DE3920637A1

DE3920637A1 - Anpassbare mehrschicht-leiterplatte mit eingestelltem thermischen ausdehnungskoeffizienten

Info

Publication number: DE3920637A1
Application number: DE3920637A
Authority: DE
Inventors: Robert Edward Belke; Louis Zakraysek; Walter Oscar Pillar
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-04-21
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1991-01-03
Also published as: GB2231839B; GB8911176D0; FR2649279B1; FR2649279A1; US4876120A; GB2231839A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Mehrschicht-Leiterplatten bzw. gedruckte Verdrahtungsplatten mit mehreren Schichten, und sie bezieht sich mehr im besonderen auf die Herstellung von Lei terplatten mit einem eingestellten thermischen Ausdehnungskoeffi zienten in der Plattenebene.

In den letzten Jahren gab es einen sich beschleunigenden Trend in Richtung einer gleichzeitigen Schaltungsgrößen-Verminderung und einer Expansion hinsichtlich der Funktion in elektronischen Systemen hoher Leistungsfähigkeit. Die Leiterplatten-Technolo gie hat eine integrale Rolle bei dieser Entwicklung gespielt. Die Oberflächenmontage (abgekürzt auch SMT bezeichnet) hat neue Anforderungen hinsichtlich des Entwurfes von Leiterplatten eingeführt, wie die Verwendung von Substraten mit feinen Linien und engem Abstand, durchgehend plattierten Löchern mit kleinem Durchmesser und solchen Durchgängen sowie Chip-Trägern mit einer großen Anzahl von Leisten- bzw. Steg-Lötverbindungen.

Die Entwicklung von Leiterplatten-Laminaten (die häufig aus einer Vielzahl dünner Laminate zusammengesetzt sind) hat zu einer größeren Geräte-Komplexizität sowie der Notwendigkeit geführt, diese Geräte bzw. Elemente in einem kleineren Volumen unterzubringen bzw. zu verpacken. Eine maximale Schaltungs-Inte grität unter nachteiligen Bedingungen ist ebenfalls ein Ent wicklungskriterium. Die Auswahl von Materialien, die erwünsch te Eigenschaften haben, ist ein Verfahren zum Verbessern der Leistungsfähigkeit von Leiterplatten. Sowohl das Harzsystem oder die Harzmatrix als auch das Verstärkungsmaterial müssen ge nau angepaßt werden, was auch für ihre Kombination zutrifft, damit die Leiterplatten Schritt halten mit der Chip-Entwicklung. Harzsysteme erfordern im allgemeinen einen Kompromiß zwischen Eigenschaften, wie einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffi zienten in ihrer Masse, einer geringen Dielektrizitätskonstan ten (E_r), einer hohen thermischen Stabilität, einer hohen Glasübergangs-Temperatur (T_g) und einer leichten Verarbeitbar keit. Es nähert sich rasch die Zeit, bei der die derzeit han delsüblichen Leiterplatten-Materialien ungenügende meachanische, physikalische und elektrische Eigenschaften aufweisen, um die wachsenden Verpackungs- bzw. Gehäuseanforderungen zu erfüllen.

Man kann die vorgenannten Anforderungen vielleicht besser wür digen, wenn man sich vorstellt, daß die üblichen (und zukünfti gen) keramischen Materialien für Chip-Träger einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Ebene von nur 0 ppm/°C bis zu 15 ppm/°C erfordern. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung steht ppm für 10^-6. In der Plattenebene liegende thermische Ausdeh nungskoeffizienten in diesem Bereich werden auch die zukünfti ge Verwirklichung der direkten Befestigung mit einem Werkzeug bzw. Stempel (im englischen "direct die-to-bond attachment" erleichtern. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sili zium, GaAs und vielen anderen keramischen Materialien fallen in diesen Bereich. Eine enge Anpassung der Ausdehnung des Ver bundstoffes in der Z-Achse an Kupfer (17 ppm/°C) ist ebenfalls wichtig, um Spannungen in durchgehend plattierten Löchern zu vermindern. Eine verminderte Elektrizitätskonstante (von z. B. unter 3,0 bei 1 KHz) wird bei hohen Taktfrequenzen zunehmend erwünscht, da dies die Ausbreitungsverzögerung minimiert. Ein Hochtemperatur-Harz mit einem T von z. B. oberhalb von 185°C stellt sicher, daß die Ausdehnung der Mehrschicht-Leiterplatte relativ gering und während thermischer Ausschläge linear als Funktion der Temperatur bleibt. Eine geringe Feuchtigkeitsab sorption des Verbundstoffes, von z. B. unter 0,5% bei Sättigung, stellt die Stabilität der elektrischen Eigenschaften ebenso sicher, wie ein geringes Quellen der Matrix während Feuchtig keitsänderungen in der Umgebung. Die Entwicklung neuer oder verbesserter Konstruktionsmaterialien für Leiterplatten muß abgestimmt werden mit der Möglichkeit vorteilhaft die vorhan dene Herstellungstechnologie zu nutzen, (z. B. Behandeln, Nutzung des B-Zustandes, Laminierung usw.), während man Nutzen zieht aus nicht-traditionellen Technologien, z. B. Papierherstellung oder Koextrusion.

Zusätzliche Probleme, die eine Lösung erfordern, schließen die thermische Ermüdung von Lötverbindungen bei Chip-Keramik-Trägern ohne Anschlüsse (LCCC) sowie Rißbildung bei der Ganz-Trommel plattierung ein. Man sieht daher, daß der Entwickler und Her steller von Schichtstoffen bzw. Laminaten und Leiterplatten einer schwierigen Aufgabe gegenübersteht.

