DE69006724T3

DE69006724T3 - Laminate mit hoher kapazitanz.

Info

Publication number: DE69006724T3
Application number: DE1990606724
Authority: DE
Inventors: Paul Wilmington FISCHER
Original assignee: WL Gore and Associates Inc
Current assignee: WL Gore and Associates Inc
Priority date: 1989-03-16
Filing date: 1990-03-07
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: WO1990011006A1; US4996097A; EP0463105B1; JPH04505992A; JP2810869B2; DE69006724T2; JPH08281869A; EP0463105B2; DE69006724D1; JP2690395B2; EP0463105A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf hoch kapazitive Laminate hergestellt aus dünnen Polytetrafluorethylenfolien, in welchen die Folien mit Kupfer oder anderen leitenden Folien und Schichten beschichtet oder verkleidet sind.
Hoch dielektrische Laminate waren bereits bekannt, da sie in gedruckten Schaltungen verwendet werden, besonders Schaltungen zur Verwendung in Mikrowellenanwendungen. Laminate aus gefülltem Polytetrafluorethylen und verkleidet mit Kupfer sind in diesen Anwendungen wertvoll, da sie bei einer gegebenen Frequenz die Wellenlänge verringern, welche entlang einer Leiterbahn auf dem Laminat läuft. Gefülltes Polytetrafluorethylen hat in dieser Verwendung teilweise Vorteile, da es wenig Feuchtigkeit absorbiert (welche elektrische Eigenschaften beeinflusst), geringe Verluste aufweist und ein chemisch inertes, hoch temperaturbeständiges Material bietet.
Gefüllte Polytetrafluorethylen (PTFE) -Laminate hohen Dielektrikums, welche mit Kupfer verkleidet sind, sind in dem U.S. Patent 4,518,737 offenbart, besonders in Spalte 1, Zeile 63 bis Spalte 2, Zeile 11. Dennoch können solche Laminate allgemein nicht dünn genug für viele digital gedruckte Schaltungsanwendungen hergestellt werden, wo dünne hoch dielektrische Laminate wertvoll wären, welche verwendet werden, um die Schaltungskapazität zu erhöhen.
In digitalen Systemen wird Berechnungsgeschwindigkeit hoch bewertet. Um Hochgeschwindigkeitsberechnung zu erreichen, wurden hochintegrierte, sehr schnell simultan schaltende integrierte Schaltungen (ICs) entwickelt. Um diese ICs richtig zu betreiben, müssen Referenz-Massepotential und Treiberspannungen in gegebenen Bereichen bleiben. Wenn diese ICs schalten, brauchen sie für eine sehr kurze Dauer Strom. Dies verursacht einen örtlichen Spannungsabfall auf der Leistungsebene. Ursprünglich wurde dieser Spannungsabfall durch Verwendung von Oberflächenkondensatoren gemildert. Diese diskreten Kondensatoren stellen eine Ladungsspeicherung zur Verfügung, die zu der Leistungsebene gespeist werden kann, falls die Spannung beginnt abzufallen. Wenn die Geschwindigkeit der ICs ansteigt, ist dies ein effektiver Weg dieses Problem zu lösen. Mit heutigen Hochleistungs-ICs ist die Dauer, in der Strom benötigt wird, sehr kurz. Diskrete Kondensatoren können nicht nah genug an dem IC positioniert werden und die Induktivität der Bahn kann nicht gering genug hergestellt werden, um die Bedürfnisse des ICs zu erfüllen, folglich fällt die Spannung ab. Wenn diese(r) Spannungsabfall oder -spitze groß genug ist, können Fehler auftreten, wenn der IC diese reduzierte Spannung referenziert. Sehr dünne, hoch dielektrische Laminate, welche für die Treiber-/Boden-Schichten verwendet werden (wenn sie sich in sequentiellen Schichten befinden), erhöhen die Kapazität der gedruckten Kontaktschaltung. Das erhöht die Ladungsdichte, welche für einen gegebenen Spannungsunterschied gespeichert ist, wobei die Spannungsschwankungen im Vergleich zu einem niedrigerem kapazitiven Laminat mit diskreten Kondensatoren aufgrund der schnell schaltenden ICs reduziert wird, wobei die Genauigkeit des Signals verbessert wird.
