VDE/VDI-SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG. Starre, starrflexible, flexible und Mehrlagenmaterial; Eigenschaftsmerkmale.

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1 Seite 1 ien für Leiterplatten / Multilayer Die Entwicklung der ien für Leiterplatten ist eng verbunden mit der Entwicklung der Elektroisolierstoffe. Nachfolgend soll ein Überblick über gängige ien vermittelt werden. 1 arten Verschiedene internationale Normen haben unterschiedliche Klassifikationen von ien vorgenommen. In der Industrie haben sich jedoch die Klassifikation nach NEMA (National Electrical Manufacturers Association) durchgesetzt. In Überischt 1 sind die Klassifikationen zusammmen mit den Klassifikationen nach MIL-P und DIN/IEC 249 gelistet. Eine direkte Zuordnung der Typenbezeichnungen untereinander ist nicht möglich, da die Kriterien der jeweiligen Klassifikation nicht immer vergleichbar sind. Die Bezeichnungen der MIL und der DIN/IEC werden dabei noch erweitert durch weitere Zusätze, die das Material und seine Kupferkaschierung noch detaillierter beschreiben. Entsprechende Details können in den entsprechenden Normen nachgeschlagen werden. Diese Unterteilung beinhaltet primär die Materialien für starre Leiterplatten. Die erwähnten Normenwerke beinhalten noch weitere Klassifikationen, es handelt sich jedoch dabei meist um Materialien die keine Bedeutung in der Leiterplatten-Industrie erlangt haben bzw. aufgrund der Bestandteile (z. B. Asbest) heute nicht mehr produziert werden. Hinzu kommen Folien aus Polyester und Polyimid für dauerflexible Anwendungen sowie modifizierte Epoxidharzsysteme mit Trägern (Glasgewebe, Glasvlies, Aramidgewebe) für semiflexible Anwendungen.

2 Seite 2 Nema Typ Beschreibung XXXP Papier, Phenolharz, warm stanzbar XXXPC Papier, Phenolharz, kalt stanzbar G-10 Glasgewebe, Epoxidharz G-11 Glasgewebe, Epoxidharz, erhöhte Temperaturbeständigkeit FR-2 Papier, Phenolharz, flammwidrig FR-3 Papier, Epoxidharz, flammwidrig FR-4 Glasgewebe, Epoxidharz, flammwidrig FR-5 Glasgewebe, Epoxidharz, flammwidrig, erhöhte Temperaturbeständigkeit FR-6 Glasmatte, Polyesterharz, flammwidrig CEM-1 Glasgewebeoberfläche, Cellulosepapier-Kern, Epoxidharz, flammwidrig CEM-3 Glasgewebeoberfläche, Glasflies-Kern, Epoxidharz, flammwidrig GT Glasgewebe, PTFE-Harz, kontrollierte Dielektrizitätskonstante GX vergleichbar Type GT, engere Toleranzen der Dielektrizitätskonstante MIL TYP Beschreibung PX GB GE GF GH GP GR GT GX Papier, Epoxidharz, flammwidrig Glasgewebe, Epoxidharz mehrheitlich polyfunktional, hohe Temperaturbeständigkeit Glasgewebe, Epoxidharz mehrheitlich difunktional Glasgewebe, Epoxidharz mehrheitlich difunktional, flammwidrig Glasgewebe, Epoxidharz mehrheitlich polyfunktional, flammwidrig, hohe Temperaturbetändigkeit Glasmatte, PTFE-Harz, flammwidrig Glasmatte, PTFE-Harz, flammwidrig, für Mikrowellenanwendung Glasgewebe, PTFE-Harz, flammwidrig Glasgewebe, PTFE-Harz, flammwidrig, für Mikrowellenanwendung DIN/IEC TYP Beschreibung PF-CP 01 PF-CP 02 PF-CP 03 EP-CP 01 EP-GC 01 EP-GC 02 Phenolharz, Cellulosepapier Phenolharz, Cellulosepapier Phenolharz, Cellulosepapier Epoxidharz, Cellulosepapier Epoxidharz, Glasgewebe Epoxidharz, Glasgewebe Übersicht 1: klassifikationen

3 Seite 3 2 Rohstoffe Die Rohstoffe für die Laminatproduktion lassen sich in drei Materialklassen einteilen: Harze, Trägerstoffe und Kupferfolien. Während die ersten beiden Klassen normalerweise immer im Laminat enthalten sind, werden Kupferfolien nur bei der Subtraktivtechnik benötigt. Die Additivtechnik verwendet unkaschierte Laminate, die metallischen Leiter werden selektiv aufgebracht. 2.1 Harzsysteme In der Klasse der Harze sind die Aufzählungen mit Punkt Phenolharze, Polyesterharze, Epoxidharze, Bismaleinimid/Triazin-Harze, Cyanatesterharze, Polyimidharze und Polytetrafluor-ethylen (Teflon) zu erwähnen. Teflon ist bei dieser Zusammenstellung das einzige Thermoplast, alle anderen Harzsysteme werden bei der Polymerisation dreidimensional vernetzt und damit duroplastisch. Vorgenannte Harze zur Herstellung von Duroplasten lassen sich durch Zugabe von Härtern und Beschleunigern polymerisieren. Die in der herstellung verwendeten Systeme benötigen dabei Druck und Hitze zur Polymerisation. Der Übergang von einem Harz-Zustand zum anderen der nachfolgend beschriebenen Zustände erfolgt dabei ausschließlich durch Wärmezufuhr. A-Zustand: Harz, so wie es im Reaktor aus den Komponenten synthetisiert wird. Das Harz ist in einem Lösungsmittel gelöst. In diesem Zustand werden Härter und Beschleuniger zugefügt, auch andere Zuschlagstoffe wie Flexibilisatoren, Füller und Pigmente lassen sich zufügen. Diese Lösung wird zur Imprägnierung der Trägerstoffe verwendet. B-Zustand: Wird erreicht durch Wärmezugabe auf den A-Zustand. Das Harz ist nur bedingt löslich. In diesem Zustand befindet sich das Harz bereits auf dem Trägerstoff. Der Verbund wird auch als B-Stage Prepreg bezeichnet. Das Harz ist noch nicht ausgehärtet und wird bei erneuter Erwärmung niederviskos. C-Zustand: Wird erreicht durch erneute Wärmezugabe. In diesem Zustand ist das Harz voll ausgehärtet. Die selbstverlöschenden Eigenschaften der Harze werden durch Zugabe von Flammschutzmitteln eingestellt. Epoxidharze sind difunktional oder polyfunktional. Difunktionale Epoxidharze besitzen zwei Epoxidgruppen und polyfunktionale Epoxidharze drei oder mehr Epoxidgruppen per Molekül.