In ihren breitesten Aspekten ist die vorliegende Erfindung auf verbesserte Verbundstoffe, wie Mehrschicht-Leiterplatten und Laminate zur Verwendung bei der Herstellung von Leiterplatten gerichtet. Die verbesserten Mehrschicht-Leiterplatten und La minate enthalten mindestens eine Schicht, die aus einem Flüs sigkristall-Polymer gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Poly(p-phenylenbenzobisthiazol), Poly(p- phenylenbenzobisoxazol), Poly(2,5-benzothiazol), Poly(2,5- benzoxazol) und deren Mischungen. Das bevorzugte Flüssigkri stall-Polymer umfaßt Poly(p-phenylenbenzobisthiazol). Das Flüssigkristall-Polymer kann in Form von Garn, kurzen Fasern, Pulpe, Papierfilm, Plättchen, Molekular-Verbundstoffen, Gewebe, Vlies oder als zusammenhängender Film geliefert werden. Der negative thermische Ausdehnungskoeffizient und der hohe Young modul der bevorzugten Flüssigkristallpolymeren erlaubt ein La minat sowie daraus hergestellte Mehrschicht-Leiterplatten mit einem genau eingestellten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der z. B. im Bereich von etwa 0 bis 15 ppm/°C und vorteilhafter weise im Bereich von 3 bis 7 ppm/°C liegt.

Das Verfahren zum Einstellen des thermischen Ausdehnungskoeffi zienten in der Ebene von Mehrschicht-Leiterplatten umfaßt einen anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der Gebrauch poly merer Kernschichten unter Verwendung der bevorzugten Flüssig kristall-Polymeren der vorliegenden Erfindung ist auch möglich. Das Kombinieren solcher Flüssigkristall-Polymeren mit anderen üblichen Verstärkungsmaterialien ergibt Flexibilität beim Ent wurf von Mehrschicht-Leiterplatten und Laminaten, was bisher nicht möglich war.

Vorteile der vorliegenden Erfindung schließen die Möglichkeit ein, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Ebene von Mehrschicht-Leiterplatten zu steuern bzw. einzustellen, ohne die Ausdehnung in der Z-Richtung nachteilig zu beeinflus sen oder andere Eigenschaften zu opfern. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, übliche Metallkernschichten durch Schich ten aus Flüssigkristall-Polymermaterialien, wie sie hier offen bart sind, zu ersetzen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglich keit, übliche Leiterplatten-Verarbeitungstechniken bei Ein satz der hier offenbarten Flüssigkristall-Polymeren zu benutzen.

Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Konstruktion einer Mehr schicht-Leiterplatte,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Laminats (Schichtstoffes), das(der)zum Einsatz in einer Mehr schicht-Leiterplatte,wie nach Fig. 1, geeignet ist,

Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines unge ätzten Laminats, das zum Einsatz in einer Mehrschicht- Leiterplatte, wie nach Fig. 1, geeignet ist und

Fig. 4 einen perspektivischen Teilschnitt eines durchplattier ten Loches einer Mehrschicht-Leiterplatte, wie es bei einer solchen Platte, wie nach Fig. 1, ausgebildet wer den kann.

Die Zeichnung wird weiter unten detaillierter beschrieben.

Die Steuerung bzw. Einstellung des thermischen Ausdehnungsko effizienten in der Ebene von ein- oder mehrschichtigen Leiter platten über einen Temperaturbereich von, z. B. -65°C bis +125°C für besetzte Platten wird ermöglicht durch Einsatz von Ver stärkungsmaterialien, die einen negativen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten und einen sehr hohen axialen Elastizitäts modul von mehr als 280 kN/mm² (entsprechend 40 000 000 psi) aufweisen. Gleichungen, die von Halpin und Pagano, AFML TR-68- 395, entwickelt wurden, veranschaulichen die Beziehung zwischen der Harzmatrix und der Verstärkungsfaser bei der Regulierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundstoffes. Die weniger komplexe Gleichung für den thermischen Ausdehnungs koeffizienten von einseitig gerichteten Verbundstoffen in der Faserrichtung zeigt z. B. die Wirkung der Bestandteile:

worin

α der thermische Ausdehnungskoeffizient (abgekürzt CTE),
E der Modul,
V der Volumenanteil,
f, m Faser bzw. Matrix bedeuten und
11 die Richtung parallel zu den Fasern angibt.

Der CTE des Verbundstoffes wird daher direkt durch den Modul sowie den CTE der Verstärkungsfaser beeinflußt.

Stark geordnete Polymere weisen Eigenschaften auf, die in einer Vielfalt physikalischer Formen in Kombination mit anderen Ma terialien benutzt werden können, um genaue CTEs in der Ebene von Leiterplatten zu schaffen. Anisotrope Polymere oder Flüssig kristall-Polymere, die die oben angeführten erforderlichen Eigenschaften aufweisen und zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung bevorzugt sind, schließen Poly(p-phenylenbenzobis thiazol) (PBZT) der Struktur I (sowohl die cis als auch die trans-Form) Poly(p-phenylenbenzobisoxazol) (PBO) der Struktur II (sowohl die cis als auch die trans-Form), Poly(2,5-benzothiazol) (ABPBZT) der Struktur III und Poly(2,5-benzoxazol) (ABPBO) der Struktur IV ein. Die wiederholenden Einheiten dieser Strukturen dieser Flüssigkristall-Polymeren und die Abkürzungen, die im folgenden dafür benutzt werden, sind im folgenden zusammenge stellt:
(I) PBZT (oder PBT, trans-Form gezeigt)

(II) PBO (trans-Form gezeigt)

(III) ABPBZT

(IV) ABPBO

In der Literatur mag für die Struktur I (und die Struktur III) die Bezeichnung PBT gefunden werden. Die Verbindungen sind je doch gleich. Die Synthese der vorgenannten Flüssigkristall- Polymeren und ihre Umwandlung in Faserform ist in den folgenden Druckschriften beschrieben: US-PSen 42 25 700; 46 06 875; 44 87 735; 45 33 724; 45 45 119; 45 33 692 und 45 33 693; "Macromolecules" 14, 909ff (1981) und "Polymer Preprints" 28 Nr. 1 (April 1987), Seite 50, auf die hiermit ausdrücklich hin gewiesen wird.