Dennoch sind dünne Polytetrafluorethylenfolien, welche mit hoch dielektrischem Material gefüllt sind, gewöhnlich nicht erhältlich. Gefüllte Polytetrafluorethylenfolien werden allgemein durch Kalandrieren hergestellt.
Wenn die Folien bei dem Kalandrierungsprozess dünner und dünner werden, verursachen rheologische Probleme Oberflächenunterbrechungen, wie zum Beispiel Nadellöcher oder Risse in der gefüllten Folie. Nadellöcher und Risse verursachen natürlich elektrische Probleme. Ein Laminat, welches eine dünne Polytetrafluorethylen-Schicht besitzt, ist in der europäischen Patentbeschreibung No. 0160439 beschrieben, in welcher eine Schaltung zur Verwendung im 10 GHz Signaltransmissionsbereich eine Schicht aus gefülltem, expandiertem Polytetrafluorethylen mit Kupfermetall umfasst, das auf mindestens einer Seite aufgebracht ist.
Es ist wünschenswert, Laminate aus einer sehr dünnen Polytetrafluorethylen-Schicht mit hohen Dielektrizitätskonstanten und leitenden Metallen, wie zum Beispiel Kupfer, zur Verfügung zu stellen. Es ist außerdem wünschenswert, eine gedruckte Schaltung zur Verfügung zu stellen, die solch ein Laminat verwendet. Es ist des weitern wünschenswert, Materialien mit hoher Zugfestigkeit zu verwenden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Laminat mit einer Folie aus gefülltem, expandiertem Polytetrafluorethylen zur Verfügung gestellt, mit einer Struktur, die durch Fibrillen verbundene Knoten umfasst, und einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Metall, welche auf mindestens eine Seite der Folie aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie 25 bis 85 Volumen-% eines aus Teilchen bestehenden Füllers mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten enthält; dass die Folie eine Dicke zwischen 0,0025 und 0,127 mm (0,0001 und 0,005 inches) aufweist; dass die Folie verdichtet ist, um eine Folie zu bilden, welche im wesentlichen frei von sichtbaren Nadellöchern ist und eine Struktur besitzt, die durch Fibrillen verbundene Knoten umfasst; dass die Fo lie eine Matrix-Zugfestigkeit von mindestens 183 kg/cm² (2600 psi) aufweist; wobei das Laminat eine Kapazität größer als 100,75 Picofarad/cm² (650 Picofarad pro Quadradinch) besitzt. Die Erfindung stellt in einem anderen ihrer Aspekte eine gedruckte Schaltung zur Verfügung, in der mindestens eine Schicht der Schaltung aus dem oben definierten Laminat besteht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bildung eines Laminats vorgesehen, welches eine Kapazität größer als 100,75 Picofarad/cm² (650 Picofarad pro Quadradinch) besitzt, welches eine Folie aus gefülltem expandiertem Polytetrafluorethylen mit einer Matrix-Zugfestigkeit von mindestens 183 kg/cm² (2600 psi) und eine Folie aus elektrisch leitfähigem Metall aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Mischen von 25 bis 85 Volumen-% eines in Teilchenform vorliegenden Füllers mit Polytetrafluorethylen in einer wässerigen Dispersion;
(b) Co-Koagulieren des Füllers und des Polytetrafluorethylens in einer wässerigen Dispersion;
(c) Schmieren des gefüllten Polytetrafluorethylens mit einem Schiermittel und Pasten-Extrudieren des geschmierten Materials, um eine Folie zu bilden;
(d) Kalandrieren der geschmierten Folie;
(e) Expandieren der genannten Folie durch Dehnen, so dass ein poröses Polytetrafluorethylen gebildet wird, welches eine Struktur mit durch Fibrillen verbundene Knoten besitzt und welches den genannten Füller darin verteilt besitzt;
(f) Verdichten des gedehnten Materials dadurch, dass dieses komprimiert wird, bis die Folie eine Dicke zwischen 0,0025 und 0,127 mm (0,0001 und 0,005 inches) aufweist und im wesentlichen frei von sichtbaren Nadellöchern ist;
(g) Laminieren einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Metall auf die Folie vor oder nach der Verdichtung.

Ein bevorzugtes Beispiel der Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden, worin:
1 ein Laminat der Erfindung darstellt, welches auf einer Seite kupferverkleidet ist;
2 ein Laminat der Erfindung darstellt, welches auf beiden Seiten kupferverkleidet ist;
3 eine gedruckte Schaltung der Erfindung darstellt.
