DE69825534T2

DE69825534T2 - Verbundlaminat für gedruckte Leiterplatten

Info

Publication number: DE69825534T2
Application number: DE69825534T
Authority: DE
Inventors: Felip Balsells Coca; Antonio Rodriguez Siurana
Original assignee: Aismalibar SA
Current assignee: Aismalibar SA
Priority date: 1997-09-10
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2018-09-08
Also published as: US6143414A; ES2138909A1; DE69825534D1; EP0902608A1; KR19990029642A; ES2138909B1; ATE273608T1; KR100362304B1; EP0902608B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundlaminat für gedruckte Leiterplatten des Typs, der Lagen aus Glasfasergewebe und mit Harz imprägniertem Glasfaserpapier sowie Lagen von leitendem Material auf einer oder beiden Außenseiten umfasst.
Hintergrund der Erfindung
Gedruckte Leiterplatten werden aus Stapeln von Lagen aus Glasfasergewebe, Glasfaserpapier oder ähnlichem hergestellt, das mit einem Harz wie zum Beispiel Epoxid-, Phenol- oder Polyesterharz etc. imprägniert ist. Eine oder beide Außenseiten dieses Stapels umfassen eine oder zwei Lagen Kupfer, die dazu dienen, die Leitungen der gedruckten Schaltung zu bilden.
Einmal gebildet wird der Stapel einer Hitze- und Druckbehandlung ausgesetzt, um das Harz auszuhärten und ein Verbundlaminat zu erhalten, aus dem die Leiterplatten für die gedruckten Schaltungen in gewünschter Größe ausgeschnitten werden.
Es existieren verschiedene Verbundlaminate, und die Materialien der Basislagen und der zum Imprägnieren der Basislagen verwendeten Harze können je nach Anwendung variiert werden, für die sie verwendet werden sollen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Verbundlaminate, die aus Lagen aus Glasfasergewebe und Lagen aus mit Epoxidharzen imprägniertem Glasfaserpapier hergestellt sind.
Zwei dieser weitverbreiteten Verbundmaterialien sind zum Beispiel im US Standard NEMA L1-1 beschrieben und sind auf diesem Fachgebiet unter den Bezeichnungen "CEM-3" und "FR-4" bekannt.
CEM-3 ist ein Verbundlaminat, das zwei äußere Lagen von Endlosfaden-Glasfasergewebe und einen Kern aus nicht gewebter Glasfaser (hergestellt aus Lagen von Glasfaserpapier) umfasst, wobei alle Lagen mit Epoxidharz imprägniert sind; dies ist der nächstkommende Stand der Technik der vorliegenden Erfindung und dient als Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1.
FR-4 ist ein Verbundlaminat, das nur aus Lagen von mit einem Epoxidharz imprägnierten Glasfasergewebe hergestellt ist.
FR-4 ist ein Material mit guter Wärmebeständigkeit (die Dehnung auf Grund einer Temperaturerhöhung ist niedrig), aber Glasfasergewebe hat einen hohen Preis und darüber hinaus ist das Laminat aufgrund seiner Härte schwer auszustanzen. Folglich ist dieses Material teuer und normalerweise für das Gebiet der professionellen Elektronik reserviert.
CEM-3 ist kostengünstiger und leichter auszustanzen; es weist nichtsdestotrotz einige Eigenschaften auf, die für einige Anwendungen entscheidend sein können. Zum Ersten ist seine Formbeständigkeit unter thermischer Belastung niedriger als die von FR-4, und in einigen Fällen kann die thermische Ausdehnung der Leiterplatte zu einem Bruch der Lötstellen führen. Dieses Phänomen tritt insbesondere dann auf, wenn oberflächenmontierte keramische Bauteile und integrierte Schaltungen verwendet werden, die als "SMD" (Surface Mounting Device-Oberflächenmontagebauteil) verwendet werden, speziell dort, wo solche Bauteile von beträchtlicher Länge sind.