4 Seite 4 Die Epoxidharze liegen beim Lackansatz in einem Lösungsmittel (z. B. Aceton, Methyl-, Ethyl-Keton, Dimethylformamid) vor und werden zur Umsetzung vom A-Zustand in den B- Zustand mit einem Härter und einem Beschleuniger X 2 gemischt. Gebräuchlichste Härtersubstanz in der Laminatherstellung ist Dicyandiamid. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Harzvernetzung ist ohne den Zusatz von Beschleunigern unzureichend; eine Umsetzung erfolgt erst bei Temperaturen oberhalb von 140 C. Als Beschleuniger werden verschiedene tertiäre Amine verwendet. Neuere Entwicklungen sehen den Einsatz von lösungsmittelfreien Epoxy-Harzsystemen vor. 2.2 Trägerstoffe Folgende Trägerstoffe werden vorwiegend eingesetzt: Papier Glasvlies Glasgewebe Aramidvlies Aramidgewebe PTFE Gewebe PTFE Folie Bei Papier wird unterschieden zwischen Cellulosepapier und Baumwollpapier. Glas als Trägerstoff gibt es in verschiedenen Materialarten, E-Glas, D-Glas und Quarzglas. Die gebräuchlichste Glastype ist E-Glas. Die Preisunterschiede zu den anderen Glastypen sind erheblich. D-Glas und Quarzglas werden nur eingesetzt, wenn eine niedrige Dielektrizitätskonstante gefordert wird. Die einzelnen Garne unterscheiden sich im Durchmesser der Glasfasern und dem Gewicht des Fadens. Die Garnbezeichnung ist in DIN und ISO 2078 festgelegt, z.b. : Bezeichnung der Glasart (E=E-Glas) Kurzzeichen der Faserform (C=endlos) Filamentdurchmesser in µm E C 9-68 Z 28 Drehungen je m Drehungsrichtung Garnfeinheit in tex (Gewicht in g/1000 m) Die Garne werden zu Geweben verwoben. Für die Laminatindustrie ist Leinwandbindung die einzig heute erwähnenswerte Gewebeart. Wie bei allen Geweben unterscheidet man Kettrichtung und Schußrichtung.

5 Seite 5 Zur Herstellung des Gewebes werden Kettfäden zu langen Kettbäumen verarbeitet. Diese Kettbäume haben meist Längen von Metern. Die Schußfäden werden quer zum Kettbaum beim Weben eingeschossen. Der Kettfaden muß dabei nicht von gleicher Art sein wie der Schußfaden. Die heute erhältlichen Glasgewebe mit Typenbezeichnung, Charakteristika und verwendeten Garntypen sind in Abbildung 2 aufgelistet. Nach dem Webprozess wird die für das Weben erforderliche Schlichte (Gleitmittel) entfernt. Dies kann durch Auswaschen oder auch durch Hitzeeinwirkung erfolgen. Die thermische Entschlichtung ist heute das am weitesten verbreitete Verfahren und arbeitet bei Temperaturen zwischen 400 und 600 C. Im Anschluß an diesen Entschlichtungsprozess werden die Gewebe einer weiteren Behandlung unterzogen, bei der ein Stoff (Finish) aufgebracht wird, der die Haftung zwischen Glasfaser und Harz verbessert. Die aus der Schmelze gezogenen Glasfäden lassen sich auch zu Vliesstoffen verarbeiten. Gewebe- Typ Flächengewicht g/m² KETTE Fadenzahl pro cm Garntyp tex Filamentdicke µm SCHUSS Fadenzahl pro cm Garntyp tex EC EC EC EC EC EC EC EC EC EC EC EC EC EC EC EC EC EC Abbildung 2: Glasgewebe für die herstellung Filamentdicke µm Alternativ zu Glas gibt es auch die Möglichkeit organische Fasern als Trägerstoffe einzusetzen. Nennenswert für die herstellung sind lediglich Polyamid und Polytetrafluorethylen. Polyamidfasern, vielleicht den meisten besser als Aramid bekannt, ist in Geweben als auch als Matte erhältlich. Aramidfasern haben gegenüber Glasfasern nicht unerhebliche Vorteile. Neben dem geringeren Gewicht (minus 44%) ist insbesondere die bessere Dielektrizitätskonstante (3,5 für Aramid gegenüber 6,2 für E-Glas bei 1MHz) zu nennen.

6 Seite Kupferfolien Das Kupfer wird in zwei verschiedenen Herstellungsarten gefertigt: elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer gewalztes Kupfer Für dauerflexiblen Einsatz der Schaltung, wo also die flexible Schaltung als Kabelersatz dauernd bewegt wird, wird gewalztes Kupfer eingesetzt. Elektrolytisch abgeschiedenes Kupfer wird mit einem Treatment versehen. Dem Treatment kommt die Aufgabe zu, eine gute Haftung zwischen Kupferfolie und Harz herzustellen. Als letzter Schritt der Kupferfolienherstellung wird auf beide Folienseiten eine Passivierung aufgebracht. Die Passivierung verhindert die Oxidation der Oberfläche. Foliendicken reichen von 5 µm bis hin zu 210 µm, eine Auflistung der verschiedenen Foliendicken in ihren Abstufungen ist in Abbildung 3 wiedergegeben. Foliendicke Flächengewicht Besonderheiten µm oz/ft² g/m² 5 1/7 44 nur mit Trägerfolie erhältlich 9 1/4 77 mit und ohne Trägerfolie 12 3/ / Abbildung 3: Kupferfolientypen

