WO1995012966A1 - Verfahren zum dimensionsgenauen laminieren von mehrlagenleiterplatten und vorrichtung hierzu - Google Patents

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Fred Staubitzer
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Robert Bürkle Gmbh & Co.
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    • H05K2203/06—Lamination
    • H05K2203/068—Features of the lamination press or of the lamination process, e.g. using special separator sheets

Definitions

  • the invention first relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • a method is e.g. Known from the publication Holtgrewe, F. "Laminating multilayers" in Metall ⁇ surface 41 (1987) 11, pages 511-517:
  • the inner layers are connected to one another by adhesive films (prepegs).
  • adhesive films prepegs
  • the circuit carriers are inserted one or more times between heatable press plates of a vacuum press; the heating action causes the above-mentioned liquefaction of the adhesive resin.
  • circuit boards are therefore extremely sensitive to these fluctuations in their relative assignment, which occur during lamination, both vertically and horizontally.
  • the basic idea of the invention is as follows: When heating begins in the central area of the press package, the temperatures in the edge area still remain below the melting temperature of the adhesive resin, ie the edge areas are fixed in their original position between the heated press plates, while in the central area of the press package the aforementioned molecular shaping of the adhesive resin with subsequent Connection of the opposite circuit carriers is carried out.
  • the edge areas of the press plates are also heated up to the melting temperature of the adhesive resin, with very little adhesive resin then being squeezed out, since the "replenishment" from the central area, which has now hardened, inside the Press package no longer exists.
  • the division of the heating into several heating phases thus ensures that the vertical and horizontal positioning of adjacent circuit carriers / inner layers with respect to one another is no longer or only to a much lesser extent affected by the flow process of the adhesive resin than in the previous methods of simultaneous homogeneous heating of the entire press plate area.
  • the constructive realization of the heating can be done either by a combination of liquid heating (oil) and heating cartridges in the central area of the press plate, or also by a pure electric heating with appropriately arranged and separately controllable heating zones.
  • FIG. 1 a side view of a press with several heatable press plates
  • FIG. 2 a partially broken top view of a heatable press plate as used in FIG. 1,
  • Figure 3 a cross section through the press plate of Figure 2 in the plane III-III, and
  • Figure 4 a schematic representation of the method according to the invention using a temperature diagram.
  • FIG. 1 shows a vacuum multilayer press as it is used for the production of multilayers, i.e. for the lamination of multilayer printed circuit boards by means of adhesive films.
  • a vertically movable press table 20 is essentially provided (indicated by a double arrow), above which vertically displaceable heatable press plates 21 ... 26 are held, between which the press packs (not shown) are located.
  • a heating medium flows through the pressing plates 21 ... 26 via connections 30 for a heating medium (e.g. oil), so that the desired heat effect on the pressing packages in between is achieved from the surface of the pressing plates.
  • the press can be closed and opened by actuating a hydraulic cylinder 20A on which the press table 20 is mounted.
  • a vacuum pump 31 evacuates the interior of the press when the doors of the press 10 are closed, in order to prevent air pockets between the inner layers of the press packages, which can lead to malfunctions of the multilayer.
  • the press corresponds to 10 known designs, so that further explanations can be dispensed with.
  • FIGS 2 and 3 show one of the heatable pressing plates 21 ... 26 in a partially broken top view ( Figure 2) and a cross section ( Figure 3).
  • Each press plate has a meandering heating channel 40, which is provided on one end with a flow connection 40A and a return connection 40B.
  • a heating medium flows through the heating channel 40, the plate surface then also heats up to a predeterminable temperature and the temperature profile of the surface of the press plates is then transferred (with a corresponding time delay) to the press packs in between.
  • the pressure plate has a plurality of heating cartridges 51 ... 56, 61 ... 66 which are embedded in the heating plates parallel to the main direction of the heating channel 40, in the arrangement shown in FIG. 3.
  • the active heating area of these heating cartridges is symbolized in FIG. 2 by Zickza ⁇ k lines, so that the arrangement shown there defines a center surface Z of the surface of the heating plate, which is surrounded by a peripheral edge area R: While in the edge area R only the heating effect of the heating ⁇ channel 40 is available, an additional heating effect can be achieved by the heating cartridges 51 ... 66 in the center area Z.
