DE19732755A1

DE19732755A1 - Mehrstufig reaktive Heißklebefolie zur Herstellung von flexiblen oder starren Mehrlagenschaltungen

Info

Publication number: DE19732755A1
Application number: DE1997132755
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Kaps; Robert Dr Schlengermann; Reiner Dipl Ing Becker
Original assignee: Sika Werke GmbH
Current assignee: Sika Werke GmbH
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 1998-02-05

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung des Verfahrens dient zur Herstellung von Verbundmaterialien gleicher und unterschiedlicher Werkstoffe für Mehrlagenschaltungen und Mehrschichtschaltungen in starrer und flexibler oder starrflexer Ausführung mittels thermoplastischer, reaktiver, von antiadhäsiven Substraten transferabler, thermoreaktivbarer und nachhärtbarer Klebefolien.

Charakterisierung des Standes der Technik

Bei der Herstellung von starren, flexiblen oder starrflexen Mehrlagenschaltungen müssen die Kupferoberflächen der Innenlagen oder Innenschaltungen zur haftfesten Verbindung der Kupferoberflächen mit den üblicherweise eingesetzten Prepregs nach dem heutigen Stand der Technik vorbehandelt werden. Physikalische Vorbehandlungen der Kupferoberflächen wie Bürsten oder Bimsen waren nicht immer erfolgreich, so daß bei dem Einsatz von immer dünneren und empfindlicheren Laminaten die chemischen Verfahren den Vorzug erhielten.

Die chemisch-oxidative Vorbehandlung dient zur Oberflächenvergrößerung und stellt eine Braun- oder Schwarzoxidschicht dar, die in chemischen Bädern vertikal oder horizontal in Durchlaufmaschinen erzeugt wird. Bei diesen Verfahren gibt es entscheidende Nachteile, wie die mangelnde Ätzmittelbeständigkeit, die im Extremfall zum "Pink-Ping-Effekt" fahren kann. Die Verwendung von chlorithaltigen, oxidierenden Substanzen, die langen Prozeßzeiten und die hohen Prozeßtemperaturen sowie das Einhalten von engtolerierten Prozeßparametern sind weitere Nachteile.

Vermeiden läßt sich der "Pink-Ring-Effekt" durch eine Reduktion, die sich dem Braun- oder Schwarzoxidprozeß anschließt. Dadurch erhöhen sich die Kosten durch den Aufwand an chemischen - Verfahren und Anlagentechnik bedeutend. Die Lagerung der so behandelten Innenlagen ist durch eine einsetzende Reoxidation begrenzt. Für Polyimidmaterialien ist diese Vorbehandlung der Kupferoberflächen kein zuverlässiger Faktor zum erfolgreichen Mehrlagenverbund.

Die Verfahren zur chemisch oxidativen Vorbehandlung der Kupferoberflächen können wie folgt durchgeführt werden:

1. Reinigen\|40-80°C
2. Spülen	Raumtemperatur
3. Anbeizen	25-50°C
4. Spülen	Raumtemperatur
5. Voralkalisieren	Raumtemperatur
6. Schwarz oder Braunoxidieren	60-95°C
7. Spülen	Raumtemperatur
8. Cu-Oxidreduktion (bei Bedarf)	25-50°C
9. Spülen	Raumtemperatur
10. Warmspülen (DI-Wasser)	50-60°C
11. Trocknen	60-80°C

Zur Behandlung der Kupferleiterbahnen und Pads der Multilayerinnenlagen nach dem Braun- und Schwarzoxidationsverfahren sind chemisch verträgliche Behälter aus PVC, PP oder Stahl, gummiert mit Heizung und Heizungsregelung erforderlich. Die Behälteranlagen werden manuell oder mittels einem Fahrwagen mit Gestellen für die Aufnahme der dünnen Laminate befahren. Spezielle Gestelle für das Handling sind erforderlich. Für höhere Fertigungskapazitäten erfolgt dieser Prozeß in horizontalen Durchlaufmaschinen. Hoher maschineller Aufwand mit technisch perfektem Transportmechanismus für den Transport der Innenlagen ergeben teure Maschinen. Notwendige freiprogrammierbare und protokollfähige Überwachungs- und Steueranlagen mit Temperatur- und Niveauregelungen sowie Dosiereinrichtungen verteuern die Anlagen weiterhin. Eine analytische Überwachung der Wirkbäder ist ebenso erforderlich wie die Wartung der Anlagentechnik.

