DE60001500T2

DE60001500T2 - Poröse speisungs- und erdungsflächen zur reduzierung der leiterplatten-delaminierung und verbesserung der zuverlässigkeit

Info

Publication number: DE60001500T2
Application number: DE60001500T
Authority: DE
Inventors: Robert Japp; Mark Poliks
Original assignee: IBM United Kingdom Ltd; International Business Machines Corp
Current assignee: IBM United Kingdom Ltd; International Business Machines Corp
Priority date: 1999-04-26
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2020-03-24
Also published as: US6613413B1; EP1190608B1; HK1028701A1; PL196239B1; JP3495315B2; US6944946B2; CZ301187B6; PL351138A1; WO2000065889A1; CZ20013829A3; HUP0200876A2; HU225075B1; DE60001500D1; EP1190608A1; JP2000323840A; MY125420A; CN1226904C; US20030196749A1; IL145852A0; AU3443600A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Computerfertigung und spezieller auf die Reduzierung der Delaminierung von Leiterplatten sowie des kathodischen/anodischen Filamentwachstums auf Leiterplatten, die in Computern verwendet werden.
Computer und ähnliche elektronische Geräte wurden allgegenwärtige Elemente im Leben der Menschen. Viele Geschäfte, Banken und Regierungen vertrauen für ihre alltäglichen Aktivitaten auf Computer. Ein großer Teil der globalen Gemeinschaft fordert, dass Computer zuverlässig sind, stabiler Bestandteil ihrer ökonomischen, sozialen und Kommunikationsgrundlagen. Heutzutage wird gefordert, dass Computer mit weniger Totzeit länger laufen als jemals in der Vergangenheit.
Da Computer so notwendig sind, wurde von Computerdesignern ein vermehrter Schwerpunkt auf die Zuverlässigkeit gelegt. Viele Systeme können heutzutage die erweiterte Totzeit nicht tolerieren, die notwendig ist, um ausgefallene Komponenten zu ersetzen, die das Computersystem bilden. Wenn jede Komponente so ausgelegt wird, dass sie langer lebt und zuverlässiger ist, dann läuft jeder Computer, der ausschließlich aus Komponenten zusammengesetzt ist, länger und ist zuverlässiger.
Dieser Schwerpunkt auf der Zuverlässigkeit von Komponenten wurde auf gedruckte Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) angewendet. Die meisten Komponenten in einem Computersystem sind durch Anordnen von Halbleiterpackungen oder -chips auf einer PCB ausgelegt. PCBs werden "gedruckt" genannt, da Schaltkreisbahnen oder -leitungen aus Kupfer auf den Leiterplatten unter Verwendung von Techniken platziert werden, die ursprünglich dem Nachrichtendruckprozess ähnlich waren. Diese Schaltkreisleitungen verbinden die Halbleiterpackungen oder -chips miteinander. PCBs können so einfach wie ein Isolator sein, der Leitungen, die auf eine oder beide Seiten gedruckt sind und eine oder mehrere Komponenten aufweist, die auf einer oder beiden Seiten angebracht sind. PCBs sind jedoch im Allgemeinen komplexer und bestehen üblicherweise aus leitfähigen metallischen Stromversorgungs- und Masse-Ebenen und mehreren Signalebenen, die Schaltkreisleitungen enthalten, die zwischen Schichten aus Isolator geschichtet sind, wobei sich auf der Oberseite und der Unterseite des Sandwichs Metallleitungen und Kontaktstellen befinden. Obere und untere Leiter sind miteinander und mit internen Schaltkreisschichten unter Verwendung von metallplattierten Durchkontaktöffnungen (metal plated through holes) (PTHs) verbunden.
PCBs, die auf diese Weise gefertigt werden, sind zum Standard in der Elektronik geworden. Fortschritte bei den Fertigungsverfahren haben PCBs relativ kostengünstig gemacht, dennoch macht sie ihre Einfachheit zuverlässig. Es bestehen jedoch mit PCBs verknüpfte Probleme. Eines der Probleme wird durch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) der verschiedenen verwendeten Materialien verursacht.
Eine für dieses Problem vorgeschlagene Lösung (offenbart in EP 0228017 A2) besteht darin, eine Leiterplatte mit leitfähigen Schichten zu verwenden, deren Kern aus einem Metalldrahtnetz besteht, so dass der CTE der Leiterplatte besser zu dem CTE der auf ihr angebrachten Komponenten passt.
Es bestehen jedoch weitere Probleme, die mit PCBs verknüpft sind. Einer der Gründe für manche dieser Probleme ist Wasser. Die Isolatoren in PCBs tendieren dazu, wasserdurchlässig zu sein und in natürlicher Weise relativ hohe Konzentrationen an Wasser zu absorbieren. Selbst wenn eine PCB trocken war, wenn der Komponentenmontageprozess beendet war, kann sie bald wieder Wasser aus feuchter Luft oder durch andere Herstellungsschritte absorbieren. Somit enthalten PCBs Wasser, und dieses Wasser dringt ungehindert durch isolierende Schichten hindurch. Unglücklicherweise sind Stromversorgungs- und Masse-Ebenen, die üblicherweise aus Kupfermetall bestehen, nicht wasserdurchlässig.
Diese fehlende Durchlässigkeit beeinflusst PCBs und kann Ausfälle verursachen. Wasser sammelt sich an der Grenzfläche zwischen Stromversorgungs-/Masse-Ebene und den isolierenden Schichten, welche die Stromversorgungs-/Masse-Ebene als Sandwich einschließen. Die Chips, Chipträgerpackungen oder andere Komponenten sind an die PCB angelötet (üblicherweise durch Schwall-Löten oder Infrarotwärme). Diese Temperaturerhöhungen können verursachen, dass Wasser, das sich an Grenzflächen zwischen der Stromversorgungs-/Masse-Ebene und den isolierenden Schichten angesammelt hat, schlagartig verdampft. Wasser nimmt dramatisch an Volumen zu, wenn es zu Dampf wird, und dieses sich ausdehnende Wasser-/Dampfgemisch kann eine Delaminierung des Isolators verursachen. Tatsächlich können in der Oberfläche des Isolators "Blasen" auftreten, die zu Rissbildung in dem Isolator, Leitungsbruch, Packungsrissen, gebrochenen PTH-Zylindern und weiteren ähnlichen nachteiligen Effekten führen.
Damit das Wasser den Grenzen des Isolators "entkommt.", muss das Wasser durch den Isolator hindurch zu einem Gebiet mit geringerer Wasserkonzentration diffundieren. Dieses Gebiet mit geringerer Wasserkonzentration tritt im Allgemeinen nur an der Peripherie der PCB einschließlich der Ober- und der Unterseite auf, wo die Laminatschichten auf Luft treffen. Unter der Annahme, dass die Luft tatsächlich geringere Konzentrationen an Wasser aufweist, tritt über eine lange Zeitspanne hinweg Diffusion von Wasser durch das Dielektrikum hindurch in die Atmosphäre auf. Bis jedoch Wasser aus der PCB entfernt wurde, kann das Wasser eine Schädigung durch Blasen verursachen.
Ein weiterer, durch Wasser verursachter Ausfallmechanismus in PCBs ist das kathodische-anodische Filamentwachstum (CAF), das auftritt, wenn sich Leiterplattenkurzschlüsse entlang von Glasfasern ausbreiten. Die Kurzschlüsse werden erzeugt, wenn Wasser Metallionen aus benachbarten Leitern in die Grenzfläche zwischen einer Glasfaser und dem Dielektrikum sickern lässt. Die Kupferionen werden abgeschieden, wenn eine elektrische Vorspannung angelegt wird; diese Deposition tendiert dazu, leitfähige Dendrite zu bilden. Wenn sich das Material in Lösung befindet, ist es im Allgemeinen ionisch, so dass es in Richtung eines Metallelements wandert, das entgegengesetzt geladen ist. Kathoden sind positiv geladene Gebiete, während Anoden negativ geladene Gebiete sind. Somit wachsen Metalldendrite üblicherweise zwischen zwei entgegengesetzt geladenen, lokalen kathodischen/anodischen Bereichen. Diese leitfähigen Metalldendrite verursachen dann elektrische Kurzschlüsse.
Die durch Wasser verursachten Ausfallmechanismen wurden durch die Verwendung von PCBs für Chipträger etwas verschlimmert. Chipträger sind Bauelemente, auf denen Chips platziert und angeschlossen werden, bevor sie mit einer Leiterplatte verbunden werden. In der Vergangenheit wurden diese Chipträger nahezu ausschließlich aus Keramik gefertigt. Aufgrund der Verwendung von Keramik für Chipträger hat das Joint Electronic Device Engineering Council (JEDEC), eine Körperschaft, die sich organisiert hat, um Standards für die elektronische Fertigung zu verbreiten, Prüfstandards für Chipträger ausgedacht, die im Wesentlichen annehmen, dass das Basissubstratmaterial überhaupt kein Wasser absorbiert.
Nachdem nun begonnen wurde, PCBs in Chipträgern zu verwenden, sind Wassermigration und die damit verknüpften Probleme vorherrschender, da einfach mehr Wasser in diesen organischen Materialien vorhanden ist. Chipträger, die aus organischen Laminatmaterialien bestehen, werden als Laminatchipträger (LCCs) bezeichnet.
Daher weisen PCBs und LCCs ohne einen Weg, durch kathodisches/anodisches Dendritenwachstum und Delaminierung von Isolatoren in organischen LCCs verursachte Ausfälle zu begrenzen, weiterhin eine höhere Anzahl an Ausfällen und Zuverlässigkeitsproblemen auf.
Die vorliegende Erfindung stellt demgemäß in einem ersten Aspekt einen Stromversorgungs-/Masse-Kern zur Verwendung in gedruckten Leiterplatten bereit, wobei der Stromversorgungs-/ Masse-Kern beinhaltet: wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat, wobei das Faserlaminat für wenigstens ein Lösungsmittel absorbierend ist; und wenigstens eine Schicht aus einer leitfähigen Metalllage, wobei die leitfähige Metalllage für das wenigstens eine Lösungsmittel ausreichend porös gehalten wird, um Effekte von Delaminierung und kathodischem/anodischem Filamentwachstum zu reduzieren.
Die wenigstens eine Schicht aus einer leitfähigen Metalllage besteht vorzugsweise aus zwei Schichten aus leitfähiger Metalllage, wobei die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat als Sandwich zwischen den zwei Schichten aus leitfähiger Metalllage angeordnet ist.
Die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat besteht vorzugsweise aus zwei Schichten aus Faserlaminat, wobei die wenigstens eine Schicht aus leitfähiger Metalllage als Sandwich zwischen den zwei Schichten aus Faserlaminat angeordnet ist.
Die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat kann leitfähig oder nicht-leitfähig sein.
Die leitfähige Metalllage beinhaltet vorzugsweise eine Metalllage mit einer Mehrzahl von gebohrten Öffnungen, wobei die gebohrten Öffnungen voneinander beabstandet und so bemessen sind, dass die Porosität bereitgestellt wird.
Die gebohrten Öffnungen sind vorzugsweise um nicht mehr als 0,05 Inch (0,0013 m) voneinander beabstandet.
Die gebohrten Öffnungen weisen vorzugsweise einen Durchmesser von wenigstens 0,001 Inch auf, jedoch weniger als 0,010 Inch (0,00025 m).
Jede Öffnung weist vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,002 Inch (0,00005 m) auf.
Die leitfähige Metalllage beinhaltet vorzugsweise gesintertes Metall.
Die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat ist vorzugsweise aus der Gruppe gewählt, die im Wesentlichen aus Epoxid, Bismaleimidtriazinepoxid, Cyanatester, Polyimid, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polytetrafluorethylen und Fluorpolymer besteht.
Das wenigstens eine Lösungsmittel ist vorzugsweise Wasser.
Die vorliegende Erfindung stellt vorzugsweise eine gedruckte Leiterplatte (PCB) bereit, wobei die PCB beinhaltet:
wenigstens einen Signalkern, wobei jeder Signalkern wenigstens eine Signalschicht und wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat sowie einen Stromversorgungs-/Masse-Kern gemäß dem ersten Aspekt beinhaltet.
