DE4022901A1

DE4022901A1 - Leiterplatte

Info

Publication number: DE4022901A1
Application number: DE4022901A
Authority: DE
Inventors: James Michael Browne; James Joseph Jarvis
Original assignee: Dexter Corp
Current assignee: Dexter Corp
Priority date: 1989-07-18
Filing date: 1990-07-18
Publication date: 1991-01-24
Also published as: JPH03136393A; US4994316A; CA2021482A1; KR910004077A

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte (Schaltkreis-Platine), die zusammengefügt ist aus einem elektrischen Schaltkreis, der auf einem dielektrischen Substrat angeordnet ist, welches eine oder mehrere Schichten eines syntaktischen Filmes aufweist.

Leiterplatten (Platinen) sind verhältnismäßig starre Gebilde aus einem dielektrischen Substrat, auf dem ein elektronischer Schaltkreis angeordnet ist. Zum Aufbringen des elektronischen Schaltkreises auf dem dielektrischen Substrat sind vielfältige Techniken entwickelt worden. Die vorliegende Erfindung betrifft nicht vornehmlich die Bildung des Schaltkreises. Vielmehr können derartige Techniken gemäß dem Stand der Technik herangezogen werden, um die Erfindung zu realisieren. Die Erfindung betrifft vornehmlich das dielektrische Substrat sowie den Zusammenhang zwischen dem Substrat und dem Schaltkreis.

Bei einer Vielzahl von Platinen wird wärmehärtbares Harz verwen det, das durch Fasern (Fiber) verstärkt ist, sowie thermopla stische Polymere als dielektrisches Subtrat, auf dem der Schalt kreis angeordnet wird. Solche Gebilde haben ein relativ großes spezifisches Gewicht aufgrund des Gewichtes der Fibern, typi scherweise Glas-Fibern, sowie der Harz- oder Kunststoffkomponen te. Bestimmte Polymere erfordern keine Verstärkung durch Fasern bei bestimmten Anwendungen der Platinen. Gleichwohl haben diese Produkte immer noch ein relativ großes spezifisches Gewicht.

Das Gewicht von Platinen spielt bei einer Vielzahl von Anwendun gen, insbesondere im Computerbereich, eine wachsende Rolle. Bei Mikrocomputern können sie, abgesehen vom Gehäuse, die einzig ins Gewicht fallende Komponente hinsichtlich der Masse des Computers bilden. Computer bilden heute häufig Teile von Maschinen, die transportiert oder anders bewegt werden müssen. Somit ist das Gewicht der Leiterplatten eine bestimmende Größe bei der Kon struktion einer Vielzahl von Vorrichtungen sowie bei der Mate rialauswahl. Da die gedruckten Schaltungen immer größer und komplexer werden sowie auch eine Vielzahl von Schaltungen dieser Art in einem Gerät eingesetzt wird, besteht seit langem ein Bedürfnis, das Gewicht gedruckter Schaltungen zu reduzieren.

An Leiterplatten werden eine Vielzahl von wesentlichen Anforde rungen gestellt. Sie müssen unter verschiedenen Einsatzbedin gungen stabil sein. Zum Beispiel müssen sie formstabil bleiben und dürfen sich insbesondere bei der Herstellung sowie beim Ge brauch nicht verbiegen oder verwerfen. Sie müssen eben sein sowie bleiben auch unter relativ harten Bedingungen, wie sie beim Herstellen des Schaltkreises bestehen. Dabei dürfen sie sich nicht verformen und die Schichten dürfen sich nicht auflö sen. Auch müssen sie sehr verschiedene Umgebungsbedingungen ohne mechanische und chemische Änderungen aushalten, welche die Funk tion der Schaltung beeinträchtigen könnten.

Somit bestehen unter anderem folgende Anforderungen an Leiter platten:

- geringes Gewicht
- hohe Festigkeit
- gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- gutes Verhältnis von Stabilität zu Gewicht
- hohe Schicht-Festigkeit
- gute Stabilität gegenüber wechselnden Umweltbedingungen
- einfache Herstellung flacher Platten ohne Verwerfungen oder Krümmungen
- geringe Dielektrizitätskonstante
- hohe Signalgeschwindigkeit
- die Möglichkeit, unter bestimmten Bedingungen eine hohe thermische Leitfähigkeit zu erreichen und
- eine hohe Feuerfestigkeit.

