung zu tragen, sondern sie weisen auch verschiedene physikalische Eigenschafts-Kennwerte auf, beispielsweise Wärmewiderstand, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Eigenschaften und Flexibilität. Folglich muß der Typ des zu verwendenden Grundmaterials so ausgewählt werden, daß er den speziellen Anforderungen für den jeweiligen Endverbrauch entspricht. Dementsprechend müssen die Hersteller zahlreiche Materialtypen auf Lager halten, um einer Vielfalt von Anforderungen entsprechen zu können, oder sie können Aufträge nur für wenige ausgewählte Typen von Produkten annehmen.
  • EP-A 0 194 381, die unter Artikel 54 (3) EPÜ fällt und daher bezüglich der Frage erfinderischer Tätigkeit nicht relevant ist, offenbart einen Prozeß zum Herstellen eines dielektrischen Materials, welches für einen laminierten Verbundstoff für eine gedruckte Schaltung verwendbar ist, wobei der Prozeß beinhaltet: Behandeln eines zumindest einen Abschnitt expandierter poröser PTFE-Fasern enthaltenden Stoffs, um die Fasern für ein nicht-ausgehärtetes hitzehärtbares Harz benetzbar zu machen, Imprägnieren des Stoffs mit einem nicht-ausgehärteten, hitzehärtbaren Harz, welches in die Hohlräume des Stoffs eindringt, Erwärmen und Trocknen des mit Harz imprägnierten Stoffs, um das Harz zumindest in den halb ausgehärteten B-Zustand auszuhärten, wobei der Prozeß das Kalandrieren des Stoffs beinhalten kann, um dessen Dicke zu verringern. Aus der EP-A 0 160 439 ist ein Verfahren zum Herstellen einer gedruckten Schaltungsplatine unter Verwendung einer Folie aus porösem expandiertem PTFE bekannt, die in ihren Poren mindestens ein weiteres Harz enthält.
  • Selbst wenn verschiedene Grundmaterialien, die in der oben erwähnten Weise ausgelegt oder hergestellt sind, auf Lager gehalten werden, so ist es nicht immer möglich, jeder speziellen Nachfrage zu entsprechen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Materials unter Verwendung einer Verbundfolie aus porösem expandiertem PTFE geschaffen, welche in ihren Poren zumindest ein weiteres Harz enthält, wobei die Folie zumindest teilweise zusammengepreßt wird.
  • Die Folie kann zusammengespreßt werden, damit praktisch sämtliche Luft aus den Poren der Folie ausgetrieben wird, um so eine Vielfalt physikalischer und elektrischer Eigenschaften aus dem gleichen Grundmaterial zu erhalten.
  • Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Herstellen einer gedruckten Schaltungsplatine unter Verwendung einer Verbundfolie aus porösem, expandierten PTFE offenbart, die in ihren Poren zumindest ein weiteres Harz enthält, wobei die Folie zumindest teilweise zusammengepreßt wird.
  • Das weitere Harz kann in der Folie zu einem Anteil von mindestens 15 Gew.-% enthalten sein, bezogen auf das Gesamtgewicht der Folie und des weiteren Harzes, und es kann mindestens 24 Gew.-% übersteigen, bezogen auf das Gesamtgewicht der Folie und des weiteren Harzes. Das weitere Harz kann ein hitzehärtbares Harz sein.
  • Das weitere Harz kann teilweise oder vollständig ausgehärtet werden. Ein anorganischer teilchenförmiger Füllstoff kann in das expandierte, poröse PTFE eingebracht werden.
  • Der Verbundstoff kann auf eine Folie aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise eine Metallfolie, wie eine Kupferfolie oder eine Aluminiumfolie, auflaminiert werden. Das weitere Harz kann ein Epoxyharz, ein Polyimid-Harz, ein Triazin-Harz, ein Bismaleinimid/Triazin-Harz oder ein Phenolharz sein.
  • Über den Verbundstoff kann zur Abdichtung gegenüber der Atmosphäre ein Polymer-Überzug aufgebracht werden.
  • Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen speziell beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Mikroaufnahme, die eine typische Knoten-Fibrillen-Struktur des erfindungsgemäß verwendeten expandierten, porösen PTFE zeigt;
  • Fig. 2 eine Mikroaufnahme einer weiteren Knoten- Fibrillen-Struktur von erfindungsgemäß verwendetem, biaxial expandiertem, porösen PTFE;
  • Fig. 3 ein Produkt gemäß der Erfindung mit einer darauf befindlichen luftdichten Polymerbeschichtung.