Ein großer Teil der Beschreibung bezieht sich auf PBZT, da es das am meisten charakterisierte der bevorzugten Flüssigkristall- Polymeren war. Diese Beschreibung ist nur beispielhaft zu ver stehen, nicht jedoch beschränkend. Faser und Filme, die aus PBZT hergestellt wurden, weisen einzigartige Eigenschaften auf, von denen einige äquivalent und einige besser sind als die von Fasern und Filmen, die aus Materialien hergestellt wurden, die man üblicherweise zum Verstärken von Leiterplatten benutzt. In den folgenden Tabellen sind die Eigenschaften von Fasern und Filmen zusammengestellt, die aus PBZT und anderen üblichen Ma terialien hergestellt wurden.

Vergleich der Eigenschaften von PBZT-Faser mit Fasern aus an deren Materialien.

Vergleich der Eigenschaften von PBZT-Film mit Filmen anderer Materialien

Hinsichtlich der Fasereigenschaften wird beobachtet, daß der axiale CTE für PBZT negativ ist, wie erwünscht und wie dies auch der Fall ist für die Kevlar-Fasern. Der Modul der PBZT- Fasern ist jedoch, verglichen mit den beiden anderen aufgeführ ten Materialien, sehr viel verbessert. Es ist ein solcher ver besserter hoher Modul in Kombination mit dem negativen CTE, der die PBZT-Faser als Verstärkung bei der Herstellung von Lei terplatten wertvoll macht. Hinsichtlich der Filmeigenschaften wird beobachtet, daß der PBZT-Film das einzige Material in der obigen Tabelle ist, der einen einstellbaren (steuerbaren) CTE hat, der darüber hinaus sehr gering ist und sogar negativ ge macht werden kann. Der Einsatz bei hoher Temperatur, Zugfestig keit und Zugmodul tragen ebenfallszur Brauchbarkeit des PBZT- Films als Verstärkung in Leiterplatten bei.

Wie sich aus den vorstehenden Tabellen ergibt, umfassen zwei brauchbare Formen zur Lieferung von PBZT zum Gebrauch für die Herstellung von Leiterplatten Garne, die aus PBZT-Fasern zu sammengesetzt sind, und zusammenhängenden Film. Die Fasern lie gen allgemein im Bereich von etwa 20 bis 1000 den. Die Faser kann außerdem einem Dehnungsbruch unterworfen werden, wie auf dem Gewebegebiet üblich. Die PBZT-Faser kann zu Gewebe verar beitet werden, einschließlich Gewebe mit Leinenbindung, Gewebe mit Köperbindung, Gewebe mit Atlasbindung, Gewebe mit Panama bindung und ähnliche. Bei Bereitstellung des PBZT als Gewebe bedeutet dessen geringe Dicke, daß der Kräuselfaktor (das Vor kommen von Fasern außerhalb der Ebene) mit der Faserpackung des Gewebes ausgeglichen werden muß. Ein solches Ausgleichen kann mit der üblichen Gewebetechnologie erfolgen. Das Gewebe kann entweder nur aus Monofaser oder streckgerissener Faser von PBZT oder in Kombination mit üblicher Verstärkungsfaser gewebt werden, die z. B. E-Glas, S-Glas, Quarzfaser, anorganische Nextel-Faser, organische Faser (z. B. Kevlar-Faser oder Nomex-Faser), Metall- Faser, Aluminiumoxid- oder andere keramische Faser und Graphit- Faser (obwohl man die Leitfähigkeit der Metall- und Graphit-Fa sern in Rechnung stellen muß) einschließen. Weiteres über üb liche Fasern findet sich in "Handbook of Fillers and Reinfor cements for Plastics", herausgegeben von Katz und Milewski, Van Nostrand Reinholt Company, Litton Educational Publishing Inc. (1978). Der CTE des Verbundgewebes kann durch Auswahl der Art und des Volumen-Prozentgehaltes an üblicher Faser, die zusätzlich zu PBZT-Faser benutzt wird, eingestellt werden.

Eine zweite Form der PBZT-Verstärkung ist ein zusammenhängender Film, wie er in den obengenannten Druckschriften beschrieben aus Polyphosphorsäure gegossen wird. Der Film kann scheinbar ge richtete (unidirektionale) Eigenschaften aufweisen oder man kann ihm durch Streckwalzen eine biaxiale Orientierung geben, wie ebenfalls in den obengenannten Druckschriften ausgeführt. Die Zugfestigkeit des zusammenhängenden Filmes neigt dazu, ge ringer zu sein als die von PBZT-Faser, obwohl nützliche Gewinne bei einer verbesserten Volumenpackung zusammenhängenden Film von 70 bis 80 Vol.-% oder mehr Verstärkung (in Harz) pro Schicht in den Bereich der Herstellbarkeit rücken. Hinsichtlich Gewebe sind etwa 40 Vol.-% Gewebegehalt ein realistisches Maximum. Es mag auch möglich sein, einen PBZT-Film zusammen mit anderem Material zu gießen, wie PBO oder einem der anderen Flüssigkri stall-Polymeren, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung be vorzugt sind, obwohl ein solches gemeinsames Gießen nicht aus geführt worden ist. PBZT-Film kann auch mit einem anderen Ma terial gebildet werden, das innerhalb seiner eigenen Matrix eingestreut ist. Dieser "Harz-infiltrierte Film" ist brauchbar für Filme zur Förderung der Matrixverklebung. PBZT-Film ge stattet auch die Herstellung von flexiblen Schaltungen mit einer oder mehreren Leiterschichten, die einzigartige CTE-Eigen schaften haben. Die erhaltenen flexiblen Schaltungen können nicht nur lineare CTE-Werte in der Ebene haben, die an eine Vielfalt von Chip-Trägersubstraten angepaßt sind, sondern solche Schal tungen können auch bei Anwendungen im Weltraum, wie Radaranten nen, benutzt werden, wo ein CTE von Null erwünscht ist.