Unter dem Handelsnamen SynCore wird von der Firma DEXTER ADHESIVE AND STRUCTURAL MATERIALS DIVISION, DEXTER CORPORATION, Pittsburg, CA 94565, USA ein syntaktischer Film vertrieben, der bei Gebilden, bei denen es auf die Steifheit ankommt, anstelle von Prepregs tritt. Dieser syntaktische Film ist ein zusammenge setztes Material, das Mikrohohlperlen in einem Matrix-Harz auf weist. Unterschiedlichste Mikrohohlperlen und Matrices können zur Herstellung dieses Materials kombiniert werden. Glas ist das meistverwendete Material zur Erzeugung der Mikrohohlperlen, es können jedoch auch Mikrohohlperlen auf der Basis von Quarz, phe nolischen Verbindungen, Kohlenstoff, mit Thermoplasten und Me tallen überzogene Mikrohohlperlen angewandt werden. Epoxide, die bei 177°C bzw. 121°C aushärten, sind bevorzugte Matrix-Kunst stoffe, jedoch können auch Matrices aus Bismaleinimid (BMI), phenolischen Verbindungen, Polyester, PMR-15 Polyimid, Cyanat estern sowie aus Harzen mit endständigen Acetylen-Gruppen ver wendet werden. Darüber hinaus können solche Arten von syntakti schen Filmen unter Verwendung thermoplastischer Polymeren gebil det werden, um die zusammengesetzte Struktur zu erhalten. Somit stehen eine Vielzahl von Materialien für die Herstellung des oben genannten Produktes zur Verfügung und entsprechend den Erfordernissen der Anwendung können sie "maßgeschneidert" wer den. Von diesem Produkt ist eine Sorte bekannt, die gemeinsam aushärtbar ist mit allen bekannten wärmeaushärtbaren Laminie rungs-Harzen. Auf diese Weise können syntaktische Filme aus thermoplastischen Polymeren gewonnen werden, die verträglich sind mit anderen thermoplastischen Materialien, um eine komple xere zusammengesetzte Struktur zu erhalten.

SynCore ergibt einen einzigartigen dünnen Film in Strukturen aus isotropen Filmen. Es erlaubt die Anwendung von sandwichartigen Laminaten, die dünner sind als dies bisher möglich war. Die Grenze der Dicke von wabenartigen Kernen (Wabenkonstruktion) be trägt etwa 3,175 mm (0,125 inch). SynCore ist verfügbar in Dicken von 0,178 bis 3,175 mm (0,007 bis 0,125 inch), aber kann auch in Form dünnerer oder dickerer Bahnen hergestellt werden. Andere Kernmaterialien, wie Holz und Folien, können dünn gemacht werden, passen sich jedoch nicht der Form an und erfordern im allgemeinen einen teuren/schweren Klebefilm, um die Bestandteile des Verbundwerkstoffs miteinander zu verbinden. Außerdem besitzt SynCore eine ausgezeichnet gleichmäßige Dicke, die es ermög licht, die Qualität des Verbundwerkstoffs, bei dem es als Kompo nente angewandt wird, sicherzustellen. Es wird typischerweise angewandt, um Prepreg-Schichten zu ersetzen, wenn die Steifheit bzw. Festigkeit durch eine Vergrößerung der Dicke verbessert werden soll.

Die Verwendung von SynCore ist günstig, da alle Analysemethoden, die auf andere Kernmaterialien, wie Waben, anwendbar sind, hier auf ebenfalls anwendbar sind. Die Biegefestigkeit von flachen Platten und Balken nimmt als Kubikfunktion (mit dritter Potenz) der Dicke zu, wobei es möglich wird, ein leichteres steiferes Laminat zu erhalten, als es aus Prepreg-Schichten allein erhal ten werden kann. Da SynCore auf Volumenbasis typischerweise we niger als die Hälfte eines vergleichbaren kohlenstoffhaltigen Prepregs kostet, führt es auch zu geringeren Kosten des gesamten Laminats. Das wird durch das Folgende erläutert:

1) Die Zufügung einer Schicht von 0,5 mm (0,020 inch) SynCore und das Weglassen einer Schicht Prepreg führt zu keiner nen nenswerten Veränderung des Gewichts oder der Kosten, aber verdoppelt die Biegesteifheit nahezu.
2) Der Zusatz einer Schicht von 0,5 mm SynCore und das Weglassen von drei Schichten Prepreg verringert die Kosten und das Ge wicht deutlich, wobei die Steifheit nur gering abnimmt.
3) Zufügen einer Schicht von 1 mm (0,040 inch) SynCore und Weg lassen von drei Schichten Prepreg ergibt ein geringeres Ge wicht, geringere Kosten und deutlich verbesserte Festigkeit.
4) Die Einführung eines unidirektionalen Bandes erlaubt eine weitere Verbesserung der Wirksamkeit bei geringen Kosten und geringem Gewicht und nahezu der gleichen Dicke.
5) Eine Hybridstruktur Band/Stoff/SynCore ergibt eine sehr gün stige Kombination von Einsparung an Gewicht und Kosten, ver bunden mit einer 3,4fachen Zunahme der Biegesteifheit.

SynCore wird empfohlen für dünne Verbundstrukturen für alle An wendungen, bei denen die Biegesteifigkeit, Buckelbildung oder geringe Dicke von Bedeutung sind. Es hat sich gezeigt, daß Material, Gewicht und Kosten bei Kohlenstoffaser-Verbundmaterial eingespart werden können. Es wird angewandt, um Gewicht einzu sparen bei etwa den gleichen Kosten wie im Falle von Glasfaser verbundmaterial.