7 Seite 7 Ultradünne Kupferfolien Diese Kupferfolien (5/70 µm und 9/70 µm) eignen sich besonders bei Feinstleiterstrukturen. Die mechanisch abziehbare, ca. 70 µm dicke Kupfer-trägerfolie wird erst nach dem Bohren entfernt. Dadurch kann auf die Bohrauflage verzichtet werden. Ebenfalls entfällt das Entfernen des Bohrgrats. Die Kupferträgerfolie ist recyclebar. Die 9 µm Kupferfolie kann auch ohne Trägerfolie geliefert werden. Kupferfolien mit HTE-Eigenschaften HTE-Kupferfolien zeichnen sich durch hohe Bruchdehnungswerte bei erhöhter Temperatur aus. Im Vergleich zum Standard erreichen diese selbst bei 180 C mehr als doppelt so hohe Dehnungswerte, so dass die Gefahr von Leiterbahn-Hülsenabrissen (foil-cracking) reduziert wird. Wir empfehlen den Einsatz dieser Kupferfolien bei allen Dünnlaminaten <0.3 mm Substratdicke. Very-Low-Profile-Kupferfolien mit HTE Eigenschaften Neben der erhöhten Bruchdehnung sind bei diesem Kupferfolientyp aufgrund der geringen Treatmentrauhigkeit die Treatmentspitzen (Dendrite) weniger stark ausgebildet und somit weniger tief im Harz eingebettet. Typische Rauhigkeitswerte liegen bei 4,5 µm (Rz). Kupferfolien entsprechender Dicke mit Standard-Treatmentprofil weisen dagegen ca. 8 µm (Rz) auf. Bei der Innenlagen-Fertigung lassen sich im Ätzprozess optimale Leiterbahnflanken erzeugen. Wegen der kürzeren Ätzzeiten ist mit einer geringeren Unterätzung zu rechnen. Dieser Vorteil sollte bei der Fertigung von impedanzkontrollierten Schaltungen genutzt werden. Wir empfehlen diesen Kupferfolientyp bei ultradünnen Laminaten <0,1 mm Substratdicke, insbesondere dann, wenn diese mit nur einem Glasgewebebogen aufgebaut sind. Kupferfolien mit doppelseitigem Treatment Die Vorbehandlung der Kupferoberfläche, d.h. das Oxydieren der Innenlagen wird überflüssig. Die Haftung zur Harzmatrix wird durch die auch auf der Shiny-Seite vorhandenen Treatment-Struktur erreicht. Kupferfolien mit hoher Duktilität (HD) Diese Folien sind besonders für den Einsatz in Flex- und Starr-Schaltungen geeignet. Walzkupfer Die Kupferbleche (typische Dicke: 400 µm) werden bevorzugt in der KFZ-Leistungselektronik eingesetzt und erhalgten vor dem Laminieren eine spezielle Oberflächenb ehandlung zur Erhöhung der Haftfestigkeit.

8 Seite 8 3 herstellung Die erste Stufe der herstellung ist die Lackherstellung aus dem vorher synthetisierten Harz. Hierzu werden das Grundharz, Lösungsmittel, Härter, Beschleuniger und gegebenenfalls diverse andere Zuschlagstoffe (Farbpigmente, Flammschutzmittel, Flexibilisatoren, Füller) gemischt. Die Beschichtung der Trägerstoffe mit dem Lack erfolgt in Imprägnieranlagen. Diese Beschichtung erfolgt normalerweise aus der flüssigen Phase, da die Harze in einem Lösungsmittel gelöst vorliegen. Der Harzanteil schwankt dabei je nach Anwendung zwischen %. Die Beschichtung erfolgt im Durchlaufverfahren. Die Trägerstoffe werden in Rollen angeliefert und über Einzugvorrichtungen in das Imprägnierwerk eingezogen. Die einzelnen Rollen werden aneinander geklebt, so daß der Prozess endlos und kontinuierlich abläuft. Nur so ist es möglich, daß jeder Meter imprägnierter Trägerstoff gleichbleibende Qualität besitzt. Nach der Beschichtung durchlaufen die getränkten Trägerstoffe einen Trockenofen. Dieser Trockenofen hat nicht nur die Aufgabe, das Lösungsmittel zu verdampfen und dadurch ein handhabbares Material zu erzeugen, sondern auch die Vor-Polymerisation einzuleiten. Die richtige Trocknung stellt somit sicher, daß beim späteren Verpressen der imprägnierten Trägerstoffe (Prepregs) eine gute Lagenbindung zwischen den einzelnen Lagen erzeugt wird, und der Harzfluß auf ein Mindestmaß reduziert wird. Die Trocknung kann mit Heißluft oder durch Strahlungswärme erfolgen. In der Bauweise der Öfen unterscheidet man horizontale und vertikale Systeme. Horizontale Öfen (Tunnelöfen) haben den Vorteil hoher Geschwindigkeiten ohne übermäßige Zugbelastung der Trägerstoffe. Vertikale Öfen (Trockentürme) haben den Vorteil der gleichmäßigeren Trocknung. Die Trägerstoffe müssen aber im Turm oben umgelenkt werden. Dieses Umlenkfeld wird gekühlt, um ein Ankleben der Prepregs zu verhindern.

9 Seite 9 Imprägnieranlagen Imprägnieranlage Rohgewebe Prepreg Abbildung 4: Schema einer vertikalen Imprägnieranlage Papier wird normalerweise horizontal imprägniert, Trägerstoffe aus Glas vertikal. Nachdem die Prepregs den Ofen verlassen haben, werden sie entweder zu Rollen aufgewickelt oder aber direkt geschnitten. Dabei wird ein Bogenmaß entsprechend der Größe der zu verpressenden Tafeln gewählt. Die nächste Arbeitsstufe der Laminatproduktion ist das Pressen. Grundsätzlich unterscheidet man zwei verschiedene Verfahren: das konventionelle Pressen im Chargenbetrieb das kontinuierliche Pressen im Durchlauf Beim konventionellen Pressen beginnt man mit der Konfektionierung der Prepregs, der Kupferfolie und des Presspolsterpapiers. Die Zuschnittformate richten sich dabei nach der Größe der Presse. Normale Pressen haben Heizplatten mit einem Format von ca x 1400 mm, d. h. es können die normalen Tafelformate (US-Format, Euroformat) gepresst werden. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Pressen hat man aber auch Pressen für Doppelformate, Dreifachformate und Vierfachformate gebaut. Das Eintafeln erfolgt in Reinräumen.

