DE19541096A1 - Laminatmaterial für Leiterplatten sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laminatmaterial für Leiter­ platten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bei bekannten Laminatmaterialien wird als Bindematerial Zweikomponenten-Kunststoffmaterial verwendet, z. B. Epoxi­ harz oder Polyurethan. Bei derartigen Bindematerialien ist hohe Sorgfalt beim Mischen der Komponenten notwendig. Die Härterkomponenten sind oft giftig, empfindlich gegen Feuchtigkeit und haben kurze Haltbarkeit. Die zum Verar­ beiten derartiger Zweikomponentenmaterialien verwendeten Einrichtungen sind teuer. Schließlich bereitet auch die Entsorgung von derartigem bekanntem Laminatmaterial Schwierigkeiten.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Laminat­ material angegeben werden, welches die von der Industrie an Laminatmaterialien zur Herstellung von Leiterplatten gestellten Anforderungen erfüllt, sich aber umweltfreund­ licher herstellen läßt und leichter entsorgt werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Laminat­ material mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Neben den sich aus der oben angegebenen Aufgabe ableitenden Vorteilen ist an dem erfindungsgemäßen Laminatmaterial vorteilhaft, daß die Herstellung weniger Herstellungs­ schritte umfaßt und bei der Herstellung weniger Energie eingesetzt werden muß. Ferner haben erfindungsgemäße Laminatmaterialien eine verbesserte chemische Beständigkeit. Auch die elektrischen Kennwerte sind besser als bei bekannten Laminatmaterialien.

Mit einem erfindungsgemäßen Laminatmaterial hergestellte Teil-Leiterplatten sind nachformbar, so daß man nach dem erfindungsgemäßen Prinzip dreidimensionale Mehrlagen- Leiterplatten realisieren kann, bei denen die verschiedenen Schichten erst mit dem Verpressen und Vernetzen weiterer zwischen die Teil-Leiterplatten eingefügter Schichten aus HDPE (high dennsity polyethylene) und mit dem Nachvernetzen der Teil-Leiterplatten zu einer monolithischen Struktur zusammenwachsen.

Bei dem erfindungsgemäßen Laminatmaterial hat man auch nur sehr kleine Abmessungsänderungen bei Temperaturän­ derungen. Auf diese Weise werden mechanische Belastungen klein gehalten. Bei starken Temperaturerhöhungen, die bei bekannten Laminatmaterialien zu kritischen Belastungen führen, bleibt ein erfindungsgemäßes Laminatmaterial unter Erweichen druckfrei, so daß keine unzulässigen mechanischen Spannungen im Verbundmaterial entstehen.

Schließlich zeichnet sich das erfindungsgemäße Laminat­ material durch eine sehr gute und belastungsfähige Ver­ bindung zwischen der Isolierschicht und der Leiterbahn­ schicht (in der Regel Kupferschicht) aus.

Erfindungsgemäße Laminatmaterialien haben die zum Löten mit herkömmlichen Loten ausreichende Temperaturbeständig­ keit (20 Sekunden bei 280°C).

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand weiterer Ansprüche.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen vergrößerten schematischen Schnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Laminattyp; und

Fig. 2 eine ähnliche Schnittansicht, in welcher ein abgewandelter Laminattyp dargestellt ist.

In Fig. 1 ist ein Laminatmaterial gezeigt, welches aus einer isolierenden Kernschicht 10 und deren Außen­ flächen bedeckenden Kupferschichten 12, 14 besteht.

Die Kernschicht 10 besteht ihrerseits aus einer Aufeinan­ derfolge von HDPE-Schichten 16-1, 16-2, 16-3, 16-4 und 16-5, zwischen welche Verstärkungsschichten 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4 eingefügt sind.

Die Verstärkungsschichten 18 bestehen aus Glasfasergewebe Nr. 7628. Statt dessen können auch andere Gewebe, Filze, Vliese und Papiere mit einem Flächengewicht von 50 bis 200 g/m² verwendet werden.