Die Herstellungsmethoden bei Verwendung von SynCore sind sehr ähnlich denjenigen, wie sie bei Prepregs angewandt werden. Da es nicht gehärtet ist, ist es klebrig und paßt sich leicht der Form an, wenn es auf Raumtemperatur erwärmt wird, und ist leichter aufzulegen als eine vergleichbare Prepregschicht. Es kann auf einem leichten Scrim geliefert werden, um eine Schädigung wäh rend der Handhabung in gefrorenem Zustand zu verhindern. Es er fordert eine kalte Lagerung, ähnlich wie Prepregs, üblicherweise bei -17,7°C oder darunter. Die verschiedenen SynCore-Arten be sitzen typischerweise eine Beständigkeit bei Raumtemperatur, die wesentlich länger ist als die der begleitenden Prepregs. Da die Mikrohohlperlen eine starke Steuerung des Fließverhaltens erge ben, zeigt SynCore keine unübliche Wanderung während des Här tens, wenn übliche Laminataufbau- und Verpackungsverfahren ange wandt werden. SynCore ist weniger empfindlich gegenüber Änderun gen im Härtungszyklus als Prepreg, das den bestimmenden Faktor bei der Wahl des Härtungszyklus für das Verbundmaterial dar stellt. Es härtet hohlraumfrei unter vollem Vakuum oder bei ge ringem Druck im Autoklaven (z.B. etwa 0,69 bar (10 psi)). Es wurde bei Drücken bis zu etwa 13,8 bar (200 psi) gehärtet, ohne daß ein Zerbrechen der Mikrohohlperlen (Poren) eintrat.

Bei einer typischen Anwendung wird ein Sandwich aus SynCore und Prepreg, wie einer dickeren Schicht von SynCore zwischen zwei dünneren Schichten Prepreg, unter Wärme und Druck zusammengehal ten, um die Struktur zu einer festen Platte zu verpressen. Typi sche derartige Sandwichstrukturen sind in den US-PS 40 13 810, 44 33 068 und 39 96 654 angegeben. Derartige Verbund-Strukturen werden im allgemeinen in Form von flachen Platten oder Bahnen und in trennbaren Formen hergestellt, um verschiedene gewünschte Formen zu erhalten. Darüber hinaus kann SynCore vorher auf Laminat-Prepreg aufgetragen werden, bevor das Prepreg zu der Verbundform gestapelt wird (s. US-PS 42 84 679), oder es kann getrennt mit dem Prepreg gestapelt werden.

Syntaktische Filme können nach einer Vielzahl von Verfahren her gestellt werden. Typischerweise wird das Harz oder der Kunst stoff, das/der angewandt wird, um den Film oder die Folie zu bilden, zunächst mit den Mikrohohlperlen vermischt und die Kombination als gleichmäßige dünne Bahn mit der gleichmäßigen Dicke, wie oben beschrieben, kalandert. In einigen Fällen wird das Harz oder das thermoplastische Polymer, das die Mikrohohl perlen enthält, zu einer heißen Schmelze geformt, aus der es als Überzug aufgebracht werden kann, typischerweise durch Auftragen mit der Rolle oder Aufstreichen auf das gewünschte Substrat. Auf diese Weise kann man eine dünne gleichmäßige Schicht des syntak tischen Films auf dem Substrat herstellen, auf dem es abgeschie den ist. Das Beschichten mit einer heißen Schmelze wird durchge führt ohne Anwendung von Lösungsmittel(n) oder nur geringen Men gen an Lösungsmittel(n). Wenn das Aufbringen von heiß-härtenden Harzen, enthaltend die Mikrohohlperlen, aus der Schmelze ange wandt wird, ist es günstig, die Viskosität des Harzes durch Anwendung reaktionsfähiger Verdünnungsmittel zu steuern, wodurch die Notwendigkeit, Lösungsmittel in dem Harzsystem zu verwenden, vermieden wird. Dadurch werden Umwelt- und Sicherheitsprobleme beim Aufbringen des syntaktischen Films auf das gewünschte Substrat vermieden. Es ist bekannt, daß die Topfzeit von heiß härtenden Harzen bei Anwendungen in der Schmelze häufig die Bedingungen des Arbeitens in der Schmelze bestimmt.

Die Erfindung betrifft eine neuartige Platinenkonstruktion, um fassend ein Verbundmaterial aus einem elektronischen Schaltkreis auf einem dielektrischen Substrat, wobei das Substrat eine oder mehrere Schichten eines syntaktischen Films umfaßt.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine neue Leiterplatte oder Platine, umfassend einen gedruckten Schaltkreis auf einem di elektrischen Substrat, wobei das Substrat eine Laminatstruktur umfaßt, enthaltend eine oder mehrere dünne gleichmäßige Schich ten eines syntaktischen Films. Bei einer vorteilhaften Ausfüh rungsform der Erfindung umfaßt das dielektrische Substrat eine Laminatstruktur, enthaltend eine oder mehrere dünne gleichmäßige Schichten eines syntaktischen Films. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfaßt das dielektrische Substrat eine Laminatstruktur, enthaltend eine Harz- oder thermoplasti sche Polymerschicht und eine Schicht aus einem syntaktischen Film, wobei der syntaktische Film ein Harz oder ein thermopla stisches Polymer umfaßt, das entweder das gleiche ist wie in der Harz- oder thermoplastischen Polymerschicht oder mit dem Harz oder thermoplastischen Polymer verträglich ist oder reagiert. Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt das dielektrische Sub strat eine Laminatstruktur aus einer Harz- oder thermoplasti schen Polymerschicht, die mit Hilfe eines Klebemittels an eine syntaktische Filmschicht gebunden ist. Bei jeder dieser Laminat strukturen können eine oder mehrere Schichten Harz oder thermo plastisches Polymer zusammen mit einer oder mehreren Schichten des syntaktischen Films angewandt werden.