Die vorliegende Erfindung stellt in einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Leiterplatte (PCB) bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Bereitstellen wenigstens einer Stromversorgungs-/Masse-Ebene mit wenigstens einer Schicht aus einer leitfähigen Metalllage und wenigstens einer Schicht aus Faserlaminat, wobei das Faserlaminat für wenigstens ein Lösungsmittel absorbierend ist; (b) Bilden einer Mehrzahl von Öffnungen in der wenigstens einen Stromversorgungs-/Masse-Ebene; (c) Bilden eines Komposits mit der wenigstens einen Stromversorgungs-/Masse- Ebene und wenigstens einer Signalschicht; (d) Bilden einer Mehrzahl von Öffnungen in dem Komposit; und (e) Bilden einer Mehrzahl Von plattierten Durchkontaktöffnungen in dem Komposit; wobei die leitfähige Metalllage ausreichend porös für das wenigstens eine Lösungsmittel gehalten wird, um Effekte von Delaminierung und kathodischem/anodischem Filamentwachstum zu reduzieren.
Die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat des Stromversorgungs-/Masse-Kerns ist vorzugsweise aus der Gruppe gewählt, die im Wesentlichen aus Epoxid, Bismaleimidtriazinepoxid, Cyanatester, Polyimid, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polytetrafluorethylen und Fluorpolymer besteht.
Die wenigstens eine Schicht aus einer leitfähigen Metalllage besteht vorzugsweise aus zwei Schichten aus leitfähiger Metalllage, wobei der Schritt der Bildung eines Stromversorgungs-/Masse-Kerns die Zwischenfügung der wenigstens einen Schicht aus Faserlaminat zwischen die zwei Schichten aus poröser leitfähiger Metalllage als Sandwich umfasst.
Der Schritt der Zwischenfügung der wenigstens einen Schicht aus Faserlaminat zwischen die zwei Schichten aus leitfähiger Metalllage als Sandwich umfasst die Schritte des Einkapselns der wenigstens einen Schicht aus leitfähiger Metalllage durch Verwenden eines Imprägnierungsprozesses sowie des Laminierens der eingekapselten leitfähigen Metalllage mit Ablöseschichten oder aufgerauhter Kupferfolie.
Die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat besteht vorzugsweise aus zwei Schichten aus Faserlaminat, wobei der Schritt der Bildung eines Stromversorgungs-/Masse-Kerns die Zwischenfügung der wenigstens einen Schicht aus leitfähiger Metalllage zwischen die zwei Schichten aus Faserlaminat als Sandwich umfasst.
Die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat ist vorzugsweise nicht-leitfähig.
Die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat ist vorzugsweise leitfähig.
Das Verfahren umfasst des Weiteren vorzugsweise den Schritt des Beschichtens der leitfähigen Metalllage mit Metall.
Das Verfahren umfasst des Weiteren vorzugsweise den Schritt des Durchführens eines die Haftung fördernden Prozesses auf der leitfähigen Metalllage.
Der die Haftung fördernde Prozess besteht vorzugsweise aus einer Kupferoxidbehandlung oder einer Silanbehandlung.
Die leitfähige Metalllage beinhaltet vorzugsweise gesintertes Metall.
Das Verfahren umfasst des Weiteren vorzugsweise den Schritt der Bildung einer Mehrzahl von gebohrten Öffnungen in der wenigstens einen Metalllage, wobei die gebohrten Öffnungen voneinander beabstandet und so bemessen sind, dass eine ausreichende Porosität für wenigstens ein Lösungsmittel bereitgestellt wird, um die Effekte von Delaminierung und kathodischem/anodischem Filamentwachstum zu reduzieren.
Die gebohrten Öffnungen sind vorzugsweise nicht mehr als 0,05 Inch (0,0013 m) voneinander beabstandet.
Die gebohrten Öffnungen weisen vorzugsweise einen Durchmesser von wenigstens 0,001 Inch auf, jedoch weniger als 0,010 Inch (0,00025 m).
Jede Öffnung weist vorzugsweise einen Durchmesser von 0,002 Inch (0,00005 m) auf.
Das wenigstens eine Lösungsmittel ist vorzugsweise Wasser. Die bevorzugte exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente bezeichnen und
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Querschnitts eines Stromversorgungskerns ist, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strukturiert ist;
Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Stromversorgungskern ist, der gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strukturiert ist;
Fig. 3 Querschnittansichten von bevorzugten Stromversorgungs- oder Masse-Ebenen für verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind;
Fig. 4 Querschnittansichten einer gedruckten Leiterplatte mit sechs Schichten und der Schichten, die eine gedruckte Leiterplatte mit sechs Schichten bilden, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
Fig. 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung und Verwendung einer Stromversorgungs- oder Masse- Ebene gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 6 Querschnittansichten einer gedruckten Leiterplatte mit sechs Schichten und der Schichten enthält, die eine Leiterplatte mit sechs Schichten bilden.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwinden die Beschränkungen des Standes der Technik durch Bereitstellen von gedruckten Schaltkreisen (PCBs) mit leitfähigen, porösen Materialien für die Stromversorgungs- und Masse-Ebenen. Die Materialien sind vorzugsweise porös für Wasser und andere Lösungsmittel. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von PCBs. Nun wird eine kurze Einführung in allgemeine Fertigungstechniken für PCBs angegeben, gefolgt von den bevorzugten Ausführungsformen.
Um eine gedruckte Leiterplatte herzustellen, ist das Ausgangsmaterial üblicherweise eine Lage, die aus Glasfaser und Epoxidharz besteht. Dies wird häufig als "Prepreg" bezeichnet, da die Faser während eines vorbereitenden Prozesses mit Harz imprägniert wird. Das Harz wirkt im Wesentlichen als Bindemittel, um die Faser in eine Leiterplatte einzubinden. Anstelle des Glasfasergewebes ist es möglich, komprimiertes Papier oder andere geeignete Materialien zu verwenden. Die Grundleiterplatte ist daher ein flaches, starres oder geringfügig flexibles, dielektrisches Material, das zu der endgültigen gedruckten Schaltung verarbeitet wird. Dieses Ausgangsmaterial kann mit einer dünnen Schicht aus Kupfer auf beiden Seiten der Leiterplatte mit geeigneter Haftung laminiert werden. Die Kombination wird allgemein als kupferkaschiertes Laminat (copper clad laminat) (CCL) bezeichnet. Diese CCLs können entweder zu einfachen doppelseitigen Leiterplatten gemacht werden (mit zwei Seiten von Kupferleitungen), oder sie können schaltkreisbildend strukturiert und mit weiterem Dielektrikum zu Mehrschichtkompositen laminiert werden.
In den meisten Fällen sind Öffnungen durch diese Leiterplatten hindurch vorgesehen (üblicherweise durch Bohren), um eine elektrische Verbindung der verschiedenen elektronischen Komponenten zu ermöglichen, die angebracht werden. Die Öffnungen werden üblicherweise unter Verwendung von Hochgeschwindigkeitsbohrmaschinen gebohrt, und die Orte der Öffnungen sind in den Zeichnungen oder dem Entwurf für die Leiterplatten spezifiziert.
Um eine elektrische Verbindung von einer Seite des Kupferlaminats durch die Öffnungen hindurch zu der anderen Seite herzustellen, muss die Kunststoffwand der Öffnung leitfähig gemacht werden. Dies wird durch einen chemischen Prozess erreicht, der in der Industrie allgemein als Metallisierung bekannt ist, und der Prozess besteht aus einer relativ komplizierten Serie von chemischen Behältern und Spülungen sowie einem Aktivierungsschritt, um eine dünne Kupferschicht an den Wänden der Öffnung anzubringen.
Da die Kupferschicht, die durch den Metallisierungsprozess erzeugt wird, im Allgemeinen zu dünn ist, um eine geeignete elektrische Brücke zwischen den zwei Schichten der Leiterplatte zu bilden, wird Elektroplattierung von Kupfer verwendet, um eine massive Schicht aus Kupfer in den Öffnungen abzuscheiden, um einen geeigneten Kupferquerschnitt zum Führen von Strom zu erzeugen. Der Kupferplattierung kann eine Zinn- Blei- oder Zinnplattierung folgen, um die Lötfähigkeit zu verbessern.
Nach der Metallisierung wird auf jenen Oberflächen eine Schaltkreisstrukturierung durchgeführt, die Schaltkreisstrukturen erfordern. Die Schaltkreisstruktur besteht aus einem Schaltkreisentwurf, der auf die Metalloberfläche der gebohrten Leiterplatte gemäß den Anforderungen der Spezifikationen oder des Entwurfs angewandt wird. Das Bild kann durch Anbringen einer organischen Photoresistbeschichtung erzeugt werden, die als trockener Film angebracht wird. Ultraviolettes (UV-) Licht wird durch eine Maske auf das Photoresist projiziert. Die Maske enthält Formen, die das UV-Licht blockieren. Für ein negatives Photoresist werden die Gebiete des Photoresists, die dem UV- Licht nicht ausgesetzt sind, während des nachfolgenden Entwicklungsschritts entfernt. Dann wird ein chemischer Ätzvorgang verwendet, um das freigelegte Oberflächenmetall zu entfernen. Als nächstes wird das verbliebene Photoresist abgelöst, wodurch lediglich die Metallstruktur zurückbleibt.
Nunmehr Fig. 6 betrachtend, ist ein Beispiel einer PCB mit sechs Schichten und der Schichten gezeigt, welche die PCB mit sechs Schichten bilden. In Fig. 6 sind Teile einer PCB in verschiedenen Fertigungsstadien gezeigt. Die PCB 120 mit sechs Schichten beinhaltet ein "Komposit", das durch Zusammenpressen (als "Laminieren" bezeichnet) von zwei Signalkernen 101 und 130, eines Stromversorgungskerns 111 und von dielektrischen Schichten 150 und 152 gebildet wird. Die Kerne werden individuell strukturiert und dann gepresst, um eine Komposit- PCB zu bilden. Während dieses Pressvorgangs schmilzt das Dielektrikum in jegliche Zwischenräume hinein, die zwischen den Kernen und dielektrischen Schichten existieren. Nach dem Pressvorgang wird das Komposit gebohrt, Epoxid, das auf freigelegte gebohrte Kupferschichten geschmiert wurde, wird entfernt, Durchkontaktöffnungen werden plattiert, und es wird eine weitere Verarbeitung durchgeführt. Zwecks Einfachheit zeigt Fig. 6 dielektrische Aufschmelzgebiete, die Luft anstatt Dielektrikum enthalten. Außerdem sind plattierte Durchkontaktöffnungen (PTHs) als festes Metall gezeigt, wenngleich diese im Allgemeinen zylindrische Metallöffnungen sind. Schließlich sind Arbeitsöffnungen, die zur gemeinsamen Justierung von Druckvorlagen zum Laminat und den Schichten verwendet werden, nicht gezeigt.
Ein Signalkern 100 beinhaltet eine dielektrische Schicht 104, die zwischen zwei Kupferschichten 102 und 105 geschichtet ist. Der Signalkern 100 ist ein CCL, an dem keine Verarbeitung durchgeführt wurde. Die Kupferschichten 102 und 105 sind signalführende Schichten, auf denen Kupferleitungen hergestellt werden. Die Kupferschicht 102 kann außerdem Kontaktstellen aufweisen, an die Chips oder oberflächenmontierte Packungen, die Chips enthalten, angelötet werden. Ein Signalkern 101 ist eine Darstellung des Signalkerns 100, nachdem der Signalkern 100 strukturiert wurde. Der Signalkern 101 beinhaltet die Kupferschichten 102 und 105, die mit Schaltkreisen, Zwischenräumen für PTHs und andere Freiraum-/Arbeitsöffnungen sowie einer dielektrischen Schicht 104 strukturiert wurden. Die Kupferschicht 102 weist zwei Leitungen (nicht nummeriert) sowie zwei Kontaktstellen 107 und 103 auf, während die Kupferschicht 105 fünf Leitungen aufweist. Außerdem weist die Kupferschicht 105 ein Freiraumgebiet 170 auf, durch das eine PTH existiert, nachdem der Signalkern 101 in ein Komposit laminiert wurde, das Bohren durchgeführt wurde und die Öffnungen plattiert wurden.
