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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Mehrschicht-Leiterplatten
oder PWBs ('printed
wiring boards')
werden für
die Montage integrierter Schaltungen (ICs) und anderer Bauteile
verwendet. Der Zwang zur Verringerung der Größe und des Gewichts von Schaltungen
und zum Arbeiten bei höheren
Frequenzen und Taktgeschwindigkeiten hat zu kleineren Bauteilen
geführt,
die mehr Wärme
erzeugen und auf der PWB enger aneinander angeordnet sind. Weitere
Verbesserungen hinsichtlich Größe und Geschwindigkeit
konnten auch durch Verringerung der Standfläche der Bauteile durch Verwendung
von lotfreien Chipsockeln erreicht werden.
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Die
größere Bauteildichte
auf den PWBs und heißere
Bauteile führten
zu Problemen des thermischen Managements. Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten
(„WAK") zwischen den PWBs
und den Bauteilen wird bedeutender, wenn größere Temperaturen erzeugt werden.
Eine WAK-Fehlanpassung zwischen den PWBs und den Bauteilen kann
zu Bruch oder Ermüdung
während der
thermischen Zyklen führen,
die durch das Ein- und Ausschalten elektronischer Einrichtungen
hervorgerufen werden. Lotlose Chipsockel sind besonders anfällig gegen
ein Loslösen
von der PWB bei WAK-Fehlanpassungen. Lötstellen und Verbindungen neigen
dazu, bei dem durch die WAK-Fehlanpassung hervorgerufenen „Tauziehen" aufzugehen.
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Bisherige
PWB-Konstruktionen verwenden metallische Versteifungsschichten oder
-kerne, wie Kupfer-Invar-Kupfer, Aluminium oder Stahl, um den WAK
der Platte zu verringern. Allerdings tragen diese Materialen unerwünschtes
Gewicht bei. US-Patent 4,318,954 (Jensen) gibt ein Beispiel einer
PWB-Konstruktion zur Verwendung in Umgebungen mit thermischen Zyklen,
die Versteifungslagen auf leichter Kohlenstoffbasis verwendet, um
die WAK der Platte zu erniedrigen. US-Patent 4,591,659 (Leibowitz)
zeigt auch, dass Kohlenstoffversteifungsschichten als thermische
Leiter dienen können,
um Wärme
von den auf der PWB montierten Bauteilen abzuführen, zusätzlich zur Verringerung der
WAK der Platten. US-Patent 4,138,954 (Jensen) und US-Patent 4,591,659
(Leibowitz) werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende
Offenbarung aufgenommen.
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Die
Fähigkeit
früherer
PWBs, Wärme
von den auf ihren Oberflächen
montierten Bauteilen wegzuleiten, wird durch das Prepreg begrenzt,
das dazu dient, eine elektrische Leitung zwischen den Funktionsschichten
der PWB zu verhindern. Die in Prepregs verwendeten Materialien besitzen
schlechte thermische Leitfähigkeit.
Die Fähigkeit
der versteifenden Kohlenstoffschicht, Wärme von der Oberfläche der
Leiterplatte abzuführen,
war daher durch die Menge des Prepregs zwischen ihr und der Oberfläche der
Leiterplatte begrenzt. Das in den versteifenden Kohlenstoffschichten
verwendete Kohlenstoffmaterial ist elektrisch leitfähig, was
bei den bisherigen Konstruktionen erforderte, dass die Funktionsschichten
der PWB von den versteifenden Kohlenstoffschichten elektrisch isoliert
waren, um Kurzschlüsse
und Übersprechen
zu vermeiden. Bei früheren
Konstruktionen ergibt diese Bedingung eine untere Grenze für die Abstand
zwischen den versteifenden Kohlenstoffschichten und der Oberfläche der
Leiterplatte entsprechend einer minimalen Menge von Prepreg, die
benötigt
wird, um die Funktionsschichten der Leiterplatte voneinander und
von den versteifenden Kohlenstoffschichten zu isolieren. Diese untere
Grenze lässt
sich in eine obere Grenze bezüglich der
von der Oberfläche
der PWB ableitbaren Wärmemenge
umsetzen. Dem entsprechend bestand ein Bedürfnis für eine PWB, welche eine mechanische Festigkeit
mit einem geringen WAK besitzt und welche die den bisherigen Konstruktionen
inhärente obere
Grenze der von der Oberfläche
der PWB ableitbaren Wärme übersteigt.
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In
US 4,951,659 ist eine Leiterplatte
mit zwei Schichten aus mit Harz imprägniertem Graphit gezeigt, zwischen
welchen verschiedene Schichten aus dielektrischen Material und Kupfer
vorhanden sind.