  • Es wird ein Prozeß zum Herstellen eines Verbundstoffs aus einer Folie expandierten, porösen Polytetrafluoräthylens (PTFE), die mit einem weiteren Harz imprägniert ist, geschaffen, wobei das weitere Harz in die Poren des expandierten PTFE eingebracht wird. Das weitere Harz verleiht dem Verbundstoff gewünschte Kennwerte wie z.B. einen hohen Wärmewiderstand und niedrige Dielektrizitätskonstante, die ihn für Substrate gedruckter Schaltungsplatinen geeignet machen. Der Verbundstoff ist generell als Dielektrikum und als ein Klebstoff geeignet.
  • Insbesondere wird ein Prozeß zum Herstellen von Substraten für gedruckte Schaltungsplatinen geschaffen, welcher beinhaltet: Verwenden von porösem, expandiertem PTFE als ein Grundmaterial, Imprägnieren des porösen Materials mit einer Harzlösung, die Kennwerte (Wärmewiderstand, niedrige Dielektrizitätskonstante, etc.) ergeben, wie sie für die in Frage kommenden Schaltungsplatinen gefordert werden, und Aushärten des Harzes unter Druckbedingungen, die zu den beabsichtigten Kennwerten führen.
  • Expandiertes, poröses PTFE besitzt eine Dielektrizitätskonstante, die nur etwa 1,1 bis 1,8 beträgt, und es läßt sich aufgrund seiner porösen Struktur leicht mit geeigneten Harzlösungen imprägnieren, wenngleich PTFE selbst chemisch sehr stabil ist und es Schwierigkeiten bereitet, es an anderen Typen von Harzen oder Klebstoffen zu binden.
  • Die elektrischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der zum Imprägnieren gemäß der Erfindung verwendeten Harzlösung sind die primären Faktoren, die die Kennwerte der sich ergebenden Verbundstoffe bestimmen.
  • Ein zweiter Faktor, der die Kennwerte der Verbundstoffe bestimmt, sind die Druckbedingungen, unter denen das mit Harz imprägnierte, poröse Grundmaterial ausgehärtet wird.
  • Substrate für gedruckte Schaltungsplatinen mit stark unterschiedlichen elektrischen, physikalischen und chemischen Kennwerten lassen sich aus dem gleichen Grundmaterial durch geeignete Kombination dieser zwei Faktoren herstellen.
  • Kennwerte, die für gedruckte Schaltungsplatinen gefordert werden, welche in elektrischen Anlagen eingesetzt werden, sind sehr unterschiedlich. Beispielsweise wurden Höchstgeschwindigkeits-Verarbeitungselemente auf der Basis von Galliumarsenid und anderen relativ neuen Stoffen entwickelt, um dem Bedarf der Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung in Rechnern zu entsprechen, und es existiert ein großer Bedarf auch an solchen gedruckten Schaltungsplatinen, deren Kennwerte diesem Bedarf entsprechen. Andererseits wird von Substraten, an denen direkt IC-Chips anzubringen sind, häufig gefordert, daß sie in Kombination einen angemessenen Wärmeausdehnungskoeffizienten, angemessene Wärmeleitfähigkeit und angemessene mechanische Festigkeit sowie eine niedrige Dielektrizitätskonstante besitzen.
  • Die Signalübertragungs-Laufzeit τ, beispielsweise in Hochgeschwindigkeits-Rechnern, ist proportional zu der Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten des verwendeten Materials und läßt sich für eine Streifenleitung durch folgende Formel ausdrücken:
  • wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Materials und C die Lichtgeschwindigkeit (3x10&sup8; m/sec.) ist. Deshalb müssen normalerweise Stoffe mit niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet werden, um höhere Signalübertragungsgeschwindigkeiten zu erreichen.
  • Bei Substraten, an denen direkt IC-Chips anzubringen sind, sollte hingegen üblicherweise die Priorität der Kombination eines angemessenen Wärmeausdehnungskoeffizienten, angemessener Wärmeleitfähigkeit und angemessener mechanischer Festigkeit zugemessen werden, auch wenn bis zu einem gewissen Maß die Dielektrizitätskonstante geopfert wird.
  • Die vorliegende Erfindung trägt verschiedenen Bedürfnissen an Substraten für gedruckte Schaltungsplatinen, wie sie oben erläutert wurden, Rechnung.
  • Polytetrafluoräthylen selbst besitzt eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante, und folglich besitzen auch ihre porösen Produkte einen so niedrigen Wert wie 1,2, selbst bei einer Porosität von 80 %. Dieses Harz jedoch ist kaum widerstandsfähig gegenüber Zug- und Druckkräften. Diese Nachteile von Polytetrafluoräthylen lassen sich durch die Verwendung poröser, expandierter Produkte des Stoffs und durch Imprägnieren mit einem Harz eines anderen Typs, gefolgt durch Aushärten des imprägnierten Harzes, vermeiden.