10 Seite 10 Schmutzpartikel führen zu Ausschuß. Das Eintafeln erfolgt manuell, insbesondere die Handhabung der 18 bzw. µm dünnen Kupferfolien ist dabei ein sehr sensibler Prozess. Der Aufbau eines Pressbuches erfolgt nach folgendem Schema: Ausgleichslage gegen Heizplatte erste Tafel zweite Tafel etc. Pressblech Presspolsterpapier Presspolsterpapier Presspolsterpapier Pressblech Kupferfolie Prepreg Prepreg Kupferfolie Pressblech Die Heizplatten der Presse müssen absolut parallel sein, sie sollen keine Dickenschwankungen aufweisen und auch bei höherem Druck keine Durchbiegung zeigen. Die Kupferfolie wird im Format größer gewählt als die Prepregs, da das Harz beim Pressen fließt. Ausfließendes Harz könnte die Pressbleche ansonsten verunreinigen. Die einzelnen Pressbücher werden mit Hilfe eines Beschickwagens in die Öffnungen zwischen den einzelnen Heizplatten gefahren. Die Beheizung der Pressen kann mit Heißwasser, Wasserdampf, Thermalöl oder elektrisch erfolgen. Da der Pressdruck nur bis zur Laminathärtung benötigt wird, kann man alternativ die Pressbücher zum Abkühlen unter Kontaktdruck in eine separate Kühlpresse transferieren. Dieses Transferverfahren hat den Vorteil, daß die Heizpresse besser genutzt werden kann. Zur Verbesserung der Dickentoleranzen des Laminates wurde ab Anfang der 80er Jahre das Pressen unter Vakuum eingeführt. Dies ermöglichte die Reduzierung des Pressdrucks und damit größere Gleichmäßigkeit der Dicke bei reduziertem Harzfluß. Bei Vakuumpressen unterscheidet man Systeme, die entweder in Vakuumkammern betrieben werden oder mit Vakuumrahmen versehen sind. Der Druck und das Temperaturprofil sind abhängig vom Produkt wie auch vom Pressverfahren. Die Laminate werden auf Oberflächenfehler überprüft und dann zum Besäumen weitergeleitet. Beim Besäumen wird der vorher erwähnte Flußrand abgeschnitten oder weggestanzt. Kette Schuss Gängige Tafelformate sind: Europaformat 1070 mm x 1165 mm US-Format 925 mm x 1225 mm Uni-Format 1070 mm x 1225 mm

11 Seite 11 Der gesamte Ablauf der konventionellen Laminatproduktion ist in Abbildung 5 nochmals zusammenfassend schematisch dargestellt. Konventioneller Preßprozeß Zuschneiden von Kupferfolie, Prepregs und Preßpolsterpapier 3. Verpressen mit Hitze und Abkühlung 2. Eintafeln 4. Kantenbeschneidung auf Tafelformat Abbildung 5:Schematischer Fertigungsablauf konventionelle Laminatfertigung Alternativ zum konventionellen Pressen lassen sich Laminate auch kontinuierlich produzieren. Dieses Verfahren eignet sich vorwiegend zur Herstellung von Dünnlaminaten. Kontinuierlicher Preßprozeß Reinraum Doppelbandpresse Materialfluß 1. Abzugstation für Kupferfolie 5. Aufrollstation für Trennfolie 2. Abzugstation für Kupferfolie oder Trennfolie 6. Querteilen 3. Abzugstation für Prepreg 7. Aufrollstation für Flex-Laminate 4. Besäumen / Längsteilen 8. Tafel-/ Zuschnittkonfektionierung Abbildung 6: Schematischer Fertigungsablauf der kontinuierlichen Laminatproduktion

12 Seite 12 Die Materialien Prepregs und Kupferfolie werden von der Rolle direkt in die Presse eingeschleust. Eine vorherige Konfektionierung entfällt. Es wird immer nur ein Laminat, dafür aber endlos verpresst. Damit entfallen auch die Unterschiede im Aufheizverhalten eines Pressbuches. Rollenwechsel werden wie beim Imprägnieren bei laufender Maschine durch Aneinanderkleben der Rollen durchgeführt. Auch Veränderungen des Laminataufbaus werden bei laufender Maschine durchgeführt. Die Spannung auf den einzelnen Rollen wird gemessen und permanent justiert. Die Presse selbst besteht aus dem Pressenkörper und jeweils oben und unten einem Trommelpaar, über welches endlose Pressbänder laufen. In der Presse selbst gibt es eine Heiz- und eine Kühlzone. Die Beheizung erfolgt mit Thermalöl, welches heiß gegen die Pressbänder gedrückt wird. Das Öl ersetzt somit auch das beim konventionellen Pressen erforderliche Pressposterpapier. Am Auslauf der Maschine schließt sich direkt das Besäumen der Flußränder an. Das Laminat kann dann in einem Arbeitsgang direkt auf die gewünschte Zuschnittgröße geschnitten werden. Starre Laminate erhalten normalerweise ein Herstellerkennzeichen. Dieses Herstellerkennzeichen (Logo) wird vor dem Imprägnieren auf den Trägerstoff aufgedruckt. Dieses Logo kennzeichnet bei Papierträgerstoffen die Faserrichtung und bei Glasgeweben Kette und Schuß. Die Faserrichtung des Papiers und die Kette des Glasgewebes entsprechen der Längsrichtung bei der Imprägnierung.

