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Die
vorliegende Erfindung basiert auf von der Regierung geförderter
Forschung als Teil des Vertrags Nr. 66001-96-C-8613, erteilt vom Naval Command,
Control and Ocean Surveillance Center, RDT&E Division im Rahmen des Projekts
Planar Capacitor Layer For Mixed Signal MCMs. Die US-Regierung kann
an der vorliegenden Erfindung gewisse Rechte besitzen.
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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein passives elektrisches Element,
Schaltungselemente daraus und das passive elektrische Element aufweisende
Schaltungselemente. Das passive elektrische Element umfaßt mindestens
zwei selbsttragende Substrate mit einer elektrisch isolierenden
oder elektrisch leitenden Schicht zwischen den Substraten.
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Allgemeiner Stand der
Technik
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Ein
anhaltender Trend in der Elektronikindustrie ist die Miniaturisierung
von Elektronikschaltungen und die Bestrebungen in Richtung einer
immer höheren
Schaltkreisdichte. Ein Großteil
der Oberfläche
von heutigen herkömmlichen
Leiterplatten wird von oberflächenmontierten
Kondensatoren und anderen passiven Bauelementen beansprucht. In
der Industrie ist erkannt worden, daß eine Möglichkeit, um die Schaltkreisdichte
weiter zu erhöhen,
darin besteht, oberflächenmontierte
passive Strukturen zu eliminieren und passive Strukturen in den
Leiterplatten selbst einzubetten oder zu integrieren. Der zusätzliche
Vorteil ist, daß die
Kondensatoren viel näher
an den aktiven Komponenten plaziert sind, wodurch die Länge elektrischer
Zuleitungen und die Leitungsinduktanz reduziert wird, was die Schaltungsgeschwindigkeit
verbessert und Signalrauschen reduziert. Beispiele für eingebettete
oder integrierte Elemente sind aus den US-Patenten Nrn. 5,010,641, 5,027,253,
5,079,069, 5,155,655, 5,161,086, 5,162,977, 5,261,153, 5,469,324,
5,701,032, 5,745,334 und 5,769,587 bekannt.
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Ein
grundlegender Kondensatoraufbau besteht aus zwei elektrisch leitenden
Elektroden, die durch eine dünne
Schicht aus elektrisch isolierendem dielektrischem Material getrennt
sind. Bei der gegenwärtigen
Technologie mit eingebetteten Kondensatoren ist das dielektrische
Material in der Regel ein anodisiertes oder aufgesputtertes Metalloxid
wie etwa Tantaloxid oder ein Keramik mit hoher Dielektrizitätskonstante
wie etwa Bariumtitanat, das in einer Matrix aus einem gewissen thermisch
und mechanisch stabilen Polymer wie etwa Epoxid dispergiert ist.
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Bekannterweise
müssen
die Metallelektroden rauhe Oberflächen aufweisen, damit die Kondensatoren
auf Polymerbasis eine zufriedenstellende mechanische Festigkeit
und Zwischenschichthaftung besitzen. Diese rauhen Oberflächen begrenzen
die Mindestdicke, die möglich
ist, ohne daß Kurzschlüsse („Kurze") und starke Leckströme über die
Kondensatorstruktur hinweg entstehen, da ansonsten Vorsprünge auf
den beiden zugewandten Elektrodenoberflächen die Lücke über die dielektrische Schicht hinweg überbrücken und
einen Kontakt herstellen könnten.
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Die
Kapazität
C eines Kondensators mit parallelen Platten ist gegeben durch die
Gleichung C = KA/4πd,
wobei K die Dielektrizitätskonstante
des Mediums zwischen den Platten, A die Fläche der Platten und d den Abstand
zwischen den Platten darstellt. Die Kapazität pro Flächeneinheit (in der Regel gemessen
als nF/cm2) kann nur erhöht werden, indem die Dicke
der dielektrischen Schicht (Elektrodenabstand) des Kondensators
reduziert oder die Dielektrizitätskonstante
des dielektrischen Materials zwischen den Elektroden erhöht wird.
Es wurde also davon ausgegangen, daß man in Kondensatoren auf Polymerbasis
eine höhere
Kapazität pro
Flächeneinheit,
die für
moderne schnelle Hochfrequenzschaltungen benötigt wird, nur durch den Einsatz
von Dielektrika mit ungewöhnlich
hohen Dielektrizitätskonstanten
erzielen kann.
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Es
ist wohlbekannt, daß Kondensatoren
ausgebildet werden können,
indem eine Schicht aus einer Keramik mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, die
in einem organischen Polymer dispergiert ist, zwischen zwei leitenden
Elektrodenfolien angeordnet wird, z.B. Bariumtitanat in Epoxid zwischen
Kupferfilmen. Solche Kondensatorfolien oder -laminate können als
eine Schicht in Leiterplatten und Multichipmodulen dazu verwendet
werden, oberflächenmontierte diskrete
Kondensatoren zu ersetzen. Solche Kondensatorfolien werden gegenwärtig vertrieben;
sie besitzen jedoch eine geringe Kapazität (in der Regel unter 1 nF/cm2), was ihre Nützlichkeit begrenzt. Zwei wohlbekannte
Möglichkeiten,
wie die Kapazität
eines derartigen Laminats erhöht
werden kann, bestehen darin, die Beschichtungsdicke zu senken und
die Dielektrizitätskonstante
zu erhöhen.
Damit die Beschichtungsdicken nützlich
sind, müssen
sie in der Regel im Bereich zwischen 1 und 10 Mikrometern (μm) liegen
und einen Keramikanteil von etwa 50% aufweisen. Kommerziell erhältliche
Kondensatorlaminate weisen eine 50 bis 100 μm dicke dielektrische Schicht
auf.
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EP-A-00
08 107 betrifft eine elektrische Filmschaltung, bei der zwei Metallsubstrate über zwei
dazwischen liegende Klebeschichten mit einem elektrisch isolierenden
oder elektrisch leitenden inneren Polymer verbunden sind.
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Kurze Darstellung der
Erfindung
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Die
Industrie ist weiter auf der Suche nach einem Kondensatorelement,
das ausreichende mechanische Festigkeit und chemische Beständigkeit
aufweist, damit es Schaltungsherstellungs- und -handhabungsprozesse überstehen
kann; nach dielektrischen Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante, die über große Frequenz-
und Temperaturbereiche hinweg stabil sind; nach dünnen dielektrischen Schichten,
um die manchmal benötigte
hohe Kapazität
zu erzielen; und nach den Charakteristiken niedriger Gleichstrom-(DC)-Leckstrom,
geringer Verlust und hoher Durchbruch, die über die recht großen Flächen dielektrischer
Schichten (z.B. mehrere Quadratzentimeter) keinen galvanischen Kontakt
oder „Kurzschlüsse" aufweisen und auf
die sich Umweltbedingungen, die bei Wartung oder beim Qualifikationstesten
auftreten, nicht auswirken.
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Die
Bestrebungen in Richtung auf eine Reduzierung der Schaltungsgröße und Minimierung
der Leitungsinduktanz haben auch das Interesse an der Entwicklung ähnlicher
Elemente mit Widerstandsfunktion geweckt.
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf ein passives elektrisches
Element, wie etwa einen Kondensator oder einen Widerstand, das in
eine Schaltung eingebettet oder integriert werden kann oder als ein
Stromkreis wirken kann.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die Merkmale des passiven elektrischen
Elements nach Anspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung eines passiven
elektrischen Elements nach Anspruch 20 definiert.
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Bei
einer Ausführungsform
betrifft die vorliegende Erfindung ein passives elektrisches Element zur
Verwendung bei einer Leiterplatte oder einer flexiblen Schaltung,
aufweisend:(a) ein erstes selbsttragendes Substrat mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, (b)
ein zweites selbsttragendes Substrat mit zwei gegenüberliegenden
Hauptflächen
und (c) eine elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht,
die ein Polymer umfaßt
und zwischen dem ersten und zweiten Substrat eine Dicke im Bereich zwischen
etwa 0,5 und etwa 10 μm
hat. Eine die Schicht kontaktierende Hauptfläche des ersten Substrats und
eine die Schicht kontaktierende Hauptfläche des zweiten Substrats weisen
eine mittlere Oberflächenrauheit
im Bereich zwischen etwa 10 und etwa 300 nm auf. Eine Kraft, die
erforderlich ist, um das erste und zweite Substrat des passiven
elektrischen Elements mit einem Schälwinkel von 90 Grad zu trennen,
ist größer als
etwa 3 Pounds/Inch (etwa 0,5 kN/m).
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Das
passive elektrische Element kann strukturiert werden, um eine elektrische
Schaltung zu bilden, oder es kann ferner einen elektrischen Kontakt zum
Bilden einer elektrischen Schaltung aufweisen. Außerdem betrifft
die vorliegende Erfindung eine Leiterplatte oder eine flexible Schaltung,
die das passive elektrische Element aufweist sowie eine elektrische Einrichtung
mit einer Leiterplate oder einer flexiblen Schaltung, die das passive
elektrische Element aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen
eines passiven elektrischen Elements, das die folgenden Schritte
aufweist: (1) Bereitstellen eines ersten Metallsubstrats mit zwei gegenüberliegenden
Hauptflächen,
die von Verunreinigungen oder chemisorbierten oder adsorbierten Materialien
im wesentlichen frei sind, und eines zweiten Metallsubstrats mit
zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, die
von Verunreinigungen oder chemisorbierten oder adsorbierten Materialien
im wesentlichen frei sind, (2) Herstellen einer Mischung, die ein Harz
umfaßt,
(3) Auftragen der Mischung auf eine erste Hauptfläche des
ersten Substrats, so daß die Mischung
nach dem Härten
oder Trocknen eine Schicht mit einer Dicke im Bereich zwischen etwa
0,5 und etwa 10 μm
bildet, (4) Laminieren der ersten Hauptfläche des zweiten Substrats oder
einer ersten Hauptfläche
des zweiten Substrats, die mit der Mischung beschichtet ist, auf
die erste Hauptfläche
des ersten Substrats und (5) Härten
oder Trocknen der Mischung. Das erste und zweite Substrat können vor Schritt
(2) oder als Konsequenz von (5) geglüht werden. Die erste Hauptfläche des
ersten Substrats und die erste Hauptfläche des zweiten Substrats weisen eine
mittlere Oberflächenrauheit
im Bereich zwischen etwa 10 und etwa 300 nm auf. Eine Kraft, die erforderlich
ist, um das erste und zweite Substrat des passiven elektrischen
Elements mit einem Schälwinkel
von 90 Grad zu trennen, ist größer als
etwa 3 Pounds/Inch (etwa 0,5 kN/m).