  • Bislang bekanntes, auf diese Weise erhaltenes poröses, expandiertes PTFE, welches mit einem Harz niedrigerer Dielektrizitätskonstante oder hohen Wärmewiderstands imprägniert ist, enthält üblicherweise noch ein beträchtliches Porenvolumen. Folglich kann die Ätzlösung in diese Poren eingreifen und unbeabsichtigte Bereiche fortätzen. Ein Teil der Komponenten der Ätzlösung bleibt unvermeidlich an dem Grundmaterial haften, und während des Gebrauchs der erhaltenen gedruckten Schaltungsplatinen dringt Feuchtigkeit in diese Poren ein, wodurch die Isolier- und dielektrischen Eigenschaften abträglich beeinflußt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Prozeß werden diese Schwierigkeiten durch Bewirken einer Druckaushärtung vermieden. Die Dielektrizitätskonstante allerdings hat die Neigung, zuzunehmen, wenn durch diesen Preßformprozeß die Porosität abnimmt.
  • Dies bedeutet, daß man Endprodukte mit verschiedener Dielektrizitätskonstante, Isoliereigenschaft, Flexibilität, mechanischer Festigkeit oder anderer Eigenschaften erhalten kann, auch wenn derselbe Typ von Harz für das Imprägnieren verwendet wird, indem das Zusammendrücken bei unterschiedlichen Drücken erfolgt, woran sich das Aushärten anschließt.
  • Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, läßt sich das poröse, expandierte Polytetrafluoräthylen 1, welches in dem erfindungsgemäßen Prozeß verwendet wird, durch Rollen und Strecken eines Polytetrafluoräthylen-Films erhalten, wie er in dem US- Patent 3,953,566 offenbart ist in Form von winzigen Fasern 12, die zwischen Knoten 11 miteinander wie ein Spinnennetz verflochten sind. Verschiedene Folien aus derartigem expandierten Harz können nach Bedarf aufeinander laminiert werden, um Grundmaterialien zu erhalten, deren Porosität von 30 bis 90 % reicht. Die Dielektrizitätskonstante nimmt mit zunehmender Porosität ab und reicht für den oben erwähnten Bereich von Porositäten von etwa 1,1 bis 1,8.
  • Die Harze, mit denen das poröse Polytetrafluoräthylen zu imprägnieren ist, umfassen wärmebeständige Harze wie folgt: Epoxy-, Polyimid-, Triazin- und Bismaleinimid/Triazin-Harze.
  • Das so mit einer Harzlösung imprägnierte poröse Polytetrafluoräthylen kann einer Druckaushärtung unter verschiedenen Bedingungen unterzogen werden, die für die gewünschten Kennwerte der gedruckten Schaltungsplatinen geeignet sind. Beispielsweise erfolgt ein Preßformen unter schwachen Bedingungen, wenn niedrige Dielektrizitätskonstante gewünscht ist, während Hochdruck-Bedingungen zugrundegelegt werden, wenn den Isoliereigenschaften Priorität eingeräumt wird. Wenn für die Druckaushärtung eine Presse oder Walzen verwendet werden, wird die poröse Struktur moderat geändert, und die Porosität des sich ergebenden Grundmaterials wird geringer. Elektrische und mechanische Eigenschaften sowie die Dimensionsstabilität der Endprodukte bestimmen sich durch die gewählten Druckbedingungen.
  • In einem in der oben beschriebenen Weise erhaltenen Grundmaterial, welches eine anorganische Substanz, beispielsweise SiC, SiO&sub2; und Quarzpulver in Polytetrafluoräthylen enthält, ist die Wärmeleitfähigkeit, die Dimensionsstabilität sowie die mechanische Festigkeit weiter erhöht.
  • Weiterhin kann die Schaffung eines wärmeleitenden Materials wie z.B. eine weiche oder starre Metallfolie eine wirksame Ableitung der im Betrieb der gedruckten Schaltungsplatinen anfallenden Wärme ermöglichen. Speziell die Verwendung eines weichen metallischen Materials ergibt flexible Platinen, die sich nach Wunsch verformen lassen.
  • Wenn auf den obigen Grundmaterialien ein leitender Schaltkreis gebildet wird, indem eine Metallfolie (z.B. aus Kupfer) verwendet wird, so kann zu deren Verbindung ein Klebstoff verwendet werden, wenn das Imprägnierharz ein geringes Haftvermögen an der Metallfolie aufweist. Leitende Schaltkreise können auch durch Ionenplatierung, Vakuumaufdampfung oder Zerstäubungsverfahren gebildet werden, zusätzlich zu einem Galvanisierprozeß, bei dem eine Galvanisier-Katalysatorschicht verwendet wird.