13 Seite Elektrische Eigenschaften Die elektrischen Eigenschaften der ien mit typischen Messwerten für einige der gebräuchlichsten Materialarten sind in Abbildung 7 dargestellt. FR-2 FR-3 FR-4 Oberflächenwiderstand nach Lagerung in feuchter MΩ MΩ MΩ Wärme bei erhöhter Temperatur 100 MΩ MΩ MΩ Spezifischer Durchgangswiderstand nach Lagerung in feuchter MΩcm M MΩ Wärme Ωcm bei erhöhter Temperatur MΩcm MΩcm MΩ Kantenkorrosion AB 1,5 AB 1,4 AN 1,2 Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz 5,5 4,8 4,8 Dielektrischer Verlustfaktor 0,45 0,042 0,02 Kriechstromfestigkeit (IEC 112) CTI 180 CTI 300 CTI 200 Abbildung 7: Elektrische Eigenschaften von ien Die Dielektrizitätskonstante ist abhängig von der Art des s. Abbildung 8 gibt einen Überblick. Die Dielektrizitätskonstante ist für eine Materialkombination nur solange konstant, wie das Mischungsverhältnis konstant ist. Am Beispiel von FR-4 ist in Abbildung 9 der Verlauf der Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit vom Harzgehalt des Laminates aufgezeigt.

14 Seite 14 Er-Bestimmung in Abhängigkeit von der Frequenz Er-Wert 5 4,8 4,6 4,4 4,2 4 3,8 3,6 3,4 3,2 3 Frequenz in MHz Cyanatester BT Polyimid multifunkt. FR4 FR4 Abb. 8: Er-Bestimmung in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Harzsysteme. Die Dielektrizitätskonstante ist für eine Materialkombination nur solange konstant, wie das Harz - Trägerverhältnis konstant ist. Er-We rt 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 4, Frequenz in MHz ca. 60% ca. 55% ca. 50% ca. 45% ca. 40% Abb. 9: Einfluss des Harzgehaltes auf die Dielektrizitätszahl

15 Seite Thermische Eigenschaften Die thermischen Eigenschaften der ien werden durch das gewählte Harzsystem bestimmt. Mit der Forderung nach höherer Wärmebeständigkeit wurden Modifikationen sowohl an den Epoxidharzen als auch am Härter und Beschleuniger durchgeführt. Heute verwendete FR-4 Laminate haben Tg-Werte von C und werden damit den meisten Anforderungen gerecht. FR-4 Laminate beginnen, bei Temperaturen oberhalb 180 C zu oxidieren, und spalten anschließend Wasser ab. Diese Wasserabspaltung bedeutet nicht das Aufspalten von Molekülketten und damit Zersetzung, sondern ist lediglich eine Umlagerungsreaktion, die aber zur Materialversprödung führt. Thermogravimetrische Untersuchungen können dieses Verhalten deutlich aufzeigen. Langzeituntersuchungen bei 250 C bestätigen, daß ausser der Oxidation/Dehydration keine Veränderungen auftreten.( Abbildung 10) Thermogravimetrische Langzeituntersuchung Geewichtsverlust % an FR4-1,55 mm - /0 µm bei 250 C Zeit in Tagen Abbildung 10: Thermogravimetrische Langzeitanalyse von FR-4 Eine Zersetzung des Epoxidharzes beginnt erst bei Temperaturen oberhalb 280 C. Es wird bei den thermischen Eigenschaften zwischen der Dauer-temperaturbeständigkeit und der kurzfristigen Beständigkeit unterschieden.

16 Seite 16 Eine Übersicht ist für verschiedene Materialien in Abbildung 11 angegeben. NEMA Type Dauertemperatur- kurzfristige Temperaturbeständigkeit beständigkeit soll ist XXXPC 95 C - - FR C >10 sec 260 C >20 sec FR C >10 sec 260 C >45 sec CEM C >10 sec 260 C >45 sec FR C >20 sec 260 C >120 sec >10 sec 287 C >60 sec FR C >10 sec 287 C >120 sec ohne Klassifikation Polyimid 230 C >10 sec 287 C >120 sec Abbildung 11: Temperaturbeständigkeit verschiedener Laminate Die Temperaturbeständigkeit des s wird durch die Glasumwandlungstemperatur vorgegeben. Entsprechende Werte für verschiedene ien sind in Abbildung 12 gelistet. Tg/ C FR4 tetrafunkt. FR4 multifunkt. FR4 BT-Harz Cyanatester Polyimid Abbildung 12: Glasübergangstemperaturen von ien Die Glasumwandlungstemperatur des Laminates lässt sich durch entsprechendes Abmischen verschiedener Komponenten sehr genau einstellen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient eines Laminates ist ein Maß für die Ausdehnung des Materials unter Wärmebelastung. Dieser Wert ist immer dann wichtig, wenn es gilt zu prüfen, ob die Verbindung verschiedener Materialien nicht zu Problemen bei Wärmeeinwirkung führt. Die Materialien verhalten sich unterhalb des Glasumwandlungspunktes deutlich anders als bei Temperaturen oberhalb des Tg. In Abbildung 13 ist dieses Ausdehnungsverhalten in Z- Richtung für verschiedene Laminate aufgezeigt.

17 Seite 17 Deutlich erkennt man, wie das Material unterhalb Tg nur eine geringe Längenänderung erfährt. Oberhalb des Tg steigt die Kurve dann steil an, die Längenänderung ist nun erheblich größer. Vergleich der Z-Achsenausdehnung delta l = lo * alpha * delta T Ausdehnung in delta l/lo FR4 modifiziert 40 2.FR FR5 GFG Tem peratur in C Abbildung 13: Thermischer Ausdehnungskoeffizient in Z-Achse Neben den allgemeinen thermischen Eigenschaften ist auch die Brennbarkeit ein Kriterium der Beurteilung der ien. Standard Normenwerk ist hier die Spezifikation von Underwriters Laboratories in den USA, UL 796. Normalerweise verlangen die Anwender die Einhaltung der Klassifikation V0, d. h. selbstverlöschend innerhalb von 10 sec unter spezifizierten Bedingungen. Diese schwierigste aller Klassen der UL 796 ist bei nur durch Zugabe von Flammschutzmitteln zu erreichen. 4.3 Mechanische und verarbeitungsrelevante Eigenschaften Bei den mechanischen Eigenschaften ist die Dimensionsstabilität als wohl wichtigstes Kriterium zu nennen. Da bei der Leiterplattenherstellung verschiedene Strukturen passgenau zueinander aufgebracht werden müssen, trägt die absolute Dimensionsstabilität einerseits, und die Kontinuität der Dimensionsstabilität für die Lieferchargen andererseits maßgeblich zur Qualität der Produktion bei. Die üblichen Testmethoden zur Prüfung der Dimensionsstabilität haben dabei jedoch den Nachteil, nicht unbedingt die Verhältnisse bei der Verarbeitung wiederzugeben. Dies bedeutet, die Testmethoden zeigen lediglich das gleichbleibende Verhalten des Laminates auf, nicht jedoch das absolute Verhalten. Dementsprechend lassen sich gemessene Werte nicht unbedingt zur Kompensation von Filmunterlagen verwenden. Mit höherwertigen