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Die
vorliegende Erfindung ist deshalb einzigartig, weil das passive
elektrische Element eine relativ dünne elektrisch isolierende
oder elektrisch leitende Schicht in Kombination mit relativ glatten
Substraten aufweist und dennoch Haftung erzielt, wie hier beschrieben.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird ferner unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
erläutert,
in denen in den mehreren Ansichten die gleiche Struktur mit der
gleichen Zahl bezeichnet ist, wobei die Dicke von Schichten nicht
notwendigerweise maßstabsgetreu
ist; es zeigen:
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1A und 1B Querschnittsansichten eines
passiven elektrischen Elements der vorliegenden Erfindung, das als
ein Kondensator oder ein Widerstand fungieren kann,
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1C eine
auseinandergezogene Ansicht der elektrisch isolierenden oder elektrisch
leitenden Schicht in 1B,
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2 eine
Querschnittsansicht eines mehrschichtigen passiven elektrischen
Elements der vorliegenden Erfindung, das kapazitive und Widerstandsfunktionen
besitzt,
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3A, 3B und 3C Querschnittsansichten
einer Leiterplatte (PCB), die ein passives elektrisches Element
der vorliegenden Erfindung enthält,
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4 eine
Querschnittsansicht einer PCB, die das Element von 2 enthält,
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5A eine
Draufsicht auf ein passives elektrisches Element, das als ein Kondensator
oder Widerstand der vorliegenden Erfindung fungieren kann, das zum
Bilden einer elektrischen Schaltung verwendet werden kann, und
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5B eine
Querschnittsansicht des Elements von 5A entlang
der Linie 5B-5B.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein passives elektrisches Element,
das als Kondensator oder Widerstand fungieren kann, der beispielsweise
als eine Komponente einer Schaltung, beispielsweise einer PCB oder
einer flexiblen Schaltung (flexible Schaltungen sind eine Art von
PCB), eingebettet oder integriert sein kann. Außerdem kann das passive elektrische
Element selbst als elektrische Schaltung fungieren.
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Passives elektrisches
Element
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Ein
passives elektrisches Element der vorliegenden Erfindung umfaßt ein erstes
selbsttragendes Substrat mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, ein
zweites selbsttragendes Substrat mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen und
eine elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht (insgesamt auch
als „die
Schicht" bezeichnet)
zwischen dem ersten und zweiten Substrat, die dazu dient, daß die beiden
Substrate haften. Zur Bildung eines Kondensators ist die Schicht
elektrisch isolierend; zur Bildung eines Widerstands ist die Schicht
elektrisch leitend.
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Die
Anwendungen für
ein passives elektrisches Element der vorliegenden Erfindung sind
vielfältig
und der Bereich der gewünschten
Kapazität oder
des gewünschten
Widerstands variiert je nach der Anwendung. Die 1A und 1B veranschaulichen
ein passives elektrisches Element 10a und 10b der
vorliegenden Erfindung, das als ein Kondensator oder Widerstand
fungieren kann. Das passive elektrische Element 10a umfaßt ein erstes
Substrat 11a, ein zweites Substrat 13a und eine
elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht 12a.
Das passive elektrische Element 10b umfaßt ein erstes
Substrat 11b, ein zweites Substrat 13b und eine
elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht 12b.
Die Schicht 12b enthält
eine Vielzahl von Teilchen 16 in einem Polymer 15,
wie in der erweiterten 1C gezeigt. Die Teilchen sind
möglicherweise
miteinander verbunden und können
je nach der gewünschten
Endanwendung auf bestimmte Weise angeordneet sein, beispielsweise
gleichförmig
oder zufällig
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Die
Hauptfläche 11a' des ersten
Substrats 11a oder die Hauptfläche 11b' des ersten Substrats 11b muß leitend
sein, um einen Kondensator oder einen Widerstand zu bilden. Die
Hauptfläche 13a' des zweiten
Substrats 13a oder die Hauptfläche 13b' des zweiten Substrats 13b muß leitend
sein, um einen Kondensator zu bilden, kann aber je nachdem, ob die beabsichtigte
Richtung des Stromflusses quer zur elektrisch isolierenden oder
elektrisch leitenden Schicht 12a bzw. 12b verläuft, wie
in Fall des Kondensators, oder in der Ebene der elektrisch insolierenden
oder elektrisch leitenden Schicht 12a bzw. 12b,
entweder isolierend oder leitend sein, um einen Widerstand zu bilden.
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Wenn
das passive elektrische Element in 1A oder 1B ein
Widerstand ist, dann ist die Schicht elektrisch leitend, und wenn
ein Stromfluß quer
durch den Widerstand erwünscht
ist, ist zumindest ein Teil der Hauptfläche 13a' oder 13b' in Kontakt mit der elektrisch
leitenden Schicht 12a bzw. 12b leitend. Wenn ein
Widerstandsstromfluß in
der Ebene der elektrisch leitenden Schicht 12a oder 12b erwünscht ist,
befinden sich nicht gezeigte Stromeingangs- und -ausgangskontakte
am ersten Substrat 11a bzw. 11b oder wahlweise
an den seitlichen Flächen 14a und 14b der
elektrisch leitenden Schicht 12a bzw. 12b und
das zweite Substrat 13a oder 13b ist bevorzugt
ein isolierender Nichtleiter.
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2 veranschaulicht
ein Beispiel für
ein passives elektrisches Element der vorliegenden Erfindung mit
mehr als zwei Substraten und mehr als einer elektrisch leitenden
oder elektrisch isolierenden Schicht, die sich in diesem Fall als
Widerstand in Reihe mit einem Kondensator eignet. Das passive elektrische
Element 20 umfaßt
ein erstes Substrat 21, das beispielsweise leitend ist;
eine elektrisch leitende Schicht 22 mit einer Vielzahl
von Teilchen (nicht gezeigt); ein zweites Substrat 23,
das beispielsweise leitend ist; eine elektrisch isolierende Schicht 24 mit einer
Vielzahl von Teilchen (nicht gezeigt); und ein drittes Substrat 25,
das beispielsweise leitend ist.
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Eine
Kraft, die erforderlich ist, um das erste und zweite Substrat des
passiven elektrischen Elements unter einem Schälwinkel von 90 Grad zu trennen,
liegt über
etwa 3 Pounds/Inch (etwa 0,5 Kilonewton/Meter (kN/m)), bevorzugt über 4 Pounds/Inch (0,7
kN/m), besonders bevorzugt über
6 Pounds/Inch (1 kN/m), bei Messung gemäß dem IPC Test Method Manual,
IPC-TM-650, Test Nummer 2.4.9, datiert Oktober 1988, wie vom Institute
for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits veröffentlicht.
Wenn mehr als zwei Substrate in dem passiven elektrischen Element
der vorliegenden Erfindung vorliegen, ist die Kraft nötig, um
ein beliebiges Paar von Substraten zu trennen, die durch eine elektrisch
isolierende oder elektrisch leitende Schicht getrennt sind.
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Substrat
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Ein
Substrat des passiven elektrischen Elements kann eine Einzelschicht
oder eine Vielzahl von Schichten umfassen, beispielsweise ein Laminat.
Ein Substrat kann Graphit umfassen; Verbundwerkstoffe wie etwa Silberteilchen
in einer Polymermatrix; Metall wie etwa Kupfer oder Aluminium; Kombinationen
davon oder Laminate davon. Ein Beispiel für ein mehrschichtiges Substrat
enthält
Kupfer auf Polyimid. Das erste und zweite Substrat können gleich
oder verschieden sein.
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Ein
Substrat gemäß der vorliegenden
Erfindung ist selbsttragend. Der Ausdruck „selbsttragendes Substrat" bezieht sich auf
ein Substrat mit einer strukturellen Integrität derart, daß das Substrat
ohne jeglichen Träger
als Unterstützung
beschichtet und gehandhabt werden kann. Es wird bevorzugt, daß ein Substrat
flexibel ist; jedoch können
auch starre Substrate verwendet werden.
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In
der Regel sind die Hauptfläche
des ersten Substrats in Kontakt mit der elektrisch isolierenden Schicht
und die Hauptfläche
des zweiten Substrats in Kontakt mit der elektrisch isolierenden
Schicht leitend, wenn ein Kondensator gebildet wird. Die Oberflächenbehandlung,
durch die Material zu diesen Hauptflächen hinzugefügt wird,
etwa durch Oxidation oder Reaktion mit einem Koppelmittel, beispielsweise
Silanen mit funktionellen Endgruppen, kann zur Förderung der Haftung eingesetzt
werden. Das entstehende Material auf der Hauptfläche des Substrats selbst ist
möglicherweise
nicht unbedingt leitend, doch wird ein Kondensator gebildet, vorausgesetzt die
Substrate selbst sind leitend.
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In
der Regel ist die Hauptfläche
des ersten Substrats in Kontakt mit der elektrisch leitenden Schicht
elektrisch leitend und die Hauptfläche des zweiten Substrats in
Kontakt mit der elektrisch leitenden Schicht je nach dem, ob eine
quer oder in der Ebene verlaufende Stromleitung durch die dazwischen
liegende Widerstandsschicht gewünscht
wird, entweder elektrisch leitend oder elektrisch nichtleitend,
wenn ein Widerstand gebildet wird. Auch diese Hauptflächen können oberflächenbehandelt
werden, wie unter Bezugnahme auf das Bilden eines Kondensators beschrieben
ist, und ein Widerstand wird gebildet, vorausgesetzt das erste Substrat
ist elektrisch leitend und das zweite Substrat ist entweder elektrisch
leitend oder elektrisch nichtleitend.
