NL1035663C2

NL1035663C2 - Een werkwijze voor het vervaardigen van een driedimensionale multi-layered (meerlagen) doorverbindingsvoorziening.

Info

Publication number: NL1035663C2
Application number: NL1035663A
Authority: NL
Inventors: Rob Legtenberg
Original assignee: Thales Nederland Bv
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2010-01-05
Also published as: EP2141969A1; IL199632A; ES2415879T3; CA2671251C; US20100000088A1; CA2671251A1; IL199632A0; EP2141969B1; ZA200904671B

Description

Een werkwijze voor het vervaardigen van een driedimensionale multilayered (meerlagen) doorverbindingsvoorziening

Deze uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een doorverbindingsvoorziening die een 3D-gevormde structuur heeft en een veelheid doorverbindingslagen omvat. De uitvinding is 5 bijvoorbeeld in het bijzonder toepasbaar op antennemodules voor radar en telecom.

Tegenwoordig kunnen radarsystemen een scanning phased array antenne gebruiken om hun vereiste hoekafstand te bestrijken. Een dergelijke 10 antenne omvat een groot aantal identieke stralende elementen, die samengevoegd zijn op een paneel om een stralende-elementenarray te vormen. De regeling van de fasedraaiing tussen aangrenzende stralende elementen maakt het bepalen van de scanninghoeken van de door de array antenne uitgezonden bundel mogelijk. De technieken die het meest worden 15 toegepast in de constructie van een array antenne zijn gebaseerd op doorverbindingssubstraattechnologieën, bijvoorbeeld de PCB (Printed Circuit Board, printplaat) technologie. Deze dikke-film of dunne-film multilayer technologieën bestaan uit veel opeenvolgende stappen van het lamineren van lagen, het boren van gaten door de lagen en het metalliseren van de 20 gaten. Deze sequentiële opbouwtechnologieën resulteren gewoonlijk in planaire doorverbindingsapparaten die een veelheid van doorverbindingslagen omvatten.

Voor de volgende generatie compacte scanning phased array antennes is het echter nodig dat de RF (Radio-Frequency, hoogfrequente) 25 radarfunctionaliteit rechtstreeks op de antenneplaat wordt geïmplementeerd. Dit kan niet worden bewerkstelligd met de bovengenoemde technieken, aangezien deze gewoonlijk resulteren in planaire doorverbindingsapparaten die geen extra ruimte overlaten voor het embedden van de vereiste RF componenten. Dit is een van de technische problemen die deze uitvinding 30 bedoelt op te lossen.

In een poging om dit doel te bereiken, kunnen 3D-gevormde stralende elementen, zogenaamde stralerpakketten, inwendig voldoende extra ruimte bieden. Opgemerkt dient te worden dat een 3D stralerpakket 1035663 2 tevens ontwerpmogelijkheden oplevert in termen van bandbreedte en scanhoek die bij een straler van een planair apparaat ontbreken. De algemene verschijningsvorm van een stralerpakket is die van een uitgeholde doos met erop een geïntegreerde antenne. Een groot aantal stralerpakketten 5 wordt samengevoegd op een PCB om een array stralerpakketten te vormen. De internationale octrooiaanvraag No. WO/2003/021678 beschrijft een werkwijze voor het vormen van een pakket voor elektronicacomponenten, gebaseerd op de bekende 3D-MID (3D Molded Interconnect Device, doorverbindingsapparaat op basis van een spuitgietproces) technologie. In 10 principe bestaat de 3D-MID technologie uit een stap van het vullen door middel van spuitgieten van een uitgehold 3D kunststoflichaam en een stap van het metalliseren van het buitenoppervlak van dit lichaam. Het kenmerk van de 3D-MID technologie is dat deze een doorverbinding oplevert op het 3D buitenoppervlak van een door spuitgieten gevormd lichaam. Hiermee kan 15 een tweelagen doorverbindingspatroon worden gerealiseerd, d.w.z. een patroon op de bovenzijde van de 3D doorverbindingsvoorziening en een patroon op de onderzijde van de 3D doorverbindingsvoorziening. Een van deze twee patronen kan bijvoorbeeld een patchantenne vormen. Helaas kan met de 3D-MID technologie geen 3D doorverbindingsapparaat worden 20 gerealiseerd die meer dan twee doorverbindingslagen omvat.