Eine dritte Form des PBZT-Materials ist eine nicht gewebte Folie oder Matte (Vlies), die aus gegebenenfalls einen hitzeschmelz baren Binder enthaltenden PBZT-Fasern hergestellt ist. Die Pa pierherstellungs-Technologie wurde zur Herstellung von mit poly meren Fasern verstärkten Matten benutzt, wie dem Fachmann be kannt ist. Eine solche Technologie kann auch zur Verwendung von PBZT-Fasern bei der Mattenherstellung benutzt werden. Ein hitze schmelzbarer (z.B. thermoplastischer oder härtbarer) Binder kann mit der Matte kombiniert werden, wie es erforderlich, erwünscht oder geeignet ist, und zwar in einer üblichen Weise. Matten, die aus PBZT- und einer anderen Faser hergestellt sind, können eben falls aus den obengenannten Fasern gemacht werden. Solche unge webten Verbundmatten gestatten es dem Entwurfsingenieur und dem Hersteller, die Eigenschaften der erhaltenen Verbundfolie einzu stellen, insbesondere im Hinblick auf deren CTE. Es mag auch möglich sein, eine diskontinuierliche teilchenförmige Verstär kung den ungewebten Folien und dem PBZT-Gewebe hinzuzugeben, um mehr Flexibilität bei der Einstellung von deren CTE zu gewinnen. Eine solche diskontinuierliche teilchenförmige Verstärkung schließt z. B. PBZT selbst, Glaskügelchen bzw. -ballons, Glim mer, Quarz, Beta-Eukryptit und ähnliche ein. Weitere diskonti nuierliche, teilchenförmige Verstärkungen schließen auch solche ein, wie sie im obengenannten "Handbook of Fillers and Reinfor cement for Plastics" genannt sind.

Wegen der negativen CTE-Eigenschaften des PBZT-Materials kann der CTE von PBZT-haltigen Schichten in der Ebene auf einen erwünschten Wert eingestellt werden, z.B. auf 0 bis 15 ppm/°C. Für eine solche Einstellung des CTE ist eine Vielfalt von Tech niken möglich. Da die Mehrschicht-Leiterplatten Material zum Verbinden der verschiedenen Laminate miteinander benutzen, wird die PBZT-Schicht, unabhängig von ihrer Form, mit einer Matrix oder einem Klebstoff kombiniert, wie er üblicherweise bei der Herstellung solcher Mehrschicht-Leiterplatten benutzt wird. Da typische Matrixmaterialien und Klebstoffe CTE-Werte aufweisen, die beträchtlich höher sind als die erwünschten, schließt eine einfache Art des Einstellens des CTE der erhaltenen Verbund schicht die Auswahl der eingesetzten Art von Matrix oder Kleb stoff und den Volumenprozentgehalt der in einer solchen Schicht enthaltenen PBZT-Verstärkung ein. Die Wirksamkeit des PBZT-Ma terials hinsichtlich des CTE gestattet den Einsatz von weniger PBZT-Material, um den erwünschten Bereich von 0 bis 15 ppm/°C für den CTE zu erzielen.

Ein anderes Verfahren zum Einstellen des CTE der PBZT-Schicht schließt die Benutzung alternativer Materialien zusammen mit PBZT ein. Dies wurde zu einem gewissen Ausmaß oben bezüglich der Kombination anderer Materialien mit PBZT bei der Herstellung von Gewebe und Matten beschrieben. Zusätzlich können PBZT-Schich ten abwechselnd mit Schichten eingesetzt werden, die aus üblichem Verstärkungsmaterial hergestellt sind, um den CTE des erhaltenen Verbundlaminats einzustellen. Solche alternierenden Schichten können übliche Verstärkung oder Kombinationen üblicher Verstär kung und von PBZT oder einem anderen bevorzugten Material, wie es in der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, benutzen.

Fig. 1 zeigt eine Mehrschicht-Leiterplatte mit acht Schichten, die aus verschiedenen Laminaten und Bindefolien herstellt ist. Die Laminate 10, 12, 14 und 16 weisen jeweils leitende Schal tungen in Schichten auf beiden Seiten auf, so daß die Leiterplat te insgesamt eine solche mit acht Leiterschichten ist. Zwischen den Laminaten befinden sich Bindefolien 18 bis 28, wobei zwi schen jeweils zwei Laminaten zwei Bindefolien angeordnet sind. Die Anzahl der Bindefolien kann von 1 bis 4 oder mehr sein. Die Bindefolien, die Laminate oder einfach ein oder mehrere der Bin defolien oder Laminate können, wie oben beschrieben, aus PBZT hergestellt sein.