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Die
Hauptfläche
des ersten Substrats in Kontakt mit der elektrisch isolierenden
oder elektrisch leitenden Schicht und die Hauptfläche des
zweiten Substrats in Kontakt mit der elektrisch isolierenden oder elektrisch
leitenden Schicht besitzen eine mittlere Oberflächenrauheit im Bereich zwischen
etwa 10 und 300 nm, bevorzugt 10 bis 100 nm, besonders bevorzugt
10 bis 50 nm. Wenn die Dicke der elektrisch isolierenden oder elektrisch
leitenden Schicht 1 μm
oder weniger beträgt,
liegt die mittlere Oberflächenrauheit bevorzugt
im Bereich zwischen 10 und 50 nm. Die mittlere Oberflächenrauheit
RMS wird gemessen, indem die Quadratwurzel des Mittels genommen
wird, [(z1)2 + (z2)2 + (z3)2 + ... (zn)2]/n, wobei z ein Abstand über oder
unter dem Mittel der Substratoberfläche und n die Anzahl der gemessenen
Punkte ist und mindestens 1000 beträgt. Die gemessene Fläche ist mindestens
0,2 mm2 groß. Bevorzugt ist kein zn größer als
die halbe Dicke der elektrisch isolierenden oder elektrisch leitenden
Schicht.
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Bevorzugt
weist ein Substrat eine Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 3 Milli-Inch
(etwa 10 bis 80 μm),
bevorzugt 0,5 bis 1,5 Milli-Inch (etwa 10 bis 38 μm) auf.
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Wenn
das Substrat Metall ist, weist das Metall bevorzugt eine Glühtemperatur
auf, die bei oder unter der Temperatur zum Härten der elektrisch isolierenden
oder elektrisch leitenden Schicht liegt, oder das Metall wird geglüht, bevor
die elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht aufgetragen
wird.
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Ein
bevorzugtes Substrat ist Kupfer. Beispielhaftes Kupfer enthält von der
Firma Carl Schlenk, AG, Nürnberg,
Deutschland, erhältliche Kupferfolie.
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Elektrisch
isolierende oder elektrisch leitende Schicht Eine elektrisch isolierende
oder elektrisch leitende Schicht des passiven elektrischen Elements, das
eine oder mehrere Schichten umfassen kann, weist ein Polymer auf.
Bevorzugt umfaßt
die elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht ein Polymer
und eine Vielzahl von Teilchen und wird aus einer Mischung aus Harz
und Teilchen hergestellt.
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Die
elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht wird im
Hinblick auf das Material und die Oberflächenrauheit des Substrats so
gewählt, daß man ein
passives elektrisches Element erhält, das eine oben beschriebene
Kraft zum Trennen des ersten und zweiten Substrats erfordert. Wenn
bei einem passiven elektrischen Element der vorliegenden Erfindung
mehr als zwei Substrate vorliegen, dann können mehr als eine elektrisch
isolierende oder elektrisch leitende Schicht vorliegen und alle
elektrisch isolierenden oder alle elektrisch leitenden Schichten
werden so gewählt,
daß man
die Haftung erhält.
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Geeignete
Harze für
die elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht, die
zum Bilden eines Kondensators oder eines Widerstands verwendet werden
kann, enthalten Epoxid, Polyimid, Polyvinylidenfluorid, Cyanoethylpullulan,
Benzocyclobuten, Polynorbornen, Polytetrafluorethylen, Acrylate
und Mischungen davon. Im Handel erhältliche Epoxide enthalten jene,
die von Shell Chemical Company, Houston, TX, USA, unter der Handelsbezeichnung „Epon 1001F" und „Epon 1050" erhältlich sind.
Das Harz kann bevorzugt eine Temperatur aushalten, die bei einem
typischen Reflowlötvorgang
angetroffen würde,
beispielsweise im Bereich zwischen etwa 180 und 290°C. Diese
Harze können getrocknet
und gehärtet
werden, um die elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht
zu bilden.
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Beispielhafte
Mischungen enthalten Mischungen aus Epoxiden, bevorzugt eine Mischung aus
einem Diglycidylether von Bisphenol A und ein Novolakepoxid, beispielsweise
90 bis 70 Gew.-% „Epon
1001F" und 10 bis
30 Gew.-% „Epon
1050" auf der Basis
des Harzgesamtgewichts.
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Wenn
Teilchen vorliegen, können
die Teilchen dielektrische (oder isolierende) Teilchen oder leitende
Teilchen oder Mischungen davon sein. Die Teilchenverteilung kann
zufällig
oder geordnet sein. In der Regel umfaßt ein passives elektrisches
Element, das so ausgelegt ist, daß es als ein Kondensator fungiert,
dielektrische oder isolierende Teilchen. Ein passives elektrisches
Element, das so ausgelegt ist, daß es als Widerstand fungiert,
kann leitende Teilchen in einem elektrisch leitenden Harz oder in
einem elektrisch isolierenden Harz oder dielektrische Teilchen in
einem elektrisch leitenden Harz umfassen. Wie oben erwähnt, sind
Mischungen von Teilchen geeignet, vorausgesetzt, daß der Gesamteffekt
der Harzschicht für
einen Kondensator isolierend und für einen Widerstand leitend
ist.
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Beispielhafte
dielektrische oder isolierende Teilchen enthalten Bariumtitanat,
Bariumstrontiumtitanat, Titanoxid, Bleizirconiumtitanat, und Mischungen
davon. Ein im Handel erhältliches
Bariumtitanat ist unter der Handelsbezeichnung „BT-8" von Cabot Performance Materials, Boyertown,
PA, USA, erhältlich.
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Beispielhafte
leitende Teilchen können
leitende oder halbleitende Materialien umfassen wie etwa Metall-
oder Metallegierungsteilchen, wobei das Metall Silber, Nickel oder
Gold, vernickelte Polymerkugeln, vergoldete Polymerkugeln (im Handel
erhältlich
von JCI USA Inc, New York, NY, USA, unter der Produktbezeichnungsnummer „20 GNR4.6-EH"), Graphit, Tantalnitride
wie etwa TaN oder Ta2N, Tantaloxynitride
(TaNxOy), dotiertes
Silizium, Siliziumcarbid, Metallsiliziumnitride wie etwa MSiNx, wobei M ein Übergangsmetall wie etwa Ta,
Ti, Cr, Mo oder Nb ist, oder Mischungen davon sein kann.
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Die
Teilchen können
eine beliebige Gestalt aufweisen und können regelmäßig und unregelmäßig geformt
sein. Zu beispielhaften Formen zählen Kugeln,
Plättchen,
Würfel,
Nadeln, Oblaten, Ellipsoide, Pyramiden, Prismen, Flocken, Stäbchen, Platten, Fasern,
Chips, Whiskers und Mischungen davon.
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Die
Teilchengröße, d.h.
die kleinste Abmessung des Teilchens, liegt in der Regel im Bereich
zwischen 0,05 und 11 μm,
bevorzugt 0,05 und 0,3 μm, besonders
bevorzugt 0,05 und 2 μm.
Bei Kondensatoren oder Widerständen,
die Leitung in der Ebene verwenden, umfassen die Teilchen bevorzugt
eine Größe, bei
der mindestens zwei bis drei Teilchen innerhalb der Dicke der elektrisch
isolierenden oder elektrisch leitenden Schicht vertikal gestapelt
werden können.
Ein relativ großes
leitendes Teilchen, d.h. mit einer Teilchengröße, die geringfügig größer ist
als die Beschichtungsenddicke der elektrisch leitenden Schicht,
gestattet, daß individuelle
leitende Teilchen die Lücke
zwischen zwei leitenden Substraten überbrücken, wenn der Widerstand im
quer leitenden Modus verwendet wird, d.h., wenn Strom die elektrisch leitende
Schicht in Querrichtung kreuzt. Während der Laminierung verursachen
diese relativ großen
Teilchen eine Druckkraft, die zu einer Oberflächenverformung und einem „Wisch"-Effekt an der Grenzfläche Teilchen-Substrat führt, was
Oberflächenoxidschichten
entfernen kann. Außerdem
kann ein guter elektrischer Kontakt bereitgestellt werden, der trotz
des Unterschieds beim Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen
den Teilchen und der Harzmatrix während wechselnder Temperaturen
der gehärteten
Harzschicht stabil bleibt. Beschrieben wird dieser Effekt in den
US-Patenten Nrn. 5,686,703 und 5,714,252 sowie der gleichzeitig
anhängigen
US-Anmeldung mit der
laufenden Nummer 08/685125 (auch als WO 98/04107 veröffentlicht).
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Der
Anteil der Teilchen im Polymer beträgt in der Regel 20 bis 60 Vol.-%,
bevorzugt 30 bis 55 Vol.-%, besonders bevorzugt 40 bis 50 Vol.-%,
auf der Basis des Gesamtvolumens der elektrisch isolierenden oder
elektrisch leitenden Schicht.
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In
der Regel liegt die Dicke der elektrisch isolierenden oder elektrisch
leitenden Schicht (die eine oder mehrere Schichten aufweist) im
Bereich zwischen etwa 0,5 und etwa 10 μm, bevorzugt 1 bis 5 μm, besonders
bevorzugt 1 bis 4 μm.
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Verfahren zur Herstellung
eines passiven elektrischen Elements
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines passiven elektrischen Elements gemäß der vorliegenden
Erfindung wird durch die Merkmale von Anspruch 20 definiert. Es
umfaßt
das Bereitstellen eines ersten Substrats mit zwei gegenüberliegenden
Hauptflächen,
die von Verunreinigungen oder chemisorbierten oder adsorbierten
Materialien im wesentlichen frei sind, Bereitstellen einer ein Harz
umfassenden Mischung, Auftragen der Mischung auf eine erste Hauptfläche des
ersten Substrats, Laminieren eines zweiten Substrats mit zwei gegenüberliegenden
Hauptflächen des
zweiten Substrats auf die Mischung auf der ersten Hauptfläche des
ersten Substrats und Härten oder
Trocknen der Mischung. Alternativ kann das zweite Substrat eine
Mischung enthalten, die ein Harz auf ihrer ersten Hauptfläche umfaßt, und
das erste und zweite Substrat können
zusammenlaminiert sein, um die erste Hauptfläche jedes des ersten und zweiten
Substrats zu verbinden, d.h. Zusammenlaminieren der mit einer Mischung
beschichteten Seite jedes Substrats. Bevorzugt umfaßt, wie
oben beschrieben, mindestens eines des ersten und zweiten Leitersubstrats
einen elektrischen Leiter wie etwa ein Metall.