Er zijn op het ogenblik zelfs enkele specifieke toepassingen waarvoor een 3D doorverbindingsvoorziening vereist is die veel meer dan twee doorverbindingslagen omvat. De AESA (Active Electronically Scanned Array) antennes vereisen zeer ver geïntegreerde 25 antennestralerpakketmodules, zogenaamde cavity-backed slot-coupled patchantennemodules, die niet minder dan vier metalliseringslagen omvatten. Een ander ontwerp dat meer dan twee metalliseringslagen vereist is bijvoorbeeld een gestapeld patchsysteem. Deze modules moeten tevens plaats bieden aan een aantal componentpackaging functies, zoals 30 elektrische en RF doorverbindingen of EM-afscherming. 3D-MID pakketmodules zouden deze componentpackaging functies kunnen embedden. Cavity-backed slot-coupled patchantennemodules moeten echter tevens een hoog prestatienieniveau hebben, met name in termen van bandbreedte en scanhoek. Helaas leveren 3D-MID pakketmodules slechts 35 een gemiddelde prestatie, d.w.z. een smalle band en een kleine scanhoek.

3

De reden is dat hun performance beperkt is door de ontwerpopzet, die vooral gebaseerd is op een enkele of een dubbele metalliseringslaag, zoals in een rechtstreeks gekoppelde voedingsstructuur.

Het blijkt duidelijk dat de bestaande technieken niet in staat zijn 5 een doorverbindingsvoorziening tot stand te brengen die de extra binnenruimte combineert met de multilayer doorverbindingsfunctie. Bestaande substraatdoorverbindingstechnologieën, zoals de PCB technologie, bieden de multilayer doorverbindingsfunctie maar schieten gekort ten aanzien van het verschaffen van de extra binnenruimte en 10 aanvullende mechanische eigenschappen. Anderzijds voorzien bestaande 3D doorverbindingstechnologieën, zoals de 3D-MID technologie, in de extra binnenruimte maar kunnen niet meer dan twee doorverbindingslagen realiseren. Dit is een ander technisch probleem dat deze uitvinding bedoelt op te lossen.

15

Deze uitvinding heeft tot doel om te voorzien in een werkwijze die toegepast kan worden om tenminste enkele van de bovenbeschreven technische problemen te elimineren. In de meest algemene zin kan de hierna beschreven uitvinding een werkwijze verschaffen voor het maken van een 20 driedimensionale doorverbindingsvoorziening, welke voorziening een veelheid doorverbindingslagen omvat. De werkwijze omvat een stap van het lamineren van een PCB die een veelheid doorverbindingslagen omvat. De werkwijze omvat een stap van het insteken van de PCB in een driedimensionale vorm. De werkwijze omvat een stap van het injecteren van 25 een puitgietmateriaal in de vorm, om een driedimensionale, de PCB omsluitende structuur te vormen. De werkwijze omvat een stap van het metalliseren van een deel van het buitenoppervlak van de 3D structuur, zodat dit verbonden is met tenminste één doorverbindingslaag van de PCB.

Bij voorkeur kunnen het tijdens de stap van het lamineren 30 gebruikte lamineringsmateriaal en het tijdens de stap van het injecteren gebruikte spuitgietmateriaal aangepast worden om adhesie tussen de PCB en de 3D structuur te bewerkstelligen. Bij voorkeur kan de werkwijze een stap omvatten van het voorbereiden van de PCB voordat deze in de vorm wordt gestoken, waarbij de PCB wordt behandeld met een alkaliconditioner 35 en met een op zwavelperoxide gebaseerde verbinding om een 4 organometallische conversiecoating te creëren. De alkaliconditioner kan bijvoorbeeld een NaOH oplossing zijn en de op zwavelperoxide gebaseerde verbinding kan AlfaPREP PC 7030® zijn.

De stap van het metalliseren van het deel van het buitenoppervlak 5 kan bijvoorbeeld onder andere het vormen van een patchantenne omvatten, zodat de voorziening is aangepast voor gebruik als een antennestralermodute.

Het lamineringsmateriaal kan bijvoorbeeld Roger 4003 zijn.

Het spuitgietmateriaal kan bijvoorbeeld een thermohardend 10 spuitgietmateriaal zijn zoals een epoxyhars of een thermoplastisch spuitgietmateriaal zoals polyetherimide of vloeibaar kristalpolymeer.

In elk van zijn aspecten maakt de hier beschreven uitvinding het mogelijk om in één eindproduct de voordelen van de uit de bestaande 15 techniek bekende technologieën te combineren. Op met de PCB technologie vergelijkbare wijze heeft deze uitvinding het voordeel dat hij flexibiliteit mogelijk maakt in dielektrische dikte tussen antennelagen, de mogelijkheid van het samenstellen van SMT (Surface Mount Technology) componenten van IC’s (Integrated Circuits) biedt en tevens de mogelijkheid van het met 20 spuitgietmateriaal bedekken van elektronica. De uitvinding voorziet tevens in een hoog niveau van integratie voor elektrische doorverbindingen of voor mechanische eigenschappen zoals uitlijnen en samenstellen. Op met de 3D-MID technologie vergelijkbare wijze heeft deze uitvinding het voordeel dat hij verpakking en bescherming van embedded elektronica mogelijk maakt. Het 25 is tevens zeer wel mogelijk om connectorfunctionaliteit door middel van spuitgieten aan te brengen op de multilayer PCB.