  • Die gemäß dem erfindungsgemäßen Prozeß hergestellten Grundmaterialien für gedruckte Schaltungsplatinen können einen gewissen Grad an Porosität aufweisen. Wenn auf beiden Seiten Polymer-Beschichtungen 7 vorgesehen sind, wie in Fig. 3 gezeigt ist, macht das Aufbringen einer Harzlösung um die Kanten herum den Aufbau luftdicht, wodurch der Eintritt von Luft, Feuchtigkeit und Ätzlösung verhindert wird, um so eine Absenkung der Isolier- und dielektrischen Eigenschaften zu vermeiden und das Ätzen feiner Schaltungsmuster zu ermöglichen.
    • Fertigungsbeispiel 1
  • Eine Folie aus einem porösen expandierten Polytetrafluoräthylen-Film 1 mit einer Dicke von 0,1 mm und einer Porosität von 70 % wurde mit 40 Gewichtsteilen Epoxyharz in der oben beschriebenen Weise imprägniert. Nach Trocknen und Aushärten des Imprägnier-Harzes durch Preßformen auf eine Dicke von 0,08 mm wurde auf beiden Seiten des Films eine Kupferfolie aufgeklebt. Das erhaltene Endprodukt besaß eine Dielektrizitätskonstante von nur 2,2 und erwies sich als geeignet zur Verwendung als gedruckte Schaltungsplatine in Hochgeschwindigkeitsrechnern.
    • Fertigungsbeispiel 2
  • Derselbe Typ des 1 mm dicken, porösen, expandierten Polytetrafluoräthylen-Films, wie er in Beispiel 1 verwendet wurde, außerdem 50 Gew.-% Quarzpulver mit 4 bis 8 um Teilchengröße enthaltend, wurde mit 30 Gew.-% Epoxyharz imprägniert. Nach dem Trocknen und Aushärten des Imprägnier-Harzes durch Preßformen auf eine Dicke von 0,09 mm wurde auf beide Filmseiten Kupferfolie auflaminiert. Das so erhaltene Endprodukt besaß eine Dielektrizitätskonstante von 2,2 und eine hohe Wärmeleitfähigkeit und erwies sich geeignet zur Verwendung in Hochgeschwindigkeitsrechnern.
  • Wie aus obigem ersichtlich ist, kann der erfindungsgemäße Prozeß zum Herstellen von Substraten für gedruckte Schaltungsplatinen mit verschiedenen Kennwerten aus demselben Material, d.h. porösem, expandiertem Polytetrafluoräthylen verwendet werden. Dieser Prozeß gewährleistet den Herstellern eine einfachere Handhabung der Rohmaterialien und gestattet ihnen, unterschiedlichsten Nachfragen flexibel zu entsprechen.

Claims (19)

1. Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Materials unter Verwendung einer Verbundfolie aus porösem, expandiertem PTFE (1), die in ihren Poren zumindest ein anderes Harz enthält, wobei die Folie zumindest teilweise zusammengepreßt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Folie vollständig derart zusammengepreßt ist, daß praktisch sämtliche Luft aus den Poren der Folie ausgetrieben ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das andere Harz in der Folie in einer Menge von mindestens 15 Gew.-% enthalten ist, bezogen auf das Gesamtgewicht der Folie und des weiteren Harzes.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Harz in der Folie in einer Menge von mindestens 24 Gew.-% enthalten ist, bezogen auf das Gesamtgewicht der Folie und des weiteren Harzes.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Harz ein hitzehärtbares Harz ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Harz teilweise ausgehärtet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Harz vollständig ausgehärtet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein anorganischer teilchenförmiger Füllstoff in das expandierte, poröse PTFE (1) eingebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbundstoff zu einer Folie aus elektrisch leitendem Material laminiert ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das leitende Material Metall ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Metall Kupfer ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Metall Aluminium ist.
13. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Harz ein Epoxyharz ist.
14. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Harz ein Polyimidharz ist.
15. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Harz ein Triazinharz ist.
16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Harz ein Bismaleinimid-Triazin-Harz ist.
17. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das weitere Harz ein Phenolharz ist.
18. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbundstoff mit einem Polymer-Überzug (7) versehen ist.
19. Verfahren zum Herstellen einer gedruckten Schaltungsplatine unter Verwendung einer Verbundfolie aus porösem, expandiertem PTFE (1), die in ihren Poren zumindest ein weiteres Harz enthält, wobei die Folie zumindest teilweise zusammengepreßt ist.
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