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Das
Substrat ist bevorzugt von Verunreinigungen oder chemisorbierten
oder adsorbierten Materialien im wesentlichen frei, um die Haftung
an der elektrisch isolierenden Schicht zu maximieren. Erreicht wird
dies beispielsweise durch Reduzieren der Menge an organischen Stoffen
auf der Substratoberfläche
und Entfernen von Verunreinigungen von der Substratoberfläche. Zu
beispielhaften Verfahren zählt
die Oberflächenbehandlung
wie oben beschrieben.
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Die
Schritte des Verfahrens werden eingehender unter Bezugnahme auf
die Herstellung eines Kondensators beschrieben, der als erstes und
zweites Substrat eine Kupferfolie und eine aus Epoxid und Bariumtitanatteilchen
gebildete elektrisch isolierende Schicht aufweist.
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Die
Kupferfolie, auf deren Oberfläche
Material vorliegen kann, wie etwa ein organisches Antikorrosionsmittel
(beispielsweise ein Benzotriazolderivat) und Restöle vom Walzprozeß, wird
einer Oberflächenbehandlung
unterzogen, um beispielsweise eine gute Haftung zwischen der elektrisch
isolierenden Schicht und den Kupferfoliensubstraten zu erzielen. Das
Entfernen kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, daß die Folie
mit einem Argon-Sauerstoff-Plasma oder mit einer Luftcorona behandelt wird,
oder es kann eine naßchemische
Behandlung verwendet werden, wie in der Technik durchaus verstanden
wird. Auf beiden Seiten der Folie haftende Teilchen können zum
Beispiel durch eine Ultraschall-/Vakuumbahnreinigungseinrichtung
entfernt werden, die im Handel unter der Handelsbezeichnung „Ultracleaner" von Web Systems
Inc., Boulder, CO, USA, erhältlich
ist. Bevorzugt wird die Kurferfolie während dieses Schritts der Oberflächenbehandlung nicht
zerkratzt, eingedellt oder verbogen, so daß mögliche Beschichtungsprobleme
und Beschichtungsdefekte vermieden werden, die zu ungleichförmiger Beschichtung
oder kurzgeschlossenen Elementen wie etwa kurzgeschlossenen Kondensatoren führen können.
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Die
Mischung kann hergestellt werden, indem ein Harz wie etwa Epoxid,
wahlweise eine Vielzahl von dielektrischen oder isolierenden Teilchen wie
etwa Bariumtitanat und wahlweise ein Katalysator bereitgestellt
werden. Adsorbiertes Wasser oder Materialreste auf den Teilchen,
z.B. Carbonate, die von dem Herstellungsprozeß herrühren, können vor Verwendung von der
Oberfläche
der Teilchen entfernt werden. Das Entfernen kann erreicht werden, indem
die Teilchen bei einer bestimmten Temperatur über einen gewissen Zeitraum,
beispielsweise 15 Stunden lang bei 350°C, an Luft erhitzt werden. Nach dem
Erhitzen können
die Teilchen in einem Exsikkator gelagert werden, bevor sie in der
Mischung verwendet werden.
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Die
Mischung aus Bariumtitanatteilchen und Epoxid kann hergestellt werden,
indem Bariumtitanat, eine Lösung
von Epoxiden in Keton und ein Dispergiermittel miteinander vermischt
werden. In der Regel wird ein mit 6000 UpM laufender hoher Scherrotor-Stator-Mischer
verwendet, wobei die Mischung mit einem Eiswasserbad gekühlt wird.
Das Mahlen in der Kugelmühle
ist ein weiteres beispielhaftes Verfahren. Die Mischung wird ohne
Störung
stehengelassen, wodurch sich Agglomerate am Boden des Behälters absetzen
können,
damit der Filter im nachfolgenden Schritt nicht verstopft. In der
Regel wird ein Absetzen über
12 Stunden oder mehr zugelassen. Die Mischung kann aber auch beispielsweise
durch einen Grobfilter gefiltert werden, dessen Maschenweite etwa
das 10fache der Maschenweite ist, die beim letzten Filtrierschritt
verwendet wird. Als letzter Filtrierschritt wird die Mischung dann beispielsweise durch
einen Siebfilter aus rostfreiem Stahl oder ein Äquivalent mit einer Maschenweite
von etwa 2 bis etwa 5 μm
gefiltert. Die gefilterte Mischung wird auf ihren prozentualen Gehalt
an Feststoffen und das Verhältnis
Bariumtitanat/Epoxid analysiert. Die gewünschte Zusammensetzung erhält man durch
Hinzufügen
eines zusätzlichen
gefilterten Lösungsmittels
und/oder Epoxids. Die Mischung kann in einem Lösungsmittel aufgetragen werden
oder das Lösungsmittel
kann entfallen, wenn das organische Bindemittel eine Flüssigkeit
mit einer Viskosität
ist, die ausreichend niedrig liegt, um ein Beschichten zu ermöglichen.
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Die
Mischung kann Additive wie etwa Dispergiermittel, bevorzugt ein
anionisches Dispergiermittel, wenn eine elektrisch isolierende Schicht
erwünscht
ist, und Lösungsmittel
enthalten. Zu Beispielen für
Dispergiermittel zählen
u.a. ein Copolymer aus Polyester und Polyamin, im Handel unter der Handelsbezeichnung „Hypermeer
PS3" von ICI Americas,
Wilmington, DE, USA, erhältlich.
Zu Beispielen für
Lösungsmittel
zählen
u.a. Methyethylketon und Methyllisobutylketon, die beide im Handel
von Aldrich Chemical, Milwaukee, WI, USA, erhältlich sind. Bei dem bevorzugten
System sind keine weiteren Additive erforderlich; jedoch können zusätzliche
Komponenten wie etwa Mittel zum Ändern
der Viskosität oder
zum Herstellen einer ebenen Beschichtung verwendet werden.
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Der
Mischung kann ein Katalysator oder ein Härtmittel zugesetzt werden.
Wird ein Katalysator oder ein Härtmittel
verwendet, können
sie vor dem Beschichtungsschritt zugesetzt werden. Bevorzugt wird
der Katalysator oder das Härtmittel
unmittelbar vor dem Beschichtungsschritt zugesetzt.
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Zu
beispielhaften Katalysatoren zählen
Amine und Imidazole. Wenn keine Teilchen mit einer basischen Oberfläche, d.h.
mit einem pH-Wert von über 7, vorliegen,
dann können
zu beispielhaften Katalysatoren solche zählen, die saure Spezies erzeugen, d.h.
mit einem pH-Wert von unter 7, wie etwa Sulfoniumsalze. Ein im Handel
von Aldrich Chemical, Milwaukee, WI, USA, erhältlicher Katalysator ist 2,4,6-Tris(dimethylaminomethyl)phenol.
Ein Katalysator wird in der Regel in einer Menge im Bereich zwischen
etwa 0,5 bis etwa 8 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 1,5%, auf der Basis
des Gewichts des Harzes, verwendet. Wenn 2,4,6-Tris(dimethylaminomethyl)phenol verwendet
wird, beträgt
der prozentuale Gewichtsanteil auf der Basis des Gewichts des Harzes bevorzugt
0,5 bis 1%.
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Zu
beispielhaften Härtmitteln
zählen
Polyamine, Polyamide, Polyphenole und Derivate davon. Ein im Handel
erhältliches
Härtmittel
ist 1,3-Phenylendiamin, im Handel erhältlich von E. I. DuPont de Nemours
Company, Wilmington, DE, USA. Ein Härtmittel wird in der Regel
in einer Menge zwischen etwa 10 und etwa 100 Gew.-%, bevorzugt 10
und 50 Gew.-% auf der Basis des Gewichts des Harzes verwendet.
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Die
gesäuberte
Kupferfolie wird unter Einsatz eines beliebigen geeigneten Verfahrens,
beispielsweise mit einer Gravurlackiervorrichtung, beschichtet.
Die Beschichtung erfolgt bevorzugt in einem Reinraum, um die Kontaminierung
zu minimieren. Die Trockendicke hängt vom prozentualen Anteil der
Feststoffe in der Mischung, der relativen Geschwindigkeiten der
Gravurwalze und der Beschichtungssubstanz und von dem Zellenvolumen
der verwendeten Gravur ab. Um eine Trockendicke von im Bereich zwischen
etwa 0,5 und etwa 2 μm
zu erzielen, liegt der prozentuale Anteil der Feststoffe in der Regel
im Bereich zwischen 20 und 60 Gew.-%. Die Beschichtung wird im Ofen
der Beschichtungsvorrichtung in der Regel bei einer Temperatur von
unter etwa 100°C
zu einem nicht klebrigen Zustand getrocknet, bevorzugt trocknet
die Beschichtung in Stadien, beginnend bei einer Temperatur von
etwa 30°C und
endend mit einer Temperatur von etwa 100°C, und wird dann auf eine Walze
gewickelt. Höhere
Endtrockentemperaturen von zum Beispiel bis zu 200°C können eingesetzt
werden, sind aber nicht erforderlich. Es kommt im allgemeinen während des
Trocknungsschritts zu sehr wenig Vernetzung; sein Zweck besteht
hauptsächlich
darin, möglichst
viel Lösungsmittel
zu entfernen. Zurückbleibendes
Lösungsmittel kann
zu einer Blockierung führen
(d.h. unerwünschter
Zwischenschichthaftung), wenn die Beschichtung auf einer Walze gelagert
wird, und zu schlechter Haftung für das Laminat.
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Beschichtungstechniken,
um Defekte zu vermeiden, enthalten Inline-Filterung und Entlüftung (zum
Entfernen von Luftblasen) der Beschichtungsmischung. Außerdem wird
bevorzugt, wenn ein Härtung
erforderndes Harz verwendet wird, daß, ehe zwei mit einer elektrisch
isolierenden Schicht beschichtete Substrate laminiert werden, mindestens eine
der elektrisch isolierenden oder elektrisch leitenden Schichten
teilweise, bevorzugt an Luft, gehärtet wird. Insbesondere kann
die Haftung des Substrats durch Wärmebehandlung der Beschichtung
vor der Laminierung verbessert werden. Bevorzugt ist die Zeit für die Wärmebehandlung
kurz, beispielsweise unter 10 Minuten, insbesondere bei höheren Temperaturen.