Der Stromversorgungskern 110 in Fig. 6 beinhaltet eine dielektrische Schicht 114, die zwischen zwei Kupferschichten 112 und 115 geschichtet ist. Die Kupferschichten 112 und 115 können dicker als die Kupferschichten 102 und 104 sein, um eine zusätzliche Stromführungsfähigkeit bereitzustellen. Der Stromversorgungskern 110 ist ein CCL, an dem keine Verarbeitung durchgeführt wurde. Die Kupferschicht 112 wird die Stromversorgungsebene einer PCB, während die Kupferschicht 115 die Masse-Ebene einer PCB wird (oder umgekehrt). Der Stromversorgungskern 111 ist eine Darstellung des Stromversorgungskerns 110, nachdem der Stromversorgungskern 110 strukturiert wurde. Der Stromversorgungskern 111 beinhaltet die Kupferschichten 112 und 115, die nun strukturiert werden, sowie die dielektrische Schicht 114. Die Kupferschicht 112 wird mit zwei Freiraumgebieten 181 und 179 strukturiert, während die Kupferschicht 115 mit zwei Freiraumgebieten 184 und 180 strukturiert wird. Diese Freiraumgebiete verhindern, dass die Stromversorgungs- und Masse-Ebenen PTHs kontaktieren, die an diesen Stellen gebohrt werden, nachdem der Stromversorgungskern 111 in ein Komposit gepresst wurde und Öffnungen gebohrt und plattiert wurden.
Ein fertiggestellter PCB-Teil ist als ein PCB-Teil 120 mit sechs Schichten gezeigt. Es ist üblich, diese PCB als eine Leiterplatte mit "sechs Schichten" zu bezeichnen, da sie sechs leitfähige Schichten aufweist. Der PCB-Teil 120 mit sechs Schichten ist gezeigt, nachdem Signalkerne 101 und 130, der Stromversorgungskern 111 und dielektrische Schichten 150 und 152 gepresst wurden, um ein Komposit zu bilden. Das Komposit wurde gebohrt, Epoxidverschmierungen wurden aus den Öffnungen entfernt, und die Öffnungen wurden plattiert. Außerdem können Komponenten an der fertiggestellten PCB angebracht werden. Zum Beispiel wurde eine Packung 160 mit J-Anschlüssen an Kontaktstellen 107 und 103 der Kupferschicht 102 des Signalkerns 101 gelötet. Der Signalkern 130 ist ein strukturierter Signalkern ähnlich zu dem Signalkern 101. Der Signalkern 130 beinhaltet Kupferschichten 132 und 135 sowie eine dielektrische Schicht 134. Die Kupferschichten 132 und 135 wurden zur Bildung von Leitungen strukturiert. Die dielektrische Schicht 150 wurde zwischen der Stromversorgungsebene (Kupferschicht) 112 des Stromversorgungskerns 111 und der Kupferschicht 105 des Signalkerns 101 hinzugefügt, während die dielektrische Schicht 152 zwischen der Masse-Ebene (Kupferschicht) 115 des Stromversorgungskerns 111 und der Kupferschicht 132 des Signalkerns 130 hinzugefügt wurde. Jede dielektrische Schicht 150, 152 kann aus mehr als einer Schicht von Dielektrikum gefertigt sein.
In der PCB 120 sind mehrere PTHs gezeigt. Eine PTH 109 verbindet die Stromversorgungsebene 112 mit einem J-Anschluss 161, einer Leitung auf der strukturierten Kupferschicht 105 und einer Leitung auf der strukturierten Kupferschicht 135. Ein Freiraumgebiet 180 schützt die PTH 109 vor einem Kurzschluss nach Masse. Es ist zu erwähnen, dass das Freiraumgebiet 180 nach der Laminierung mit einem aufgeschmolzenen Dielektrikum gefüllt wird, dies ist jedoch zwecks Einfachheit in Fig. 6 nicht gezeigt. Die PTH 108 verbindet Signalleitungen auf den Kupferschichten 102, 105, 132 und 135. Die Freiraumgebiete 184 und 182 verhindern, dass die PTH 108 die Masse-Ebene 115 beziehungsweise die Stromversorgungsebene 112 kontaktiert. Die PTH 106 verbindet die Masse-Ebene 115 mit Leitungen oder Kontaktstellen auf den Kupferschichten 135, 132 und 102.
Es ist zu erwähnen, dass elektrische Freiraumöffnungen keine ausreichende Porosität für Feuchtigkeit bereitstellen, die notwendig ist, um Effekte des kathodischen/anodischen Filamentwachstums oder Delaminierung zu verhindern oder zu eliminieren, wenngleich sie ermöglichen, dass eine gewisse Menge an lokalisiertem Wasser hindurchtritt. In Fig. 6 erlaubt zum Beispiel das Freiraumgebiet 180, dass einiges Wasser nahe des Gebiets hindurchtritt; die Abmessung dieses Gebiets wurde jedoch zwecks Deutlichkeit übertrieben dargestellt und ist in tatsächlichen LCCs viel kleiner. Der Abstand zwischen PTHs und deren Abmessung wurde ebenfalls zwecks Klarheit übertrieben dargestellt, und in Wirklichkeit sind die Abstände in den meisten Gebieten viel größer und die Abmessung ist kleiner. Somit existieren im Allgemeinen einige Stellen zwischen einer Masse- oder Stromversorgungsebene und einer PTH, durch die eine gewisse kleine Menge an Feuchtigkeit diffundieren kann, diese kleinen Stellen nahe PTHs sind jedoch nicht ausreichend, um die Porosität bereitzustellen, die notwendig ist, um Effekte des kathodischen/anodischen Filamentwachstums oder Delaminierung zu verhindern oder zu reduzieren.
Die isolierenden oder dielektrischen Materialien, die in PCBs verwendet werden, sind in der Lage, relativ große Mengen an Wasser zurückzuhalten. Diese Materialien absorbieren Wasser während der Verarbeitung. Sie weisen außerdem mäßige Diffusionskonstanten auf, die ermöglichen, dass das Wasser wandert. Umgekehrt bestehen die Stromversorgungs- und Masse- Ebenen im Allgemeinen aus Kupfer, das keinen Durchtritt von Wasser erlaubt. Wenn das Wasser durch die Isolatoren diffundiert, sind die metallischen Stromversorgungs- und Masse-Ebenen im Wesentlichen Barrieren, welche die Diffusion stoppen. Somit sammelt sich Wasser an der Grenzfläche der Stromversorgungs-/Masse-Ebenen und der dielektrischen Schichten an.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwinden die Beschränkungen des Standes der Technik durch Bereitstellen von Stromversorgungs- und Masse-Ebenen, die in gedruckten Leiterplatten (PCBs) verwendet werden (oder PCBs, die als Laminatchipträger (LCCs) verwendet werden) und die leitfähige, poröse Materialien enthalten. Durch Bereitstellen einer hohen Porosität ermöglichen diese Materialien einen Durchtritt von Wasser oder anderen Lösungsmitteln durch die Stromversorgungs-/Masse-Ebenen, wodurch kathodisches/anodisches Filamentwachstum (CAF) und Blasen, die durch sich ausdehnendes Lösungsmittel verursacht werden, reduziert oder eliminiert werden. Wasser ist der Hauptgrund für CAF, es ist jedoch bekannt, dass auch andere Lösungsmittel Delaminierung verursachen. Insbesondere Trichlorethylen, Methylenchlorid, Benzylalkohol und Propylencarbonat sind Lösungsmittel, die Delaminierung oder Blaseneffekte verursachen können.
Die bevorzugten Ausführungsformen umfassen eine Vielzahl von leitfähigen, porösen Materialien, die für die Stromversorgungs- und Masse-Ebenen von PCBs verwendet werden können. Es gibt eine Anzahl von verfügbaren Materialien, welche der Anforderung von porösen Stromversorgungs- und Masse-Ebenen entsprechen. Zum Beispiel können Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung vollständig metallisch (Metallfolien mit einer Anordnung von Öffnungen, gesintertes/pulverförmiges Material, Metalldrahtgitter etc.) sein oder können faserartige Basismaterialien aufweisen, in denen durch Metallisierung eine erhöhte Leitfähigkeit bereitgestellt wird (mit Metall beschichtete Kohlenstofffaser, mit Metall beschichtete Glasfaser, mit Metall beschichtetes Polyester ete.). In Abhängigkeit vom Typ des leitfähigen Grundmaterials, das verwendet wird, können verschiedene Prozesse zur Erzeugung sowohl der kleinen Feuchtigkeitsdiffusionsöffnungen als auch der funktionellen elektrischen Freiraumöffnungen verwendet werden.
Vor Fortsetzung mit den bevorzugten Ausführungsformen ist eine kurze Erörterung der Terminologie nützlich. Wie in dem Übersichtsabschnitt angegeben, ist "Prepreg" ein Ausdruck, der allgemein Glasfaser und Epoxidharz zusammen bedeutet. Dies wird häufig als "Prepreg" bezeichnet, da die Faser während der Verarbeitung mit Harz imprägniert wird. Schichten aus faserartigen Materialien können als "Faserkomposite" bezeichnet werden, während Schichten aus faserartigen Materialien, die Harz enthalten, allgemein als "Faser-Harz- Komposite" bezeichnet werden. Unglücklicherweise wird, wenn eine oder mehrere Signalschichten mit einer oder mehreren Stromversorgungs-/Masse-Ebenen laminiert werden oder eine Stromversorgungs-/Masse-Ebene zwischen Schichten aus Prepreg laminiert wird, das resultierende Produkt als ein "Komposit" bezeichnet. Um eine Verwechslung dieser Kompositstruktur mit Faserkompositen oder Faser-Harz-Kompositen zu vermeiden, werden Faserkomposite und Faser-Harz-Komposite als "Faserlaminat" bezeichnet. Der Ausdruck "Faserlaminat" soll alle Typen von Prepreg, Faserkompositen, Faser-Harz- Kompositen, Dielektrika, Isolatoren und anderen Materialien einschließen, die bei der PCB-Fertigung verwendet werden. Außerdem können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung leitfähige Faserlaminate (wie ein Prepreg mit eingebrachtem Kupfer) verwenden. Es ist ebenso zu erwähnen, dass der Ausdruck "Faserlaminat", wie er hierin verwendet wird, dazu gedacht ist, alle Typen von wärmeaushärtenden Harzen und thermoplastischen Polymeren zu bezeichnen, die gegenwärtig zum Aufbau von PCBs verwendet werden, einschließlich Epoxiden, Bismaleimidtriazinepoxid, Cyanatestern, Polyimiden, Polytetrafluorethylen (PTFE) und anderen Fluorpolymeren etc., jedoch nicht darauf beschränkt, unabhängig davon, ob sie irgendeine Faser oder einen Füllstoff enthalten oder nicht.
Poröse, metallische Stromversorgungs- und Masse-Ebenen können in einer Anzahl von Weisen hergestellt werden. Das bevorzugteste Verfahren zur Herstellung einer porösen, metallischen Stromversorgungsebene besteht darin, eine Anzahl von Öffnungen zu der Metallfolie hinzuzufügen, die normalerweise in dem PCB-Fertigungsprozess verwendet wird. Durch Hinzufügen eines Feldes von Öffnungen zu der Metallfolie wird die Metallfolie für Wasser relativ porös. Es ist bevorzugt, dass derartige Öffnungen so bemessen werden, dass ihr Durchmesser zwischen 0,001 und 0,010 Inch beträgt und dass sie maximal 0,050 Inch voneinander beabstandet sind, um eine adäquate Porosität für Wasser oder andere Lösungsmittel bereitzustellen. Der bevorzugteste Durchmesser beträgt 0,002 Inch, da dieser Durchmesser durch übliche Lithograpnie hergestellt werden kann und eine adäquate Stromversorgungsverteilung sogar mit Abständen von weniger als 0,050 Inch erlaubt. Kleinere Öffnungen müssen eventuell durch Prozesse erzeugt werden, die nicht Standard sind, wie Laserbohren. Im Allgemeinen ist der minimale Abstand zwischen Öffnungen von elektrischen Entwurfsanforderungen für die Stromführungsfähigkeit abhängig. Während andere Abmessungen und Abstände einen Wasser-/Lösungsmitteltransfer durch die Stromversorgungs-/Masse-Ebenen erhöhen, ermöglichen die angegebenen Abstände und Abmessungen einen ausreichenden Wassertransfer, während die elektrische Stromverteilungsfähigkeit der Metallschicht nicht zu sehr herabgesetzt wird. Somit sind diese Abstände und Abmessungen bevorzugt.