  • the heating cartridges 51 ... 66 are combined in terms of connection and control in a temperature control system 50.
  • the temperature distribution is plotted along a location coordinate x in FIG. 4; the location coordinate x can be the section line III-III shown in FIG. 2.
  • T is the surface temperature of the press plate.
  • the specific temperature Ts is the melting temperature of the adhesive resin.
  • the electric press heater that is to say the heating cartridges 51 ... 66 of FIGS. 2/3, is switched on and the temperature of the heating medium is increased, so that after a certain time the temperature curve labeled "1" is obtained, where in the area of Center surface Z a temperature increase begins to develop.
  • FIG. 4 is a qualitative illustration, without claim to scale accuracy; it should be emphasized that it is crucial that the heating in the central area of the center area Z can be controlled independently of the "basic heating" by the heating medium flowing in the heating channel 40; the control of the heating power of the heating cartridges in their chronological order can be adapted to the type of multilayer to be processed without difficulty.

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Abstract

Ein Verfahren zum Laminieren von Mehrlagenleiterplatten, bei dem mehrere einzelne Schaltungsträger mit jeweils einer Klebefolie (Prepeg) unter Druck und Wärme in Kontakt gebracht werden und dadurch eine feste Verbindung eingehen, sieht vor, daß die Erwärmung der Klebefolien über deren Schmelztemperatur (Ts) vom Zentrum (Z) des Preßpaketes aus beginnend zum Rand (R) hin erfolgt. Die Aufteilung des Erwärmvorgangs in mehrere Heizphasen erreicht, daß die vertikale und horizontale Positionierung benachbarter Schaltungsträger zueinander durch den Fliesvorgang des Kleberharzes als wesentlichem Bestandteil der Klebefolien nicht mehr oder nur noch in wesentlich geringerem Maße beeinträchtigt wird als bei den bekannten Verfahren, wo eine gleichmäßige Erwärmung vorgenommen wird.

Description

Verfahren zum dimensionsgenauen Laminieren von Mehrlagenleiter¬ platten und Vorrichtung hierzu
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solches Verfahren ist z.B. aus der Ver¬ öffentlichung Holtgrewe, F. "Laminieren von Multilayern" in Metall¬ oberfläche 41 (1987) 11, Seiten 511-517 bekannt:
Bei der Herstellung von Mehrlagenleiterplatten werden die Innen¬ lagen (Schaltungsträger) miteinander durch Klebefolien (Prepegs) verbunden. Dies geschieht dadurch, daß unter Wärme das Kleberharz der Klebefolien verflüssigt wird, dabei eine Umwandlung der Molekülstruktur stattfindet und nach dem Aushärten des Kleberharzes die übereinander!iegenden Lagen fest miteinander verbunden und relativ zueinander fixiert sind. Zur Durchführung dieses Verfahrens sind die Schaltungsträger einzeln oder mehrfach zwischen beheizbare Preßplatten einer Vakuum-Presse eingelegt, durch die Heizwirkung tritt die erwähnte Verflüssigung des Kleberharzes ein.
Bei zunehmender Verflüssigung des Kleberharzes und zunehmendem Pre߬ druck tritt ein nach außen gerichteter Harzfluß auf, wodurch Pre߬ spannungen und Querkräfte (der sogenannte Streß) auf das Gewebe der Klebefolien, die zu Dimensionsveränderungen der einzelnen Lagen führen können, wirken.
Diese Spannungen bewirken, daß übereinander liegende Schaltungs¬ träger "ins Schwimmen kommen", d.h., die Positionierung der In¬ nenlagen bleibt sowohl in vertikaler Hinsicht als auch in horizontaler Hinsicht nicht gesichert, es können Verschiebungen auftreten dadurch, daß das Kleberharz in bestimmten Bereichen wegfließt. Solange die Schaltungsräger ausreichend breite Leiterbahnen auf¬ weisen, ist dies nicht besonders tragisch, da hier bei Bewegungen im Mikrometerbereich derartige Verschiebungen auf die spätere Durch- kontaktierung der Leiterbahnen keinen großen Einfluß hatten.