Dem HDPE ist ein Flammschutzmittel beigemischt. Es kann sich hierbei zum einen um aromatische bromhaltige Ver­ bindungen in einem Anteil von ca. 30 Gewichtsprozent handeln, welche eine Zersetzungstemperatur von etwa 300°C aufweisen. Typische Beispiele hierfür sind polybromierte Biphenyle, polybromierte Diphenylether, bromierte Phthalimide, HBCD (Hexabromcyclododekan). Vorzugsweise wird diesen haloge­ nierten aromatischen Verbindungen Sb₂O₃ in einer Menge von mindestens 10 Gewichtsprozent zugegeben.

Alternativ können halogenfreie Flammschutzmittel verwendet werden, z. B. ein auf der Basis von Stickstoff und Phosphor aufgebautes Mittel welches unter dem Handelsnamen melapur P46 von der Chemie Linz GmbH vertrieben wird. Ein weiteres halogenfreies in Verbindung mit der vorliegenden Erfin­ dung vorteilhaftes Flammschutzmittel ist roter Phosphor in einem Anteil von etwa 5 bis etwa 20 vorzugsweise bis etwa 8 Gewichtsprozent mit einer Zugabe von 7 Gewichts­ prozent Melamin bzw. 7 Gewichtsprozent PAN. Zur Verbes­ serung der Flammschutzwirkung kann dem Phosphor enthal­ tenden HDPE noch Zn-Borat, Mg(OH)₂ oder Al(OH)₃ zuge­ mischt werden.

Das wie oben beschrieben zusammengesetzte HDPE-Material ist entweder durch Blasformen, durch Flachfolien-Her­ stellungsverfahren oder durch heißes Walzen von Material- Pellets zu einer Folie verarbeitet worden. Bei dieser Ver­ arbeitung wird darauf geachtet, daß das HDPE nur wenig (maximal 10% bis 15%) vernetzt wird.

Zur Herstellung des Laminates werden die so erhaltenen HDPE-Schichten 16, die Verstärkungsschichten 18 und die Kupferschichten 12 und 14 über einander geführt oder gelegt und heiß verpreßt, wobei das HDPE aufschmilzt und weiter vernetzt, wodurch man die in Fig. 1 gezeigte Schichtstruktur erhält. Hierzu kann geheizte Walzen oder geheizte Taktpressen verwenden.

Die so erhaltene gesamte Schichtstruktur wird unter Druck bei einer Temperatur, die etwa 30°C über der Schmelz­ temperatur des HDPE liegt, einer oder mehreren Wärmebe­ handlungen unterworfen, bei welcher das HDPE zunächst auf einen Vernetzungsgrad zwischen 70% und 90% und dann im wesentlichen voll vernetzt wird, wobei aber vorzugsweise ein End-Vernetzungsgrad von 95% nicht überschritten wird.

Bei den hier in Betracht gezogenen HDPE-Typen liegt der Schmelzpunkt des Materials so hoch, so daß das Verpressen und Vernetzen des HDPE bei einer Temperatur von etwa 170 bis 250°C erfolgen kann.

Das so erhaltene Laminatmaterial erfüllt die An­ forderungen an die Flammbeständigkeit (UL 94 Klasse V-0), es hält auch den beim Löten von Bauelementen auf Leiter­ platten auftretenden thermischen Beanspruchungen stand.

Verglichen mit herkömmlichen Leiterbahnplatten auf Epoxi- oder Polyurethanbasis, zeichnet sich das erfindungsgemäße Laminatmaterial durch einen günstigen DK-Wert von nur 2,5 (DIN 53481), gegenüber 4,5 bei den bekannten Leiterplatten, und durch einen sehr kleinen Verlustwinkel von 0,005 (DIN 53482) aus.

Das oben beschriebene Laminatmaterial wird bei starker thermischer Beanspruchung nicht spröde, erweicht vielmehr etwas und kann somit auch starke Temperaturänderungen mitmachen, ohne daß hierdurch eine Rißbildung in den Kupferschichten bzw. den später aus diesen hergestellten Leiterbahnen resultiert.

