DE69402538T2 - Harzimpraegniertes laminat zur anwendung in leiterplatten - Google Patents

Harzimpraegniertes laminat zur anwendung in leiterplatten

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Um Verbrauchern steigende Funktionalität bei möglichst niedrigen Kosten zur Verfügung zu stellen, strebt die Elektronikindustrie nach Produkten, die intelligenter, schneller und kleiner sind. Diese Entwicklung wird durch Fortschritte bei Halbleitermaterialien und -fertigungsverfahren vorangetrieben, wie z.B. Mehrlagen-IC (integrierte Schaltkreise), Submikron-IC-Eigenschaften und Großintegration. Die Montage- und Verbindungsverfahren spielen eine tragende Schlüsselrolle bei der Entwicklung. Materialien für die Montage- und Verbindungsverfahren müssen eine hochergiebige Fertigung, hochdichte Montage, schnelle Signalausbreitung und Verträglichkeit mit Oberflächenmontage und direkter Befestigung von Komponenten unterstützen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden Verstärkungen mit niedrigerem CTE (coefficient of thermal expansion, Wärmeausdehnungskoeffizienten) innerhalb der Ebene, größerer Dimensionsstabilität, niedrigerer Dielektrizitätskonstante und glatten Oberflächen benötigt.
  • Der CTE ist eine wichtige Eigenschaft der Substratplatte für gedruckte Schaltungen (printed wiring board, PWB), insbesondere bei den Oberflächenmontage und Chip-Direktbefestigungsanwendungen. Eine CTE-Fehlanpassung zwischen dem Chip (oder Chip-Träger) und der Platte verursacht Zuverlässigkeitsprobleme aufgrund des möglichen Reißens der Lötstellen während der thermischen Zyklen. Verschiedene Verfahren wurden entwickelt, um eine gewisse Zuverlässigkeit der Lötstellen sicherzustellen, z.B. "J"-Anschlüsse, Gull-Wing-Anschlüsse, Chip-Träger mit Anschlüssen und anschlußlose Chip-Träger. Jedoch führte der hohe (13-18 ppm/ºC) CTE innerhalb der Ebene des Standard-Epoxidharz/E-Glases oder -Polyimid/E-Glases noch zu einigen Fällen des Versägens von Löststellen. Damit die Komponenten erfolgreich eine Prüfung der Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse bestehen, sind CTEs innerhalb der Ebene von 8-10 ppm/ºC notwendig.
  • Die erfolgreiche Herstellung von mehrlagigen PWBs erfordert auch Lage-zu-Lage-Anschlußflecken-Deckung und Deckung oder Fluchtung von Durchgangslöchern zu Anschlußflecken. Während der Fertigung von PWBs erfahren Laminatmaterialien eine Anzahl thermischer Exkursionen, einschließlich Ausheizzyklen bei 120- 150ºC und kurzen Einwirkungen von Temperaturen so hoch wie 280ºC. Im allgemeinen verursachen diese thermischen Einwirkungen Dimensionsänderung in den Laminatmaterialien.
  • Normalerweise, und insbesondere im Fall von p-Aramidfasern, ist der Faser-CTE viel niedriger als der Harz-CTE. Es ist möglich, Laminate mit niedrigem CTE durch Verwendung sehr geringer Harzgehalte ((40 Gew.-%) herzustellen, wobei die Fasereigenschaften über die Verbundstoffeigenschaften dominieren, so wie es in US-A 4 729 921 beschrieben ist, welche die CTE-Steuerung durch Absenken des Harzgehaltes lehrt. Bei diesen bekannten Laminaten kann das Nonwovenaramid-Verstärkungsflächengebilde p-Aramidflocke und Poly(m-phenylenisophthalamid)fibride als Bindemittel in einer Menge von 5 bis 25 Gew.-% der Gesamtfeststoffe enthalten. Jedoch hat dieses Laminat geringe Schälfestigkeit, Hohlräume usw. und erfüllt nicht alle Anforderungen an die Eigenschaften für ein zuverlässiges PWB und stellt somit keinen praktikablen Weg zur Herstellung von PWBs dar.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Nonwovenaramidflächengebilde zur Verfügung, das als Verstärkung in Laminatplatten für gedruckte Schaltungen geeignet ist, wobei das Nonwovenaramidflächengebilde einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 10 ppm pro ºC besitzt, das Flächengebilde aus 5 bis 25 Gew.-% Poly(m-phenylenisophthalamid)fibriden und 75 bis 95 Gew.-% p-Aramidflocke besteht, und das getrocknete Flächengebilde ein Flächengewicht von zwischen 27 und 136 g/m² (0,8 und 4,0 Unzen/Yard²), eine Dichte zwischen 0,5 und 1, g/cm³ und eine Gurley-Hill-Porosität von weniger als 10 Sekunden hat.