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US 5,004,639 offenbart elektrische
Prepreg-Schichten und zwischen diesen andere Schichten einschließlich Schaltungen
in einer zentralen steifen Schicht und Klebe- und dielektrische
Lagen.
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WO
95/02505 zeigt ein thermisch leitfähiges Zwischenlagenmaterial,
gebildet aus einem Polymerbinder, einem oder mehreren thermisch
leitenden Füllstoffen
und einer ausgedehnten metallischen Gitterlage, die zumindest teilweise
in eine der Hauptoberflächen
des Binders eingebettet ist. Weitere Laminatstrukturen sind in
EP 0 313 961 A2 und
WO 97/17199 geoffenbart.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In
einer Hinsicht betrifft die Erfindung eine Konstruktion und Verfahrensweise,
in welcher eine thermisch leitende Schicht in einer PWB oder einem Abschnitt
davon vorgesehen ist. Beispielsweise kann die Erfindung eine Prepreg-Schicht
aus einem Ersatzstoff, der mit einem thermisch leitenden Harz imprägniert und
gegebenenfalls auch elektrisch leitend ist, beinhalten. Aus einer
solchen Prepreg-Schicht kann ein Laminat gebildet sein, wobei das
Laminat eine erste und eine zweite Metallschicht oberhalb bzw. unterhalb
des Prepregs besitzt. Alternativ kann das Laminat selbst thermisch
und/oder elektrisch leitend sein, wodurch es in Hochleistungsleiterplatten verwendet
werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen PWB
mit einem elektrisch und thermisch leitenden Laminat,
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2A ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer PWB gemäß der Erfindung
darstellt,
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2B ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Imprägnieren eines Substrates mit
Harz gemäß der Erfindung
darstellt,
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3 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht eines Laminats, worin
vier Schichten von gleichlaufenden (unidirektionalen) Kohlenstofffasern
aufgenommen sind,
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4 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform
eines Laminats, worin vier Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern
aufgenommen sind,
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5 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht eines Laminats, worin
drei Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern aufgenommen sind,
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6 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht eines Laminats, worin
vier Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern in einer isotropen Konfiguration
aufgenommen sind,
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7 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung,
die ein Prepreg-Schichten enthaltendes Laminat beinhaltet,
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8 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung,
das ein elekrisch und thermisch leitendes Laminat mit einer Glasfaserschicht,
die mit elektrisch und thermisch leitendem Harz imprägniert ist,
beinhaltet,
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9 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung,
das ein elektrisch und thermisch leitendes Laminat mit einer Glasfaserschicht
beinhaltet, die mit in Prepreg-Schichten enthaltenes elektrisch
und thermisch leitendem Harz imprägniert ist,
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10 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung,
das zwei elektrisch und thermisch leitender Laminate und eine Anzahl
von Schlotbohrungen und durchkontaktierten Bohrungen beinhaltet,
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11A ist ein Flussdiagramm, welches einen Herstellungsprozess
einer PWB gemäß der Erfindung
einschließlich
mehreren elektrisch und thermisch leitenden Laminaten, Schlotbohrungen
und durchkontaktieren Bohrungen darstellt,
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11B ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren
zur Bestimmung von Orten darstellt, an denen Schlotbohrungen in
eine PWB gebohrt werden sollen,
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11C ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren
zur Bestimmung von Orten darstellt, an denen während der Herstellung einer
PWB gemäß der Erfindung
gefüllte
Freistellbohrungen in elektrisch und thermisch leitenden Laminaten
gebohrt werden sollten, und
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12 ist
eine halbschematische Querschnittsansicht einer PWB gemäß der Erfindung,
das zwei elektrisch und thermisch leitender Laminate und eine elektrisch
isolierte Kohlenstoff-Stützlage beinhaltet.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 eine Leichtgewicht-Mehrschicht-PWB gemäß der Erfindung.
Die PWB 10 beinhaltet ein Laminat 12 mit einer
Kohlenstoffenthaltenden Schicht 14, die zwischen einer
ersten Schicht 16 aus Metall oder einem anderen elektrisch
leitfähigen
Material und einer zweiten Schicht 18 aus Metall oder einem anderen
elektrisch leitfähigem
Material eingebettet ist. Das Laminat ist zwischen einer ersten
Prepreg-Schicht 20 und
einer zweiten Prepreg-Schicht 22 eingebettet. Die oberste
Schicht der PWB ist aus einer dritten Schicht 24 aus Metall
oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material erzeugt. Die
unterste Schicht 26 der PWB ist unter Verwendung einer
vierten Schicht aus Metall oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material
erzeugt. Wie unterstehend erläutert,
können
die elektrisch leitfähigen Schichten 16, 18, 24 und 26 und
die entsprechenden Schichten der anderen hier beschriebenen Ausführungsformen
aus Metall oder jeder anderen Varietät von Metall-enthaltenden Zusammensetzungen
mit geeigneten Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit
bestehen. Der Bequemlichkeit halber jedoch werden diese Schichten
hier oft einfach als „Metall"-Schichten bezeichnet.