Die erforderliche Behandlung der Spülwässer und eine umweltgerechte Entsorgung der verbrauchten Wirkbäder ist für das Betreiben der Anlagen eine kostenintensive Notwendigkeit.

Versuche zur Verbesserung der Technologie in der Fertigung zur Herstellung von Mehrlagen leiterplatten wurden beschrieben in den folgenden Patentschriften:
DE 31 13 334 auf Basis von aufgetragenen Harzen
DE A1 OS PN 3343745 unter Verwendung von Thermoplasten
DE A1 OS PN 3515549 unter Verwendung von trägerlosen Leiterplattenmaterial
DE 35 18 918 unter Einsatz von elastischen Stopfen in Paßlöchern
DE 36 24 718 unter Verwendung von kleberbeschichteten Kunststoffolien für flexible Bereiche
DE 42 08 610 starr-flex Schaltungen - Verbunde mittels üblicher Prepregs
DE A1 OS 4422216 Leiterplattenlaminate mittels Isolationsharzen

Allen haftet der Nachteil einer wenig eleganten, aufwendigen und kostenintensiven Technologie an, die nicht generell alle nachfolgenden für Leiterplatten erforderlichen Prozeßschritte zur weiteren Bearbeitung nach modernsten Verfahren zulassen. Ein Verfahren, das anschließend Kontaktierung, Ätzung, Laserablation, Lötprozesse und grundsätzlich eine einfache Vormontage unter den der Folienabdeckung für Leiterplatten analogen Handhabung zuläßt und mit vorhandenen Einrichtungen in Leiterplattenproduktionsstätten realisierbar ist, wurde darin nicht beschrieben.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, das die Montage von Mehrlagenschaltungen in starrer, starrflexibler und flexibler Bauart durch thermisches Verpressen vorlaminierter Einzellagen und anschließende Aushärtung zu chemisch und physikalisch beständigen Leiterplatten mit Verbundfestigkeiten < 1 N/mm Abschälkraft und einer Lötbeständigkeit von 288°C bei 10 sec. und einer guten Ablatierbarkeit mittels mechanischer oder der Lasertechnik gestattet, ohne daß zusätzliche technische Einrichtungen zu in Leiterplattenfertigungszentren üblichen und vorhandenen Anlagen erforderlich und keinerlei naßchemische Verfahren an den Oberflächen der Laminatflächen mehr erforderlich sind. Das Verfahren bzw. die Fertigungstechnologie soll damit schneller, umweltfreundlicher, kostengünstiger und störunanfälliger werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet Mehrlagenschaltungen in allen bekannten Aus führungsvarianten ohne Oberflächenvorbehandlung herzustellen, indem eine thermisch transferable, zweistufig reaktive Klebefolie hoher Adhäsivität mit einer nachträglich nach der Übertragung von einer Substratfolie oder nach direktem Beschichten aus der Lösung auf eine der Fügeoberflächen vernetzbaren Struktur bzw. vernetzbaren Reaktionspartnern im Molekulargemisch zum Schichtenaufbau zwischen die einzelnen zur verpressenden Lagen eingebracht wird und gleichzeitig die Funktion der dielektrischen Isolationszwischenlage erfüllt (Fig. 1). Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zweistufig reaktives Klebstoffgemisch bestehend aus isocyanat-haltigem Polyurethanpräpolymer mit einem hochmolekularen Cyanursäureepoxidharz, kombiniert mit aminischen Härtern zum Einsatz gelangt. Überraschenderweise lassen sich die Erfordernisse der ersten Vernetzungsstufe mittels der Isocyanatvernetzung über restliche Hydroxylgruppen im Epoxidharzsystem und Restfeuchte der Oberflächen in der Form realisieren, daß zum einen eine gute film-folienbildende Struktur mit hoher Adhäsivität im Klebstoffsystem ausgebildet wird, ohne daß die für den zweiten Reaktionsschritt erforderlichen Eigenschaften der Thermoplastifizierbarkeit und die reaktive Nachvernetzung des erst bei ca. 160°C aktivierbaren Epoxidharzes mittels angepaßtem aromatischen Amin benachteiligt oder beeinträchtigt wird und deren gute Adhäsivität an den metallischen und polymeren Oberflächenstrukturen voll zur Wirkung gelangen kann. Erfindungsschwerpunkt liegt dabei auf der thermisch gut transferablen, vorvernetzten Klebe- Isolationsfolie, welche bei ca. 100-160°C vom Substrat auf die zu, verklebenden Flächen übertragen werden kann, ohne dabei soweit weiter zu vernetzen, daß die zweite chemische Aushärtung für die zu erzielenden Endparameter beeinträchtigt wird. Nicht zu erwarten war, daß eine noch erzielbare gute Verklebbarkeit nach der Lösungsmittelbeschichtung und Beendigung der ersten Reaktionsstufe direkt auf den Fügepartnern oder beim Transferieren und zugleich bei neuerlicher Erwärmung im Verpreßvorgang eine analoge Benetzung, Haftung und endgültige Aushärtbarkeit erhalten bleibt, so daß alle Prozeßschritte zeitlich beherrschbar sind, ohne daß nach der ersten Beschichtung eine ungesteuerte Reaktion abläuft, wodurch die gesamte Funktionalität über längere Zeit reproduzierbar ist. Speziell darf die aufschmelzende Klebefolie nicht wegfließen. Sie muß also dimensionsstabil bleiben und darf sich nur gemäß angewandtem Druck vollständig auf die Oberflächenstruktur anpassen. Auch dieses Verhalten war nicht zu erwarten, da die innere Kohäsionskraft bei der Aufschmelztemperatur nicht berechenbar ist.