Fig. 2 gibt eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer der Laminatschichten wieder, die geeigneterweise bei der Platten konstruktion nach Fig. 1 benutzt werden können. Das Laminat 32 kann eine Dielektrikum-Dicke von etwa 0,025 bis etwa 6,25 mm (entsprechend 1 bis 250 tausendstel Zoll) haben. Eine entspre chende Bearbeitung führt zu der leitenden Schicht 30 auf der Oberseite des Laminats 32 und der Schaltung 34 auf dessen Boden ende. Die leitende Schicht kann aus irgendeinem geeigneten lei tenden Material bestehen, das am häufigsten Kupfer ist, obwohl auch anderes Metall oder leitendes Nichtmetall benutzt werden kann. Die Metallfolie oder leitende Schicht ist vorzugsweise Kupfer in all seinen Formen einschließlich, z.B., gewalztes, geglühtes oder elektrisch abgeschiedenes, gegebenenfalls wurde seine Oberfläche mit einem Oxid behandelt oder einer anderen Behandlung unterzogen. Die Anwendung der Musterung ist ebenfalls üblich, wie weiter unten detaillierter beschrieben.Das erfin dungsgemäße Laminat 32 weist eine obere nicht gewebte PBZT-Matte 36 auf, die die leitende Schaltung 30 trägt. Zwischen der Matte 36 und der Schaltung 34 liegt die PBZT/Harz-Schicht 38. Die Kon figuration des Laminats 32 kann Anwendung als äußere Schicht der Platte finden, bei der die Matte 36 für eine Steuerung der Mikrorisse an der Oberfläche sorgt, während die Gewebeschicht 38 für einen internen Zwang auf die Oberflächenschicht sorgt. Durch Auswahl und Konzentration der Materialien kann der CTE des Lami nates 32 in der Ebene genau eingestellt werden. Die Schichten 36 und 38 brauchen nicht aus dem gleichen Konstruktionsmaterial zu bestehen, wie oben ausgeführt. Das heißt, jede der Schichten 36 und 38 kann aus PBZT in Kombination mit einer oder mehreren üblichen Verstärkungen hergestellt werden und/oder eine der Schichten kann vollständig aus üblichem Material gefertigt wer den.

Fig. 3 gibt eine weitere Ausführungsform für eine Laminatkon struktion gemäß der vorliegenden Erfindung wieder. Das darge stellte Laminat 40 ist vorgeätzt, um eine obere leitende Schicht 42 und eine untere leitende Schicht 44 aufzunehmen. Die für das Laminat 40 geeignete Herstellungsart umfaßt die Anwendung einer geeigneten Bemusterung für die leitenden Schichten 42 und 44, wobei die unerwünschten Bereiche in üblicher Weise weggeätzt werden. Bidirektionale (kreuzweise verlegte) PBZT-Filme 46 bzw. 48 tragen die leitenden Schichten 42 bzw. 44. Sandwichartig da zwischen angeordnet ist die Schicht 50, die in geeigneter Weise aus üblichem Material, wie E-Glas, Quarz oder ähnlicher Faser in einer üblichen Harzmatrix hergestellt werden kann. Natürlich könnte man die Schicht 50 auch so herstellen, daß sie nur PBZT oder eine Kombination von PBZT mit einem oder mehreren üblichen verstärkenden Füllstoffen enthält. Die einzigartige Konfigura tion des Laminates 40 gestattet die genaue Einstellung des CTE in dessen Ebene als auch die Einstellung anderer Laminat-Eigen schaften.

In Fig. 4 ist eine übliche Mehrschicht-Leiterplatte mit acht Schichten in Querschnittsansicht dargestellt. Auf die obere leitende Schicht 52 folgen die leitenden Schichten 56 bis 64 und schließlich die untere leitende Schicht 66. Die verstärkte dielektrische Matrix, die die genannten leitenden Schichten trägt, ist einfach mit 68 bezeichnet, obwohl eine durchgehend homogene Zusammensetzung weder bei dem Laminat der Fig. 4 noch der vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Um die verschiede nen Schaltungsschichten miteinander zu verbinden, wird ein Loch 70 durch das Laminat gebohrt und geätzt. Danach bringt man Kupfer oder eine andere leitende Schicht 72 durch Plattieren in üblicher Weise durchgehend auf die Wandungen des Loches 70 auf. Die PBZT-Verstärkung minimiert das Auftreten von Mikro rissen unmittelbar benachbart dem leitenden Rohr 72 und zwi schen den leitenden Schichten an einer solchen Schnittstelle. Die Aspektverhältnisse des durchgehend plattierten Loches oder Durchganges 70 liegen häufig im Bereich von etwa 1:1 bis 1:10 (Durchmesser zu Höhe) gemäß der modernen Mehrschicht-Leiterplat ten-Technologie.

Eine Vielfalt von Mehrschicht-Leiterplatten benutzt Metallkern schichten, wie kupferplattiertes Invarmetall (eine Eisennickel- Legierung mit hohem Nickelgehalt), die Legierung 42 oder ein ähnliches Metall mit geringer Ausdehnung. Eine besonders vor teilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt die Benutzung einer Polymerkernschicht als Ersatz für übliche Metallkernschichten ein. Die hervorragenden Eigenschaften von PBZT-Schichten gestatten einen solchen Ersatz, während die vor teilhaften Eigenschaften beibehalten werden, die früher nur durch Einsatz von Metallkernschichten erzielbar waren. Der Gebrauch von PBZT-Kernschichten gestattet den Entwurf von Leiterplatten mit verschiedenen elektrischen und physikalischen Eigenschaften. Natürlich ist der Ersatz aller Metallkernschichten nicht erfor derlich, da das Polymerkern-Konzept der vorliegenden Erfindung in seinen weitesten Aspekten die zumindest teilweise Ersetzung üblicher Metallkerne umfaßt, obwohl auch der vollständige Ersatz möglich ist. So kann z.B. der Gebrauch einer Metall-Rückenplatte zur Wärmeableitung bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Leiterplatten erfolgen. Mehrere Ausführungsformen der Polymerkern schicht nach der vorliegenden Erfindung sind vorstellbar. Im Hin blick auf die in Fig. 1 gezeigte Mehrschicht-Leiterplatte er fordert eine Ausführungsform das Herstellen der Laminate 10 bis 16 aus üblichen faserverstärkten Laminaten, wobei die Bindefolien 18 bis 28 aus PBZT-verstärktem Matrixmaterial hergestellt werden. In einer anderen Ausführungsform enthalten die Laminate 10 bis 16 eine PBZT-Verstärkung, während die Bindefolien aus üblichem Material bestehen. Noch eine weitere Ausführungsform umfaßt eine Verbundstruktur für die Laminate 10 bis 16, wie das Laminat 32 der Fig. 2. Die Bindefolien 18 bis 28 können dann entweder üb lich sein oder PBZT enthalten. Die Bindefolien 18 bis 28 brauchen nicht alle die gleiche Zusammensetzung zu haben. Durch die Aus führungsform der vorliegenden Erfindung mit der Kernschicht er hält man eine ungeheure Flexibilität beim Einstellen des CTE von Mehrschicht-Leiterplatten.