Die Abmessung und der Abstand der Öffnungen kann auch etwas dadurch beeinflusst werden, wann und wie die Öffnungen zu der Metallfolie hinzugefügt werden. Das bevorzugte Stadium zur Hinzufügung von Öffnungen zu dem Metalllaminat ist in den Bildgebungs-/Ätzschritten. Eine Bildgebung von Stromversorgungs- und Masse-Ebenen wird bereits durchgeführt, um Metall für Freiraumöffnungen zu entfernen, mit denen die PTH nicht verbunden wird. Außerdem besitzen Entwürfe, die sowohl digitale als auch analoge Komponenten auf der gleichen PCB aufweisen, üblicherweise getrennte Stromversorgungs- und Masse-Ebenen. Der digitale Schaltungsaufbau weist einen Satz von Stromversorgungs- und Masse-Ebenen auf, während die analogen Komponenten einen weiteren Satz von Stromversorgungs- und Masse-Ebenen aufweisen. Die Trennung dieser Ebenen erfordert, dass Gebiete der Stromversorgungs-/Masse-Ebenen während Bildgebungsschritten entfernt werden. Da die Bildgebung bereits während dieser Schritte durchgeführt wird, ermöglichen einfache Modifikationen des Bildgebungsprozesses, dass Öffnungen hergestellt werden, um die Porosität der Stromversorgungs-/Masse-Ebenen zu erhöhen.
Wenn zum Beispiel Photolithographie zur Entfernung von Teilen der Ebenen verwendet wird, wird ein Photoresist an der Oberfläche der Ebene angebracht. Wie zuvor erläutert, wird das Photoresist ultraviolettem (UV-) Licht durch eine Maske hindurch ausgesetzt, um Gebiete mit belichtetem (polymerisiertem) Photoresist zu erzeugen, die anschließend nach der Entwicklung des Resists verbleiben. Wenn nicht belichtetes Resist entfernt wurde, wird die darunterliegende Kupferschicht freigelegt. Die nicht bedeckten Gebiete des Kupfers werden dann während eines Ätzvorgangs entfernt, während die Gebiete des Kupfers, die durch das Resist bedeckt sind, vor dem Ätzmittel geschützt sind. Um ein Feld oder eine Mehrzahl von Öffnungen in der Kupferschicht zu erzeugen, kann die Maske so geändert werden, dass sie eine Mehrzahl von undurchlässigen Gebieten beinhaltet, welche das Feld von Öffnungen in dem Laminat erzeugen. Wie die Maske zu verändern ist, um das Feld zu erzeugen, ist vom Typ der Verarbeitung abhängig, der verwendet wird. Wenn zum Beispiel ein positives Photoresist verwendet wird, ist das Bild auf der Maske ein Inverses der Maske, die für das negative Photoresist verwendet wird. Die Herstellung von Masken zur Erzeugung von Strukturen unter Verwendung von speziellen Photoresisten ist auf dem Fachgebiet allgemein bekannt. Photolithographie weist den Vorteil auf, dass ziemlich kleine Öffnungen erzeugt werden können.
Die Verwendung von Siebdrucktinte zur Erzeugung einer Struktur auf der Oberfläche der Schicht ist ebenfalls auf dem Fachgebiet allgemein bekannt. Das Sieb ist einer Maske in dem Sinn ähnlich, dass es Tinte blockiert, die durch das Sieb und auf die Schicht gedrückt wird. Somit ist das Bild auf dem Sieb das Inverse (das Negativ) des Bildes, das auf der Schicht sein wird. Die Tinte schützt die Schicht vor dem Ätzmittel in einem nachfolgenden Ätzschritt; Gebiete der Schicht, in denen sich keine Tinte befindet, werden geätzt, und das Metall in diesen Gebieten wird entfernt. Wenn eine Anordnung von Öffnungen in der Metallfolie gewünscht ist, wird im Allgemeinen eine Anordnung von "Inseln" auf dem Sieb hergestellt. Die Inseln auf dem Sieb blockieren die Tinte und erzeugen Öffnungen in der Tinte, die auf der Oberfläche der Schicht aufgebracht wird. Diese Öffnungen in der Tinte werden nachfolgend Öffnungen in dem Metalllaminat, nachdem der Ätzvorgang durchgeführt wurde. Ein weiterer Prozessschritt entfernt die Tinte nach dem Ätzvorgang. Siebdrucken zur Erzeugung einer Mehrzahl von Öffnungen in dem Laminat weist den Nachteil auf, dass größere Öffnungen erzeugt werden müssen, da sehr kleine Öffnungen mit diesem Verfahren schwierig, wenn nicht unmöglich, herzustellen sind.
Fig. 1 zeigt einen Bereich 200 eines Stromversorgungskerns, der gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wurde. Der Stromversorgungskern 200 beinhaltet eine Stromversorgungsebene 202 (eine Kupferschicht), eine dielektrische Schicht 204 und eine Masseschicht 205 (eine zweite Kupferschicht). Der Stromversorgungskern 200 ist dann (vor dem Bohren etc.) ein normales CCL ähnlich zu dem zuvor in Fig. 6 gezeigten Stromversorgungskern 110. Photolithographie und Ätzen wurden durchgeführt, um eine Anordnung von Porositätsöffnungen 220 und Freiraumöffnungen 210, 250 herzustellen. Die Freiraumöffnungen 210 und 250 wirken dahingehend, die Stromversorgungsebene 202 oder die Masse- Ebene 205 von PTHs (oder Arbeitsöffnungen) zu isolieren. Die Porositätsöffnungen 220 wurden in Zeilen und Spalten angeordnet, die relativ parallel sind. Eine Stelle 260 zeigt an, wo eine Porositätsöffnung 220 in der Anordnung gewesen wäre, die Porositätsöffnung 220 war jedoch zu dicht bei der Freiraumöffnung 210 und wurde weggelassen. Wenngleich dieses Beispiel zeigt, dass eine Porositätsöffnung 220 an der Stelle 260 weggelassen wurde, liegt der Grund für das Weglassen darin, dass eine gewisse Porosität bereits vorliegt, die durch die Freiraumöffnung 210 bereitgestellt wurde. Die Porositätsöffnung, die sich an der Stelle 260 befinden würde, kann bei Bedarf hergestellt werden. Beide Freiraumöffnungen 210, 250 können während der Verarbeitung durch photolithographische Prozesse hergestellt werden (wenngleich Arbeitsöffnungen während Arbeitsöffnungsschritten hergestellt werden können). Somit können Porositätsöffnungen 220 während des gleichen photolithographischen Schritts wie jenem hergestellt werden, der zur Herstellung der Freiraumöffnungen 210, 250 verwendet wird.
Wenngleich die Anordnung von Öffnungen 220 in parallelen Zeilen und Spalten gezeigt ist, sind auch andere Anordnungen möglich. Die Spalten oder Zeilen können zum Beispiel versetzt angeordnet werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Fig. 2 zeigt die Oberseite (Kupferschicht 202) eines Teils eines Stromversorgungskerns 280. Die Spalten von Öffnungen 220 sind entlang paralleler Linien, und die Zeilen von Öffnungen 220 sind ebenfalls entlang paralleler Linien; die Stellender Öffnungen entlang dieser Linien ist jedoch versetzt oder alternierend angeordnet.
Außerdem ist zu erwähnen, dass diese Technik, wenngleich diese Beispiele Kupferfolie erörtern, auch auf Leiter einer Stromversorgungs-Ebene angewendet werden kann, die aus anderen Metallen und Kombinationen von Metallen bestehen, wie Kupfer/Invar/Kupfer und Kupfer/Edelstahl/Kupfer etc.
Stromversorgungskerne, die eine Anordnung von Öffnungen 220 aufweisen, wie der Stromversorgungskern 200, können, wie in Fig. 6 gezeigt, mit einer geringen Änderung in den Prozessschritten verwendet werden, die anders als die beschriebenen geringen Änderungen der photolithographischen oder Siebdrucktinte-Schritte sind.
Wie vorstehend angeführt, können zusätzlich zu Kupferfolie weitere Materialien zur Bereitstellung poröser Stromversorgungs- oder Masse-Ebenen verwendet werden, die zum Einsatz in PCBs oder LCCs geeignet sind. Einige dieser Materialien können während der Bohrstadien der PCB- oder LCC- Fertigung relativ spröde sein. Faserartige Materialien können zum Beispiel während des Bohrens leichter geschädigt werden als Metallfolien. Außerdem ist es bevorzugt, dass spezielle Änderungen von normalen PCB- oder LCC-Fertigungsschritten durchgeführt werden, da photolithographische und Ätztechniken möglicherweise nicht in der Lage sind, einige dieser porösen Stromversorgungs- und Masse-Ebenen zu strukturieren. Bevor auf andere Materialien eingegangen wird, die für poröse Stromversorgungs- und Masse-Ebenen verwendet werden können, werden allgemeine Schritte erörtert, die bei der Verwendung und Herstellung poröser Stromversorgungs-/Masse-Ebenen aus porösem Material involviert sind.
Nunmehr Fig. 3 betrachtend, stellt diese Figur drei bevorzugte Konfigurationen von porösen Stromversorgungs- und Masse-Ebenen dar. Jede dieser Konfigurationen erfordert etwas unterschiedliche Prozessschritte, um eine poröse Stromversorgungs- oder Masse-Ebene in einer PCB/LCC herzustellen und zu verwenden. Die bevorzugteste Konfiguration einer porösen Stromversorgungs- und Masse-Ebene ist als Stromversorgungs-/Masse-Kern 300 gezeigt. Der Stromversorgungs-/Masse-Kern 300 beinhaltet eine poröse Ebene 304, die zwischen zwei Schichten aus Faserlaminat 302, 305 geschichtet ist. Es sind zwei Freiraumöffnungen 310 gezeigt; diese Öffnungen wurden in den Stromversorgungs-/Masse-Kern 300 gebohrt, um einen Freiraum für PTHs nach der Zusammenlaminierung des Stromversorgungs-/Masse-Kerns 300 mit einem anderen Stromversorgungs-/Masse-Kern und einem oder mehreren Signalkernen bereitzustellen. Das Laminieren erzeugt ein Komposit, das nachfolgend gebohrt und metallisiert wird, um eine PCB oder LCC zu erzeugen. Durch Laminieren einer porösen Ebene 304 zwischen zwei Faserlaminatschichten 302, 305 stellen die Faserlaminatschichten einen Schutz für die poröse Ebene während des Bohrens und Handhabens bereit. Die Faserlaminatschichten 302, 305 können nicht-leitfähig oder leitfähig sein. In der letzteren Ausführungsform ist der Stromversorgungs-/Masse-Kern 300 ein leitfähiges Komposit. Der Stromversorgungs-/Masse-Kern 300 kann dann zwischen Schichten aus nicht-leitfähigem Faserlaminat laminiert werden, um einen größeren "Kern" zu erzeugen, oder der Stromversorgungs-/Masse- Kern 300 kann zusammen mit anderen Signalschichten, Stromversorgungs-/Masse-Kernen und nicht-leitfähigen Faserlaminatschichten in ein PCB-Komposit laminiert werden.
Fig. 3 zeigt außerdem eine zweite und eine dritte, weniger bevorzugte Konfiguration für poröse Stromversorgungs- und Masse-Ebenen, die anfälliger gegenüber Bohr- und Handhabungsschädigungen sind. Ein Stromversorgungs-/Masse-Kern 320 beinhaltet eine Schicht aus Faserlaminat 324, die zwischen zwei Schichten aus porösen Ebenen 322, 325 geschichtet ist. Wiederum kann die Faserlaminatschicht 324 leitfähig oder nicht-leitfähig sein. Der Stromversorgungs-/Masse-Kern 320 wurde mit Freiraumöffnungen 330 gebohrt. Der Stromversorgungs-/Masse-Kern 350 beinhaltet eine poröse Ebene 352. In ähnlicher Weise wurde der Stromversorgungs-/Masse-Kern 350 mit Freiraumöffnungen 360 gebohrt. Dies sind weniger bevorzugte Ausführungsformen von Stromversorgungs-/Masse- Kernen, da die poröse Ebene einer potentiellen Bohr- und Handhabungsschädigung ausgesetzt ist. Wenn jedoch während der Handhabung und des Bohrens genügend Sorgfalt ausgeübt wird, kann eine minimale oder keine Schädigung der porösen Materialien resultieren, welche die Stromversorgungs-/Masse- Ebenen bilden. Eine Einkapselung poröser Materialien, die anfällig gegenüber Handhabungs- oder Bohrschädigungen sind, in Faserlaminat verringert die Wahrscheinlichkeit für eine Schädigung und ist somit bevorzugt.