Folglich dürfte dort, wo SMD-Keramikbauteile von großen Abmessungen in die Schaltung eingebaut werden müssen, ein Bedarf bestehen, FR-4 Leiterplatten zu verwenden, wodurch die Herstellung der gedruckten Schaltungen teurer würde. Es ist wünschenswert, solche erhöhten Kosten zu vermeiden, insbesondere in den Bereichen Verbraucher- und semiprofessionelle Elektronik, bei denen eine erhöhte Anzahl von SMDs verwendet wird.
Ein weiterer Nachteil von CEM-3 ist, dass es beim Prozess des Einkerbens der Arbeitsplatten in individuellen Schaltungen mittels Einritztechnik (Scoring) zerbrechlicher ist, da die ausgebildete Kerbe die Glasfaserlage komplett beseitigen kann, so dass das verbleibende imprägnierte Papier nicht stark genug ist, einen ungewollten Bruch der Platte zu verhindern.
Der Artikel "CEM-3 Improvements" in "Printed Circuit Fabrication", Bd. 20, Nr. 2, S. 36–40 offenbart ein verbessertes CEM-3 Laminat einschließlich zweier gewebter Glasfaseraußenlagen, einem Glasfasermattenkern und zwei weiteren gewebten Glasfaserlagen zwischen dem Kern und den äußeren Lagen.
Beschreibung der Erfindung
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundlaminat für gedruckte Leiterplatten bereit zu stellen, das die Herstellung von Leiterplatten erlaubt, die auch dann zuverlässig sind, wenn SMD-Bauteile verwendet werden, während sie gleichzeitig relativ wenig kosten; dieses Material ist besonders geeignet für die Anwendung auf dem Bereich der Verbraucher- und semiprofessionellen Elektronik.
Gemäß diesen Aufgaben ist das Verbundlaminat der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass es in seinem nicht gewebten Glasfaserkern mindestens eine Zwischenlage aus mit Harz imprägniertem Glasfasergewebe umfasst.
Dieses neue Laminat hat viele Vorteile. Erstens ermöglicht die Zwischenlage aus Glasfasergewebe eine erhebliche Verbesserung der Wärmeausdehnungsstabilitätseigenschaften im Vergleich mit CEM-3 (das neue Material hält den Wärmebeständigkeitstests viel besser als CEM-3 stand, bei denen es Zyklen von Extremtemperaturen ausgesetzt ist), während es gleichzeitig weniger als FR-4 kostet. Es hat sich tatsächlich herausgestellt, dass es ohne Bruchrisiko der Lötstellen für Leiterplatten verwendet werden kann, die SMD-Bauteile verwenden.
Darüber hinaus können aus diesem Material hergestellte gedruckte Leiterplatten dem "Scoring" unterzogen werden, ohne Anlass für Beständigkeitsprobleme zu geben, denn die Zwischenlagen aus Glasfasergewebe halten die Leiterplatte zusammen, sogar wenn den äußeren Lagen eine Kerbe zugefügt wird.
Vorteilhafterweise wird die Zwischenlage aus Glasfasergewebe mit Epoxidharz imprägniert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der nicht gewebte Glasfaserkern mindestens zwei Zwischenlagen aus mit Harz imprägniertem Glasfasergewebe auf, und vorzugsweise sind die Fasern mindestens einer der Lagen in einer Richtung senkrecht zu den Fasern mindestens einer der äußeren Lagen orientiert.
Der Einbau von mehreren Lagen aus Glasfasergewebe, deren Fasern gekreuzt sind, erhöht die Formbeständigkeit in allen Richtungen der Leiterplatte.
Gemäß einem Gestaltungsmerkmal sind die Zwischenlagen aus Glasfasergewebe im Wesentlichen in einem Mittenbereich des Kerns angeordnet.
Kurzbeschreibung der Figuren
Zu einem besseren Verständnis des bisher dargelegten sind einige Zeichnungen beigefügt, die schematisch und lediglich durch ein nicht beschränkendes Beispiel einen praktischen Fall der Ausführungsform darstellen.