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Das
Laminat 12 ist elektrisch leitend, was die Verwendung des
Laminats als Masse-Ebene in der PWB gestattet, als Stromversorgungsebene
in einer PWB oder sowohl Masse- als auch Versorgungsebene in der
PWB, wobei Routing zum elektrischen Isolieren von Bereichen des
Laminats verwendet wird. Die Verwendung des Laminats 12 in
einer PWB führt dazu,
dass die PWB dünner
ist und geringeres Gewicht hat als frühere PWB-Konstruktionen, die
elekt risch isolierte Kohlenstoff-enthaltende Schichten zur Verringerung
des WAK einsetzen. Die Verringerung der Dicke der PWB 10 ermöglicht es
auch, dass die Kohlenstoff-enthaltenden Schichten 14 näher zur Oberfläche der
Platte gelegen sind als in PWBs, die elektrisch isolierte Kohlenstoffversteifungsschichten einsetzen.
Ein Vorteil dieser Konfiguration ist, dass es der PWB im Vergleich
zu früheren
Konstruktionen ein verbessertes Vermögen, Wärme von seiner Oberfläche wegzuleiten,
verleiht. Ein anderer Vorteil dieser Konfiguration ist, dass es
für geringen
Oberflächen-WAK
sorgt, was in Anwendungen wie z.B. Halbleiter-Anwendungen von Bedeutung
ist.
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Ein
Prepreg ist eine Verbundschicht, die ein Substrat oder Stützmaterial
beinhaltet, das aus mit Harz imprägniertem Fasermaterial besteht.
Ein Prepreg kann auch ein Film sein. Ein Film ist eine Sorte Prepreg,
das kein Substrat enthält,
sondern stattdessen ein nur Harze beinhaltender Verbundwerkstoff ist.
Die erste Prepreg-Schicht 20 und die zweite Prepreg-Schicht 22 isolieren
das elektrisch leitende Laminat 12 elektrisch gegenüber der
dritten Schicht 24 aus Metall und der vierten Schicht 26 aus
Metall. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die dritte und
vierte Schicht aus Metall oder anderem elektrisch leitendem Material
mit elektrischen Schaltungen strukturiert. Beispielsweise kann ein
elektrischer Kontakt zwischen der dritten Metallschicht, dem elektrisch
leitenden Laminat oder der vierten Metallschicht eine Unterbrechung
der Funktion der elektrischen auf den dritten und vierten Metallschichten strukturierten
Schaltkreisen ergeben. In anderen Ausführungsformen ist nur die dritte
oder die vierte Schicht aus Metall mit elektrischen Schaltungen strukturiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der PWB gemäß der Erfindung
besteht die zur Herstellung des Laminats 12 verwendete
Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus gewobenen Kohlenstofffasern, wie
z.B. gewobenem K13C2U erzeugt von Mitsubishi Chemical America, Inc.
in Sunnyvale (Kalifornien), und hat eine Dicke von 0,006" (0,15 mm). In einer
anderen Ausführungsform
kann die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus Kohlenstofffasern hergestellt
sein, die ein Elastizitätsmodul
von 110 msi (758 GPa), eine Zugfestigkeit von 540 ksi (3,72 GPa),
thermische Leitfähigkeit
von 610 W/m.K, Faserdichte von 2,15 g/cm3 und
eine Faserdehnung von 0,5 % haben und mit Rechtslinksflechtung gewoben
sind. In anderen Ausführungsformen
kann die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus jeglichen Kohlenstofffasern
mit einer Dicke über
0,002" (0,05 mm),
thermischen Leitfähigkeit über 10 W/m.K,
WAK im Bereich von -3,0 bis 3,0 ppm/°C, Steifheit über 20 msi,
Zug über
250 ksi, Dichte unter 2,25g/cm3 erzeugt
sein. Vorzugsweise ist die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus Kohlenstofffasern
mit einer thermischen Leitfähigkeit über 75 W/m.K,
WAK im Bereich von -1,25 bis 1,0 ppm/°C, Steifheit über 35 msi,
Zugfestigkeit über
350 ksi, Dichte unter 2,22g/cm3 erzeugt.