Die hierin verwendbaren Füller besitzen irgendeinen allgemein bekannten aus Teilchen bestehenden Füller, der eine hohe Dielektrizitätskonstante besitzt. Mit "aus Teilchen bestehend" sind einzelne Teilchen beliebigen Längenverhältnisses gemeint und umfasst somit Fasern und Pulver. Vorzugsweise wird der Füller eine Durchschnittsgröße von weniger als 40 Mikrometer (microns) und am bevorzugtesten weniger als 20 Mikrometer (microns) besitzen und vorzugsweise wird er Titandioxid oder Bariumtitanat oder ein ferroelektrischer Komplex sein. Die Füllerkonzentration in der Folie wird zwischen ungefähr 25–85 Volumen-% und die Dielektrizitätskonstante wird mindestens 7 betragen.
Um den gewünschten Dünnheitsgrad zu erhalten, nämlich zwischen 0,0025 und 0,127 mm (0,0001 und 0,005 inches), ist es bevorzugt, die gefüllten Folien herzustellen mittels:

a) Mischen von 25–85 Volumen-% eines aus Teilchen bestehenden Füllers einer Durchschnittsgröße von 40 Mikrometern (microns) oder weniger mit Polytetrafluorethylen in wässeriger Dispersion;
b) Co-Koagulieren des Füllers und des Polytetrafluorethylens;
c) Schmieren des gefüllten Polytetrafluorethylens mit einem Schmiermittel und Pasten-Extrudieren des geschmierten Materials, um eine Folie zu bilden;
d) Kalandrieren der geschmierten Folie;
e) Expandieren der genannten Folie durch Dehnen, so dass ein poröses Polytetrafluorethylen gebildet wird, welches den genannten Füller darin verteilt besitzt;
f) in beliebiger Reihenfolge, Laminieren des leitfähigen Metalls und Verdichten des gedehnten Materials dadurch, dass dieses komprimiert wird, bis die erwünschte Dicke erhalten wird.

Durch Expandieren des Polytetrafluorethylens, wie im U.S. Patent 3,953,566 beschrieben, um eine expandierte poröse Folie zu bilden, welche mit Fibrillen verbundene Knoten beinhaltet, scheinen sich die Füllerteilchen um die Knoten zu sammeln und reiben und rollen nicht in nennenswertem Umfang, wenn sie Verdichtung unterworfen werden. Somit kann das expandierte, gefüllte PTFE verdichtet werden, um sehr dünne Folien zu bilden, welche im wesentlichen frei von Oberflächenunterbrechungen wie zum Beispiel Nadellöchern oder Rissen sind.
Sobald die dünne, gefüllte Folie erhalten wird, oder vor der Verdichtung, je nach Situation, wird ein leitendes Metall, wie zum Beispiel Kupfer, auf eine oder beide Seiten laminiert, wobei herkömmliche Laminierungsverfahren verwendet werden. Das Verfahren kann ein Batch-Verfahren sein, wie zum Beispiel Pressen bei 70,3 kg/cm² (1000 psi) 350°C unter Vakuum für zwei Stunden, oder kann ein kontinuierliches Verfahren sein, wie zum Beispiel im U.S. Patent 3,082,292 beschrieben ist. Das Kupfer kann in gewünschte Schaltkreiskonfigurationen ausgebildet werden und das Laminat kann somit als eine Treiber-/Boden-Schicht verwendet werden.
Wenn Kupfer an beide Seiten laminiert ist, kann das Laminat als ein Kondensator verwendet werden, wodurch es einen Speicher gespeicherter Ladung bereitstellt, welcher Ladung in Bereiche des Schaltkreises speist, welche aufgebraucht wird, wenn Strom von den IC angefordert wird. Durch Aufrechterhaltung einer hohen Ladungsdichte überall in der Schaltung durch Verwendung des Laminats dieser Erfindung, erhöhen sich die Spannungspitzen, die gewöhnlich auftreten, wenn die Stromimpulse reduziert werden, wodurch die Genauigkeit von Hochgeschwindigkeitssignalen verbessert wird.