Jeder dieser Kerne kann in einer etwas unterschiedlichen Weise verarbeitet werden. Im Allgemeinen wird der Stromversorgungs-/ Masse-Kern 300 laminiert, nachdem ein optionaler Haftungsförderungsprozess (unter Verwendung von Chemikalien wie Silan) an der porösen Ebene 304 durchgeführt wurde. Dann wird der Stromversorgungs-/Masse-Kern im Allgemeinen mit Freiraumöffnungen 310 gebohrt. Das Bohren wird in diesem Stadium anstelle einer Strukturierung mit Photoresist und eines Ätzens verwendet, da Faserlaminat (in seinen dielektrischen oder leitfähigen Konfigurationen) im Allgemeinen nicht geätzt werden kann. Außerdem können die Freiraumöffnungen 310 in diesem Schritt mit einem Isolator/Dielektrikum gefüllt werden. Der gebohrte Stromversorgungs-/Masse-Kern 300 kann dann in ein Komposit mit einem anderen Stromversorgungs-/Masse-Kern und einem oder mehreren Signalkernen laminiert werden. Das Komposit wird dann gebohrt und metallisiert (für PTHs), um eine PCB oder LCC zu bilden. Optional kann der Stromversorgungs-/Masse-Kern 350 gebohrt, mit einem Haftungsförderungsprozess behandelt und dann mit zwei Lagen von Faserlaminat in den Stromversorgungs-/ Masse-Kern 300 laminiert werden. Während mechanisches Bohren des Stromversorgungs-/Masse-Kerns 350 zur Erzeugung von Freiraumöffnungen und Arbeitsöffnungen geeignet ist, ist Laserbohren oder ein anderer, weniger schädigender Bohrvorgang für Materialien von Stromversorgungs-/Masse-Ebene bevorzugt, die anfällig gegenüber Bohrschädigungen sind.
Im Allgemeinen kann der Stromversorgungs-/Masse-Kern 320 durch Behandeln poröser Schichten 322, 325 mit einem (optionalen) Haftungsförderungsprozess gebildet werden. Eine Lage Faserlaminat (leitfähig oder nicht-leitfähig) wird dann zwischen die zwei porösen Schichten laminiert. Als nächstes wird üblicherweise der Bohrvorgang durchgeführt, um die Freiraum-(oder Arbeits-)Öffnungen 330 zu erzeugen. Für Materialien von Stromversorgungs-/Masse-Ebenen, die anfällig gegenüber Bohrschädigungen sind, wird ein Laser- oder ein anderer, weniger schädigender Bohrvorgang verwendet. Laserbohren weist in dieser Ausführungsform den zusätzlichen Vorteil auf, dass die zwei leitfähigen, porösen Schichten mit unterschiedlichen Mustern von Freiraumöffnungen strukturiert werden. Als nächstes kann ein Füllen von Freiraum- oder Arbeitsöffnungen mit isolierendem/dielektrischem Material durchgeführt werden. Dann kann der Stromversorgungs-/Masse- Kern 320 zusammen mit einem weiteren Stromversorgungs-/Masse- Kern und einer oder mehreren Signalebenen in ein Komposit laminiert werden.
Im Allgemeinen kann der Stromversorgungs-/Masse-Kern 350 gebohrt, mit einem optionalen Haftungsförderungsmaterial (wie einer Silan- oder Kupferoxid-Behandlung) behandelt und mit zwei Schichten aus Faserlaminat (leitfähig oder nichtleitfähig) laminiert werden, um den Kern 300 zu bilden. Optional kann der Stromversorgungs-/Masse-Kern 350 gebohrt, mit einem Haftungsförderungsschritt behandelt und dann mit einem weiteren Stromversorgungs-/Masse-Kern, mehreren Schichten aus Faserlaminat und einem oder mehreren Signalkernen in ein Komposit laminiert werden. Um zum Beispiel ein Komposit mit sechs Schichten zu bilden, sind die Schichten des Komposits von "oben" nach "unten" wie folgt: ein Signalkern (wie der Signalkern 101 von Fig. 6), eine oder mehrere Schichten aus Faserlaminat, ein Stromversorgungs-/ Masse-Kern 352, eine oder mehrere Schichten aus Faserlaminat und ein zweiter Signalkern (wie der Signalkern 130 von Fig. 6). Dieses Komposit kann dann gebohrt und metallisiert werden, um eine PCB/LCC zu erzeugen.
Wie zuvor erörtert, ist es bevorzugt, dass leitfähige Materialien für poröse Stromversorgungs- oder Masse-Ebenen, die anfällig gegenüber Bohr- oder Handhabungsschädigung sind, verwendet werden, die in einem Stromversorgungs-/Masse-Kern gebildet werden, wobei das poröse leitfähige Material zwischen zwei Schichten aus Faserlaminat geschichtet oder eingekapselt wird. Die Erzeugung von Stromversorgungs- oder Masse-Kernen auf diese Weise stellt einen Träger und Schutz für das poröse leitfähige Material während der Bohrschritte bereit. Dieser Schutz reduziert die Menge an faserartigem Material, die durch den Bohrprozess möglicherweise gebrochen wird. Ein Stromversorgungskern wie der Stromversorgungskern 320 (ähnlich dem Stromversorgungskern 110 von Fig. 6) oder wie der Stromversorgungskern 350 kann ebenfalls hergestellt werden, das Bohren und/oder Handhaben kann jedoch ein gewisses Splittern und Brechen des porösen Materials verursachen. Außerdem kann loses faserartiges Material einige Prozessschritte kontaminieren. Durch Einkapseln des faserartigen Materials und Zugeben von Isolator/Dielektrikum in gebohrte Öffnungen ist es weniger wahrscheinlich, dass das faserartige Material nachfolgende Prozessschritte kontaminiert.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 4 sind einige Querschnittansichten von Stromversorgungs- und Masse-Kernen zusammen mit einer PCB/LCC mit sechs Schichten gezeigt, die mit diesen Kernen hergestellt wurde. Fig. 4 ist ein Beispiel, das einen Stromversorgungskern 1000, einen gebohrten Stromversorgungskern 1001, einen Masse-Kern 1010, einen gebohrten Masse-Kern 1011 und eine PCB/LCC 1020 mit sechs Schichten darstellt. Der Stromversorgungskern 1000 wurde erzeugt, indem ein Haftungsförderungsprozess an der porösen Stromversorgungsebene 1004 durchgeführt und dann diese Ebene mit zwei Dielektrikumschichten 1002 und 1005 laminiert wurde.
Der Stromversorgungskern 1000 wurde dann gebohrt, um Freiraumöffnungen 1082 und 1079 zu erzeugen. Ein "normaler" CCL-Stromversorgungskern wird geätzt, nachdem eine Photoresistmaske angebracht wurde, um einen bildbehafteten Stromversorgungskern zu erzeugen (d. h. den Stromversorgungskern 111 von Fig. 6). Da Ätzen bei einigen der porösen, leitfähigen Materialien, die für Stromversorgungs-/ Masse-Ebenen verwendet werden, oder bei Faserlaminierung nicht möglich ist, ist Bohren das bevorzugte Verfahren zur Erzeugung von Freiraumöffnungen. Der Stromversorgungskern 1000 und 1001 ist in diesem Beispiel im Wesentlichen eine poröse, leitfähige Schicht, die zwischen zwei nicht-leitende Faserlaminate geschichtet ist. Der Masse-Kern 1010 wurde erzeugt, indem ein Haftungsförderungsprozess an porösen Masse-Ebenen 1012, 1015 durchgeführt wurde und dann diese Ebenen auf beide Seiten einer Schicht aus einem leitfähigen Faserlaminat laminiert wurden. Dann wurde der Masse-Kern 1010 gebohrt, um Freiraumöffnungen 1084 und 1080 zu erzeugen. Der Masse-Kern 1010 in diesem Beispiel ist im Wesentlichen eine leitfähige Ebene mit drei leitfähigen Schichten (eine Schicht aus leirfähigem Faserlaminat, die zwischen zwei Schichten aus porösen, leitfähigen Materialien geschichtet ist). Wenngleich in Fig. 4 nicht gezeigt, kann ein Dielektrikum oder ein anderer Isolator zu dem Stromversorgungskern 1001 und dem Masse-Kern 1011 hinzugefügt werden, um die Freiraumöffnungen in diesen Kernen zu füllen.
Was eine leitfähige Faserschicht 1014 betrifft, besteht ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung dieser Schicht darin, 40 Volumenprozent Kupferpulver zu einer Faser- oder Faser/Harz- Schicht hinzuzufügen. Während der Laminierung sollte das Kupfer gleichmäßig über die Faserschicht hinweg verteilt werden. Es können andere leitfähige Füllmittel zusammen mit anderen Typen von Schichtmaterialien verwendet werden, dieses Füllmittel und Schichtmaterial weist jedoch die Vorteile auf, relativ kostengünstig zu sein und üblicherweise in der PCB- Fertigung verwendet zu werden.
Nach dem Bohren der Kerne (und der Hinzufügung eines Isolators nach Bedarf) werden der Stromversorgungskern 1001 und der Masse-Kern 1011 dann zusammen mit strukturierten Signalkernen 101, 130 und einer Faserlaminatschicht 1099 zusammengepresst, um ein Komposit zu bilden. Dieses Komposit wird gebohrt und metallisiert, um PTHs zu erzeugen.
Nach der Anbringung von Komponenten an der PCB/LCC resultiert der exemplarische PCB/LCC-Teil 1020 mit sechs Schichten. Die Faserlaminatschicht 1099 ist eine nicht-leitfähige, dielektrische Schicht, die dazu verwendet wird, die Signalebene 132 von dem Masse-Kern 1011 und insbesondere von der porösen Ebene 1015 des Masse-Kerns 1011 zu isolieren. Es gibt eine äquivalente Faserlaminatschicht zwischen dem Stromversorgungskern 1001 und dem Masse-Kern 1011, um diese Ebenen zusammen zu kleben.
Die PTH 1008, ähnlich der PTH 108 von Fig. 6, verbindet Leitungen von Signalschichten 102 und 105 des Signalkerns 101 mit Leitungen von Signalschichten 132 und 135 des Signalkerns 130. Freiraumgebiete 1082 und 1084 verhindern, dass Masse- und Stromversorgungsschichten die PTH kontaktieren. Wenngleich die Freiraumgebiete 1082 und 1084 mit "Luft" gefüllt gezeigt sind, sind diese Gebiete in Wirklichkeit üblicherweise mit einem Dielektrikum gefüllt: entweder werden die Gebiete nach dem Bohren des Stromversorgungs- oder Masse-Kerns mit einem Dielektrikum (oder einem anderen Isolator) gefüllt, oder die Gebiete werden während der Laminierung mit einem Dielektrikum/Isolator gefüllt.
Die PTH 1009, ähnlich der PTH 109 von Fig. 6, verbindet eine Kontaktstelle 103 und eine Leitung auf der Schicht 135 eines Signalkerns 130 mit der Stromversorgungsebene 1001. Das Freiraumgebiet 1080 verhindert, dass die PTH 1009 mit dem Masse-Kern 1011 verbunden wird. In ähnlicher Weise verbindet die PTH 1006, ähnlich der PTH 106 von Fig. 6, Leitungen auf der Schicht 102 des Signalkerns 101 und auf Schichten 135, 132 des Signalkerns 130 mit dem Masse-Kern 1011. In diesem Beispiel beinhaltet der Masse-Kern 1011 drei leitfähige Schichten (zwei poröse Ebenen 1012 und 1015 sowie ein leitfähiges Faserlaminat 1014), wobei alle mit der PTH 1006 verbunden sind. Das Freiraumgebiet 1079 verhindert, dass die PTH 1006 mit der Stromversorgungsschicht 1004 verbunden wird.