Die Erfindung betrifft auch eine neue Leiterplatte, bei der der elektronische Schaltkreis direkt auf einer dünnen Schicht eines syntaktischen Films angeordnet ist und die Schicht aus dem syn taktischen Film eine dielektrische Oberfläche auf der Leiter platte umfaßt. Diese Ausführungsform ist geeignet für extrem dünne formbare Leiterplatten, die geeignet sind für zahlreiche Anwendungen, wo das Gewicht, die Form und die Konfiguration we sentliche Gesichtspunkte darstellen. Bei derartigen Anwendungen kann der gedruckte Schaltkreis auf das Substrat aufgebracht wer den durch Beschichtungsverfahren, wie sie in der EP-A 01 30 462 beschrieben sind.

Bei den beiliegenden Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte, enthal tend elektronische Vorrichtungen und einen gedruckten Schaltkreis, bei der der syntaktische Film eine Mittel schicht eines Laminats darstellt, und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte, enthal tend elektronische Vorrichtungen und einen gedruckten Schaltkreis, bei der der syntaktische Film das dielek trische Substrat darstellt.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion der Leiterplatte wird das Gewicht der Leiterplatte bzw. Platine wesentlich verringert, aber die Steifheit und die Dielektrizitätseigenschaften von üb lichen und vergleichbaren Leiterplatten bleiben zumindest erhal ten. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Leiterplatte ist es mög lich, eine maximale Ausnutzung der Mikroschaltkreise zu ermögli chen, ohne daß das Gewicht unangemessen erhöht wird.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen dielektrischen Verbundstruktur liegt darin, daß eine niedrigere Dielektrizitätskonstante erreicht werden kann mit syntaktischen Filmen, als sie mit übli chen dielektrischen Strukturen erreichbar ist. Zum Beispiel be sitzt SynCore eine niedrigere Dielektrizitätskonstante als übli che Leiterplatten-Laminatmaterialien, wie eine Dielektrizitäts konstante von etwa 2,3 bei 1 mHz für syntaktische Filme gegen über etwa 4,5 bei 1 mHz für die typischen Laminatmaterialien. Ein geringerer Leistungsverlust ist ein Vorteil dieser Eigen schaft.

Außerdem verleihen syntaktische Filme der Verbundstruktur, in der sie enthalten sind, verbesserte Isolationseigenschaften. Diese Tatsache stellt einen Vorteil für Platinen für gedruckte Schaltkreise dar, die syntaktische Filme nach der Erfindung ent halten. Derartige Isolationseigenschaften schützen die elektro nischen Komponenten der Leiterplatte, indem sie eine geringere Erwärmung dieser elektronischen Bestandteile ermöglichen, da ihre Leitungen auf die Platinen aufgeschmolzen sind.

Da Mikrohohlperlen typischerweise die Wärme, den Rauch und die toxischen Gase verringern, die beim Brennen entstehen, besitzen die erfindungsgemäßen Leiterplatten eine verbesserte Flammbe ständigkeit.

Die erfindungsgemäßen Leiterplatten umfassen eine Verbundstruk tur für den elektronischen Schaltkreis, umfassend elektronische Vorrichtungen in dem Schaltkreis, und das dielektrische Sub strat. Die Verbesserungen beziehen sich auf Veränderungen des dielektrischen Substrats.

Die Erfindung ergibt Leiterplatten mit einer Kombination von Eigenschaften, wie:

Die erfindungsgemäßen dielektrischen Substrate umfassen eine oder mehrere dielektrische Oberflächen, auf die der Schaltkreis angeordnet werden kann. Das dielektrische Substrat ist bei jeder Ausführungsform nach der Erfindung ein Verbundwerkstoff, da die syntaktische Filmschicht ein Verbundwerkstoff aus Mikrohohlper len und der Harz- oder thermoplastischen Polymermatrix ist. Bei der Diskussion des dielektrischen Substrats und um dieses von der Leiterplatten-Verbundstruktur zu unterscheiden, das den Schaltkreis enthält, wird das dielektrische Substrat im Folgen den als "dielektrisches Substrat" bezeichnet, während die Leiterplatte einschließlich dem Schaltkreis im Folgenden als "Leiterplatten" bezeichnet wird.

Die auf der Leiterplatte angeordnete Schaltung kann sich auf je der Oberfläche des dielektrischen Substrats einschließlich den Kanten des dielektrischen Substrats befinden. So kann die Schal tung um das dielektrische Substrat gewickelt sein, um einen be liebigen Bereich und beliebige Kapazität der Schaltung zu erge ben. Die Schaltung kann auf das dielektrische Substrat aufge bracht werden durch Ätzen und Platieren, durch Auftragen ein schließlich Siebdruck u.ä. Jedes beliebige bekannte Verfahren zum Aufbringen einer Schaltung auf ein dielektrisches Substrat kann erfindungsgemäß angewandt werden.