Die Schichtdicke der Folie, welche aus einer hochkonzentrierten Lösung über Düsenlippen auf eine antiadhäsive Substratträgerfolie oder direkt auf einen der Fügepartner aufgetragen wird, sollte an die jeweiligen Erfordernisse der zu verklebenden Fügepartner angepaßt und in Abhängigkeit von der zu gewährleistenden gleichzeitigen Isolation innerhalb der Schichten zwischen 20 und 100 Mikrometer betragen.

Gleichermaßen kann die Heißklebefolie auch auf Isolationszwischenschichten aus dem gleichen, wie im Verbund verwendeten Leiterplattenmaterial beidseitig aufgebracht werden (Fig. 2) und so als klebende Spacerfolie (Abstands- und Isolierzwischenschicht) eingesetzt werden.

Die Decklagen können auch aus einseitig elektrisch leitfähigem Laminat sein (Fig. 3). Die Isolierfolien können auch Prepregs sein (Fig. 4).

Mehrschichtschaltungen mit und ohne Prepregs, mit und ohne hartem Kern sowie in die Schichten eingebrachte Bauelemente mit und ohne vergrabenen Durchkontaktierungen lassen sich herstellen (Fig. 5 und 6).

Sind Prepregs mit im Mehrlagenverbund, dann bestimmen diese den Verbundzyklus. Ohne Prepregs bestimmt die beschriebene Heißklebefolie den Herstellungszyklus des Verbundes der Mehrlagenschaltung.

In der Regel sind die Mehrlagenschaltungen aus einheitlichem Material. Es können jedoch mit der Klebesiegelfolie auch unterschiedliche Materialien in den Verbund mit aufgenommen werden.

Der Verbund kann mit folgenden gleichen oder freikombinierbaren Materialien ohne Oberflächenvorbehandlung hergestellt werden:

- Hart-PVC, ABS, PUR, PS, PE, PP, PA, PBT, POM, PV ac, PTMT
- PMMA, Polyester, PVB, PET, Epoxidharze, Polyimid
- GUP, Gummi, EAM, EPDM, EU, Chromstahl und alle anderen Metalle
- Glas, Leder, Holz, Gummi, Baumwolle, Keramik
- Glasfaser, Aramidfaser, alle Kunst- und Naturfasern und Gewebe

Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Die Mehrlagen- und Mehrschichtschaltungen können ohne mechanische oder chemische Vorbehandlungen der zu verbindenden Schichten mit der Heißklebefolie starr oder flexibel verbunden werden.