Die benutzten Harze oder Matrixmaterialien können üblich oder nicht üblich sein. Übliche Harzmaterialien schließen z. B. ABS- haltige Harzmaterialien (ABS/PC, ABS/Polysulfon, ABS/PvC), Acetale, Acrylharze, Alkydharze, Allyläther, Zelluloseester, chlorierte Polyalkylenäther, Cyanat/Cyanamide, Epoxyharze und modifizierte Epoxyharze, Furane, Melamin-Formaldehyde, Harnstoff- Formaldehyde, Phenolharze, Poly(bis-maleimide), Polyalkylenäther, Polyamide (Nylons), Polyarylenäther, Polybutadiene, Polycarbo nate, Polyester, Polyfluorkohlenwasserstoffe, Polyimide, Poly phenylene, Polyphenylensulfide, Polypropylene, Polystyrole, Polysulfone, Polyurethane, Polyvinylacetate, Polyvinylchloride, Polyvinylchlorid/Vinylidinchloride, Polyätherimide, BPA-Harze mit Acetylen-Endgruppen, Polyätheresterimide, IPN-Polymere, Triazinharze und ähnliche sowie Mischungen davon ein. Speziell entwickelte Harze hoher Leistungsfähigkeit für Leiterplatten sind erhältlich und werden durch die Industrie entwickelt.

Die Herstellung bzw. Behandlung von Platten unter Verwendung von PBZT, PBO und ähnlichen bevorzugten Materialien nach der vorlie genden Erfindung kann in einer üblichen Weise erfolgen. Der ge eignete Gebrauch von B-Stufen-Harzen mit PBZT-Verstärkung kann ebenso erfolgen wie der Einsatz von C-Stufen-Laminaten bei der endgültigen Platten-Schichtenfolge. Die ausgerichtete Herstel lung von durchgehend plattierten Löchern oder Durchgängen er folgt ebenfalls in einer üblichen Weise. Es können mit PBZT- verstärkten Leiterplatten auch Blind- oder vergrabene Durch gänge benutzt werden. Zur Benutzung nicht gewebter PBZT-Matten wurde jedoch eine einzigartige Verarbeitung entwickelt. Solche Matten erwiesen sich als zerbrechlich und gelegentlich schwie rig zu handhaben. Bei der Herstellung des Laminats 32 der Fig. 2 erwies es sich als geeignet, eine nicht gewebte Matte aus PBZT-Fasern als Schicht 36 zu benutzen. Die Schicht 38 bestand aus PBZT und üblichem B-Stufen-Harz. Die leitende Schicht, die zur Bildung der Schaltung 30 geätzt wurde, wies eine aufgebrach te Harzschicht auf, die angrenzend an die PBZT-Matte angeordnet wurde. Während der Behandlung bei einer Temperatur und unter einem Druck, wie sie zur Bildung des Laminates 32 erforderlich sind, floß die harzartige Schicht (und vermutlich Harz von der Schicht 38) unter Bildung der Schicht 36 durch die Matte. Die Schicht 36 des erhaltenen Laminats wies eine zusammenhängende Harzmatrix auf, die PBZT-Fasern enthielt. Alle üblichen und nicht üblichen Verfahren zum Anordnen und Begrenzen der metalli schen oder leitenden Schichten auf inneren und äußeren Leiter platten-Schichten werden durch die vorliegende Erfindung umfaßt. Die derzeitigen üblichen Verfahren schließen z.B. additive, subtraktive und halbadditive Verfahrensklassifikationen ein. Ebenfalls eingeschlossen sind Kombinationen dieser Verfahrens klassifikationen zur Bildung Einschicht- oder Mehrschicht-Lei terplatten, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind.

Die folgenden Beispiele zeigen, wie die vorliegende Erfindung ausgeführt worden ist, doch sollten diese Beispiele nicht als begrenzend angesehen werden.

Beispiel 1

Die 155 Coupon-Testplatte bestand aus drei Platten, die jeweils Abmessungen von etwa 8,25× etwa 8,9 cm und eine Dicke von et wa 1,5 bis etwa 1,83 cm hatten. Jede Platte aus acht Schichten hatte die in Fig. 1 gezeigte Konfiguration, ausgenommen, daß nur eine Bindefolie zwischen den Laminaten angeordnet war. Jedes Laminat wurde hergestellt aus PBZT-Leinen aus PBZT-Mono faden-Faser von 1 000 den. Die Matrix für das PBZT-Gewebe war eine Mischung aus Bismaleimid-Triazene/Epoxyharz (Epon 1123, Dow Chemical Company) in einem Gewichtsverhältnis von 70/30. Jedes Laminat enthielt etwa 60 Vol.-% Harz und schien zu wenig Harz aufzuweisen. Das benutzte Muster entsprach MIL-STD-2750 (modifiziert). Die CTE-Messungen in der Ebene wurden über den interessierenden Temperaturbereich von -65°C bis -125°C vorge nommen. Die Platten hatten einen linearen CTE in der Ebene von 1,55 ppm/°C in der x-Richtung und von 0,24 ppm/°C in der y-Rich tung.