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Die
Laminierung erfolgt bevorzugt unter Einsatz von zwei der oben beschriebenen
beschichteten Substrate. Eines der beschichteten Substrate kann vor
Erreichen des Laminators einen Ofen durchlaufen, beispielsweise
etwa 2 bis etwa 10 Minuten lang bei einer Temperatur im Bereich
zwischen etwa 150 und etwa 180°C.
Dieser vorausgehende Erwärmungsschritt
kann an einem oder beiden der beschichteten Substrate erfolgen.
Wenn die Erwärmung
länger
als 5 Minuten verwendet wird, wird sie nur an einem beschichteten
Substrat durchgeführt. Bevorzugt
sollte die elektrisch isolierende Schicht während der Laminierung nichts
berühren,
und die Laminierung sollte in einem Reinraum erfolgen. Um ein passives
elektrisches Element der vorliegenden Erfindung herzustellen, werden
die beschichteten Substrate laminiert, und zwar eine elektrisch
isolierende oder elektrisch leitende Schicht auf eine elektrisch
isolierende oder elektrisch leitende Schicht, wobei ein Laminator
mit zwei Quetschwalzen verwendet wird, die auf eine Temperatur im
Bereich zwischen etwa 150 und etwa 200°C, bevorzugt etwa 150°C, erwärmt sind.
Geeigneter Luftdruck wird an die Laminatorwalzen angelegt, bevorzugt
bei einem Druck im Bereich zwischen 5 und 40 psi (34 bis 280 kPa),
bevorzugt 15 psi (100 kPa). Die Walzendrehzahl kann auf einen beliebigen
geeigneten Wert eingestellt werden und liegt bevorzugt im Bereich
zwischen 12 und 36 Inch/Minute (0,5 bis 1,5 cm/Sekunde), besonders
bevorzugt 15 Inch/Minute (0,64 cm/Sekunde). Dieser Prozeß kann auch
chargenweise durchgeführt
werden.
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Das
laminierte Material kann zu Folien mit der gewünschten Länge geschnitten oder auf einen geeigneten
Kern gewickelt werden. Nach der Beendigung der Laminierung werden
die bevorzugten Reinraumeinrichtungen nicht länger benötigt.
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Wenn
das Harz Härtung
verlangt, wird das laminierte Material dann gehärtet. Beispielhafte Härttemperaturen
beinhalten Temperaturen im Bereich zwischen etwa 140 und etwa 200°C, bevorzugt
140 und 170°C,
und beispielhafte Härtzeiten
beinhalten einen Zeitraum im Bereich zwischen etwa 60 und etwa 150
Minuten, bevorzugt 60 und 100 Minuten.
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Die
Haftung der elektrisch isolierenden oder elektrisch leitenden Schicht
an einem Metallsubstrat kann verbessert werden, wenn das Metall
zum Zeitpunkt der Beschichtung ausreichend weich ist oder während der
Laminierung und/oder Härtung
weich wird; d.h., die Folie wird vor dem Beschichten geglüht oder
wird während
der nachfolgenden Verarbeitung glühend gemacht. Das Glühen kann
erfolgen, indem das Substrat vor dem Beschichtungsschritt oder infolge
des Härt-
oder Trocknungsschritts erwärmt wird,
wenn die Glühtemperatur
des Metalls auf der Härttemperatur
des Harzes oder darunter liegt. Es wird bevorzugt, ein Metallsubstrat
mit einer Glühtemperatur
zu verwenden, die unter der Temperatur liegt, bei der gehärtet oder
getrocknet und laminiert wird. Die Glühbedingungen variieren je nach
dem verwendeten Metallsubstrat. Bei Kupfer erhält das Metallsubstrat bevorzugt
in einem dieser Stadien im Prozeß eine Vickers-Härte bei
einer Belastung von 10 g von unter etwa 75 kg/mm2.
Ein bevorzugter Temperaturbereich für Kupfer, damit man diese Härte erzielt, liegt
im Bereich zwischen etwa 100 und etwa 180°C. besonders bevorzugt 120 und
160°C.
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Ein
Widerstandselement kann unter Verwendung von halbleitenden oder
leitenden Teilchen wie etwa Silberteilchen, Nickelteilchen, nickelbeschichteten
Polymerkugeln, goldbeschichteten Polymerkugeln (z.B. 20 GNR4.6-EH
von JCI USA Inc.), Zinnlötkugeln,
Materialien mit einem höheren
spezifischen Widerstand wie etwa Graphit, Tantalnitriden wie etwa TaN
oder Ta2N, Tantaloxynitrid (TaNxOy), Metall-Siliziumnitriden (MSiNx), wobei M ein Übergangsmetall wie etwa Ta,
Ti, Cr, Mo oder Nb ist, oder, wenn ein höherer Widerstand erwünscht ist,
Halbleitern und Mischungen davon hergestellt werden.
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Die
Dicke der Beschichtung der elektrisch isolierenden oder elektrisch
leitenden Schicht ist bevorzugt etwa gleich groß oder größer als die Dicke der Teilchen.
Die Teilchen können
groß genug
sein, daß jedes
Teilchen nach der Laminierung beide Substrate kontaktiert, wodurch
man zwischen zwei leitenden Substraten eine Stromleitung in Querrichtung
erhält.
Alternativ kann ein hoher Volumenanteil an kleineren leitenden Teilchen derart
verwendet werden, daß Ketten
aus sich berührenden
Teilchen zwischen dem gewünschten
Stromeingangskontakt und Stromausgangskontakt an den leitenden Teilen
der Substrate einen elektrischen Kontakt herstellen. Dieser Ansatz
kann für
eine Konfiguration mit Stromleitungen in Querrichtung oder in der
Richtung der Ebene verwendet werden. Wenn der Widerstand in einer Konfiguration
mit Stromleitung in Querrichtung verwendet werden soll (wobei der
Strom zwischen den beiden Substraten durch die Schicht fließt), müssen beide
Substrate auf der Hauptfläche,
die die Schicht kontaktiert, die die leitenden Teilchen enthält, elektrisch
leitend sein. Wenn der Widerstand in einer Konfiguration mit Stromleitung
in der Ebene verwendet werden soll, braucht nur ein Substrat eine
leitfähige
Oberfläche
aufzuweisen. Die leitfähige
Oberfläche
kann nach der Laminierung strukturiert werden, damit man elektrisch
getrennte Stromeingangsteile und Stromausgangsteile erhält, die über die
die leitfähigen
Teilchen enthaltende Schicht elektrisch verbunden sind.
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Wenngleich
ein passives elektrisches Element der vorliegenden Erfindung so
funktionieren kann, wie es hergestellt wird, kann das passive elektrische
Element bevorzugt wie oben beschrieben strukturiert werden, um beispielsweise
zur Begrenzung der Leitfähigkeit
in seitlicher Richtung diskrete Inseln oder entfernte Gebiete zu
bilden. Das strukturierte passive elektrische Element kann selbst
als Schaltungselement oder als eine Komponente in einem Schaltungselement
verwendet werden, wie unten beschrieben.
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Strukturierung
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Eine
Oberfläche
des ersten oder zweiten Substrats des passiven elektrischen Elements,
die zugänglich
ist, kann beispielsweise durch eine elektrische Leiterbahn kontaktiert
werden, um einen elektrischen Kontakt herzustellen, so daß das erste
oder zweiten Substrat als eine Elektrode wirkt. Außerdem kann
es wünschenswert
sein, einen elektrischen Kontakt mit der Hauptfläche des ersten oder zweiten Substrats
herzustellen, die mit der elektrisch isolierenden oder elektrisch
leitenden Schicht in Kontakt steht, oder einen Durchgangslochkontakt
bereitzustellen. Durchgangslochkontakte eignen sich, wenn keine
Wechselwirkung mit der passiven elektrischen Einrichtungen gewünscht wird.
Um die Hauptfläche des
ersten oder zweiten Substrats zu erreichen, die mit der elektrisch
isolierenden oder elektrisch leitenden Schicht in Kontakt steht,
oder um einen Durchgangslochkontakt bereitzustellen, kann das passive elektrische
Element strukturiert werden.
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Es
kann jede geeignete, in der Technik bekannte Strukturierungstechnik
verwendet werden. Beispielsweise kann das passive elektrische Element über Photolithographie
und/oder über
Laserablation strukturiert werden, wie in der Technik wohlbekannt ist.
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Photolithographie
kann durchgeführt
werden, indem ein Fotolack auf das passive elektrische Element aufgebracht
wird, der dann belichtet und entwickelt wird, um eine Struktur aus
verborgenen und exponierten Substratbereichen auf dem passiven elektrischen
Element zu bilden. Wenn das passive elektrische Element dann einer
Lösung
ausgesetzt wird, die bekannterweise das Substrat chemisch angreift
und ätzt,
können
ausgewählte
Bereiche des Substrats entfernt werden. Dann wird ein Ablösemittel,
wie etwa Kaliumhydroxid, verwendet, um die verbleibenden Bereiche
des Fotolacks zu entfernen. Durch diesen Prozeß können Substratbereiche entfernt
werden, die in der Schaltungsstruktur nicht erwünscht sind.
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Laserablation
kann durchgeführt
werden, indem mit einem Laser Material selektiv und thermisch von
dem passiven elektrischen Element entfernt wird, beispielsweise
von der elektrisch isolierenden oder elektrisch leitenden Schicht.
Photolithographie und Laserablation können zusammen verwendet werden.
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Die
Dicke der elektrisch isolierenden oder elektrisch leitenden Schicht
begrenzt möglicherweise,
wie das passive elektrische Element der vorliegenden Erfindung strukturiert
werden kann, weil die Schicht selbst möglicherweise die Substrate
nicht mechanisch trägt.