In dem Beispiel von Fig. 4 sind die meisten Faserlaminatschichten, welche die verschiedenen Kerne trennen, relativ dünn gezeigt. Die Faserlaminatschichten 1002 und 1005 sind zum Beispiel dünn. Dies dient lediglich der Darstellung, da der Fachmann erkennt, dass mehr Schichten, dünnere oder dickere Schichten aus Faserlaminat, nach Bedarf hinzugefügt werden können. Vergleicht man die PCB/LCC 1020 mit sechs Schichten von Fig. 4 mit der PCB/LCC 120 mit sechs Schichten von Fig. 6, gibt es noch einige andere Unterschiede, außer dass die PCB/LCC 1020 getrennte Stromversorgungs- und Masse- Kerne aufweist. Die PCB/LCC 1020 weist außerdem poröse Stromversorgungs- und Masse-Ebenen auf, die ermöglichen, dass Wasser oder andere Lösungsmittel frei durch die verschiedene Schichten enthaltende PCB/LCC 1020 dispergieren. Poröse Stromversorgungs- und Masse-Ebenen begrenzen Ausfälle, die durch kathodisches/anodisches Filament(CAF)-Wachstum und Delaminierung von Isolatoren verursacht werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung eines Stromversorgungs- oder Masse-Kerns (wie des Stromversorgungskerns 1000), der poröses leitfähiges Material enthält, gemäß der gegenwärtigen Erfindung ist in Figur S gezeigt. Das Verfahren 400 von Fig. 5 wird vorzugsweise zur Bildung sowohl der Stromversorgungs- als auch der Masse-Kerne und zum Kombinieren der Stromversorgungs- und Masse-Kerne zu einem PCB- oder LCC-Komposit verwendet. Dieses Verfahren wird außerdem für die bevorzugten Ausführungsformen verwendet, bei denen poroses leitfahiges Material zwischen zwei Schichten aus Faserlaminat geschichtet wird, wie in der Stromversorgungsebene 1000. Diese Ausführungsform ermöglicht einen größeren Schutz für das interne poröse, leitfähige Material. Außerdem kann das Faserlaminat zur "Abdichtung" von mit Metall bedeckten, faserartigen Materialien und anderen losen Materialien beitragen, was dabei hilft, das faserartige Material im Inneren des Laminats zu halten. Dies ist besonders hilfreich im Fall von Kohlenstoffmaterialien, die potentiell Teile der PCB/LCC und des Fertigungsprozesses kontaminieren könnten. Das Verfahren 400 beginnt, wenn eine optionale dünne Schicht aus einer Metallbeschichtung über dem verwendeten porösen Material hergestellt wird (Schritt 410). Dia faserartigen metallkaschierten Materialien der vorliegenden Erfindung weisen im Allgemeinen ausreichend Metall auf, um den erforderlichen Strom zu führen; wenn eine zusätzliche Stromfuhrungskapazität notwendig ist, kann im Schritt 410 mehr Metall auf den Fasern gebildet werden.
Wenn die bevorzugten porösen Materialien der vorliegenden Erfindung nicht metallisiert wurden, können dann in diesem Schritt außerdem die Materialien metallisiert werden. Wenn zum Beispiel ein nicht-metallisiertes Kohlenstofffaserwerg als poröses Material verwendet wird, kann in Schritt 410 das Werg metallisiert und dann zu einem gewobenen Gewebe geformt werden. Das Gewebe kann dann in Schritt 410 nach Bedarf ein zum Gewebe hinzugefügtes, zusätzliches Metall haben. Kurz gesagt, kann der Schritt 410 dazu verwendet werden, sowohl jene Materialien zu metallisieren, die nicht mit Metall beschichtet sind, als auch zusätzliches Metall zu jenen Materialien hinzuzufügen, die bereits mit Metall beschichtet sind. Die Typen bevorzugter Materialien, die für Stromversorgungs- und Masse-Ebenen zu verwenden sind, werden nach der Erörterung des Verfahrens 400 detailliert erörtert. Das poröse Material wird dann optional mit einem chemischen Haftungsförderungsprozess oder einer Kupferoxidbehandlung behandelt (Schritt 420). Als nächstes wird der Leiter zwischen das Faserlaminat laminiert oder geschichtet (Schritt 430), um einen eingekapselten, porösen Stromversorgungs- oder Masse- Kern zu bilden. Im Allgemeinen werden Standard- Lamznzerungsprozesse verwendet, um das poröse Masse-/ Stromversorgungs-Material zu laminieren. Alternativ können die faserartigen, porösen Materialien mit Harz unter Verwendung eines Standard-Imprägnierungsprozesses imprägniert werden (Schritt 433). Dieser Standard-Imprägnierungsprozess kapselt das faserartige Material im Wesentlichen ein. Das mit Harz imprägnierte Tuch wird dann gegen eine Ablöseschicht oder eine aufgerauhte Kupferfolie laminiert. Wenn eine aufgerauhte Folie verwendet wird, kann sie entweder weggeätzt (Schritt 437) oder während des Bohrens belassen werden (Schritt 440). Die Ablöseschicht wird im Allgemeinen vor dem Bohren entfernt (Schritt 437).
Da Faserlaminat im Allgemeinen nicht geätzt werden kann, um die notwendigen elektrischen Freiraumöffnungen (und andere Öffnungen) zu bilden, werden diese Öffnungen in dem Stromversorgungs-/Masse-Kern gebildet (Schritt 440). Im Allgemeinen werden die Öffnungen durch Bohren des Freiraumöffnungsmusters oder der Arbeitsöffnungen in das Laminat und die poröse Ebene und durch diese hindurch gebildet. Das Bohren kann entweder durch mechanische Bohrvorgänge oder durch Verwendung eines Lasers oder von anderen ähnlichen öffnungserzeugenden Vorrichtungen bewerkstelligt werden. Wenn eine aufgerauhte Folie auf das poröse Material laminiert wurde (Schritt 435) und nicht entfernt wurde (in Schritt 437), wird sie nun durch Ätzen entfernt (Schritt 445). An diesem Punkt können die Öffnungen mit reinem Harz, mit Harz, das ein nicht-leitfähiges Füllmittel enthält, oder mit einem anderen geeigneten Isolator/Dielektrikum gefüllt werden (Schritt 450). Der Stromversorgungs-/Masse-Kern kann in ein Komposit eingebaut werden, vorzugsweise durch Wiederlaminieren oder Pressen in eine Kompositleiterplattenstruktur (Schritt 460). Zusätzliches Harz fließt von dem Faserlaminat während des Laminierungszyklus in die gebohrten Öffnungen der Stromversorgungsebene und füllt diese, wenn die Öffnungen in Schritt 450 nicht gefüllt wurden. Als nächstes kann ein erneutes Bohren zur Erzeugung der für PTHs verwendeten Öffnungen und eine Metallisierung dieser Öffnungen durchgeführt werden (Schritt 470). Nach Schritt 470 sollte eine PCB/LCC ähnlich der PCB/LCC 1020 vorliegen.
Wenngleich das Verfahren 400 das bevorzugte Verfahren zur Herstellung von PBCs oder LCCs mit porösen Stromversorgungs-/ Masse-Ebenen ist, können die Schritte in dem Verfahren 400 in Abhängigkeit von der verwendeten Konfiguration des Stromversorgungs-/Masse-Kerns etwas geändert werden. Zum Beispiel können zwei Schichten aus porösem, leitfähigem Material auf ein Faserlaminat laminiert werden, wie zuvor in dem Stromversorgungs- und Masse-Kern 320 von Fig. 3 gezeigt. In dieser Ausführungsform bleiben die Prozessschritte ziemlich ähnlich zu jenen in dem Verfahren 400 gezeigten. Die Schritte 410 und 420 des Verfahrens 400 können zum Beispiel durchgeführt werden, um zusätzliches Metall zu dem leitfähigen Material hinzuzufügen beziehungsweise die Haftung zu verbessern. Dann kann eine Lage Faserlaminat (leitfähig oder nicht-leitfähig) zwischen die zwei porösen Schichten laminiert werden. Danach wird üblicherweise ein Bohrvorgang durchgeführt, um Freiraum- oder Arbeitsöffnungen zu erzeugen (Schritt 440). Für Materialien von Stromversorgungs-/Masse- Ebenen, die anfällig gegenüber Bohrschädigungen sind, wird vorzugsweise Laserbohren oder ein anderer, weniger schädigender Bohrvorgang verwendet. Laserbohren weist den zusätzlichen Vorteil in dieser Ausführungsform auf, dass die zwei leitfähigen, porösen Schichten mit verschiedenen Freiraumöffnungsmustern strukturiert werden. In diesem Stadium kann das Füllen von Freiraum- oder Arbeitsöffnungen mit isolierendem Material durchgeführt werden (Schritt 450). Der Stromversorgungs-/Masse-Kern 320 wird dann zusammen mit einem weiteren Stromversorgungs-/Masse-Kern, einer oder mehreren Signalebenen und nicht-leitfähigen Faserlaminatschichten in ein Komposit gepresst (Schritt 460). Dann wird das Komposit gebohrt und metallisiert, um eine PCB/LCC zu erzeugen (Schritt 470).
Außerdem kann auch ein Stromversorgungs-/Masse-Kern ähnlich dem Stromversorgungs-/Masse-Kern 350 von Fig. 3 zur Erzeugung einer Stromversorgungs- oder Masse-Ebene verwendet werden. In dieser Ausführungsform unterscheiden sich die Prozessschritte, die zur Erzeugung einer Stromversorgungs- und Masse-Ebene verwendet werden, etwas von dem Verfahren 400. Das Bohren (Schritt 440) kann zum Beispiel vor oder nach dem Schritt 410 (wenn durchgeführt) stattfinden. Die poröse leitfähige Ebene kann dann mit einem optionalen Haftungsförderungsmaterial behandelt werden (Schritt 420) und mit zwei Schichten aus Faserlaminat (leitfähig oder nicht-leitfähig) laminiert werden, um den Kern 300 von Fig. 3 zu bilden. In dieser Ausführungsform ist Schritt 450 im Allgemeinen nicht notwendig, da der Laminierungsprozess die Öffnungen mit Faserlaminat füllen sollte. Optional kann eine poröse, leitfähige Ebene ähnlich dem Stromversorgungs-/Masse-Kern 350 gebohrt, mit einem Haftungsförderungsschritt (Schritt 420) behandelt und dann mit einem weiteren Stromversorgungs-/Masse- Kern, mehreren Schichten aus Faserlaminat und einem oder mehreren Signalkernen in ein Komposit gepresst werden (Schritt 460). Dieses Komposit kann dann gebohrt und metallisiert werden, um eine PCB/LCC zu erzeugen (Schritt 470).
Schließlich ist das Verfahren 400 auf weitere Konfigurationen von PCBs außer den in Fig. 4 gezeigten PCBs mit sechs Schichten anwendbar. Eine größere oder kleinere Anzahl an Schichten kann durch Anpassen der Prozesse des Verfahrens 400 an jene spezielle Anzahl von Schichten gebildet werden. Zum Beispiel kann (Rückbezug nehmend auf Fig. 4), wenn eine PCB mit vier Schichten gewünscht ist, ein Stromversorgungskern 1000 auf die Außenseite von 1002 mit einem Kupferlaminat laminiert werden. Dann kann Bohren einen Stromversorgungskern 1001 bilden. In ähnlicher Weise kann ein Masse-Kern 1010 auf die Außenseite von 1015 mit einem Faserlaminat und einem Kupferlaminat laminiert werden. Dann kann Bohren den Masse- Kern 1011 bilden. Die in den Stromversorgungs- und Masse- Kernen während des Bohrens erzeugten Öffnungen können mit einem Isolator gefüllt werden. Die zwei Kupferlaminatschichten können dann strukturiert werden, und die zwei Stromversorgungs- und Masse-Kerne können zu einem Komposit gebildet werden. Bohren und Plattieren für PTHs kann durchgeführt werden, um eine PCB zu erzeugen. Alternativ können ein gebohrter Stromversorgungskern 1001 und ein gebohrter Masse-Kern 1011 zu einem Komposit mit Schichten in der folgenden Reihenfolge gebildet werden: eine Kupferschicht, eine optionale, nicht-leitfähige Faserlaminatschicht, ein Stromversorgungskern 1001, ein Masse-Kern 1011, eine nichtleitfähige Faserlaminatschicht und eine Kupferschicht. Dann können die zwei Kupferschichten zu Signalschichten strukturiert werden und das Komposit gebohrt und metallisiert werden, um eine PCB mit vier Schichten zu erzeugen.
Es wurden nun die Arten, in denen poröse Materialien zur Herstellung von porösen, leitfähigen Stromversorgungs- und Masse-Ebenen verwendet werden, in einem allgemeinen Sinn erörtert. Diese Verfahren und Materialien können mit jeglichen der nachstehend erörterten, speziellen porösen, leitfähigen Materialien verwendet werden. Wenn es irgendwelche zusätzlichen Prozessschritte gibt, die zur Verwendung bevorzugt sind, um ein Material als Stromversorgungs- oder Masse-Kern zu bilden, werden diese Schritte in Bezug auf das Stromversorgungs-/Masse-Material erörtert.
Ein bevorzugtes Material, das zur Verwendung in metallischen Stromversorgungs- und Masse-Ebenen geeignet ist, ist gesintertes Metall. Gesintertes Metall wird aus Metallpartikeln gebildet, die unter Druck und Wärme zusammengebondet werden. Stromversorgungsebenen aus gesintertem Metall können durch Zusammenpressen von Metallpartikeln mit hoher Schmelztemperatur und hoher elektrischer Leitfähigkeit (wie Kupfer), die mit einem niedrig schmelzenden Metall beschichtet sind (wie Zinn) unter Wärme und Druck gebildet werden. Die mit Zinn beschichteten Kupferpartikel schmelzen zusammen, um eine elektrisch leitfähige, jedoch poröse Lage zu bilden.