  • Ebenso wird ein Laminat aus hitzegehärtetem Harz mit hoher Dimensionsstabilität zur Verfügung gestellt, das als Substratplatte für gedruckte Schaltungen geeignetes ist, das im wesentlichen aus hitzegehärtetem Harz besteht, das mit 43 bis 57 Gew.-% des Nonwovenaramidflächengebildes dieser Erfindung verstärkt ist.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Verstärkung der Laminate dieser Erfindung ist ein Nonwovenaramidflächengebilde mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von weniger als 10 ppm pro ºC und wird aus 75 bis 95 Gew.-% p-Aramidflocke und 5 bis 25 Gew.-% Poly(m- phenylenisophthalamid)fibriden hergestellt. Flocke sind in US- Patent Nr. 4 729 921 als Stapelfasern mit einer Länge von 12,7 mm (0,5 Inch) oder kürzer definiert. Para-Aramidfasern haben eine sehr hohe Festigkeit und einen sehr hohen Modul. Beispiele für para-Aramide sind in US-Patent Nr. 3 869 429 und in dem Europäischen Patent 330 163 beschrieben. Spezielle Beispiele für para-Aramide sind Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPD-T) und Copoly(p-phenylen-3,4'-oxydiphenylenterephthalamid). Fasern aus PPD-T werden im allgemeinen durch ein Luftspalt-Spinnverfahren hergestellt, wie es z.B. in US-Patent 3 767 756 beschrieben ist; sie werden vorzugsweise wie in US-Patent Nr. 3 869 430 beschrieben hitzebehandelt. Vorzugsweise werden Poly(p-phenylenterephthalamid)flocken, die nicht verfeinert wurden, d.h. so wie sie hergestellt wurde, eingesetzt. Hohe Scherkräfte, die auf die Fasern während der Verarbeitung wirken, z.B. wahrend des Verfeinerns, führen zur Beschädigung der Fasern und wirken sich nachteilig auf den CTE der Verstärkung aus. Es ist ebenso bevorzugt, p-Aramidflocke mit hoher Orientierung und relativ niedriger Kristallinität einzusetzen. Fibride sind in US 4 729 921 als kleine, nichtgranulare, nichtsteife, faser-, film- oder folienartige Teilchen definiert. Zwei ihrer drei Dimensionen liegen im Mikrometerbereich. Fibride aromatischer Polyamide können durch Fällung einer Lösung des aromatischen Polyamids in einer Koagulationsflüssigkeit, wie z.B. durch Verwendung des Fibridierapparates vom Typ, der in US-Patent Nr. 3 018 091 offenbart ist, hergestellt werden.
  • Um das Flächengebilde herzustellen, werden die Flocken und Fibride in den erwünschten Anteilen als eine wäßrige Aufschlämmung dispergiert, wobei die Feststoffkonzentration im allgemeinen zwischen 0,005% und 0,02% liegt. Die Aufschlämmung wird nicht verfeinert. Die Aufschlämmung kann durch herkömmliche Mittel zu Papier verarbeitet werden. In den Beispielen, die folgen, wurden nasse Flächengebilde in einem Schrägdraht- Deltaformer (Papierherstellungsmaschine) gebildet und unter Verwendung beheizter Trocknungswalzen getrocknet. Die getrockneten Flächengebilde, die vorzugsweise ein Flächengewicht zwischen 27 und 136 g/m² (0,8 und 4,0 Unzen/Yard²) besitzen, werden dann zwischen zwei Walzen mit harten Oberflächen kalandriert. Kalandrier-Drücke zwischen etwa 500 und 2500 kg/cm (Spaltendruck) und Walzentemperaturen zwischen etwa 130ºC und 150ºC werden üblicherweise eingesetzt. Die Dichte der Papierverstärkung liegt zwischen 0,5 und 1,0 g/cm³, das Papier hat eine Gurley-Hill-Porosität von weniger als 10 Sekunden.
  • Das Papier wird dann mit einem Harz mit einem hohen Tg- Wert, z.B. oberhalb etwa 160ºC, vorimprägniert. In den Beispielen, die folgen, wurden die Papiere auf einem vertikalen Vorimprägnierturm unter Verwendung eines Epoxidharzsystems mit einem Tg-Wert von etwa 170ºC imprägniert.