18 Seite 18 Harzsystemen nimmt die Dimensionsstabilität in Z-Achse zu, gleichzeitig steigen die Anforderungen in der Weiterverarbeitung. Die Wasseraufnahme von Laminaten ist ebenfalls ein wichtiger Parameter. Sie erfolgt durch Diffusion in das Harz, praktisch alle Polymere zeigen ein solches Verhalten. In Abbildung 14 ist dies für einige Epoxidharzsysteme aufgezeigt. 0,6 Wasseraufnahme % Dicke 1,6 mm WASSERAUFNAHME in kochendem Wasser 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 FR 4 FR 5/GH FR 5/GFG Zeit - Stunden Abbildung 14: Wasseraufnahme in kochendem Wasser Mit der Wasseraufnahme verändern sich die mechanischen und physikalischen Kenndaten des s. Diese Wasseraufnahme findet auch bei fertigen Leiterplatten während der normalen Lagerung statt. Das Laminat nimmt normale Luftfeuchtigkeit auf. Dies verursacht eine Senkung des Glasumwandlungspunktes, was gleichzeitig mit einer Schwächung der Temperaturstabilität verbunden ist. In Abbildung 15 ist dieses Verhalten am Beispiel von FR-4 aufgezeigt.

19 Seite 19 Temperatur C 140 Tg nach Wasserlagerung Masslam 4 Lagen - FR TG1 TG Zeit - Stunde Abbildung 15: Veränderung des Tg durch Wasseraufnahme Dieser Prozess ist reversibel, d. h. durch Trocknung des Laminates wird auch wieder eine Erhöhung des Tg erreicht. Diese Tatsache ist insbesondere für die Leiterplattenbestücker von Wichtigkeit. Durch längere Lagerung von Leiterplatten findet eine Wasseraufnahme statt. Bevor Leiterplatten starken thermischen Belastungen, wie z. B. Infrarot-Löten, ausgesetzt werden, muß die Leiterplatte getempert werden, um die Feuchtigkeit zu entfernen und die Temperaturstabilität zu erhöhen. Wird dies nicht getan, können Delaminationen des s beim Löten die Folge sein. Die Haftfestigkeit der Kupferfolie auf dem ist ein weiteres wichtiges Kriterium. Sie wird nicht nur im Anlieferzustand gemessen, sondern auch nach Wärmeschock, nach Prozeßsimulation und bei 180 C. Die Haftfestigkeitswerte richten sich dabei nach dem verwendeten Harzsystem einerseits und nach dem Treatment der Kupferfolie andererseits. 5 Multilayer Multilayer sind Schaltungen mit mehr als zwei Leiterebenen. Die vorgefertigten Innenlagen werden dabei mit Prepregs (Laminat im B-Zustand) unter dem für die Polymerisation notwendigen Druck und Hitze so verpresst, daß eine Mehrlagenschaltung entsteht, deren Innenlagen genau zueinander ausgerichtet sind. Als werden Epoxidharze in unterschiedlichen Funktionalitäten sowie höherwertige Harzsysteme verwendet. Der interlaminare Haftverbund benötigt dabei eine Vorbehandlung der Kupferoberflächen. Dies erfolgt meist durch die Oxidation der Kupferoberfläche mit Hilfe von stark oxidierenden Chemikalien (z. B. Natriumchlorit). Die so gebildete Kupferoxidoberfläche hat, vergleichbar dem Treatment der Kupferfolie, eine gerauhte Oberflächenstruktur, die die Haftung des Harzes verbessert. Da diese Oxidschicht größtenteils aus zweiwertigem Kupferoxid besteht, welches nicht säurebeständig ist, wird zusätzlich nach der Oxidation eine gezielte Reduktion des zweiwertigen Kupferoxids in einwertiges, säurebeständiges Kupferoxid vorgenommen.

20 Seite 20 Dieses reduzierte Oxid verhindert nach dem Bohren der Multilayer den Angriff der sauren Prozeßchemikalien der Folgeprozesse auf die Oxidschicht. Alternativ besteht die Möglichkeit, anstelle der Oxidation eine doppelseitig getreatete Kupferfolie zu verwenden. 5.1 Aufbauten Die Aufbauten eines Multilayers richten sich zum einen nach der geforderten Enddicke, zum anderen nach den gewünschten elektrischen Eigenschaften. Die wirtschaftlichen Gesichtspunkte spielen natürlich ebenfalls eine Rolle, müssen sich aber den vorgenannten Gründen meist unterordnen. Standard-Aufbauten für 6 und 8 Lagen Multilayer sind in Abbildung 16 für die Enddicke 1,5 mm angegeben. Multilayer, Aufbau: 6 Lagen Enddicken mm 1,5 + 1,6 + 1,6 + 0,15 0,15 0,15 Lage 1 Cu-Folie 18 oder 18 oder 18 oder Prepregs 2 x 0,105 1 x 0,066 2 x 1 x 0,105 0,105 Lage 2 Cu Laminat 0,38 0,51 0,38 Lage 3 Cu Prepregs 2 x 0,105 2 x 0,105 3 x 0,105 Lage 4 Cu Laminat 0,38 0,51 0,38 Lage 5 Cu Prepregs 2 x 0,105 1 x 0,105 1 x 0, oder Lage 6 Cu-Folie 18 oder 2 x 0, oder 1,6 + 2,4 + 0,2 0,15 18 oder 18 oder 2 x 0,18 1 x 0,066 1 x 0,18 0,2 0,71 2 x 0,18 2 x 0,18 0,2 0,71 2 x 0,18 1 x 0,18 1 x 0, oder 18 oder