Die Elektroden können
so strukturiert sein, daß mindestens
eines der Substrate immer das passive elektrische Element trägt. Das
erste Substrat des passiven elektrischen Elements kann strukturiert
sein und das zweite Substrat kann durchgehend (oder unstrukturiert)
sein, so daß das
passive elektrische Element eine „strukturelle Integrität" aufweist, das heißt, das
Element kann ohne einen Träger
zur Unterstützung
gehandhabt werden und bleibt freistehend. In der Regel wird das
passive elektrische Element doppelt strukturiert, das heißt auf beiden Seiten
strukturiert, ohne daß eine
Unterstützung
verwendet wird, vorausgesetzt, das passive elektrische Element weist
strukturelle Integrität
auf.
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Schaltungselement
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Das
passive elektrische Element der vorliegenden Erfindung kann selbst
möglicherweise
mit einer gewissen Modifikation als ein Schaltungselement fungieren.
In einem Fall kann das passive elektrische Element strukturiert
sein. In diesem Fall kann ein Schaltungselement dadurch hergestellt
werden, daß ein
passives elektrisches Element der vorliegenden Erfindung bereitgestellt
und wie oben beschrieben strukturiert wird, um einen Kontakt für den elektrischen
Anschluß zu
liefern. Entweder eine oder beide Seiten des passiven elektrischen
Elements werden strukturiert, um Zugang zu jeder Hauptfläche des
ersten und zweiten Substrats zu gestatten und um einen Durchgangslochkontakt
zu liefern.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
kann ein Schaltungselement durch ein Verfahren hergestellt werden,
das die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen
eines passiven elektrischen Elements der vorliegenden Erfindung,
Bereitstellen mindestens eines elektrischen Kontakts und Verbinden
des Kontakts mit mindestens einem Substrat des passiven elektrischen
Elements.
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Eine
Ausführungsform
des passiven elektrischen Elements der vorliegenden Erfindung kann
ferner eine oder mehrere zusätzliche
Schichten umfassen, um beispielsweise eine PCB oder flexible Schaltung
herzustellen. Die zusätzliche
Schicht kann starr oder flexibel sein. Beispielhafte starre Schichten
enthalten einen im Handel unter der Handelsbezeichnung "PCL-FR-226" von der Firma Polyclad,
Franklin, NH, USA, erhältlichen
Glasfaser-Epoxid-Verbundwerkstoff, Keramik, Metall oder Kombinationen davon.
Beispielhafte flexible Schichten umfassen einen Polymerfilm wie
etwa Polyimid oder Polyester, Metallfolien oder Kombinationen davon.
Polyimid ist im Handel von duPont unter der Handelsbezeichnung "Kapton" und Polyester im
Handel unter der Handelsbezeichnung "Scotchpar" von Minnesota Mining and Manufacturing
(3M), St. Paul, MN, USA, erhältlich.
Diese zusätzlichen
Schichten können
auch elektrisch leitfähige
Bahnen auf der Oberseite der Schicht oder in die Schicht eingebettet
enthalten. Der Ausdruck "elektrisch
leitfähige
Bahnen" bezieht
sich auf Streifen oder Strukturen aus einem leitfähigen Material,
das dafür
ausgelegt ist, Strom zu führen. Geeignete
Materialien für
eine elektrisch leitfähige Bahn
umfassen Kupfer, Aluminium, Zinnlot, Silberpaste, Gold und Kombinationen
davon.
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Unter
dieser Ausführungsform
umfaßt
ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines Schaltungselements
die folgenden Schritte: Bereitstellen eines passiven elektrischen
Elements der vorliegenden Erfindung, Strukturieren mindestens einer
Seite des passiven elektrischen Elements, Bereitstellen einer zusätzlichen
Schicht, Anbringen der Schicht an dem passiven elektrischen Element
und Bereitstellen mindestens eines elektrischen Kontakts zu mindestens
einem Substrat des passiven elektrischen Elements. Bevorzugt wird
eine zweite zusätzliche Schicht
bereitgestellt und an dem passiven elektrischen Element angebracht.
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Leiterplatten und flexible
Schaltungen
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Ein
passives elektrisches Element der vorliegenden Erfindung kann in
einer PCB, beispielsweise einer flexiblen Schaltung, als eine Komponente
eingesetzt werden, die als ein Kondensator und/oder ein Widerstand
fungiert. Das passive elektrische Element kann in die PCB oder in
die flexible Schaltung eingebettet oder darin integriert sein.
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Eine
PCB umfaßt
in der Regel zwei Materialschichten, beispielsweise ein Laminat
aus Epoxid und Glasfaser, die eine oder zwei Kupferflächen aufweisen
können,
die eine Schicht aus Klebstoff oder einen Prepreg zwischen sich
einschließen.
Eine flexible Schaltung umfaßt
in der Regel eine flexible Schicht, zum Beispiel eine mit Kupfer
beschichtete Polyimidschicht, und eine Schicht aus Klebstoff auf dem
Polyimid. Die Position eines passiven elektrischen Elements der
vorliegenden Erfindung bei einer beliebigen geeigneten PCB oder
flexiblen Schaltung und der Prozeß des Einbettens oder Integrierens
eines passiven elektrischen Elements der vorliegenden Erfindung
in eine beliebige geeignete PCB oder flexible Schaltung sind in
der Technik wohlbekannt. Insbesondere muß sowohl bei einer PCB als
auch einer flexiblen Schaltung dafür gesorgt werden, daß die Schichten/Komponenten
der PCB oder flexiblen Schaltung ausgerichtet werden.
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Wie
oben angemerkt kann die Dicke der elektrisch isolierenden oder elektrisch
leitenden Schicht bestimmen, wie der Kondensator strukturiert werden
kann. Wenn das passive elektrische Element in eine PCB oder flexible
Schaltung integriert wird, können
die Schichten der PCB oder flexiblen Schaltung dem passiven elektrischen
Element weitere Unterstützung
verleihen, was zusätzliche
einzigartige Strukturierungstechniken gestattet. Beispielsweise kann
ein doppelter Strukturierungs- und Laminierungsprozeß nützlich sein.
Der doppelte Strukturierungs- und Laminierungsprozeß umfaßt die folgenden
Schritte, zu denen es nach der photolithographischen Strukturierung
eines der Substrate wie oben beschrieben kommen kann. Bei diesem
Prozeß wird das
strukturierte Substrat auf ein unterstützendes Material wie etwa eine
Leiterplattenschicht, beispielsweise FR4, laminiert, wobei die strukturierte
Seite dem unterstützenden
Material zugewandt ist. Das andere Substrat kann durch eine im wesentlichen ähnliche
Technik strukturiert werden, da die elektrisch isolierende oder
elektrisch leitende Schicht und die strukturierten Substrate nunmehr
vollständig
von dem unterstützenden
Material unterstützt
werden. Um den Prozeß abzuschließen, wird
dann eine zweite Laminierung auf der exponierten Seite des zweiten Substrats
durchgeführt.
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Die 3A und 3B veranschaulichen Beispiele
für eine
PCB 30a bzw. 30b, die ein passives elektrisches
Element nach 1a oder 1b enthält. Die
PCB 30a oder 30b umfaßt zwei Schichten 32a bzw. 32b aus
einem Material wie etwa Epoxid/Glasfaser, die zwischen sich einschließen: eine Schicht
aus Klebstoff oder Prepreg 31a bzw. 31b und ein
passives elektrisches Element der vorliegenden Erfindung, das als
ein Kondensator oder ein Widerstand fungiert, durch das erste Substrat 33a bzw. 33b dargestellt;
eine elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Schicht ("Schicht") 34a oder 34b und
ein zweites Substrat 35a oder 35b.
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3C veranschaulicht
ein Beispiel für
eine PCB 30c, die ein passives elektrisches Element von 1a oder 1b enthält. Die
PCB 30c umfaßt zwei
Schichten 32c aus einem Material wie etwa Epoxid/Glasfaser,
die folgendes zwischen sich einschließen: eine Schicht aus Klebstoff
oder einen Prepreg 31c und ein passives elektrisches Element
der vorliegenden Erfindung, das als ein Widerstand fungiert, umfassend
ein erstes Substrat 33c, eine elektrisch leitende Schicht
(„Schicht") 34c, und
ein zweites Substrat 35c, das ein Isolator ist.
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3A veranschaulicht
eine PCB 30a, die ein passives elektrisches Element der
vorliegenden Erfindung enthält,
das als ein Kondensator oder ein Widerstand fungieren kann, und
in dem ein Durchgangslochkontakt ausgebildet ist, um einen leitfähigen Weg
von einer oberen Oberfläche 38a zu
einer unteren Oberfläche 39a der
PCB 30a zu liefern, der einen Kontakt mit dem passiven
elektrischen Element vermeidet. In 3A werden
Signale oder Strom über
ein Loch 36a, das mit Kupfer elektroplattiert ist, um eine
Oberflächenkupferstruktur 37a zu bilden,
durch die PCB 30a gelenkt. Die Oberflächenkupferstruktur 37a lenkt
Signale von einer nicht gezeigten Bahn auf der oberen Oberfläche 38a der
PCB 30a zur unteren Oberfläche 39a der PCB 30a.
Die Oberflächenkupferstruktur 37a verläuft durch
das Loch 36a im ersten Substrat 33a, durch die
Schicht 34a und das zweite Substrat 35a. In 3A gelangen
somit Signale von der oberen Oberfläche 38a der PCB 30a zu
einer unteren Oberfläche 39a,
ohne mit dem ersten Substrat 33a, der Schicht 34a oder
dem zweiten Substrat 35a in Wechselwirkung zu treten.