Beim Laminieren von Multilayerinnenlagen in Feinstleitertechnik (Leiterbahnbreite im Bereich von 50μ) kann eine derartige Ver¬ schiebung jedoch zu Fehlkontakten oder Kurzschlüssen führen, wenn die beabsichtigte Verbindung von Leiterbahnen benachbarter Leiter¬ platten durchgeführt wird.
Darüber hinaus führt eine Verschlechterung der Dickentoleranz der Kleberharzschicht zu Unterschieden des Abstandes gegenüberliegender Leiterbahnen, was auch in elektrischer Hinsicht negative Auswir¬ kungen hat, da insbesondere wegen der heutigen extrem hohen Be¬ triebsfrequenzen im Giga-Hertzbereich Fehlanpassungen durch Änderung von spezifischen Konstanten wie z.B. Kapazitätswerten auftreten können, die die Funktion der Leiterplatten beeinträchtigen.
Aus den genannten Gründen sind die Leiterplatten daher extrem empfindlich gegen diese beim Laminieren auftretenden Schwankungen ihrer relativen Zuordnung, sowohl vertikal als auch horizontal.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, daß beim Laminieren der Multilayerlagen ins¬ besondere in Feinstleitertechnik Schwankungen der relativen Zu¬ ordnung der Innenlagen, insbesondere seitlicher Versatz, zumindest weitgehend eliminiert werden.
Erfindungsgemäß wird dies gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in folgender Überlegung: Bei der beginnenden Heizung im Zentralbereich des Preßpaketes bleiben die Temperaturen im Randbereich noch unterhalb der Schmelz¬ temperatur des Kleberharzes, d.h., die Randbereiche werden in ihrer ursprünglichen Position zwischen den beheizten Preßplatten fixiert, während im Zentralbereich des Preßpakets die erwähnte molekulare Umformung des Kleberharzes mit anschließender Verbindung der gegen¬ überliegenden Schaltungsträger durchgeführt wird.
Wenn die erwünschte Haftwirkung im Zentralbereich des Preßpakets erreicht ist, werden die Randbereiche der Preßplatten ebenfalls in den Bereich der Schmelztemperatur des Kleberharzes hochgeheizt, wobei dann nur noch sehr wenig Kleberharz herausgequetscht werden kann, da der "Nachschub" aus dem inzwischen erhärteten Zentralbereich im Inneren des Preßpakets nicht mehr existiert.
Die Aufteilung des Erwärmens in mehrere Heizphasen stellt also sicher, daß die vertikale und horizontale Positionierung benach¬ barter Schaltungsträger/Innenlagen zueinander durch den Fließvorgang des Kleberharzes nicht mehr oder nur noch in wesentlich geringerem Maße beeinträchtigt wird als bei den bisherigen Verfahren der gleichzeitigen homogenen Beheizung des gesamten Preßplattenbereichs.
Die konstruktive Realisierung der Erwärmung kann entweder durch eine Kombination von Flüssigkeitsheizung (Öl) und Heizpatronen im zentra¬ len Bereich der Preßplatte erfolgen, oder auch durch eine reine Elektroheizung mit entsprechend angeordneten und separat steuerbaren Heizzonen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand von Zeichnungen nun näher erläutert, es zeigen:
Figur 1: Eine Seitenansicht einer Presse mit mehreren beheizbaren Preßplatten, Figur 2: eine teilweise aufgebrochene Aufsicht auf eine beheiz¬ bare Preßplatte, wie sie in Figur 1 eingesetzt wird,
Figur 3: einen Querschnitt durch die Preßplatte der Figur 2 in der Ebene III—III, und
Figur 4: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Temperaturdiagramms.
In Figur 1 ist eine Vakuum-Multilayerpresse dargestellt, wie sie für die Herstellung von Multilayern verwendet wird, d.h., für das Lami¬ nieren von Mehrlagenleiterplatten mittels Klebefolien.