Die eingesetzte Heißklebefolie ist säure- und laugenbeständig, und der Mehrlagenverbund kann mechanisch, optisch, laser- und plasmatechnisch bearbeitet und in ehemischen Bädern zur chemogalvanischen Behandlung eingesetzt werden.

Die reaktive Klebesiegelfolie hat ohne Nachvernetzung eine Wärmestandsfestigkeit von 85°C und im Anschluß an die Nachvernetzung eine Wärmestandsfestigkeit < 270°C.

Der Fügeprozeß benötigt bei einem Druck von 0,1-1,5 MPa und einer Temperatur von 100 bis 160°C nur 10 bis 20 Sekunden für den ersten Prozeßschritt.

Je nach Einsatz der Schaltungen wird die Nachvernetzung von 10 min. und 240°C bis 180 min. und 160°C variiert und in einem Schritt oder gestaffelt ausgeführt.

Der sogenannte "Pink-Ring-Effekt", der bei der chemisch-oxidativen Vorbehandlung der Kupferoberflächen entstehen kann, tritt hier nicht auf, da es im Zusammenhang mit der Heißklebefolie zu keiner Spaltbildung kommt.

Eine Anlagentechnik wie zur Oberflächenbehandlung der Kupferschichten mit Braun- und Schwarzoxidation ist nicht erforderlich. Diese chemischen Verfahren können entfallen und damit auch die chemischen Prozesse. Für diesen Prozeßzyklus in der Mehrlagenherstellung gibt es verkürzte Durchlaufzeiten, keine Anlageninvestitionen mehr für chemische Bäder und keine damit verbundenen Spülwasser- und Medienentsorgungen. Eine geringere Belastung der Umwelt durch Abfälle ist die Folge.

Die in der Leiterplattenproduktion generell vorhandenen Heißrollenlaminatoren, Trocken schränke und Pressen reichen für die Herstellung des Verbundes zur Mehrlagenschaltung mit der Heißklebefolie aus.

Zusammenfassend ergeben sich mehrere Vorteile dieses Verfahrens:

- keine chem. Vorbehandlung
- keine Abwasserbelastung
- keine Entsorgung chemischer Abfälle
- kein Analysenaufwand der Bäder
- kein Wasserverbrauch
- keine Deponiekosten
- geringere Produktionsfläche
- hoher Tg-Wert des Haftvermittlers
- verminderte Anlagentechnik
- niedrige Wartungskosten
- geringerer Energieverbrauch
- kürzere Durchlaufzeiten
- einfache Prozeßführung
- kein "Pink-Ring-Effekt"
- Verarbeitung auch von sehr dünnen Laminaten
- hohes Qualitätsniveau

Ausführungsbeispiele

Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen Fig. 1 bis 6 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1

Starre oder flexible Leiterplatte mit zweiseitig kupferkaschiertem Laminat als Innenlage (3) und beidseitig mittels Heißklebefolie (2) aufgebrachte Kupferfolie (1) als Außenlagen.

Fig. 2

Starre oder flexible Leiterplatte gemäß Fig. 1 im Inneren durch eine mögliche Isolations zwischenlage (4) aufgebaut und über alle kleberelevanten Oberflächen mittels Heißklebefolie (2) verpreßt bzw. laminiert.

Fig. 3

Starre oder flexible Leiterplatte mit einseitig kupferkaschierten Laminaten (5) als Außenlagen und zweiseitig kaschierten Laminaten (3) als Innenlagen mittels Heißklebefolie (2) zur Mehrlagenschaltung verpreßt oder laminiert.

Fig. 4

Starre oder flexible Leiterplatte bestehend aus den Kupferfolien-Außenlagen (1) und beidseitig kaschierten Kupferlaminaten (3) jeweils zwischen den Lagen verklebt mit einer Lage Prepreg (6) und zwei Lagen Heißklebefolie (2).

Fig. 5

Starre oder flexible Leiterplatte bestehend aus zwei äußeren Lagen von einseitig kaschiertem Kupferlaminat (5) und, durch einen mittels Heißklebefolie (2) beidseitig eingeklebten Metallkern (7), voneinander getrennte zweiseitig kaschierte Kupferlaminate als Innenlagen, jeweils durch Heißklebefolie (2) gegen Metallkern (7) und gegen die Außenlagen (5) laminiert bzw. verpreßt.