Diese leitfähige Lage kann zur Herstellung eines Stromversorgungs-/Masse-Kerns ähnlich dem Stromversorgungs-/ Masse-Kern 300, 320 oder 350 verwendet werden. Außerdem kann jegliches der zuvor erörterten Verfahren zur Herstellung dieser Kerne und zur Integration derselben in einer PCB/LCC durchgeführt werden.
Weitere bevorzugte Materialien zur Erzeugung von porösen, leitfähigen Stromversorgungs- und Masse-Ebenen können grob als faserartige, leitfähige Materialien bezeichnet werden. Diese bevorzugten weiteren Materialien beinhalten kleine Drähte, die zu einer Lage (oder "Gewebe") geformt sind, metallisiertes Gewebe (wie Polyester), metallisiertes Kohlenstofffasergewebe und metallisierte Glasfasern. Gewebe können des Weiteren in gewobene Gewebe (Gewebe mit einer gewissen nicht zufälligen Struktur) und zufallsstrukturierte papierartige Gewebe unterteilt werden. Zufallsstrukturierte papierartige Gewebe werden im Allgemeinen aus Fasern hergestellt, die in zufälligen Orientierungen angeordnet werden.
Ein bevorzugtes "Gewebe"-Material, das zur Erzeugung von porösen Stromversorgungs-/Masse-Ebenen verwendet wird, besteht zum Beispiel aus Metalldrähten, die zu einer Lage aus gewobenem Gewebe oder zu einer Lage aus zufallsstrukturiertem Papiergewebe geformt werden. Es ist bevorzugt, dass Drähte, welche die Lage beinhalten, mit kleinen Durchmessern hergestellt werden, um dünne Lagen zu ermöglichen. Es ist außerdem bevorzugt, dass der Drahtdurchmesser groß genug ist, um den für die Anwendung erwarteten Strom zu führen.
Metallschichten aus nicht gewobenen, kleinen Drähten können ebenfalls als Material für poröse Stromversorgungs- und Masse- Ebenen verwendet werden. Außerdem sollten Lagen aus gewobenem Gewebe oder Lagen aus zufallsstrukturiertem Papiergewebe zusätzlich einen Überplattierungsprozess erfahren, um die Drähte an jedem Schnittpunkt besser elektrisch zu verbinden. Dies stellt eine bessere Leitfähigkeit zwischen den einzelnen "Fasern" sicher.
Diese leitfähigen Lagen aus Metalldrähten können zur Herstellung eines Stromversorgungs-/Masse-Kerns ähnlich dem Stromversorgungs-/Masse-Kern 300, 320 oder 350 verwendet werden. Außerdem kann jegliches der zuvor erörterten Verfahren zur Herstellung dieser Kerne und zur Integration derselben in eine PCB/LCC durchgeführt werden.
Ein weiteres metallisiertes faserartiges Material, das zur Verwendung als Stromversorgungs- oder Masse-Ebene in PCBs geeignet ist, besteht aus mit Metall beschichteten, organischen Fasern, wie Flüssigkristallpolymeren (LCPs) (zum Beispiel Aramid, hergestellt von DuPont; VECTRAN, hergestellt von Hoechst-Celanese), und anderen Geweben wie Polyester, SPECTRA (das ein von Allied Signal hergestelltes Polyethylen ist) sowie Nylon. Aramid und andere LCP-Fasern sind aufgrund ihrer niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (die nachstehend erörtert werden) und ihrer thermischen Stabilität bevorzugt. Polyester ist ebenfalls eine bevorzugte Faser, da sie ein Monofilament ist (in ihrem gewobenen Zustand) und gegenüber Handhabungsschädigungen weniger anfällig ist. Diese Materialien können in gewobenen und zufallsstrukturierten Papiergeweben erworben werden.
Während einige dieser organischen faserartigen Materialien als beschichtete Gewebe erworben werden können, kann mit Metall beschichtetes, organisches, faserartiges Material, das zur Verwendung als Stromversorgungs- oder Masse-Ebene geeignet ist, auch durch die folgenden Schritte herstellt werden. Als erstes wird das organische, faserartige Material in einer Kammer platziert und in einer leicht gedehnten und/oder flachen Position gehalten. Indem das Material gedehnt oder flach gehalten wird, wird sichergestellt, dass das Metall freiliegende Oberflächen gleichmäßig bedeckt. Dann wird Metall auf dem organischen faserartigen Material aufgebracht. Eine derartige Deposition kann in einer Anzahl von Arten durchgeführt werden, die Plattieren, Sputtern, Verdampfen oder chemische Gasphasenabscheidung umfassen. Nach Wunsch oder Bedarf durch den Prozess kann das organische, faserartige Material umgedreht werden und mehr Metall aufgebracht werden. Wenn zum Beispiel Sputtern verwendet wird, wird Metall üblicherweise lediglich auf einer Oberfläche des Gewebes abgeschieden. Wenngleich das Gewebe in diesem Format verwendet werden kann, wird im Allgemeinen mehr Metall auf der anderen Seite des Gewebes hinzugefügt, um die Stromführungsfähigkeiten des Gewebes zu erhöhen. Alternativ kann das Gewebe unter Verwendung eines Rolle-zu-Rolle-Formats auf beiden Seiten gleichzeitig gesputtert werden. Nach dem Sputtern oder der chemischen Gasphasenabscheidung kann mittels herkömmlichem Plattieren noch mehr Metall zum Gewebe hinzugefügt werden. Dieses zusätzliche Metall erhöht die Stromführungsfähigkeit der Stromversorgungs-/Masse-Ebenen aus Metallgewebe.
Nach der Formung zu einer metallisierten, faserartigen Lage können diese porösen, leitfähigen Lagen dazu verwendet werden, einen Stromversorgungs-/Masse-Kern ähnlich dem Stromversorgungs-/Masse-Kern 300, 320 oder 350 herzustellen. Außerdem kann jegliches der zuvor erörterten Verfahren zur Herstellung dieser Kerne und zur Integration derselben in einer PCB/LCC durchgeführt werden.
Ein weiteres bevorzugtes, metallisiertes, faserartiges Material, das zur Verwendung als Stromversorgungs- oder Masse- Ebene in PCBs oder LCC geeignet ist, besteht aus mit Metall beschichteten Kohlenstofffasern. Da Kohlenstofffasern sowohl als gewobenes Gewebe als auch als Garnstränge vorkommen, kann eine Metallisierung der Faser in beiden Zuständen stattfinden. Es kann zum Beispiel Metall auf dem Gewebe aus Kohlenstofffasern aufgebracht werden. Alternativ kann Metall auf Kohlenstofffasergarn aufgebracht werden und das Kohlenstofffasergarn zu einem Tuch oder einem Gewebe gewoben werden. Kohlenstofffasern können bereits mit Metall beschichtet und bereits zu Werg geformt gekauft werden. Dieses Werg kann dann dazu verwendet werden, ein relativ flaches Gewebe zu weben. Außerdem können Kohlenstofffasern in einer zufallsstrukturierten papierartigen Lage gekauft werden.
Nach der Bildung zu einer metallisierten, faserartigen Lage können diese porösen, leitfähigen, aus metallisierten Kohlenstofffasern bestehenden Lagen dazu verwendet werden, einen Stromversorgungs-/Masse-Kern ähnlich dem Stromversorgungs-/Masse-Kern 300, 320 oder 350 herzustellen. Außerdem kann jegliches der zuvor erörterten Verfahren zur Herstellung dieser Kerne und zur Integration derselben in einer PCB/LCC durchgeführt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform, die faserartig ist, besteht aus metallisierten Glasfasern. Wie bei Kohlenstofffasern kann Glas als einzelnes Fasergarn oder als Lagen aus gewobenen Fasern gekauft werden. Die einzelnen Stränge können metallisiert und dann zu einem Gewebe gewoben werden, oder die gewobenen Lagen aus Fasern können metallisiert werden. Momentan können diese Fasern nicht mit Metallbeschichtungen erworben werden. Um eine mit Metall beschichtete Faser oder ein mit Metall beschichtetes Gewebe zu erzeugen, können die zuvor beschriebenen Verfahren verwendet werden, um mit Metall beschichtete Fasern oder mit Metall beschichtete gewobene Gewebe zu erzeugen. Außerdem können Glasfaserlagen erworben werden, die in einem zufallsstrukturierten papierartigen Format vorliegen. Diese Lagen können unter Verwendung der zuvor erörterten Verfahren der Metalldeposition metallisiert werden.
Nach der Bildung zu einer metallisierten, faserartigen Lage können diese porösen, leitfähigen, aus metallisierten Glasfasern bestehenden Lagen dazu verwendet werden, einen Stromversorgungs-/Masse-Kern ähnlich dem Stromversorgungs-/ Masse-Kern 300, 320 oder 350 herzustellen. Außerdem kann jegliches der zuvor erörterten Verfahren zur Herstellung dieser Kerne und zur Integration derselben in einer PCB/LCC durchgeführt werden.
Es ist zu erwähnen, dass einige faserartige Materialien, die als Stromversorgungs- und Masse-Ebenen in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ebenfalls niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten (CTEs) aufweisen. Ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient für die Stromversorgungs-/ Masse-Ebene kann den "Gesamt"-CTE von PCBs oder laminierten Chipträgern (LCC) senken. Dies hat den Vorteil, insbesondere für LCCs, dass ein Brechen von angebrachten Chips verhindert wird. Außerdem weisen Stromversorgungs-/Masse-Ebenen mit niedrigem CTE weitere Vorteile auf, die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung EN9-98-010, "Low CTE POWER AND GROUND PLANES" ausgeführt sind.
Wenngleich hauptsächlich Kupfer als Metallisierungsmetall erörtert wurde, erkennt der Fachmann, dass Techniken, die zur Deposition von Kupfer verwendet werden, auch zur Deposition von Silber, Gold, Aluminium, Zinn etc. verwendet werden können. Außerdem können, selbst wenn Kupfer als Basismetall für die Metallisierung verwendet wird, weitere Mengen anderer Metalle in bestimmten Prozessschritten hinzugefügt werden. Einige Hersteller fügen zum Beispiel kleine Mengen an Gold während der Verarbeitung hinzu, um die Leitfähigkeit von Basisverbindungen zu steigern.
Somit erzeugen die bevorzugten Ausführungsformen poröse, leitfähige Materialien, die als Masse- und Stromversorgungs- Ebenen in PCBs verwendet werden können. Diese Materialien sollten übliche PCB-Probleme reduzieren, wie Delaminierung und kathodisches/anodisches Filamentwachstum, die durch Wasser und/oder andere Lösungsmittel verursacht werden. Die Reduktion dieser Probleme sollte PCB-Defekte reduzieren und die Zuverlässigkeit der PCBs erhöhen. Dies gilt insbesondere für Chipträger, die eine stärkere Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweisen müssen.
Es sind Stromversorgungs- und Masse-Ebenen offenbart, die in gedruckten Leiterplatten (PCBs) verwendet werden und poröse, leitfähige Materialien beinhalten. Die Verwendung von porösen Materialien für Stromversorgungs- und Masse-Ebenen in PCBs ermöglicht, dass Flüssigkeiten (z. B. Wasser und/oder andere Lösungsmittel) durch die Stromversorgungs- und Masse-Ebenen hindurchtreten, wodurch Ausfälle in PCBs (oder PCBs, die als Laminatchipträger verwendet werden,) vermindert werden, die durch kathodisches/anodisches Filamentwachstum und Delaminierung von Isolatoren verursacht werden. Poröse, leitfähige Materialien, die zur Verwendung in PCBs geeignet sind, können unter Verwendung von mit Metall beschichteten, organischen Tuchen (wie Polyester oder Flüssigkristallpolymeren) oder Gewebe (wie jene, die aus Kohlenstoff/Graphit oder Glasfasern hergestellt werden), unter Verwendung von Metalldrahtgittern anstelle von Metalllagen, unter Verwendung von gesintertem Metall oder dadurch gebildet werden, dass Metalllagen durch Bilden einer Anordnung von Öffnungen in den Metalllagen porös gemacht werden. Gewebe und Gitter können gewoben oder zufallsstrukturiert sein. Wenn eine Anordnung von Öffnungen in einer Metalllage gebildet wird, kann eine derartige Anordnung ohne zusätzliche Prozessschritte außer jenen gebildet werden, die unter Verwendung von herkömmlicheh PCB-Montageverfahren durchgeführt werden.