Nach wiederholter thermischer Wechselbehandlung (200 Zyklen) über den Bereich von -65 bis +125°C wurden elektrisch unter brochene durchplattierte Löcher und andere Fehler beobachtet. Diese Fehler wurden der Harz-Unterversorgung in den PBZT-Lami naten zugeschrieben. Die Harz-Unterversorgung der Laminate wurde den relativ großen Fasern zugeschrieben, die beim Weben des PBZT-Gewebes benutzt wurden. Es wird angenommen, daß mit Fasern geringeren den. weder die Harz-Unterversorgung noch die anderen Fehler der 155 Coupon-Testplatte ein Problem sein wer den. Trotzdem zeigt dieses Beispiel, daß Leiterplatten mit sehr geringem CTE gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können.

Beispiel 2

Aus Leinengewebe (0,2 mm dick) aus Fasern mit 1000 den wurde eine andere PBZT-Platte mit acht Schichten hergestellt. Jedes Laminat wurde auf beiden Seiten mit etwa 28 g Kupferfolie der Klasse 3 (0,038 mm Dicke) plattiert und wies eine dazwischen liegende Matrix aus C-Stufen Bismaleimid-Triazin/Epoxyharz (vgl. Beispiel 1) auf. Zwischen die vier Laminate wurde jeweils eine einzelne Bindeschicht gelegt. Jede Bindeschicht bestand aus PBZT-Leinengewebe aus 1000 den-Faser und der Bismaleimid- Triazin/Epoxy-Matrix (Dicke 1,48 mm). Die erhaltene Platte hatte unbeschichtet eine Nominaldicke von 1,71 cm und eine Be schichtungsdicke von 1,8 cm. Es wurden Messungen in der Ebene (Dehnung) und Messungen außerhalb der Ebene (thermomecha nische Analyse) ausgeführt. Die Aluminium-Kalibrierung bei der Dehnungsuntersuchung ergab einen Wert von 21,3. Ein Proben wert vor den Tests betrug 26,2 und nach den Tests 25,5. Diese Werte bestätigen die Folgerichtigkeit der Probenwerte während der Tests. Die thermomechanische Analyse (TMA) benutzte eine "Makro-Ausdehnungs"-Probe mit einem Gewicht von 1 g und einer Heizgeschwindigkeit von 10°C/min. Es wurden beide Versuche auf gezeichnet, da die Abtastungen während des ersten Versuches ein gutes Verhalten zeigten und eine Anzeige der Plattenausdeh nung während eines anfänglichen thermischen Durchganges ergaben. Die folgenden Daten wurden aufgezeichnet:

Tabelle 1

Die oben aufgeführten Daten zeigen die erwünschten geringen CTE-Werte in der Ebene, die durch PBZT-verstärkte Mehrschicht- Leiterplatten erhalten werden und es gestatten, daß die CTE- Werte auf ein erwünschtes Niveau zwischen 3 und 7 ppm/°C ange hoben werden. Die auf der Platte benutzte Musterung war eine modifizierte IPC-A-48 (The Institue for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, Evanston, Illinois).

Beispiel 3

Eine andere Platte mit acht Schichten wurde wie in Beispiel 2 hergestellt, ausgenommen, daß pro Schicht zwei Bindefolien benutzt wurden. auch hatte jedes Laminat die in Fig. 2 gezeigte Konstruktion, wobei man etwa 28 g Kupferfolie der Klasse 3 (0,038 mm Dicke) auf jeder Seite und etwa 8,4 g PBZT-Matte (0,025 mm Dicke) unterhalb der obigen Folienschicht benutzte, gefolgt von einer C-Stufen-PBZT-Schicht, wie in Beispiel 2 be schrieben. Das Laminat wurde hergestellt unter Anwendung des Verfahrens, bei dem das B-Stufen-Harz auf die untere Seite der Kupferfolie aufgebracht und eine harzfreie trockene Matte von PBZ-Fasern benutzt wurde. Auch hier benutzte man die modifizier te IPC-A-48-Musterung. Die Messungen wurden in der im Zusammen hang mit Beispiel 2 beschriebenen Weise vorgenommen.

Tabelle 2

Auch die oben zusammengefaßten Daten zeigen die ausgezeichnet geringen CTE-Werte, die bei Verwendung von PBZT-Verstärkung erhalten werden. Deshalb ist auch hier das Einstellen höherer CTE-Werte möglich.

Beispiel 4

Es wurden verschiedene Platten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Polymerkernschicht hergestellt, wobei man nur einen Teil des IPC-A-48-Musters benutzte, das über die Platten wiederholt wurde. Jedes der vier Laminate war Fluorpolymer-Verbundlaminat RO2800, hergestellt von der Rogers Corporation (Chandler, Arizona). Die Laminatdaten zeigen das Folgende:
E_r = 2,9 (gemessen bei 10 GHz), ein Verlustfaktor von 0,0012, ein CTE-Wert von 16 in der x-y-Ebene und von 24 in der z-Ebene (ppm/°C) und einen Zugmodul von 0,84 kN/mm². Jedes Laminat war etwa 0,06 mm dick und wies etwa 28 g Kupferfolie auf jeder Sei te auf. Jeder Satz von Platten benutzte Kevlar 108-Verstärkung (Poly-p-Phenylenterephthalamid-Fasern, CTE = -5 ppm/°C, Zug modul 129,5 kN/mm², E.I. DuPont de Nemours and Company). Das Matrixmaterial war Quatrex-Epoxyharz (Dow Chemical Company), von dem die folgenden physikalischen Eigenschaften angegeben werden: T = 180°C, Ausdehnung in der Z-Achse = 48 ppm cm/cm°C, Kupfer-Abziehfestigkeit von 1,58 N/mm und härtbar bei 177°C in 90 Minuten. Jede Bindefolie war etwa 0,05 mm dick. Ein zweiter Satz von Platten benutzte die 0,2 mm dicken PBZT-Gewebeschich ten nach Beispiel 2. Die Anzahl der Bindefolien pro Schicht wurde für jeden Satz hergestellter Platten variiert. Es wurden die folgenden Ergebnisse (jeweils zwei unabhängige Ablesungen per Probe) aufgezeichnet:

Tabelle 3

Die Vergleichsproben 10 bis 12 zeigen CTE-Werte, die größer sind als der Zielbereich von 3 bis 7 ppm/°C. Die erfindungsgemäßen Proben 13 bis 15 zeigen CTE-Werte, die geringer sind als er wünscht, obwohl das Erhöhen der CTE-Werte leicht möglich sein sollte. Die Proben 13 bis 15 zeigen, daß die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Polymerkernschicht brauchbar ist. Vorteile dieser Art des Herangehens schließen die Möglich keit ein, übliche Verfahrensstufen und Laminierungstemperaturen zu benutzen. Dies bedeutet, daß ein solches Herangehen mit den derzeitigen handelsüblichen Herstellungsausstattungen leichter verwirklichbar ist.

Claims

1. Mehrschicht-Leiterplatte aus Verbundstoffen mit dazwischen liegenden Bindefolien, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte mindestens eine Schicht umfaßt, die aus einem Flüssig kristall-Polymer gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Poly(p-phenylenbenzobisthiazol), Poly- (p-phenylenbenzobisoxazol), Poly(2,5-benzothiazol), Poly(2,5- benzoxazol) und deren Mischungen.

2. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1, worin sowohl die Schichtstoffe als auch die Bindefolien aus einer Schicht aus dem Flüssigkristall-Polymer gebildet sind.

3. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1, worin nur die Schichtstoffe aus dem Flüssigkristall-Polymer gebildet sind.

4. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1, worin nur die Bindefolien aus dem Flüssigkristall-Polymer gebildet sind.

5. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1, worin die Schicht stoffe aus dem Flüssigkristall-Polymer in Kombination mit einer anderen Verstärkung gebildet sind.

6. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1, worin die Binde folien aus dem Flüssigkristall-Polymer und einer anderen Verstärkung gebildet sind.

7. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1, worin der Gehalt an Flüssigkristall-Polymer in Form von Gewebe, Vließ, zu sammenhängendem Film, Garn, Pulpe oder diskreten Teilchen vorliegt.

8. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 7, worin eine Kombination der genannten Schichtformen benutzt wird.

9. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1, die in der Ebene einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von etwa 0 bis etwa 15 ppm/°C aufweist.

10. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1, worin das Flüs sigkristall-Polymer Poly(p-phenylenbenzobisthiazol) umfaßt.

11. Schichtstoff zur Verwendung bei der Herstellung einer Lei terplatte, umfassend zwei äußere leitende Schichten zwi schen denen eine Harz-Bindeschicht angeordnet ist, die eine Flüssigkristall-Polymer-Verstärkung enthält, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Poly(p-phenylenbenzobis thiazol), Poly(p-phenylenbenzobisoxazol), Poly(2,5-benzo thiazol) und Poly(2,5-benzoxazol).

12. Schichtstoff nach Anspruch 11, worin die Flüssigkristall- Polymer-Verstärkung Poly(p-phenylenbenzobisthiazol) umfaßt.

13. Schichtstoff nach Anspruch 11, worin die Flüssigkristall- Polymer-Verstärkung in Form von Gewebe, Vlies oder zusam menhängendem Film vorliegt.

14. Schichtstoff nach Anspruch 13, worin eine Kombination der genannten Formen bei der Bildung des Schichtstoffes benutzt ist.

15. Schichtstoff nach Anspruch 11, der eine Kombination aus der genannten Flüssigkristall-Polymer-Verstärkung und einer anderen Verstärkung enthält.

16. Schichtstoff nach Anspruch 11, worin die leitenden Schich ten aus Kupfer hergestellt sind.

17. verfahren zum Einstellen des linearen thermischen Ausdehnungs koeffizienten in der Ebene bei der Herstellung von Mehr schicht-Leiterplatten, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens eine Schicht der Mehrschicht-Leiterplatte aus einem Flüssigkristall-Polymer herstellt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Poly(p-phenylenbenzobis thiazol), Poly(p-phenylenbenzobisoxazol), Poly(2,5-benzo thiazol), Poly(2,5-benzoxazol) und deren Mischungen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, worin der thermische Ausdeh nungskoeffizient so eingestellt ist, daß er im Bereich von etwa 0 bis etwa 15 ppm/°C liegt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, worin die genannte Schicht aus einem wärmeschmelzbaren Harz und dem genannten Flüs sigkristall-Polymer gebildet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 17, worin das Flüssigkristall- Polymer Poly(p-phenylenbenzobisthiazol) umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 17, worin ein Schichtstoff der Mehrschicht-Leiterplatte zwei äußere leitende Schichten umfaßt, zwischen denen die genannte Flüssigkristall-Poly mer-Schicht angeordnet ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, worin der Schichtstoff auch ein anderes Verstärkungsmaterial enthält.

23. Verfahren nach Anspruch 17, worin mindestens eine Binde schicht, die zwischen den Schichtstoffen der Mehrschicht- Leiterplatte angeordnet ist, aus dem Flüssigkristall-Poly mer gebildet ist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, worin mindestens eine Binde folie der Mehrschicht-Leiterplatte aus einem anderen Ver stärkungsmaterial gebildet ist.

25. Verfahren nach Anspruch 17, worin das Flüssigkristall-Poly mer in Form eines Gewebes, eines Vlieses oder eines zu sammenhängenden Filmes geliefert wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, worin eine Kombination von For men benutzt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 17, worin das Flüssigkristall-Poly mer in Form von Garnen, Teilchen oder Pulpe vorliegt.