Fig. 6

Starre oder flexible Leiterplatte bestehend aus den Außenlagen (5) oder als Fotodielektrikum (8) und bei Notwendigkeit vorgesehene Isolationszwischenlagen (4) mit voneinander getrennten Innenlagen mit zweiseitig kaschiertem Kupferlaminat (3), welche bereits elektronische Bauelemente (9) und Durchmetallisierungen (11) auch als Sacklöcher (10) in vorgefertigter Form enthalten, wobei alle kleberelevanten Oberflächen mit Heißklebefolie (2) versehen sind und zur Mehrlagenschaltung verpreßt bzw. laminiert wurden, so daß nach dem Herstellen des Mehrlagenverbundes Plasma-, Laser-, Fotovias oder Sacklöcher eingebracht werden können.

Bezugszeichenliste

1 Kupferfolie
2 Heißklebefolie
3 zweiseitiges Cu-Laminat
4 Isolationszwischenlage
5 einseitiges Cu-Laminat
6 Prepreg
7 Metallkern
8 Fotodielektrikum
9 vergrabene Bauelemente
10 vergrabenes Sackloch
11 vergrabene Durchkontaktierungen
12 Laser-, Plasma-, Fotovia oder Sackloch

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Mehrlagenschaltungen, deren Innenlagen mittels einer zweistufig reaktiven Heißklebefolie aus der Lösung direkt aufgebracht oder mittels Transferfolientechnik bei 100 bis 160°C auf Laminatoren vorlaminiert werden und die beim Aufeinanderlegen bei erneuter Erwärmung und Vernetzung des thermo plastizierbaren Klebstoffes das Verpressen der kupferkaschierten, strukturierten, flexiblen oder starren Leiterplatten zu der notwendigen Temperatur-, Verbund-, Chemikalien- und Lötbestandigkeit für alle weiteren Verarbeitungsschritte - insbesondere hoher bleibender Elastizität mit Verhinderung von Beschädigungen bei thermischer Belastung ermöglichen, ohne daß bei Gewährleistung der erforderlichen Verbundfestigkeiten Nachteile für die anschließenden Bearbeitungsprozesse wie Fräsen mittels mechanischer, optischer oder plasmatechnischer Verfahren sowie naßchemischer Bearbeitung entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine im ersten Reaktionsschnitt vorgehärtete trockene, einen latenten zweiten Reaktionsmechanismus enthaltende, thermisch reaktivierbare auf antiadhäsiv ausgerüsteten Transferfolien als Trägermaterial oder direkt auf den Substraten der Laminate aus einer Lösung aufgebrachte Klebefolie auf Basis von Gemischen aus isocyanathaltigen Polyurethanpräpolymer als chemisch relevante Komponente für den ersten Reaktionsschritt und Cyanursäureepoxidharzen in Kombination mit aromatischen Aminen als relevante Komponente für die thermische Nachhärtung zur Verklebung von allen in der Elektronik zur Herstellung von Ein- oder Mehrlagenschaltungen üblichen Materialkombinationen zum Einsatz gelangt, wobei der erste Reaktionsschritt unter Raumbedingungen erfolgt und im zweiten Reaktionsschritt bei 160 bis 220°C, innerhalb von max. 180 Minuten und minimal 10 Minuten die eingesetzten Materialien zu einer thermisch und chemisch den Anforderungen der Leiterplattenfertigung und Anwendung adäquaten Qualität unter Preßbedingungen von 0,1 bis 1,5 MPa laminiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des beschriebenen Verfahrens flexible Mehrlagenschaltungen hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des beschriebenen Verfahrens starrflexe Mehrlagenschaltungen hergestellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Mehrschichtleiterplatten dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Ebenen der Leiterplatten in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten auflaminiert werden und in jedem Schritt oder nach dem Gesamt aufbau die Nachvernetzung vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunststoff- oder Metall kern im Verbund eingearbeitet wird und die Nachvernetzung nach jedem Schritt oder nach dem Gesamtaufbau der Schichten erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 zur Herstellung von Mehrlagenschaltungen dadurch gekennzeichnet, daß bereits vergrabene Bauelemente und/oder Durchmetallisierungen zum Einsatz gelangen.