Hierzu ist im wesentlichen ein vertikal verfahrbarer Preßtisch 20 vorgesehen (angedeutet durch Doppelpfeil), über dem vertikal verschiebbare beheizbare Preßplatten 21...26 gehalten sind, zwischen denen sich die (nicht dargestellten) Preßpakete befinden. Über Anschlüsse 30 für ein Heizmedium (z.B. Öl) sind die Preßplatten 21...26 von einem Heizmedium durchströmt, so daß von der Oberfläche der Preßplatten die gewünschte Wärmeeinwirkung auf die dazwischen liegenden Preßpakete erreicht wird.
Durch Betätigung eines Hydraulikzylinders 20A, auf dem der Preßtisch 20 gelagert ist, kann die Presse geschlossen und geöffnet werden. Eine Vakuumpumpe 31 evakuiert bei geschlossenen Türen der Presse 10 den Pressen-Innenraum, um Lufteinschlüsse zwischen den Innenlagen der Preßpakete zu verhindern, die zu Funktionsstörungen des Multilayers führen können.
Ansonsten entspricht die Presse 10 bekannten Ausführungen, so daß auf nähere Erläuterungen verzichtet werden kann.
Die Figuren 2 und 3 zeigen eine der beheizbaren Preßplatten 21...26 in einer teilweise aufgebrochenen Draufsicht (Figur 2) und einem Querschnitt (Figur 3). Jede Preßplatte verfügt über einen mäanderartig verlaufenden Heiz¬ kanal 40, der an einer Stirnseite mit einem Vorlaufanschluß 40A und einem Rücklaufanschluß 40B versehen ist. Bei Durchfluß eines Heiz¬ mediums durch den Heizkanal 40 erwärmt sich dann auch die Platten¬ oberfläche auf eine vorgebbare Temperatur und der Temperaturverlauf der Oberfläche der Preßplatten überträgt sich dann (mit entsprechen¬ der zeitlicher Verzögerung) auf die dazwischen liegenden Preßpakete.
Bei der dargestellten Konfiguration des Heizkanals 40 ergibt sich bei konventionellen Verfahren eine weitgehend konstante Oberflächen¬ temperatur, die zu den einleitend beschriebenen Nachteilen führt.
Erfindungsgemäß weist die Preßplatte eine Vielzahl von Heizpatronen 51...56, 61...66 auf, die parallel zu der Hauptrichtung des Heiz¬ kanals 40 in die Heizplatten eingelassen sind, in der aus Figur 3 erkennbaren Anordnung. Der aktive Heizbereich dieser Heizpatronen ist in Figur 2 durch Zickzaςk-Linien symbolisiert, so daß die dort gezeigte Anordnung eine Zentrumsfläche Z der Oberfläche der Heiz¬ platte definiert, die von einem umlaufenden Randbereich R umgeben wird: Während im Randbereich R lediglich die Heizwirkung des Heiz¬ kanals 40 zur Verfügung steht, kann eine zusätzliche Heizwirkung durch die Heizpatronen 51...66 im Zentrumsbereich Z erreicht werden.
Die Heizpatronen 51...66 sind anschlußmäßig und steuerungsmäßig in einer Temperaturregelanläge 50 zusammengefaßt.
Mit Preßplatten 21...26, wie sie in den Figuren 2 und 3 beispielhaft dargestellt sind, lassen sich nun verschiedene Betriebsarten der Presse fahren, von denen eine in Figur 4 schematisch dargestellt und noch kurz erläutert wird:
In Figur 4 ist die Temperaturverteilung entlang einer Ortskoordinate x aufgetragen, die Ortskoordinate x kann dabei die in Figur 2 dar¬ gestellte Schnittlinie III-III sein. T ist die Oberflächentemperatur der Preßplatte. Die spezifische Temperatur Ts ist die Schmelz¬ temperatur des Kleberharzes. Ein beispielhaftes Arbeitsverfahren kann nun vorsehen, daß zunächst eine gleichmäßige Erwärmung der Preßplattenoberfläche auf eine Vorstufen-Temperatur Ty erfolgt (mit "0" in Figur 4 bezeichnet). Bis hierher wird die Presse also konventionell gefahren.