In weiterer Fortbildung der Erfindung wird dem Ausgangs- HDPE zusätzlich noch ein Schäummittel zufügen, z. B. in Form von sich bei Wärmeinfluß zersetzendem Peroxid. Hierbei wird insbesondere ein organisches Peroxid in einer Menge von etwa 0,5 bis 2 Gewichtsprozent im unvernetzten HDPE eingebaut. Ein solcher Peroxidzusatz ist auch im Hinblick auf die Temperaturbeständigkeit der HDPE-Schichten und damit des ganzen Laminates von Vorteil.

Ferner kann man dem HDPE noch eine Aminverbindung oder eine Carbamidverbindung in einer Menge von etwa 0,3 bis etwa 0,5 Gewichtsprozent als Antioxidans zusetzen.

Auch kann man dem HDPE noch einen Haftvermittler zusetzen, der die Haftung zwischen den HDPE-Schichten und den Kupferschichten weiter verbessert.

Als Material für die Verstärkungsschichten 18 sind neben Glasfasergewebe auch andere Gewebe, Vliese wie Aramid- Vlies, Filze und Papiere gut geeignet, welche gute dielek­ trische Eigenschaften aufweisen. Bevorzugte Flächengewichte der Verstärkungsschichten liegen zwischen 50 und 200 g/m².

Das oben in Details seines Aufbaus beschriebene Laminat ist ein bei Raumtemperatur im wesentlichen starres Gebilde mit einer Dicke von etwa 1 mm. Schon Laminatmaterialien mit einer geringeren Schichtenanzahl der Kernschicht haben aber die für Leiterplatten notwendige mechanische Festig­ keit. Bei abgewandeltem Schichtaufbau (weniger bzw. mehr Verstärkungs- und HDPE-Schichten) sind Laminatdicken zwischen 0,3 und 1,6 mm realisierbar. Eine kleinste Kernschicht besteht nur aus einer einzigen Verstärkungs­ schicht 18, einer darüberliegenden HDPE-Schicht 16 und einer darüberliegenden Kupferschicht 12.

Mehrere derartige Laminat-Schichtstrukturen können auch zu einer mehrlagigen Laminatplatte verbunden werden, wie Fig. 2 zeigt. Bei der dort wiedergegebenen Laminatplatte ist zusätzlich eine mittlere Kupferschicht 20 vorgesehen, und die drei Kupferschichten 12, 14, 20 sind jeweils durch Kernschichten 20, 22 voneinander getrennt und isoliert, die eine mittige Verstärkungsschicht 18 und zwei HDPE- Schichten 16-1 und 16-2 aufweisen. Die letzteren tränken beim Aufschmelzen die Verstärkungsschicht 18 und verbinden diese fest mit den benachbarten Kupferschichten, so daß die gesamte Schichtstruktur wieder einen monolithischen Block bildet.

Es versteht sich, daß bei derartigen mehrlagigen Laminat­ materialien zumindest die innenliegenden Kupferschichten mit den gewünschten Leiterbahnen versehen sein müssen, bevor sie mit den anderen Schichten verpreßt werden.

In Abwandlung des oben beschriebenen Herstellungsver­ fahrens kann man das HDPE-Material, in welches zuvor durch Kneten, die oben beschriebenen Zusätze eingear­ beitet wurden, in Pelletform in eine Rakeleinrichtung einbringen, dort aufschmelzen und auf die Verstärkungs­ lagen 18 aufrakeln. Eine derartige Rakel kann vorzugs­ weise durch einen Walzenspalt gebildet sein, durch wel­ chen die Verstärkungsschicht 18 hindurchbewegt wird und in welcher stromaufseitig eine ausreichende Menge ge­ schmolzenen HDPE-Materiales gehalten wird.

In nochmaliger Abwandlung der Erfindung kann man dem Ausgangs-HDPE zusätzlich Kautschuk beimischen. Das so erhaltene Laminat ist besonders gut bei Frost und tiefen Temperaturen einsetzbar.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß sich das erfindungsgemäße Laminatmaterial durch elektrische und mechanische Eigenschaften, umweltfreundliche Herstell­ ung und einfache umweltgerechte Entsorgung auszeichnet.