Das dielektrische Substrat nach der Erfindung beruht auf der Anwendung einer Schicht aus einem syntaktischen Film. Die Wahl des in dem dielektrischen Substrat nach der Erfindung angewand ten syntaktischen Films hängt ab von der Anwendung der Leiter platte und den Erfordernissen bei der Anwendung. Wenn eine er hebliche Festigkeit der Leiterplatte erforderlich ist, sollte das dielektrische Substrat eine faserverstärkte Schicht umfas sen, die mit der Schicht aus dem syntaktischen Film verbunden ist. Wenn der gedruckte Schaltkreis durch Ätzen oder Platieren aufgebracht wird, sollte das dielektrische Substrat ein Harz oder einen Kunststoff für die Matrix der faserverstärkten Schicht und die syntaktische Filmschicht umfassen, die gegen ein Aufschweißen beständig ist. Diese unterschiedlichen Eigenschaf ten sind verständlich und die Auswahl der Rohmaterialien liegt im Rahmen des fachmännischen Könnens.

Wenn bei dem dielektrischen Substrat eine faserverstärkte Schicht angewandt wird, kann die Schicht mit Hilfe üblicher Ver fahren hergestellt werden. Wenn die Schicht z.B. aus einer Ver stärkung aus zerschnittenen Fasern besteht, kann die Schicht hergestellt werden durch Benetzen einer Schicht der zerschnitte nen Fasern mit dem heiß-härtenden Harz oder dem thermoplasti schen Polymer, und die Masse kann durch eine Vielzahl von For mungsverfahren, wie Spritzpressen, Formpressen, Spritzgießen, Heißverformen u.ä., geformt werden. Wenn die syntaktische Film schicht jedoch aus einem Material wie SynCore besteht, kann es günstiger sein, die benetzte Schicht der zerschnittenen Fasern auf die Schicht von SynCore aufzubringen und die Verbundstruktur aus den beiden durch Formpressen in die gewünschte Form für das dielektrische Subtrat zu bringen.

Wenn die erfindungsgemäßen dielektrischen Substrate mindestens ein Harz oder eine thermoplastische Schicht, enthaltend eine Endlosfaser, umfassen, ist es günstig, die Prepreg-Technologie zur Formung dieser Schicht anzuwenden. In diesem Falle enthält das dielektrische Substrat mindestens eine Schicht aus einem Prepreg aus unidirektional oder multidirektional angeordneten Endlosfasern, im allgemeinen Fasern, die einen hohen Modul be sitzen, imprägniert mit einem heiß-härtenden Harz oder einem thermoplastischen Polymer, wobei die Schicht(en) mit mindestens einer isotropen Schicht eines dünnen Films gleichförmiger Dicke aus einem syntaktischen Film verbunden ist/sind, umfassend starre Mikrohohlperlen, in einer Matrix aus einem heiß-härtenden Harz oder thermoplastischen Polymer, chemisch gebunden im Falle des heiß-härtenden Harzes, oder schmelzenverträglich im Falle des thermoplastischen Polymers, an ein solches Prepreg, wie durch andere Prepregs, die chemisch oder in der Schmelze mit dem Verbundmaterial verbunden sind. Der Ausdruck "chemisch verbun den" bedeutet, daß die Haftung der einen Schicht an die andere in dem Verbundmaterial durch assoziative, kovalente, ionische oder Wasserstoffbrücken-Bindungen u.ä. hervorgerufen wird.

Der syntaktische Film, enthaltend starre Mikrohohlperlen in der Matrix aus heiß-härtendem Harz oder thermoplastischem Polymer, kann eine Mittelschicht (Sandwich) des dielektrischen Substrats, eine äußere Schicht oder eine Kombination der beiden, darstel len. Offensichtlich ist erfindungsgemäß die Lage des syntakti schen Films in dem dielektrischen Substrat in einer solchen Wei se vorgesehen, die mit der beabsichtigten Anwendung der Leiter platte übereinstimmt.

Die Erfindung wird durch die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Leiterplatte 1, umfassend einen gedruckten Schaltkreis 7, enthaltend eine Anzahl elektronischer Vorrichtung gen 7, die auf die Oberfläche einer der Außenseiten 5 aufgeklebt oder mechanisch mit ihr verbunden sind. Jede äußere Schicht 5 ist ein faserverstärktes Verbundmaterial auf der Basis einer Matrix aus einem heiß-härtenden Harz oder einem thermoplasti schen Polymer für die Faserverstärkung. Die zwischen den Schich ten 5 sandwichartig angeordnete Schicht 3 ist eine Schicht aus einem syntaktischen Film, enthaltend starre Mikrohohlperlen, die entweder in einer Matrix aus einem heiß-härtenden Harz oder einer Matrix aus einem thermoplastischen Polymer eingeschlossen sind, das, wie oben diskutiert, mit dem in den Schichten 5 als Matrixkomponente enthaltenen komplementär (gleich) sind. Bei der Herstellung der Leiterplatte der Fig. 1 wird das dielektrische Substrat zunächst hergestellt und anschließend der elektronische Schaltkreis auf einer oder mehreren Oberflächen des dielektri schen Substrats abgeschieden und installiert.