De hier beschreven uitvinding maakt het mogelijk een 3D multilayered doorverbindingsvoorziening te implementeren die elektrische functies en doorverbindingsdichtheden omvat die niet kunnen worden bereikt 30 door bestaande 3D-MIDachtige technologieën, aangezien deze laatste beperkt zijn tot doorverbindingen op het buitenoppervlak.

Een niet-beperkende voorbeelduitvoeringsvorm van de uitvinding wordt hierna beschreven onder verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen 35 waarin: 5 - Afb. 1a schematisch door middel van een perspectiefaanzicht een voor de voorbeelduitvoeringsvorm geschikte insteekmultilayer PCB illustreert; - Afb. 1 b schematisch door middel van een dwarsdoorsnede de 5 voorbeelduitvoeringsvorm van de uitvinding illustreert; - Afb. 1 c schematisch door middel van een binnenaanzicht de voorbeelduitvoeringsvorm van de uitvinding illustreert; - Afb. 1d schematisch door middel van een perspectiefaanzicht de voorbeelduitvoeringsvorm van de uitvinding illustreert.

10

In de Afb. hebben verwijzingstekens steeds betrekking op dezelfde items.

Afb. 1a, 1b, 1c en 1d illustreren schematisch een voorbeelduitvoeringsvorm van de uitvinding, die geschikt is voor gebruik als 15 een cavity-backed slot-coupled patchantennemodule voor een AESA antenne. De uitvinding maakt het zelfs mogelijk om een 3D-gevormde geïntegreerde module te creëren met lage opbouwelementen, die de door een AESA antenne vereiste bandbreedte en scanhoek realiseert.

Een multilayer insteek PCB 1 wordt gelamineerd. Het gebruikte 20 lamineringsmateriaal is geselecteerd met het oog op de compatibiliteit ervan met een spuitgietproces. Bijvoorbeeld, Rogers 4003® is een lamineermateriaal dat bestand is tegen zowel hoge temperatuur als hoge druk. Het voordeel van Rogers 4003 is dat het compatibel is met de meeste thermoplastische en thermohardende spuitgietmaterialen en processen, 25 hetgeen betekent dat het geschikt is voor het bewerkstelligen van adhesie met de meeste van deze spuitgietmaterialen wanneer het verhit wordt. Rogers 4003 kan bijvoorbeeld worden gebruikt samen met een thermohardend spuitgietmateriaal zoals een epoxyhars. Het kan tevens worden gebruikt samen met een thermoplastisch spuitgietmateriaal zoals 30 polyetherimide (PEI) of vloeibaar kristalpolymeer (LCP). In het onderhavige voorbeeld kan PEI hars worden gebruikt. De insteek 1 wordt voorbehandeld met een alkaliconditioner, zoals bijvoorbeeld een NaOH oplossing en met een op zwavelperoxide gebaseerde verbinding, zoals bijvoorbeeld AlfaPREP PC-7030®, om een organometallische conversiecoating te creëren. De 35 multilayer insteek PCB 1 wordt vervolgens gedroogd en in een 6 driedimensionale vorm gestoken, op de wijze waarop dit met elke willekeurige conventionele metalen insteek gebeurt. In het onderhavige voorbeeld worden PEI en LCP hars verhit, vervolgens geïnjecteerd in de vorm en aangedrukt, resulterend in een 3D spuitgietstructuur 2 die de 5 multilayer insteek PCB 1 omsluit in een adhesieve verbinding. Later worden metalliseringsprocessen uitgevoerd op het buitenoppervlak van de 3D spuitgietstructuur 2. Een metalliseringspatroon 3a vormt een patchantenne. Een metalliseringspatroon 3b is verbonden met een inwendig sporenpatroon 4a van de multilayer insteek PCB 1. Een metalliseringspatroon 3c vormt 10 aardingslagen en is verbonden met een aardingslaag 4b van de multilayer insteek PCB 1, welke aardingslaag 4b onder andere gemetalliseerde via’s omvat die door de insteek 1 lopen.