Die einzige Figur zeigt im Querschnitt einen Stapel von Lagen, der zur Herstellung des Verbundlaminats gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorbereitet ist.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Das Verbundlaminat der Erfindung ist im in der Figur dargestellten Beispiel aus einem Stapel gebildet, der eine erste äußere Lage 1 aus Glasfasergewebe, einen Kern 2 und eine zweite Außenlage 3 aus Glasfasergewebe aufweist. Der Kern 2 umfasst einige Lagen aus Glasfaserpapier, wobei zwei im dargestellten Beispiel beziffert und mit den Bezugszeichen 4 und 5 gekennzeichnet sind, und im Mittenbereich des Kerns sind eine erste Zwischenlage 6 sowie eine zweite Zwischenlage 7 aus Glasfasergewebe eingebaut. Alle Lagen von Glasfasergewebe und Glasfaserpapier sind mit Epoxidharz imprägniert wie im Folgenden beschrieben.
Die Zwischenlagen 6, 7 aus Glasfasergewebe sind in dem Stapel derart angeordnet, dass ihre Fasern in zwei Richtungen im rechten Winkel gegeneinander orientiert sind, um eine Reduktion des Wärmeausdehnungskoeffizienten in beiden Richtungen x, y der hergestellten gedruckten Leiterplatte zu erreichen.
Auf einer der offenen Seiten des Stapels ist eine Lage Kupfer 8 enthalten, die dazu verwendet wird, die gedruckte Schaltung als solche zu bilden.
Das Laminat wird wie folgt hergestellt.
Glasfaserpapier mit einem Gewicht zwischen 50 und 100 g/m², vorzugsweise 75 g/m², wird durch Eintauchen in ein aus Epoxidharz, Mineralfüllstoffen, Härter, Beschleuniger und geeigneten Lösungsmitteln zusammengesetztes Gemisch imprägniert. Auf die Regulierung der absorbierten Gemischmenge unter Verwendung von Spendezylindern folgend wird das Lösungsmittel in einem Heißlufttunnel verdampft und der erhaltene Trockenstreifen, der vorimprägniert genannt wird ("Prepreg"), wird in Lagen geschnitten; die sich ergebenden Lagen weisen ein Gewicht zwischen 400 und 800 g/m² auf, vorzugsweise 650 g/m².
Beispiele für geeignete Epoxidharze sind unter Anderem die, die unter den Bezeichnungen Epikote 220, Epikote 1143, Araldite^® 8014 und DER 537 vermarktet werden. Der weitestverwendete Härter ist Dizyandiamid. Benzyl-Dimethyl-Amin, Alkylimidazole Arylimidazole, etc. können als Beschleuniger verwendet werden. Kalziumcarbonat, Magnesium-Kalziumcarbonat, Aluminiumsilikat, Aluminiumhydroxid, Siliziumoxid, etc. können als Mineralfüllstoffe verwendet werden.
In ähnlicher Weise wird kontinuierliches Glasfasergewebe mit zwischen 100 und 240 g/m², vorzugsweise 200 g/m² imprägniert, bis man ein trockenes Prepreg von zwischen 200 und 400 g/m², vorzugsweise 360 g/m², erhält, und dieses wird ebenfalls in Lagen geschnitten.
Diese Lagen werden anschließend verwendet, um den in der Figur dargestellten Stapel zu bilden, und der Stapel wird einem Prozess unterzogen, der die Anwendung von Hitze und Druck umfasst, um es zu härten und eine gedruckte Leiterplatte zu bilden.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten entlang den x- und y-Achsen des erhaltenen Laminats sind unterhalb der Glasübergangstemperatur (ungefähr 116°C), bei der das Material von einem festen Ansprechverhalten in ein formbares Ansprechverhalten übergeht, zwischen 18 × 10^–6 und 20 × 10^–6 mm/°K für die x-Achse und zwischen 19 × 10^–6 und 21 × 10^–6 mm/°K für die y-Achse.