Das dielektrische Substrat kann hergestellt werden durch Ab scheiden einer dünnen Schicht des syntaktischen Films auf eine Seite einer Schicht der Substratschicht 5. Wenn das Matrixmate rial der Schicht 5 ein thermoplastisches Polymer ist, dann ist das Matrixmaterial der Schicht 3 entweder das gleiche thermopla stische Polymer oder ein solches, das damit verträglich ist. Wenn das Matrixmaterial der Schichten 5 jedoch ein heiß-härten des Harz ist, dann ist das Matrixmaterial der Schicht 3 entweder das gleiche heiß-härtende Harz, was bevorzugt ist, oder ein Harz, das beim Härten eine chemische Bindung mit dem heiß-här tenden Harz der Matrix der Schichten 5 bilden kann.

Erfindungsgemäß ist die Verwendung von Klebemitteln möglich, um die verschiedenen Schichten des dielektrischen Substrats der Fig. 1 miteinander zu verbinden. In den meisten Fällen enthält das Klebemittel funktionelle Gruppen, die komplementär sind mit denjenigen der Matrixmaterialien der verschiedenen Schichten 3 und 5. Funktionelle Gruppen sind chemische Gruppen in dem Klebe mittel, die in der Lage sind, eine chemische Verbindung mit funktionellen Gruppen der Matrixmaterialien in den zu verbinden den Schichten einzugehen. Zum Beispiel ist eine olefinische Gruppe eine funktionelle Gruppe in Beziehung auf eine andere olefinische Gruppe und eine Isocyanat- oder Oxirangruppe ist eine funktionelle Gruppe in Beziehung auf eine aktiven Wasser stoff enthaltende Gruppe.

Fig. 2 zeigt eine Leiterplatte 9, bei der ein dielektrisches Sub strat 11 angewandt wird, umfassend nur eine Schicht aus einem syntaktischen Film. Die Leiterplatte 9 enthält auf der Oberflä che befestigte elektronische Vorrichtungen und Schaltungen 13 (nämlich flache Spulen und "dips") auf mindestens einer der Oberflächen des dielektrischen Substrats 11.

Die bei den erfindungsgemäßen Leiterplatten angewandten syntak tischen Filme umfassen dünne Filme mit im wesentlichen gleich förmiger Dicke, die starre Mikrohohlperlen gleichmäßig in einer Harzmatrix verteilt enthalten. Sie können aus irgendeinem der SynCore-syntaktischen Filme bestehen. Die syntaktischen Filme, die erfindungsgemäß geeignet sind, sind günstigerweise gleich zeitig härtbar mit dem Prepreg, wenn die Matrix von jedem ein heiß-härtendes Harz ist. Bei der Herstellung der erfindungsgemä ßen Produkte unter Verwendung von Matrices aus heiß-härtendem Harz ist zu berücksichtigen, daß sowohl die faserverstärkte Schicht als auch die Schicht aus dem syntaktischen Film, enthal tend starre Mikrohohlperlen, in Harzmatrices vorliegen, die vor der Bildung der Verbundstruktur nicht vollständig gehärtet sind, und erst nach Herstellung des gewünschten dielektrischen Sub strats die Kombination gehärtet wird. Wenn die Matrixmaterialien jedoch thermoplastisch sind, können sie jeweils fest sein, wenn sie zusammengefügt werden, und durch Hitze und Druck können sie ausreichend erweicht werden, daß sie beim Kühlen miteinander verbunden werden.

Der syntaktische Film enthält starre Mikrohohlperlen in einer Harzmatrix. Die Mikrohohlperlen (Mikrokugeln) sind in der nicht gehärteten oder teilweise gehärteten Harzmatrix eingebettet. Wenn das Matrixharz des syntaktischen Films ein heiß-härtendes Harz ist, kann es eines der üblichen heiß-härtenden Harze sein. Allgemein ist das Matrixharz ein typisches heiß-härtendes oder heiß härtbares Hochleistungs-Harz. Die Kombination der starren Mikrohohlperlen und des Harzes führt zu einem syntaktischen Film, der geeignet ist, ein dielektrisches Substrat zu bilden. Das Harz kann ein beliebiges heiß-härtendes oder heiß härtbares Harz sein, wie sie zur Herstellung von vorteilhaften Massen angewandt werden. Die bekannteste Gruppe von Harzen sind die Epoxyharze. Sie sind u.a. häufig auf der Basis von einem oder mehreren Diglycidylethern von Bisphenol-A (2,2-Bis(4-hydroxy phenyl)propan) oder sym-Tris(4-hydroxyphenyl)propan oder halo geniertem Bisphenol-A, deren Polyepoxid-Kondensationsprodukten, cycloaliphatischen Epoxiden, Epoxy-modifizierten Novolacks (Phenol-Formaldehyd-Harzen) und den Epoxiden, die erhalten worden sind durch Umsetzung von Epichlorhydrin mit Anilin, o-, m- oder p-Aminophenolmethylen-dianilin. Typische Harze sind Epoxiharze, die bei 177°C und 121°C härten. Andere heiß-härtende oder heiß härtbare Harze umfassen Bismaleinimid (BMI), Cyanat ester, phenolische Harze, Polyester (insbesondere die ungesät tigten Polyesterharze, die typisch zur SMC-Herstellung angewandt werden), PMR-15 Polyimid und Harze mit endständigen Acetylen gruppen haben sich erfindungsgemäß als geeignet erwiesen.