Claims

1. Stromversorgungs/Masse-Kern (300) zur Verwendung in Leiterplatten, wobei der Stromversorgungs/Masse-Kern beinhaltet:

wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat (302), wobei das Faserlaminat für wenigstens ein Lösungsmittel absorbierend ist; und

wenigstens eine Schicht aus einer leitfähigen Metalllage (304), wobei die leitfähige Metalllage (304) ausreichend porös für das wenigstens eine Lösungsmittel gehalten wird, um Effekte von Delaminierung und kathodischem/anodischem Filamentwachstum zu reduzieren.

2. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte (PCB), wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

a) Bereitstellen wenigstens einer Stromversorgungs/Masse-Ebene (300) mit wenigstens einer Schicht aus einer leitfähigen Metalllage (304) und wenigstens einer Schicht aus Faserlaminat (302), wobei das Faserlaminat für wenigstens ein Lösungsmittel absorbierend ist;

b) Bilden einer Mehrzahl von Öffnungen in der wenigstens einen Stromversorgungs/Masse-Ebene (300);

c) Bilden eines Komposits mit der wenigstens einen Stromversorgungs/Masse-Ebene und wenigstens einer Signalschicht (132)

d) Bilden einer Mehrzahl von Öffnungen in dem Komposit; und

e) Bilden einer Mehrzahl von plattierten Durchkontaktöffnungen in dem Komposit;

wobei die leitfähige Metalllage (304) ausreichend porös für das wenigstens eine Lösungsmittel gehalten wird, um Effekte von Delaminierung und kathodischem/anodischem Filamentwachstum zu reduzieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, das des Weiteren den Schritt der Beschichtung der leitfähigen Metalllage mit Metall umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, das des Weiteren den Schritt der Durchführung eines Haftungsverbesserungs-Prozesses auf der leitfähigen Metalllage umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Haftungsverbesserungs-Prozess aus einer Kupferoxidbehandlung oder einer Silanbehandlung besteht.

6. Stromversorgungs/Masse-Kern nach Anspruch 1 oder Verfahren nach irgendeinem der Anspruche 2 bis 5, wobei die leitfähige Metalllage gesintertes Metall beinhaltet.

7. Stromversorgungs/Masse-Kern nach Anspruch 1 oder Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die leitfähige Metalllage eine Metalllage mit einer Mehrzahl von gebohrten Löchern beinhaltet, wobei die gebohrten Löcher so beabstandet und abgemessen sind, dass sie die Porosität bereitstellen.

8. Stromversorgungs/Masse-Kern nach irgendeinem der Ansprüche 1, 6 oder 7 oder Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die wenigstens eine Schicht aus einer leitfähigen Metalllage aus zwei Schichten aus leitfähiger Metalllage besteht, wobei die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat zwischen die zwei Schichten aus leitfähiger Metalllage geschichtet ist.

9. Stromversorgungs/Masse-Kern nach irgendeinem der Ansprüche 1, 6, 7 oder 8 oder Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat aus zwei Schichten aus Faserlaminat besteht, wobei die wenigstens eine Schicht aus leitfähiger Metalllage zwischen die zwei Schichten aus Faserlaminat geschichtet ist.

10. Leiterplatte (PCB), wobei die PCB beinhaltet:

wenigstens einen Signalkern (101), wobei jeder Signalkern wenigstens eine Signalschicht und wenigstens eine Schicht aus Faserlaminat beinhaltet; und

einen Stromversorgungs/Masse-Kern (300) nach irgendeinem der Ansprüche 1, 6, 7, 8 oder 9.