Es folgt eine Beschreibung der bei einer Anzahl von für Proben des erfindungsgemäßen Laminats und für Proben von bekannten Materialien durchgeführten Tests erhaltenen Ergebnisse, um die Vorteile der Erfindung klar darzustellen.
In den unten dargestellten Beispielen wurde dir Imprägnierung unter Verwendung von Mischungen der folgenden Zusammensetzungen (Gewichtsanteile) durchgeführt:
Glasfaserpapier mit 75 g/m² wurde mit dem Gemisch 1 imprägniert und ergab, nachdem die Lösungsmittel verdampft waren, ein Prepreg mit einem Gewicht von 650 g/m², das unten als IGP (Imprägniertes Glasfaserpapier) dargestellt ist.
In ähnlicher Weise wurde Glasfasergewebe mit 203 g/m² mit dem Gemisch 2 imprägniert und ergab, nachdem die Lösungsmittel verdampft waren, ein Prepreg mit einem Gewicht von 365 g/m², unten dargestellt als IGT (Imprägniertes Glasfasergewebe).
Diese Prepregs wurden zusammen mit einer Lagen von elektroabgeschiedenem Kupfer von 296 g/m² (35 μm) verwendet, um die folgenden Laminate herzustellen:
Laminat A ist ein Material vom Typ FR-4 gemäß Standard CEI 249-2-5 und Laminat B ist ein Material vom Typ CEM-3 gemäß Standard CEI-249-2-10, wohingegen Laminat C eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laminats wie in der Figur dargestellt bildet.
Diese Laminate wurden zwischen Stahlplatten unter einem spezifischen Druck von 35 bar und einem Temperaturzyklus von 60 Minuten bei 150°C verdichtet.
Die Eigenschaften der drei erhaltenen Laminate wurden gemäß Standard CEI-249-1 mit den folgenden Ergebnissen getestet:
Wie ersichtlich ist die Wärmeausdehnung des neuen Materials wesentlich niedriger als die von CEM-3, die nahe an der von FR-4 für die y-Achse liegt, trotz der Tatsache, dass es nur halb so viele Glasfasergewebelagen wie FR-4 aufweist, und ist deshalb viel günstiger.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Laminats beschrieben und dargestellt wurden, versteht es sich, dass dieses Material verändert und modifiziert werden kann, z. B. hinsichtlich der Anzahl von Lagen jeden Typs und ihrer geometrischen Abmessungen, was als innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzumfangs als beinhaltet betrachtet werden muss.
Tatsächlich kann es entsprechend der besonderen Anforderungen der Anwendung, für die das Material bestimmt ist, Änderungen geben, z. B. bei der Anzahl von Lagen von Glasfaserpapier und Lagen von Glasfasergewebe, die im Kern umfasst sind, und Änderungen bei deren Position innerhalb des Kerns.

Claims

Verbundlaminat für gedruckte Leiterplatten, das zwei äußere Lagen (1, 3) aus Endlosfaden-Glasfasergewebe und einen Kern (2) aus nicht gewebter Glasfaser enthält, der aus Glasfaserpapierbögen (4, 5) hergestellt ist, wobei alle Bögen mit Epoxidharz imprägniert sind und auf einer oder beiden Außenseiten mindestens eine Lage aus leitendem Material (8) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass es in seinem nicht gewebten Glasfaserkern mindestens eine Zwischenlage (6, 7) aus mit Harz imprägniertem Glasfasergewebe umfasst.
Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlage (6, 7) aus Glasfasergewebe mit Epoxidharz imprägniert ist.
Laminat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht gewebte Glasfaserkern (2) mindestens zwei Zwischenlagen (6, 7) aus mit Harz imprägniertem Glasfasergewebe aufweist.
Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mindestens einer (6) der Lagen in einer Richtung senkrecht zu den Fasern mindestens einer der äußeren Lagen (1, 3) orientiert sind.
Laminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagen aus Glasfasergewebe im wesentlichen in einem Mittenbereich des Kerns angeordnet sind.