Wenn das in dem syntaktischen Film angewandte Matrixmaterial ein thermoplastisches Material ist, ist es günstig, technische Kunststoffe als Matrixmaterial zu verwenden. Günstige technische Kunststoffe sind die Konstruktionskunststoffe, wie amorphe ther moplastische Polymere wie die Polyarylether mit einer Viskosi tätszahl, die ausreichend hoch ist, um sie zäh zu machen, d.h. sie zu zähen Filmen zu formen. Im allgemeinen bedeutet das, daß die Polymere eine Viskositätszahl von zumindest 0,4 besitzen. Beispielhaft für solche Polyarylether sind die verschiedenen Polymere, die angegeben sind in der US-PS 41 08 837 und der US-PS 41 75 175, und umfassen Polyethersulfone (PES) und Poly etherimide (PEI) mit den wiederkehrenden Einheiten:

und die Polyarylsulfone mit den wiederkehrenden Einheiten:

wobei Ph 1,4-Phenylen ist Ph′ Phenylen ist, bei dem die Carbo nylgruppen (CO) über das Kohlenstoffatom an Ringkohlenstoffatome gebunden sind, die zueinander in o-Stellung stehen und jeder Ehtersauerstoff (O) an ein Ringkohlenstoffatom gebunden ist, das in p-Stellung zu einem der Ringkohlenstoffatome steht, an das eine der Carbonylgruppen gebunden ist, n einen ausreichenden Wert besitzt, um eine Viskositätszahl von zumindest 0,4 zu er geben als Prepregmatrixharze. Das Polyethersulfon und das Poly arylsulfon der Formeln

sind erhältlich als Victrex® PES bzw. 720P von ICI Advanced Mate rials, Wilmington, DE 19 897, und das Polyetherimid ist erhält lich als Ultem® von General Electric Company, Plastics Business Group, Pittsfield, MA. Die restlichen Polyarylsulfone sind erhältlich von Amoco Performance Products, Inc., Ridgefield, CT.

unter dem Namen Radel® R und A-400.

Kristalline technische thermoplastische Polymere wie PEEK, das vertrieben wird von ICI Advanced Materials, Wilmington, DE 19 897, können ebenfalls angewandt werden.

Die üblichsten Mikrohohlperlen werden aus Glas hergetellt, aber Quarz, phenolische Substanzen, Kohlenstoff, thermoplastische Ma falls anwendbar. Die Mikrohohlperlen sind synthetische hohle Mikrokugeln, die einzelne Kugeln oder Blasen mit einem Durchmes ser im Bereich von etwa 1 bis etwa 500 µm, vorzugsweise etwa 1 bis etwa 200 µm, mit Wanddicken von etwa 0,1 bis etwa 20 µm umfassen. Sie besitzen üblicherweise Dichten im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5 g/cm³. Der syntaktische Film, enthaltend die starren Mikrohohlperlen in einer Harzmatrix, besitzt dadurch von etwa 0,5 bis etwa 0,7 g/cm³. Der syntaktische Film, enthal tend die starren Mikrohohlperlen in einer Harzmatrix, wird häufig zur Verfügung gestellt mit einer Scrim-Schicht als Träger, um die Handhabung zu erleichtern, und als Träger für die syntaktische Filmschicht. lm Rahmen der Erfindung werden solche Scrims häufig als integraler Bestandteil des syntaktischen Films behandelt. So umfaßt der Ausdruck syntaktischer Film auch solche die Handhabung erleichternde Schichten, wie Scrims.

Die syntaktischen Filme besitzen eine Dicke im Bereich von etwa 0,178 bis etwa 3,175 mm (0,007 bis 0,125 inch), und jeder Film besitzt eine gleichförmige Dicke. Kombinationen syntaktischer Filme unterschiedlicher Dicken können angewandt werden, um dickere Bahnformen zu erhalten.

In dem typischen Falle, wo Prepregs zur Herstellung des dielek trischen Substrats angewandt werden, umfassen die Prepregs End losfasern aus sehr beständigen Materialien, wie solche mit einem Schmelzpunkt (T_m) oder einer Glasübergangstemperatur (T_g) von zumindest etwa 130°C. Geeignete Fasern umfassen beispielsweise Glasfasern, Kohlenstoff- und Graphitfasern, Fasern aus aromati schen Polyamiden (Polyphenylentetraphthalamid) wie Kevlar®, Quarzfasern, Metallfasern, wie Aluminium-, Stahl- und Wolfram fasern, Borfasern u.ä.