Danach wird die elektrische Pressenheizung, also die Heizpatronen 51...66 der Figuren 2/3 zugeschaltet, und die Temperatur des Heiz¬ mediums erhöht, so daß sich nach einer gewissen Zeit der mit "1" bezeichnete Temperaturverlauf ergibt, wo im Bereich der Zentrums¬ fläche Z eine Temperaturerhöhung beginnt sich auszubilden.
Bei weiterer Temperaturerhöhung (Kurve "2") wird im Zentralbereich Z die Schmelztemperatur Ts überschritten über einen Bereich, dessen Randpunkte mit Xsi bzw. X$2 bezeichnet ist. Bei weiterer Temperatur¬ erhöhung (Kurve "3") wandern diese Punkte nach außen, was symbolisch durch die Pfeile A und B angedeutet ist, d.h., der Schmelzvorgang des Kleberharzes dehnt sich vom Zentrum beginnend aus nach außen zum Rand hin fort. Schließlich (Kurve "4") kann durch Hochheizen des Heizmediums bei abgeschalteten Heizpatronen wieder eine im wesent¬ lichen gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht werden, so daß auch das Kleberharz im Randbereich R der Preßpakete schmilzt und die angestrebte Laminierung der Leiterplatten erreicht werden kann.
Bei der Darstellung der Figur 4 handelt es sich um qualitative Veranschaulichungen, ohne Anspruch auf maßstäbliche Genauigkeit; es soll betont werden, daß entscheidend ist, daß die Heizung im Zentralbereich der Zentrumsfläche Z unabhängig steuerbar ist von der "Grundheizung" durch das im Heizkanal 40 fließende Heizmedium; die Steuerung der Heizleistung der Heizpatronen in ihrer zeitlichen Abfolge kann ohne Schwierigkeiten an den zu verarbeitenden Multi- layertyp angepaßt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung von Mehrlagenleiterplatten (Multi- layer), bei dem mehrere Innenlagen und Klebefolien (Prepregs) mittels eines Vakuum-Preßverfahrens unter Druck und Wärme mit¬ einander verpreßt werden und dabei die MolekülStrukturen der Kleberharze bei Erreichen einer spezifischen Temperatur derart verändert werden (Vernetzung), daß die Lagen eine feste Verbin¬ dung miteinander eingehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Preßpaketes und da¬ mit auch der Klebefolien über deren Schmelztemperatur (Ts) vom Zentrum (Zentrumsfl che) beginnend hin zum Rand erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung in zwei Stufen durchgeführt wird, wobei während der ersten Stufe die gleichmäßige Beheizung über die Schmelztempe¬ ratur (Ts) einer vorgegebenen Zentrumsfläche (Z) und während der zweiten Stufe die gleichmäßige Beheizung des Randbereichs (R) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vorstufe eine gleichmäßige Vorheizung der Klebefolien auf eine Temperatur (Ty) unterhalb der Schmelztemperatur (Ts) erfolgt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Presse mit mindestens zwei beheizbaren Preßplatten mit Temperaturregelanläge, zwischen denen die Preßpakete sandwichar¬ tig eingeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Pre߬ platten (21...26) über mindestens zwei Heizzonen verfügen, von denen zumindest eine Heizzone die Zentrumsfläche (Z) thermisch beaufschlagt und selbständig steuerbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Heizzone sich über die gesamte Fläche der Preßplatten (21...26) erstreckt und eine zweite Heizzone über die Zentrums¬ fläche (Z).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Heizzone von einem mäanderartig verlaufenden, mit einem flüssigen Heizmedium beschickten Heizkanal (40) gebildet wird, und die zweite Heizzone von elektrischen Heizpatronen (51...56; 61...66).
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizzonen ausschließlich von elektrischen Heizpatronen gebildet werden, die gruppenweise zusammengefaßt und steuerbar sind.
PCT/DE1994/001306 1993-11-03 1994-11-02 Verfahren zum dimensionsgenauen laminieren von mehrlagenleiterplatten und vorrichtung hierzu WO1995012966A1 (de)

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