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3B veranschaulicht
eine PCB 30b, die ein passives elektrisches Element der
vorliegenden Erfindung enthält,
das als Kondensator oder als Widerstand fungieren kann, und bei
dem ein Kontakt mit dem ersten Substrat und, separat, dem zweiten
Substrat hergestellt wird, um eine elektrische Verbindung mit dem
Kondensator oder Widerstand herzustellen. In 3b werden
Signale oder Strom über
ein Loch 36b oder ein Loch 36b', die mit Kupfer elektroplattiert sind,
um Oberflächenkupferstrukturen 37b bzw. 37b' zu bilden,
durch die PCB 30b gelenkt. Die Oberflächenkupferstrukturen 37b und 37b' lenken Signale von
einer nicht gezeigten Bahn auf der oberen Oberfläche 38b der PCB 30b zur
unteren Oberfläche 39b der
PCB 30b. Die Oberflächenkupferstruktur 37b kontaktiert
das erste Substrat 33b, verläuft aber durch ein zuvor strukturiertes
und größeres Loch 36b" im zweiten
Substrat 35b, was eine direkte Verbindung zwischen der
Oberflächenkupferstruktur 37b und
dem ersten Substrat 33b gestattet. Die Oberflächenkupferstruktur 37b' kontaktiert
das zweite Substrat 35b, verläuft aber durch ein zuvor strukturiertes und
größeres Loch 36b''' im
ersten Substrat 33b, was eine direkte Verbindung zwischen
der Oberflächenkupferstruktur 37b' und dem zweiten
Substrat 35b gestattet. Wenn die Schicht 34b ein
Isolator ist, wird zwischen 37b und 37b' durch die zwischen
dem ersten Substrat 33b und dem zweiten Substrat 35b hergestellte Überlappung
eine kapazitive Beziehung gebildet. Wenn die Schicht 34b ein
Leiter ist, wird durch die zwischen dem ersten Substrat 33b und dem
zweiten Substrat 35b hergestellte Überlappung eine Widerstandsbeziehung
zwischen 37b und 37b' gebildet.
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3C veranschaulicht
eine PCB 30c, die ein passives elektrisches Element der
vorliegenden Erfindung enthält,
das als ein Widerstand fungiert, bei dem eine Signalleitung in der
Ebene der Schicht erwünscht
ist. In 3C werden Signale oder Strom über ein
Loch 36c bzw. ein Loch 36c', die mit Kupfer elektroplattiert
sind, um Oberflächenkupferstrukturen 37c bzw. 37c' zu bilden,
durch die PCB 30c gelenkt. Die Oberflächenkupferstrukturen 37c und 37c' lenken Signale
von einer nicht gezeigten Bahn auf der oberen Oberfläche 38c der
PCB 30c zur unteren Oberfläche 39c der PCB 30c.
Das erste Substrat 33c ist strukturiert, um Pads 33c' und 33c'' zu bilden, die einen Teil der
Schicht 34c bedecken. Die Pads 33c' und 33c'' sind
mit einem Teil 34c' der
Schicht 34c verbunden. Die Oberflächenkupferstrukturen 37c und 37c' werden dazu
verwendet, die Pads 33c' bzw. 33c'' zu kontaktieren, so daß zwischen
den Pads 33c' und 33c'' auf der Basis der Geometrie (Länge und
Breite) des Teils 34c' der
Schicht 34c zwischen den beiden Pads 33c' und 33c'' ein gesteuerter Widerstand gemessen
werden kann.
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4 veranschaulicht
eine PCB 40, die ein Material 61 wie etwa Epoxid/Glasfaser,
das eine Schicht aus Kleber oder Prepreg 62 einschließt, und ein
passives elektrisches Element nach 2 umfaßt, das
sowohl als Kondensator wie auch als Widerstand fungiert und strukturierte
Schichten aufweist: ein erste Substrat 41, eine erste Schicht 42,
ein zweites Substrat 43, eine zweite Schicht 44 und
ein drittes Substrat 45, wobei ein Kontakt mit dem ersten
Substrat und dem dritten Substrat hergestellt wird. In 4 werden
Signale oder Strom durch Loch 46 oder Loch 46', die mit Kupfer
elektroplattiert sind, um Oberflächenkupferstrukturen 47 bzw. 47' zu bilden,
durch die PCB 40 gelenkt. In die Oberflächenkupferstruktur 47 und 47' lenken Signale
von einer nicht gezeigten Bahn auf der oberen Oberfläche 48 der
PCB 40 zur unteren Oberfläche 49 der PCB 40.
Die Oberflächenkupferstruktur 47 kontaktiert
das erste Substrat 41 und verläuft durch zuvor strukturierte
und größere Löcher 43', 44' und 45' im zweiten
Substrat 43, in der zweiten Schicht 44 bzw. dem
dritten Substrat 45. Die Oberflächenkupferstruktur 47' kontaktiert
das dritte Substrat 45 und verläuft durch zuvor strukturierte
und größere Löcher 42'' und 43'' in
der ersten Schicht 42 bzw. im zweiten Substrat 43.
Somit wird zwischen 47 und 47' eine Widerstands- und kapazitive Beziehung gebildet.
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Unter
Bezugnahme auf die 3A, 3B, 3C und 4 erkennt
der Fachmann, daß verschiedene
Kombinationen von Substraten und Schichten möglich sind und daß verschiedene
Verbindungen zu den Substraten bereitgestellt werden können, um
eine Vielfalt von Funktionen zu erzeugen.
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Die 5A und 5B zeigen
eine Draufsichts- bzw. eine Querschnittsansicht eines passiven elektrischen
Elements 50 der vorliegenden Erfindung, das als ein Kondensator
oder ein Widerstand fungieren kann, und veranschaulichende Beispiele, wie
das Element strukturiert und mit einer nicht gezeigten flexiblen
Schaltung verbunden werden kann. Das passive elektrische Element 50 umfaßt ein erstes
Substrat 51 bzw. ein zweites Substrat 53 und eine Schicht 52.
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Ein
Loch A und ein ringförmiger
Ring B werden beispielsweise durch Strukturierung im ersten Substrat 51 und
in der Schicht 52 gebildet. Das Loch C und das Loch D werden
in der Schicht 52 und dem zweiten Substrat 53 gebildet,
beispielsweise strukturiert. Das Ausbilden von Löchern im passiven elektrischen
Element 50, das heißt
Strukturieren, was nur beispielhaft ist, liefert Kontaktpunkte 54, 55 und 56. Außerdem sind
Kontaktpunkte 57 und 58 auf der Hauptfläche 51' des ersten
Substrats 51 verfügbar, und
ein Kontaktpunkt 59 ist auf der Hauptfläche 53' des zweiten Substrats 53 verfügbar. Die
Stellen von Kontaktpunkten, die schematisch in 5B dargestellt
sind, sind lediglich repräsentativ
und sind nur aus Gründen
der Übersichtlichkeit
in der 5A weggelassen.
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Das
passive elektrische Element 50 kann in einer flexiblen
Schaltung effektiv sein, indem es einen Kontakt zwischen mindestens
einem der Kontaktpunkte 54, 55, 56, 57, 58 und 59 und
einer nicht gezeigten Bahn in einer nicht gezeigten flexiblen Schaltung
herstellt. Geeignete Bahnverbindungen können beispielsweise durch Lötkugeln
hergestellt werden, wie in der WO 94/29897 beschrieben. Eine Verbindung
zu Kontaktpunkten 56 und 58 kann über ein
Durchgangsloch hergestellt werden, ähnlich dem Durchgangsloch von 3A.
Um aus der kapazitiven oder Widerstandsfunktion des passiven elektrischen
Elements einen Vorteil zu ziehen, kann eine Verbindung zu einem
der Kontaktpunkte 55 oder 57 in Kombination mit
einem der Kontaktpunkte 54 oder 59 hergestellt
werden. Der Fachmann versteht, daß je nach der gewünschten
Anwendung eine einzige Verbindung zu einem beliebigen der Kontaktpunkten 54, 55, 56, 57, 58 oder 59 möglich ist.
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Die
vorliegende Erfindung umfaßt
außerdem eine
elektrische Einrichtung, die ein passives elektrisches Element der
vorliegenden Erfindung umfaßt, das
als eine elektrische Schaltung einer PCB oder einer flexiblen Schaltung
fungiert, die ein passives elektrisches Element gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt.
Die elektrische Einrichtung kann beliebige elektrische Einrichtungen
enthalten, die in der Regel eine PCB oder flexible Schaltung mit
einer kapazitiven oder Widerstandskomponente verwendet. Beispielhafte
elektrische Einrichtungen enthalten Mobiltelefone, Telefone, Faxgeräte, Computer,
Drucker, Pager und andere Einrichtungen, wie der Fachmann erkennt.
Das passive elektrische Element der vorliegenden Erfindung eignet
sich insbesondere in elektrischen Einrichtungen, bei denen Platz
Mangelware ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht,
doch sollten die jeweiligen Materialien und Mengen davon, die in
diesen Beispielen aufgeführt
sind, sowie andere Bedingungen und Details nicht so ausgelegt werden,
daß sie
die vorliegende Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert
wird, unnötig
beschränken.
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Beispiele
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Beispiel 1: Kondensatorelement
mit Teilchen in der elektrisch isolierenden Schicht
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Es
wurden Kupferfoliensubstrate, die von Carl Schlenk, AG, Nürnberg,
Deutschland, erhältlich sind,
bereitgestellt, die eine Dicke von 1,4 Milli-Inch (36 μm), eine
Glühtemperatur
von 140°C
und eine mittlere Oberflächenrauheit
(RMS) von 8 nm aufwiesen. Chemisorbierte Materialien wurden in einem Sauerstoff-Argon-Plasma in einem
Gerät von
Plasma Science, Foster City, CA entfernt; die Verweilzeit der Folie
in dem Plasma betrug etwa 6 Minuten. Teilchenförmige Verunreinigungen wurden
mit einer im Handel unter der Handelsbezeichnung „Ultracleaner" von Web Systems
Inc., Boulder, CO, USA, erhältlichen Ultraschall-/Vakuumbahnreinigungseinrichtung
entfernt.
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6,4
Gramm (g) eines im Handel von Shell Chemical Company, Houston, TX,
USA, unter der Handelsbezeichnung „Epon 1001F" erhältlichen
Epoxids und 1,6 g eines im Handel von Shell Chemical Company, Houston,
TX, USA, unter der Handelsbezeichnung „Epon 1050" erhältlichen
Epoxids wurden in 18 g Methylethylketon (MEK) und 27 g Methylisobutylketon
(MIBK), die beide im Handel von Aldrich Chemical, Milwaukee, WI,
USA, erhältlich
sind, gelöst.
8,8 g eines Dispergiermittels, ein Copolymer aus Polyester und Polyamin,
im Handel erhältlich
von ICI Americas, Wilmington, DE, USA, unter der Handelsbezeichnung „Hypermeer
PS3", wurden dieser
Mischung zugesetzt.