Durch Verwendung des Laminats dieser Erfindung als ein Verteilerkondensator, wird der Bedarf an einzelnen Kondensatoren in der Schaltung reduziert oder eliminiert, wodurch Platz auf der Oberfläche der Schaltung gespart wird.
Auf Wunsch kann ein organisches Polymer, wie zum Beispiel ein wärmehärtendes Harz, in der dünnen Folie vor handen sein. Vorhandensein eines solchen Polymers kann Laminierungstemperaturen absenken und Anhaften von leitendem Metall an die Folie verbessern.
Des weiteren können auch Verstärkungsfüller vorhanden sein, um Formkontrolle zur Verfügung zu stellen. Solche Füller können niederdielektrische keramische Füller sein, wie zum Beispiel Siliziumdioxid.
Nun bezugnehmend auf die Zeichnungen, stellen 1 und 2 Laminate der Erfindung dar, wo 1 die Schicht des gefüllten Polytetrafluorethylens und 2 eine Kupferschicht auf einer Seite der PTFE-Folie ist.
3 stellt eine Mehrlagenschaltung dar, wo das Laminat der Erfindung durch 10 angegeben ist und die hoch dielektrisch gefülltes PFTE 11 umfasst, welches auf Kupferfolien 12 und 13 laminiert ist, welche unterschiedliche Spannungen besitzen; 14 und 15 sind Kupferböden; 16, 17, 18 und 19 sind Kupfersignale, und 20, 21, 22 und 23 sind niederdielektrische Isolierungsmaterialien; 24 und 25 stellen niederdielektrisches Material dar und kann identisch oder unterschiedlich zu den Schichten 20, 21, 22 und 23 sein.
Testverfahren
Matrix-Zugfestigkeitsüberprüfung wurde auf einem Instron-Modell 1122 ausgeführt. Proben waren 25,4 mm (1 Inch) breit. Messlänge (Abstand zwischen Klemmen) war 50,8 mm (2 inches). Proben wurden bei einer Rate von 500% pro Minute gezogen. Matrix-Zugfestigkeit ist durch die folgende Gleichung festgelegt:
Wobei:
ρI = spezifische Dichte
ρB = Raum-Dichte
TS Bulk = Raum-Zugfestigkeit bei Bruch
V_I% PTFE = spezifisches Volumen-% PTFE
BEISPIELE
Beispiel 1:
Eine wässerige Masse von 11.866,8 g Tioxid HPB Titandioxid und 30 Liter entionisiertes H₂O wurden durch ein Kolloidwerk bei 0,0025 cm Einstellung laufen gelassen. 13,85 Liter entionisierten Wassers wurden dann zu der wässerigen Masse unter Rühren hinzugefügt. Während die wässerige Masse bei 120 Umdrehungen pro Minute gerührt wurde, wurden 7.273 g Polytetrafluorethylen einer 16% Feststoff-PTFE-Dispersion schnell in die wässerige Lösung geschüttet. Die PTFE-Dispersion wurde von ICI Americas, Co. erhalten. Innerhalb von 35 Sekunden war das Co-Koagulieren fertig. Nach 10 Minuten hatte sich das Koagulat auf dem Boden des Mischerbehälters abgesetzt und das Wasser war klar.
Das Koagulum wurde bei 160°C in einem Konvektionsofen getrocknet. Das Material trocknete in kleine, rissige, ungefähr 2 cm dicke Stücke und wurde auf unter 10°C abgekühlt. Das abgekühlte Stück wurde hand-gemahlen, wobei eine feste, kreisförmige Bewegung und minimale Abwärtskraft durch einen 0,635 cm Maschenedelstahlsieb verwendet wurde, dann wurden 0,46 ml Polypropylenglykol pro Gramm Pulver hinzugefügt. Die Mischung wurde erneut ab gekühlt, durch einen 0,635 cm Maschensieb passiert, für 10 Minuten unregelmäßig rotiert, dann freigegeben, sich bei 18°C für 48 Stunden zu setzen und wurde erneut für 10 Minuten unregelmäßig rotiert. Sie enthielt 42 Volumen-% Füller.
Die Kügelchen wurden dann in Folienform Kochdruck-extrudiert. Das Extrudat wurde durch erhitzte Rollen bei einer Reduzierung um 25% pro Durchgang von 0,057 cm kalandriert. Das Material wurde dann mit dem nach wie vor vorhandenen Schmiermittel im Verhältnis 3,5 zu 1 quer gestreckt. Das Schmiermittel wurde verdampft, indem die Folien quer durch erhitzte Rollen liefen. Die Folie wurde dann 5 : 1 bei 295°C und 133%/sec quer gestreckt.