  • Der CTE des verstärkten Verbundstoffs ist sowohl eine Funktion des Flächengebildes als auch des Harzes. Der CTE des p-Aramid-Gewebes ist normalerweise viel niedriger als der des Harzes. Jedoch verursacht die Verwendung eines niedrigen Harzgehaltes, während ein niedriger Gesamt-CTE entsteht, andere Probleme. Da weniger Harz als Haftmittel zwischen den Laminatschichten vorhanden ist, wird die Schälfestigkeit reduziert. Ein niedriger Harzgehalt wird auch zu einem höheren Hohlraumgehalt und zu einer größeren Blasenbildungswahrscheinlichkeit führen, wenn die Luft, die in den Hohlräumen eingeschlossen ist, sich beim Erhitzen des PWBs expandiert. Wie zuvor erwähnt, ist es wichtig, daß die Papierverstärkung eine Dichte zwischen 0,5 und 1,0 g/m³, vorzugsweise 0,7 bis 0,95 g/m³, hat, um Dimensionsstabilität während der Fertigung der gedruckten Schaltungen zu ergeben. Weniger Harz wird benötigt, um ein dichteres Papier, d.h. eines mit weniger Hohlräumen, vollständig zu tränken. Dies führt zu einem besseren Gesamt-CTE, da, wie zuvor erwähnt, der CTE des Harzes normalerweise viel größer wie der der Flocke ist.
  • Die folgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung.
    • BEISPIELE
  • Eine wäßrige Aufschlämmung, bestehend aus etwa 79 bis 89 Gew.-% Flocken (kurze Fasern, weniger als 1,27 cm (0,5 Inch) lang) aus Poly(p-phenylenterephthalamid) und 11 bis 21 Gew.-% verfeinerten Poly(m-phenylenisophthalamid)fibriden wurde bei einer Feststoffkonzentration von zwischen 0,005 und 0,02% hergestellt. Die Anteile von Flocken und Fibriden sind in Tabelle 1 angegeben. Die Aufschlämmung wurde wie oben beschrieben zu nassen Flächengebilden geformt und getrocknet. Die getrockneten Flächengebilde mit einem in der Tabelle angegebenen Flächengewicht (FG) wurden bei einem Druck zwischen 554 und 1676 kg/cm (Spaltendruck) kalandriert. Die Papiere hatten nach dem Kalandrieren eine wie in Tabelle 1 angegebenen Dicke und eine berechnete Dichte von zwischen 0,53 und 0,87 g/m³, wie es in Tabelle 1 angegeben ist.
  • Das Papier wurde wie oben beschrieben mit Epoxidharz vor imprägniert, wobei der Harzgehalt für jedes Stück in Tabelle 1 angegeben ist. Laminate wurden durch Zusammenpressen von 14 bis 16 Schichten der vorimprägnierten Stoffe als Sandwich zwischen 28-g(1-Unzen)-Kupferfolie auf jeder Seite in einer Vakuumpresse unter Verwendung des folgenden Press-(Zeit/Temperatur)-Zyklus hergestellt: 1 Minute bei 93ºC (200ºF), 0,5516 bar (8 psi); 40 Minuten bei 177ºC (350ºF), 41,37 bar (600 psi); 30 Minuten bei 204ºC (400ºF), 13,79 bar (200 psi); und 5 Minuten bei 38ºC (100ºF), 6,895 bar (100 psi). Proben wurden von den dicken Laminaten abgeschnitten und das Kupfer abgeätzt. Der CTE wurde in den MACHINE-"X"- und CROSS-"Y"-Richtungen unter Verwendung eines Dupont-Thermomechanik-Analysators gemessen und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. TABELLE 1

Claims (4)

1. Nonwovenaramidflächengebilde, das als Verstärkung in Laminatplatten für elektronische gedruckte Schaltungen geeignet ist, wobei das Nonwovenaramidflächengebilde einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 10 ppm pro ºC besitzt, das Flächengebilde aus 5 bis 25 Gew.-% Poly(m-phenylenisophthalamid)fibriden und 75 bis 95 Gew.-% p-Aramidflocke besteht, und das getrocknete Flächengebilde ein Flächengewicht von zwischen 27 und 136 g/m² (0,8 und 4,0 Unzen/Yard²) und eine Dichte zwischen 0,5 und 1,0 g/cm³ und eine Gurley-Hill- Porosität von weniger als 10 Sekunden hat.
2. Ein Nonwovenaramidflächengebilde gemäß Anspruch 1 mit einer Dichte zwischen 0,7 und 0,95 g/cm³.
3. Ein Nonwovenaramidflächengebilde gemäß Anspruch 1, worin die p-Aramidflocke Poly(p-phenylenterephthalamid) ist.
4. Ein als Substratplatte für gedruckte Schaltungen geeignetes Laminat mit hoher Dimensionsstabilität aus hitzegehärtetem Harz, das im wesentlichen aus hitzegehärtetem Harz besteht, das mit 43 bis 57 Gew.-% des Nonwovenaramidflächengebildes nach Anspruch 1 oder 2 verstärkt ist.
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