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47
g Bariumtitanatteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,2 μm, im Handel
erhältlich
von Cabot Performance Materials, Boyertown, PA, USA, unter der Handelsbezeichnung „BT-8", das 15 Stunden
lang an Luft auf 350°C
erhitzt worden war, wurden unter Verwendung eines Ross-Labormixers/einer-Emulgiermaschine,
im Handel von Charles Ross & Sons,
Hauppauge, NY, USA, mit einem Rotor-Stator-Kopf erhältlich,
der mit 2000 Umdrehungen pro Minute (UpM) läuft, langsam zugesetzt. Nachdem
alles Bariumtitanat zugesetzt war, wurde die Drehzahl auf 6000 UpM
erhöht
und das Bariumtitanat wurde 20 Minuten lang in einem Behälter dispergiert,
der in einem Eisbad gekühlt
wurde, um eine Erwärmung
der Mischung zu verhindern. Die entstehende Mischung wies 55 Gew.-%
Feststoffe auf; das Volumenverhältnis
von Bariumtitanat zu Epoxid betrug 55:45.
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Die
Mischung wurde über
Nacht ohne Störung
stehen gelassen, damit sich schlecht dispergierte Agglomerate absetzen
können.
Die Mischung wurde dann durch einen 2 μm-Siebfilter aus rostfreiem Stahl
gefiltert, damit eine erste Mischung entsteht. Der gewichtsprozentuale
Anteil der Feststoffe der ersten Mischung wurde als 53% gemessen
und der Volumenanteil an Bariumtitanat in der ersten Mischung wurde
als 53% gemessen; beide Messungen erfolgten gravimetrisch.
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8,4
g einer 70 gew.-%igen Lösung
von „Epon 1001F" in MEK, 1,8 g einer
80 gew.-%igen Lösung von „Epon 1050" in MEK und 5,4 g
einer 5 gew.-%igen Lösung
von 2,4,6-Tris(dimethylaminomethyl)phenol
wurden durch einen 0,45 μm-Filter
gefiltert und dann zu 238 g einer ersten Mischung zugesetzt, um
eine zweite Mischung herzustellen. Die Mischung wurde dann homogenisiert,
indem sie gerührt wurde
oder der Behälter
auf einer Kugelmühle
(ohne Kugeln) lief; der Endgehalt an Feststoffen in der zweiten
Mischung betrug 43 Gew.-%. Das Volumenverhältnis Bariumtitanat zu Epoxid
betrug in der zweiten Mischung 45:55. Die zweite Mischung wurde
in einem Ultraschallbad 5 Minuten lang entlüftet.
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Die
zweite Mischung wurde getrennt in einer Mikrogravurlackiervorrichtung
(in einem Reinraum) auf zwei Kupferfolien aufgetragen, wobei eine
Bahngeschwindigkeit von 25 feet/Minute (12,7 cm/s) und eine Gravurwalzengeschwindigkeit
von 40 feet/Minute (20 cm/s) verwendet wurden. Die Gravurwalzen wurden
so gewählt,
daß man
eine Trockenbeschichtungsdicke zwischen 1 und 1,5 μm erhielt.
Die Beschichtung wurde bei 95°C
getrocknet und dann zur Bildung einer Rolle auf einen Kern gewickelt.
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Die
beiden mit der Mischung beschichteten Kupferfolien wurden in einem
Reinraum Beschichtungsseite auf Beschichtungsseite aufeinander laminiert,
wobei ein Laminator verwendet wurde, der im Handel von Western Magnum,
E1 Segundo, CA, USA, erhältlich
ist, mit 150°C-Walzen mit einer
Drehzahl von 15 Inch/Minute (0,64 cm/s) und einem Luftdruck zu den
Walzen von 20 psi (140 kPa). Das Laminat wurde 80 Minuten lang bei
180°C an
Luft gehärtet.
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Das
gehärtete
Laminat wurde mit dem 90°-Schältest getestet,
der in dem IPC Test Method Manual, IPC-TM-650, Test Nummer 2.4.9, datiert Oktober
1988, veröffentlicht
vom Institute for Interconnecting and Packaging Elecronic Circuits,
beschrieben wird. Eine Kraft von 3,4 lbs/Inch (600 N/m) war erforderlich,
um die Kupferfolien zu trennen. Das gehärtete Laminat wurde durch das
folgende Testverfahren auch auf seine Kapazität hin getestet: Eine 2 cm × 2 cm große Elektrode
wurde über
standardmäßige photolithographische
und Kupferätzprozeduren auf
eine Seite des Laminats geätzt,
und die Kapazität wurde
mit einem LCR-Meßgerät von Hewlett-Packard,
Palo Alto, CA, USA, Modell Nummer 4261 A, bei 1 Kilohertz (kH) gemessen.
Die gemessene Kapazität
betrug 6 nF/cm2 bei einem Verlustfaktor
von 0,004. Sechzig Kondensatoren wurden hergestellt und auf diese
Weise getestet, und die Ausbeute der guten Kondensatoren (ohne Kurzschluß) betrug
86,7 der 60 Kondensatoren.
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Beispiel 2: Kondensatorelement
ohne Teilchen in der elektrisch isolierenden Schicht
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Es
wurden Kupferfoliensubstrate, die von Carl Schlenk, AG, Nürnberg,
Deutschland, erhältlich sind,
bereitgestellt, die eine Dicke von 1,4 Milli-Inch (36 μm), eine
Glühtemperatur
von 175°C
und eine mittlere Oberflächenrauheit
(RMS) von 24 nm aufwiesen. Die Folien wurden wie in Beispiel 1 beschrieben
gereinigt.
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Mit
der in Beispiel 1 beschriebenen Prozedur wurde eine Ketonlösung, die
18 Gew.-% der Epoxide Epon 1001F und Epon 1050 (Verhältnis 8:2)
plus Katalysator enthielt, individuell auf zwei Kupferfolien aufgetragen.
Der Katalysator, 2,4,6-Tris(dimethylaminomethyl)phenol, lag in einer
Konzentration von 1 Gramm Katalysator pro 100 Gramm Epoxidharz vor. Es
wurden weder Bariumtitanat noch andere Teilchen zugesetzt.
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Die
Laminierung und das Härten
erfolgten wie in Beispiel 1 beschrieben. Das Laminat wurde mit dem
90°-Schältest getestet,
der in dem IPC Test Method Manual, IPC-TM-650, Test Nummer 2.4.9,
datiert Oktober 1988, veröffentlicht
vom Institute for Interconnecting and Packaging Elecronic Circuits,
beschrieben wird. Eine Kraft von 3,1 lbs/Inch (540 N/cm) war erforderlich,
um die Kupferfolien zu trennen. Es wurden keine Kapazitätsmessungen
vorgenommen. Die unter Annahme einer Dielektrizitätskonstante
von 3 für
die Epoxidmischung berechnete Kapazität des Laminats würde bei
einer Dicke von etwa 2 μm
für die
Epoxidschicht im Laminat eine Kapazität von 1,3 nF/cm2 aufweisen.
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Beispiel 3: Kondensator
mit einem Aluminium- oder Kupfer-Polyester-Substrat
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Als
das Substrat für
das Beschichten der dielektrischen Schicht können außer Kupferfolie andere Leiter verwendet
werden. Dies wird in dem folgenden Beispiel veranschaulicht, bei
dem sowohl Aluminiumfolie als auch ein kupferbeschichteter Polyesterfilm
mit einer Mischung wie unten beschrieben beschichtet und getestet
wurden.
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Aluminiumfolie
(Grade 1145, H19-Wärmebehandlung)
mit einer Dicke von 1,4 Milli-Inch (36 μm) wurde von Republic Foils,
Inc, in Danbury, CT, USA, bezogen. Diese Folie wies eine RMS-Rauheit
von 19 nm auf und wurde wie geliefert ohne zusätzliche Reinigung verwendet.
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Eine
Bariumtitanat-Epoxid-Mischung wurde gemäß der Prozedur in Beispiel
1 hergestellt. Die Aluminiumfolie wurde mit dieser Mischung beschichtet,
wobei eine Gravurlackierungsvorrichtung wie in Beispiel 1 beschrieben
verwendet wurde.
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Zwei
mit der Mischung beschichtete Filme wurden 2 Minuten lang bei 175°C an Luft
erhitzt. Diese Filme wurden derart gestapelt, daß die beschichteten Seiten
der Aluminiumfilme einander berührten. Diese
gestapelten Filme wurden dann in einer auf 200°C und 300 psi (2 MPa) eingestellten
Laborpresse (Carver, Menomonie, WI, USA) laminiert. Die Probe befand
sich 1 Stunde lang in der Presse, wurde dann entfernt und eine weitere
Stunde lang ohne Druck bei 175°C
gehärtet.
Die Haftung für
das Laminat betrug bei Messung mit einem in Beispiel 1 beschriebenen
90°-Schältest 6,0
lbs/Inch (1100 N/m).
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Außerdem wurden
unlaminierte Filme aus Aluminiumfolie beschichtet und eine Stunde
lang bei 175°C
an Luft gehärtet.
Palladium-Gold-Elektroden wurden durch eine Maske, die aus Löchern mit
einem Durchmesser von 5 mm bestand, auf die mit der Mischung beschichtete
Oberfläche
aufgesputtert, wodurch Kondensatoren entstanden. Diese Kondensatoren
wiesen eine Kapazität von
21,2 nF/cm2 mit einem Verlustfaktor von
0,019 auf, wobei 19% der Kondensatoren keinen Kurzschluß hatten.
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Außerdem wurde
ein 2 Milli-Inch-(50 μm)-Polyesterfilm
mit einer aufgedampften gleichförmigen 200
nm-Kupferschicht
als Substrat verwendet. Bariumtitanat-Epoxid-Mischungen und Beschichtungstechniken
waren so wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Beschichtung wurde unter
Stickstoff 1,5 Stunden lang bei 175°C gehärtet, dann Palladium-Gold-Elektroden
mit einem Durchmesser von 5 mm wie oben beschrieben aufgesputtert.
Die Kapazität
betrug 15,2 nF/cm2, der Verlustfaktor betrug
0,044, und die Ausbeute an guten Kondensatoren lag bei 88%. Es wurden
keine Haftungsmessungen vorgenommen.