Die expandierte gefüllte Folie wurde dann vierschichtig (4) zwischen Kupferfolien abgelegt und bei 70,3 kg/cm² (1000 psi) in einer vakuumunterstützten Tiegeldruckpresse bei einer Temperatur von 350°C für zwei (2) Stunden gepresst, dann unter Druck gekühlt. Dies führte zu einem Kupferlaminat, welches eine Dielektrizitätskonstante von 10 besitzt und 0,0635 mm (0,0025 in.) dielektrische Foliendicke und eine Matrix-Zugfestigkeit von 246 kg/cm² (3500 psi) besitzt. Die Kapazität des Laminats beträgt 139,5 Picofarad/cm² (900 Picofarad/in²).
Im Allgemeinen werden die Laminate der Erfindung eine Kapazität größer als 100,75 Picofarad/cm² (650 Picofarad/in²) besitzen.

Claims

Laminat mit einer Folie (1) aus gefülltem, expandiertem Polytetrafluorethylen, mit einer Struktur, die durch Fibrillen verbundene Konten umfaßt, und einer Schicht (2) aus elektrisch leitfähigem Metall, welche auf mindestens eine Seite der Folie aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (1) 25 bis 85 Volumen-% eines aus Teilchen bestehenden Füllers mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten enthält; daß die Folie (1) eine Dicke zwischen 0,0025 und 0,127 mm (0,0001 und 0,005 inches) aufweist; daß die Folie (1) verdichtet ist, um eine Folie zu bilden, welche im wesentlichen frei von sichtbaren Nadellöchern ist und eine Struktur besitzt, die durch Fibrillen verbundene Knoten umfaßt; daß die Folie (1) eine Matrix-Zugfestigkeit von mindestens 183 kg/cm² (2600 psi) aufweist; wobei das Laminat eine Kapazität größer als 100,75 Picofarad/cm² (650 Picofarad pro Quadradinch) besitzt.
Laminat wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welchem das Laminat eine Dielektrizitätskonstante von mindestens 7 aufweist.
Laminat wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, bei welchem der Füller Titandioxid, Bariumtitanat oder ein ferroelektrischer Komplex ist.
Laminat wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, wobei die Folie (1) ein wärmehärtendes Harz beinhaltet.
Gedruckte Schaltung, welche mindestens eine Schicht eines Laminats aufweist, wie dies in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist.
Verfahren zum Bilden eines Laminats, welches eine Kapazität größer als 100,75 Picofarad/cm² (650 Picofarad pro Quadradinch) besitzt, welches eine Folie (1) aus gefülltem expandiertem Polytetrafluorethylen mit einer Matrix-Zugfestigkeit von mindestens 183 kg/cm² (2600 psi) und eine Folie (2) aus elektrisch leitfähigem Metall aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Mischen von 25 bis 85 Volumen-% eines in Teilchenform vorliegenden Füllers mit Polytetrafluorethylen in einer wässerigen Dispersion; (b) Co-Koagulieren des Füllers und des Polytetrafluorethylens in einer wässerigen Dispersion; (c) Schmieren des gefüllten Polytetrafluorethylens mit einem Schmiermittel und Pasten-Extrudieren des geschmierten Materials, um eine Folie zu bilden; (d) Kalandrieren der geschmierten Folie; (e) Expandieren der genannten Folie durch Dehnen, so daß ein poröses Polytetrafluorethylen gebildet wird, welches eine Struktur mit durch Fibrillen verbundene Konten besitzt und welches den genannten Füller darin verteilt besitzt; (f) Verdichten des gedehnten Materials dadurch, daß dieses komprimiert wird, bis die Folie eine Dicke zwischen 0,0025 und 0,127 mm (0,0001 und 0,005 inches) auf weist und im wesentlichen frei von sichtbaren Nadellöchern ist; (g) Laminieren einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Metall auf die Folie vor oder nach der Verdichtung.
Verfahren wie in Anspruch 6 beansprucht, bei welchem der aus Teilchen bestehende Füller eine durchschnittliche Größe von 40 Mikrometern (Mikron) oder weniger aufweist.