De uitwendige metalliseringspatronen 3a, 3b en 3c kunnen worden aangebracht door een laser subtractieve structureringstechniek. Eerst kan 15 het buitenoppervlak van de 3D spuitgietstructuur 2 chemisch gemetalliseerd worden met koper in een dikte van bijvoorbeeld 1 tot 10 pm. Waar nodig kan de dikte van deze laag worden verhoogd met enkele tienden pm door een galvanisch verkoperingsproces. Na het verkoperen kan een chemische tinlaag van 0,1 tot 1 pm worden afgezet en vervolgens in een patroon 20 gevormd door een 3D laser structureringstechniek. Later kan de tinlaag worden gebruikt als een driedimensionaal masker tijdens koperetsen, waarna de tinlaag verwijderd kan worden. Een andere optie zou kunnen zijn het metalliseren van het buitenoppervlak van de 3D spuitgietstructuur 2 met een geschikte deklaag, bijvoorbeeld nikkel en goud. In alle gevallen zal het 25 metalliseringsproces ervoor zorgen dat de uitwendige metalliseringspatronen 3b en 3c verbonden worden met de inwendige metalliseringspatronen 4a en 4b. Het bovengenoemde proces van het voorbereiden van de multilayer insteek PCB 1 voordat deze in de vorm wordt gestoken heeft tot doel om een goede adhesie te bewerkstelligen tussen de insteek 1 en het 30 spuitgietmateriaal teneinde een betrouwbare doorverbinding te krijgen. Na verwijdering van externe kenmerken van de insteek 1, zoals gedetailleerder weergegeven in Afb. 1c en Afb. 1d is de uiteindelijke 3D-MID straler 5 gereed.

De 3D-MID straler 5 kan worden geassembleerd op een drager om 35 een antennemodule te vormen.

7

Er dient op gewezen te worden dat variaties op het bovenbeschreven voorbeeld, zoals voor een met de techniek vertrouwd 5 persoon duidelijk zullen zijn, vervaardigd kunnen worden zonder de reikwijdte van deze uitvinding te buiten te gaan.

De onderhavige uitvinding beschrijft een praktische, eenvoudige, flexibele en compacte oplossing, die kan voldoen aan de eisen van andere 10 geavanceerde elektronische toepassingen dan zeer ver geïntegreerde radartoepassingen. De uitvinding kan bijvoorbeeld voldoen aan de eisen van de telecom basisstations. De lage kosten in aanmerking nemend tegenover de prestaties, is deze uitvinding een bijzonder kostenefficiënte oplossing.

1 035 6 63

Claims

1. Een werkwijze voor het maken van een driedimensionale doorverbindingsvoorziening die een veelheid doorverbindingslagen omvat, met het kenmerk dat de werkwijze de volgende stappen omvat: - een stap van het lamineren van een PCB die een veelheid 5 doorverbindingslagen omvat; - een stap van het insteken van de PCB in een driedimensionale vorm; - een stap van het injecteren van een spuitgietmateriaal in de vorm, om een driedimensionale structuur te vormen die de PCB omsluit; 10. een stap van het metalliseren van een deel van het buitenoppervlak van de 3D structuur zodat deze verbonden is met tenminste één doorverbindingslaag van de PCB.

2. Een werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het tijdens de 15 stap van het lamineren gebruikte lamineringsmateriaal en het tijdens de stap van het spuitgieten gebruikte spuitgietmateriaal zijn aangepast om adhesie te bewerkstelligen tussen de PCB en de 3D structuur.

3. Een werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat deze een stap 20 omvat van het voorbereiden van de PCB voordat deze in de vorm wordt gestoken, waarbij de PCB wordt behandeld met een alkaliconditioner en met een op zwavelperoxide gebaseerde verbinding om een organometallische conversiecoating te creëren.

4. Een werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de alkaliconditioner een NaOH oplossing is.

5. Een werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de op zwavelperoxide gebaseerde verbinding AlfaPREP PC 7030® is. 30

6. Een werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de stap van het metalliseren van het deel van het buitenoppervlak onder andere het vormen van een 3D patchantenne omvat, zodat de voorziening geschikt is voor gebruik als een antennestralermodule. 1035663

7. Een werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het lamineringsmateriaal Roger 4003 is.

8. Een werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het spuitgietmateriaal een thermohardend spuitgietmateriaal is.

9. Een werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk dat het thermohardende spuitgietmateriaal een epoxyhars is. 10

10. Een werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het spuitgietmateriaal een thermoplastisch spuitgietmateriaal is.

11. Een werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk dat het 15 thermoplastische spuitgietmateriaal polyetherimide is.

12. Een werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk dat het thermoplastische spuitgietmateriaal een vloeibaar kristalpolymeer is. 1 035 6 63