Die Fasern sind typischerweise gebündelt und die Bündel sind angeordnet und ausgebreitet in einer verhältnismäßig dünnen Schicht, die mit dem Matrixharz entweder überzogen oder imprä gniert ist. Das Matrixharz ist ein übliches, heiß-härtendes oder heiß härtbares Hochleistungs-Harz oder ein thermoplastisches Polymer. Die Kombination aus Fasern und Harz oder Polymer führt zu einem Prepreg, das geeignet ist zur Herstellung einer vor teilfhaften Verbundstruktur. Das Harz kann irgendeines der heiß-härtenden oder heiß härtbaren Harze sein, die zur Herstel lung der Strukturen angewandt werden. Die üblichste Gruppe von Harzen sind die Epoxyharze. Sie sind u.a. häufig auf der Basis von einem oder mehreren Diglycidylethern von Bisphenol-A (2,2,-Bis(4-hydroxyphenyl)propan) oder sym-Tris(4-hydroxy phenyl)propan oder halogeniertem Bisphenol-A, deren Polyepoxid- Kondensationsprodukten, cycloaliphatischen Epoxiden, Epoxy-modi fizierten Novolacks (Phenol-Formaldehyd-Harzen) und den Epoxi den, die erhalten worden sind durch Umsetzung von Epichlorhydrin mit Anilin, o-, m- oder p-Aminophenolmethylen-dianilin. Typische Harze sind Epoxiharze, die bei 177°C und 121°C härten. Andere heiß-härtende oder heiß härtbare Harze umfassen Bismaleinimid (BMI), Cyanat-ester, phenolische Harze, Polyester (insbesondere die ungesättigten Polyesterharze, die typisch zur SMC-Herstel lung angewandt werden), PMR-15 Polyimid und Harze mit endständi gen Acetylengruppen haben sich erfindungsgemäß als geeignet er wiesen.

Bei dem Prepeg kann jedoch auch ein thermoplastisches Polymer als Matrixmaterial angewandt werden, und in dem Falle wird bei dem syntaktischen Film im allgemeinen das gleiche Polymer angewandt. Die bevorzugten thermoplastischen Polymere sind die oben erwähnten amorphen und kristallinen technischen Polymere.

Die Verbundstruktur aus dem Prepreg und dem syntaktischen Film, umfassend starre Mikrohohlperlen in einer Harzmatrix, kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, z.B.:

- Eine oder mehrere Schichten aus syntaktischem Film, umfassend starre Mikrohohlperlen in einer Harzmatrix, wird (werden) auf eine Form gelegt, um eine Schicht aus syntaktischem Film zu bilden, und eine oder mehrere Schichten des Prepregs werden auf die syntaktische(n) Filmschicht(en) gelegt unter Bildung einer Prepregschicht. Die nicht gehärtete Verbundstruktur wird dann in einen Ofen gegeben und auf die Härtungstempera tur des Harzes in beiden Schichten gebracht.
- Zwei getrennte Schichten von Prepreg werden jeweils von ge trennten Rollen abgezogen, und eine Schicht des syntaktischen Films, enthaltend starre Mikrohohlperlen in einer Harzpoly mermatrix, wird von einer anderen Rolle abgezogen, und die beiden Prepregschichten werden so um die Schicht aus syntak tischem Film angeordnet, daß die syntaktische Filmschicht sandwichartig eingeschlossen wird. Die oben liegenden Schich ten werden dann vorzugsweise unter Wärme und Druck erhitzt unter Bildung einer festen (gehärteten) Verbundstruktur, die zu dielektrischen Platten geschnitten werden kann, die zu Leiterplatten (mit gedruckten Schaltungen) geätzt oder platiert werden können.

Ein Prepreg aus Endlosfasern oder eine übliche faserverstärk te Polyester-, Phenol- oder Epoxyharzfolie, wie sie typi scherweise als dielektrische Substrate in Leiterplatten ver wendet werden, kann durch Aufrollen einer heißen Schmelze eines heiß-härtenden Harzes, das steife Mikrohohlperlen ent hält, überzogen werden. Bei diesem Verfahren entsteht ein gleichförmiger syntaktischer Filmüberzug, der fest mit dem Prepreg oder der Folie verbunden ist. Das mit der heißen Schmelze überzogene Material kann anschließend gehärtet werden, um eine feste Bindung des syntaktischen Films mit der angrenzenden Schicht zu erreichen. Das wird erreicht, indem die nicht gehärtete Verbundstruktur in einen Ofen gebracht und auf die Härtungstemperatur des Harzes in beiden Schichten erhitzt wird.

Claims

1. Leiterplatte umfassend einen elektronischen Schaltkreis auf einem dielektrischen Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Substrat eine oder mehrere Schichten aus einem syntaktischen Film umfaßt.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Substrat eine Laminatstruktur ist, die eine oder mehrere dünne gleichförmige Schichten aus dem syntaktischen Film umfaßt.

3. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Laminat mindestens eine Schicht aus einem heiß-härtenden Harz oder einem thermoplastischen Polymer und mindestens eine Schicht aus einem syntaktischen Film umfaßt, wobei der syntaktische Film ein heiß-härtendes Harz oder ein thermoplastisches Polymer umfaßt, das das gleiche ist wie das Harz oder das thermoplastische Poly mer in der entspechenden Schicht oder mit diesem verträglich oder reaktionsfähig ist.

4. Leiterplatte nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Laminat eine Schicht aus einem Harz oder einem thermoplastischen Polymer umfaßt, die mit der Schicht aus dem syntaktischen Film verklebt ist.

5. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schaltkreis direkt auf einer dünnen Schicht eines syntaktischen Films angeordnet ist, die die dielektrische Oberfläche der Lei terplatte bildet.

6. Dielektrisches Substrat zur Verwendung in der Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es eine oder mehre re Schichten aus einem syntaktischen Film umfaßt.