21 Seite 21 Multilayer, Aufbau: 8 Lagen Enddicken mm 1,5 + 2,0 + 0,2 2,4 + 0,2 3,2 + 0,25 0,15 Lage 1 Cu-Folie 18 oder 18 oder 18 oder 18 oder Prepregs 2 x 0,105 2 x 2 x 0,105 2 x 0,105 0,105 Lage 2 Cu Laminat Lage 3 Cu 0,2 0,38 0,51 0,76 Prepregs 2 x 0,105 2 x 2 x 0,105 2 x 0,105 Lage 4 Cu Laminat Lage 5 Cu Lage 6 Cu Laminat Lage 7 Cu 0,2 0,105 0,38 Prepregs 2 x 0,105 2 x 0,105 0,2 0,38 Prepregs 2 x 0,105 2 x 0, oder Lage 8 Cu-Folie 18 oder 0,51 0,76 2 x 0,105 2 x 0,105 0,51 0,76 2 x 0,105 2 x 0, oder Prepregdicke: 0,066 mm = Prepregtyp ,105 mm = Prepregtyp ,180 mm = Prepregtyp 7628 Dickenangaben in mm - Kupferfolie in µm Abbildung 16: Standard Multilayer-Aufbauten 18 oder

22 Seite 22 Vorgenannte Aufbauten sind alle in Folientechnik ausgeführt, d. h. beim Verlegen des Multilayers wird zur Bildung der Aussenlagen Kupferfolie verwendet. Die alternative Technik nennt sich Caplayer-Technik und arbeitet mit dünnen, einseitig kupferkaschierten Innenlagen. Dabei ist die Problematik der Handhabung der dünnen Kupferfolien nicht gegeben. Als dritte Möglichkeit des Aufbaus ist die Coretechnik zu nennen. Bei dieser Variante wird ausschließlich mit Innenlagen gearbeitet. Die beiden äusseren Innenlagen erhalten dabei lediglich auf einer Lage eine Strukturierung (Leiterbild), die später nach aussen gewandte Seite bleibt vollflächig Kupfer. Will man erhöhte Kosten vermeiden, so gilt es kostengünstige und standardisierte Aufbauten sowohl für den Multilayer als auch für die hierbei verwendeten Innenlagen und Prepregs zu wählen. Bedingt durch die zunehmende Anzahl an impedanzkontollierten Schaltungen ist es nicht immer möglich, vorgenannte Aufbau-Standards zu wählen. Bei den Innenlagen ist dies jedoch eher möglich, Abbildung 17 listet diese Aufbau-Standards. Dicke mil mm Aufbau 2 0,05 1 x ,075 1 x ,10 1 x ,125 (einlagig) (zweilagig) 1 x x ,15 (einlagig) (zweilagig) 1 x x ,20 (einlagig) (zweilagig) 1 x x ,25 2 x ,30 2 x ,36 2 x ,41 2 x x ,46 2 x x ,51 3 x ,56 3 x ,61 2 x x ,71 4 x ,76 4 x ,90 5 x ,08 6 x 7628 Abbildung 17: Dicken und Aufbauten von Dünnlaminaten

23 Seite 23 Aus Standardisierungsgründen sollte man sich bei Prepregs möglichst auf die Glastypen 106, 1080, 2125 und 7628 beschränken. Bei Multilayern ist, wie bei den Laminaten für doppelseitige Schaltungen, ein Trend zur Reduzierung der Gesamtdicke erkennbar. Multilayer mit einer Enddicke zwischen 0,5 und 0,8 mm sind mehr und mehr im Einsatz. Solch dünne Schaltungen zeichnen sich nicht nur durch die reduzierte Dicke aus, sondern auch durch deutlich geringeres Gewicht. 5.2 Pressverfahren Bei den Pressverfahren für Multilayer kann man mit Heiz/Kühlpressen und mit den bei der herstellung bereits erwähnten Transferpressen oder mit Druck-Autoklaven arbeiten. In den hydraulischen Pressen wird das vorbereitete Preßpaket in die aufzuheizende (Kaltstart) oder aufgeheizte (Heißstart) Presse eingeschoben. Bis zum Schließen der Presse sollten beim Heißstart die Presspakete dabei noch nicht flächig auf der Heizetage aufliegen. Nachdem der Druck angelegt ist (er beträgt zwischen N/cm²), werden gleichzeitig die Presspakete aufgeheizt. Die mittlere Aufheiz-geschwindigkeit der Pakete liegt zwischen 5-8 C/min. Bei normalem FR-4 wird bis auf C geheizt, höher vernetzte Systeme benötigen teilweise 225 C. Alternativ läßt sich eine Nachhärtung der höher vernetzten Systeme im Temperofen bei 225 C erreichen. Die Presszeit richtet sich sowohl nach dem verwendeten Harzsystem als auch nach der Dicke des Pressbuchs. Es gilt sicherzustellen, daß auch die mittlere Platte im Pressbuch komplett ausgehärtet ist. FR-4-Systeme benötigen zur Aushärtung 45 min. Unter Kontaktdruck wird anschließend das Presspaket abgekühlt. Die Multilayer sollten erst der Presse entnommen werden, wenn eine Temperatur von 40 C erreicht ist. Der Aufbau der Presspakete ist dabei vergleichbar dessen, wie er für das erwähnt wurde. Pressbleche mit einer Dicke von 1,5 bis 2,0 mm aus hochglanzpoliertem Edelstahl und Papierpresspolster mit einem Gesamtgewicht von g/m² werden normalerweise verwendet. Alternativ zu den Pressblechen haben sich verstärkt 0, mm dicke Aluminiumbleche durchgesetzt. Diese Bleche werden anstelle der Edelstahlbleche eingesetzt und haben den Vorteil, daß aufgrund der reduzierten Dicke mehr Schaltungen pro Pressbuch eingelegt werden können. Beim Einsatz von Edelstahlblechen sind diese immer größer. Das Kupfer für die Aussenseiten wird ebenfalls größer gewählt als die Innenlagen, um die Pressbleche beim Pressen vor ausfließendem Harz zu schützen. Im Gegensatz zum Verpressen von normalem wird jedoch noch ein Presswerkzeug benötigt. Dieses Presswerkzeug aus 6-10 mm dickem Werkzeugstahl enthält die Stifte, die zur Registrierung der Innenlagen zueinander notwendig sind. Hydraulische Pressen werden immer häufiger mit Vakuumkammern hergestellt, um auch beim Pressen von Multilayern bessere Pressergebnisse zu erreichen.