Claims (19)

1. Laminatmaterial für Leiterplatten mit mindestens einer aus elektrischem leitendem Material gefertigten Leiterbahnschicht (12, 14, 20) und mindestens einer mit der letzteren verbundenen elektrisch isolierenden Kernschicht (10, 20, 22,), welche mindestens eine Verstärkungsschicht (18) sowie ein Bindematerial (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschichten (10; 20, 22) als Bindematerial HDPE aufweisen, und das Bindematerial sowohl mit den Leiterbahnschichten (12, 14; 12, 14, 20) als auch mit den Verstärkungsschichten (18) ver­ schmolzen und verpreßt ist.

2. Laminatmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kernschichten (10; 20, 22) eine zusam­ menhängende Lage aus Gewebe, insbesondere Glasfasergewebe, Vlies, insbesondere Aramidvlies, Filz oder Papier enthalten.

3. Laminatmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das HDPE ein Flammschutzmaterial enthält.

4. Laminatmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Flammschutzmaterial Halogenverbindungen umfaßt und in einer Menge von etwa 30 Gewichtsprozent im HDPE enthalten ist.

5. Laminatmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Flammschutzmaterial zusätzlich mindestens 10 Gewichtsprozent Sb₂O₃ umfaßt.

6. Laminatmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Flammschutzmaterial halogenfrei ist und vorzugsweise eine Phosphorverbindung umfaßt.

7. Laminatmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Phosphorverbindung roter Phosphor ist und in einer Menge von etwa 5 bis etwa 20 Gewichtsprozent im HDPE enthalten ist.

8. Laminatmaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das HDPE zusätzlich etwa 7 Gewichtsprozent Melamin bzw. PAN enthält.

9. Laminatmaterial nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das HDPE zusätzlich Zn-Borat, Mg(OH)₂ oder Al(OH)₃ enthält.

10. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das HDPE einen Vernet­ zungsgrad zwischen etwa 60% und etwa 95% aufweist.

11. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das HDPE etwa 0,3 bis etwa 0,5 Gewichtsprozent eines Antioxidans in Form einer Amin- oder Carbamid-Verbindung enthält.

12. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das HDPE beim Verpressen mit der Verstärkungsschicht (18) in situ aufgeschäumt ist, vorzugsweise durch ein organisches Peroxid, welches dem Ausgangs-HDPE zu etwa 0,5 bis etwa 2,0 Gewichtsprozent zugesetzt wird.

13. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das HDPE Kautschuk ent­ hält.

14. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das HDPE einen Haftver­ mittler für metallische Flächen enthält.

15. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernschicht (10; 20, 22) für jede Verstärkungsschicht (18) zwei diese von beiden Seiten bedeckende und mit der Verstärkungsschicht (18) verschmelzene HDPE-Schichten (16) aufweist.

16. Verfahren zum Herstellen von Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschichten (18) und die HDPE-Schichten (16) sowie die Leiterbahnschichten (12, 14, 20) getrennt hergestellt werden, die verschiedenen Schichten aufeinander geleitet und unter Druck und Wärmeeinwirkung unter Auf­ schmelzen und Vernetzen des HDPE miteinander verbunden werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die als Ausgangsmaterial eingesetzten HDPE- Schichten nicht oder maximal zu 10% bis 15% vernetzt sind und das restliche Vernetzen des HDPE bei der beim Zusam­ menfügen der verschiedenen Schichten durchgeführten Wärmebehandlung erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das restliche Vernetzen in einer oder mehreren Vorstufen bis auf einen Vernetzungsgrad von 70% bis 90% und in einer Endstufe auf einen Vernetzungsgrad von etwa 95% durchgeführt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur durchgeführt wird, die etwa 30°C über der Schmelz­ temperatur des HDPE liegt, vorzugsweise etwa 170°C bis 250°C.