24 Seite 24 Bei Autoklavpressen handelt es sich um isostatische Gas- oder Öldruckpressen. Die Presspakete werden dabei vakuumverpackt in eine Druckkammer eingefahren. Die Druckkammer wird mit einem inerten Gas (z. B. Stickstoff) oder Öl geflutet, das Medium dient der Übertragung von Druck und Hitze. Der isostatische Druck beim Verpressen beträgt N/cm². Im Gegensatz zum hydraulichen Pressen können in der Druckkammer unterschiedliche Pressformate gleichzeitig verpresst werden. 5.3 Registrierverfahren Die Innenlagen der Multilayer müssen zueinander registriert werden, zusätzlich ist eine Registrierung des geätzten Bildes zum Bohrbild erforderlich. Das bekannteste Verfahren ist das Stift- oder Aufnahmeloch-System. Bei diesem Verfahren werden die Aufnahmelöcher der Innenlagen gestanzt oder gebohrt. Diese Löcher können zum Registrieren der Filme beim Fotoprozess, zum Registrieren beim Verpressen und zum Registrieren beim Bohren verwendet werden. Die Prepregs werden im Bereich der Bohrungen der Innenlagen größer freigestellt, um ein Zufließen der Registrierlöcher bzw. ein Verbacken mit den Registrierstiften zu vermeiden. Will man die beim Ätzen der Innenlagen auftretende Längenänderung nicht bereits als erste Verschiebung des Registriersystems haben, kann man das Registriersystem unter Zuhilfenahme einer Registrieroptik nach dem Ätzen stanzen. Man benötigt dann jedoch ein weiteres System, um das versatzfreie Belichten der Vorder- und Rückseite der Innenlagen zu sichern. Da das beim Verpressen schrumpft, sind gegenüberliegende Rundlöcher als System ungeeignet. Mindestens ein Loch muß als Langloch ausgeführt sein, um dem Material Spielraum zur Schrumpfung zu geben. Bei diesem Rundloch/Langloch-System geht die gesamte Schrumpfung zum Rundloch. Alternativ lässt sich an allen vier Seiten der Innenlagen ein Langloch einbringen. Die gesamte Schrumpfung geht bei diesem System dann zur Mitte. Das Fließverhalten der Prepregs, die im Randbereich nach aussen fließen, beeinflußt mit die Registriergenauigkeit des Multilayers. Das schwimmende Verpressen ohne Stiftformen stellt die Alternative zum Stiftsystem dar. Optisches Registrieren und Innenlagenregistrieren werden hierbei unterschieden. Beim optischen Registrieren werden beim Herstellen der Innenlagen die Registriersymbole mitgeätzt. Bei Multilayern mit einem Innenlagencore (4 Lagen) werden die Registriersymbole nach dem Pressen freigefräst und dann optisch aufgebohrt. Bei mehreren Cores lassen sich die Innenlagen über entsprechende Optiksysteme zueinander ausrichten und dann punktuell über die zwischen den einzelnen Innenlagen liegenden Prepregs verkleben. Nach dem Verpressen werden auch solche höherlagigen Multilayer über gebohrte, freigefräste Registriersymbole zentriert.

25 Seite 25 Beim Innenlagenregistrieren werden die einzelnen Innenlagen mit einem gebohrten oder gestanzten Registriersystem versehen. Die einzelnen Innenlagencores werden über das Registriersytem mit Hilfe von Kunststoff-Stiften oder Metallhülsen miteinander verbunden und fixiert. Solch ein Multilayer lässt sich dann schwimmend ohne Stiftwerkzeug verpressen. 5.4 Qualitätsmerkmale und Testmethoden Der Haftverbund der Innenlagen zueinander wird über die Prepregs erzeugt. Die Prepregs können über die Parameter Harzgehalt, Fluß, Reaktivität und Schmelzviskosität charakterisiert werden. Ein hoher Harzgehalt ist insbesondere dann wichtig, wenn viele topographischen Unebenheiten bzw. Bohrungen gefüllt werden müssen. Beim fertigen Multilayer ist es wichtig, die Festigkeit des Haftverbundes, die komplette Aushärtung, die Porenfreiheit, das Schrumpfverhalten der Innenlagen und die Hitzebeständigkeit zu prüfen. Den Haftverbund prüft man normalerweise durch eine Zerreißmaschine, die die Kraft mißt, die erforderlich ist, um einen interlaminaren Haftverbund aufzureißen. Bei FR-4 findet man dabei Werte größer 900 N/mm. Bei Multilayer liegen die Werte normalerweise höher als bei starrem Laminat. Die komplette Aushärtung läßt sich zusammen mit der Messung der Glasumwandlungstemperatur prüfen. Ein Unterschied von Tg1 zu Tg2 von kleiner als 4 C zeigt die komplette Aushärtung des Multilayers an. Die Porenfreiheit des verpressten Multilayers lässt sich im Schliff, zusammen mit dem Innenlagenversatz als auch durch Abätzen der Kupferfolie visuell prüfen. Das Schrumpfverhalten der Innenlagen wird mit Röntgengeräten geprüft. Die Hitzebeständigkeit der Multilayer prüft man normalerweise im Lötbad nach MIL-P Elektrische Prüfungen der dielektrischen Eigenschaften des s lassen sich bedingt am fertigen Multilayer durchführen.