Noch wünschenswerterer
Weise ist die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus Kohlenstofffasern
mit einem WAK im Be reich von 0,0 ppm/°C hergestellt. In anderen Ausführungsformen
ist die Kohlenstoffenthaltende Schicht aus jeglichen Kohlenstofffasern
erzeugt, die zum Ableiten der nötigen
Wärmemenge
von der Oberfläche der
PWB 10 fähig
sind, um die Anforderungen hinsichtlich des WAK an die PWB zu erfüllen und
die gewünschte
Steifigkeit der PWB zu erreichen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die gewobenen Kohlenstofffasern mit einem elektrisch und thermisch
leitenden Harz, wie z.B. einem Pyrolysekohlenstoff-Epoxyharz, in Übereinstimmung mit
dem in Bezug auf 2B beschriebenen Verfahrensablauf
imprägniert.
Elektrische Leitfähigkeit
ist definiert als Vorliegen einer Dielektrizitätskonstante von über 6,0
bei 1 MHz. Thermische Leitfähigkeit
ist definiert als Vorliegen eines WAK von über 1,25 W/m.K. Vorzugsweise
hat ein Material, das thermisch leitfähig ist, einen WAK von über 2,5
W/m.K. In anderen Ausführungsformen
sind die gewobenen Kohlenstofffasern mit einem Harz imprägniert,
wie z.B. mit auf Polyimid (Cyanat-Ester) basierendem Pyrolysekohlenstoffharz,
Epoxy- oder Polyimid-basierendem Silberoxidharz, Epoxy- oder Polyimid-basierendem Kohlenstoffpulverharz
oder irgendein anderes Harz mit einer Glasübergangstemperatur über 100°F (37,8°C), niedriger
Feuchtigkeitsabsorption, hohe chemische Korrosionsbeständigkeit,
hohe Widerstandskraft gegen Mikrorisse, hohe strukturelle Beständigkeit,
kontrolliertes Fließen,
gute Haftung, Wärmeleitfähigkeit über 0,2
W/m.K und eine dielektrische Konstante über 6,0 bei 1 MHz. Vorzugsweise werden
die gewobenen Kohlenstofffasern mit einem Harz mit einer Glasübergangstemperatur über 250°F (121°C) und Wärmeleitfähigkeit über 2,0
W/m.K imprägniert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die erste und zweite Schicht aus Metall aus einer 1/4 oz (8,75 μm) Kupferfolie
erzeugt, wie z.B. NT-TW-HTE hergestellt von Circuit Foil Trading,
Inc. in Glenside (Philadelphia). In anderen Ausführungsformen können andere
elektrisch leitende Materialien, z.B. Cu, Pd, Ag, Al, Au, Ni und
Sn, oder Legierungen oder andere Verbindungen davon, mit einer Dicke
von 0,00003 bis 0,021'' (0,75-533 μm) zur Erzeugung
der ersten und zweiten Schicht aus Metall verwendet werden. In anderen
Ausführungsformen kann
ein elektrisch leitendes Material jeglicher Dicke zur Erzeugung
der ersten und zweiten Schicht aus Metall verwendet werden, sofern
die gesamte Leitfähigkeit
des elektrisch leitenden Laminats 12 ausreicht, die elektrische
Last im Laminat aufzunehmen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die erste Prepreg-Schicht und die zweite Prepreg-Schicht aus wärmeleitendem
dielektrischen Material erzeugt, wie z.B. dem Prepreg 44N0680 hergestellt
von Arlon Materials for Electronics in Rancho Cucarnonga (Kalifornien)
mit einer Dicke von 0,0015'' (0,038 mm), einem
Harzgehalt von ca. 80%, Harzfluss von ca. 50% und einer Gelierzeit
im Bereich von 90 bis 110 Sekunden. In anderen Ausführungsformen können andere Prepregs
wie z.B. FR-4, Polyimid, Teflon, Keramiken, GIL, Gtek oder Hochfrequenzschaltkreismaterialien
hergestellt von Rogers Corporation, die Zusatzstoffe wie z.B. Aluminiumoxid,
Diamantteilchen oder Bornitrid oder jegliches andere Prepreg mit
dielektrischen Konstanten unter 6,0 bei 1 MHz und einer Wärmeleithfähigkeit über 1,25
W/m.K beinhalten, bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten
verwendet werden. Noch wünschenswerter
Weise sind die ersten und zweiten Prepregschichten aus einem dielektrischen
Material mit einer dielektrischen Konstanter unter 4,0 bei 1 MHz und
einer Wäremleitfähigkeit über 2,0
W/m.K erzeugt. In anderen Ausführungsformen
können
bei der Erzugung der ersten und zweiten Prepregschichten Prepregs
verwendet werden, die eine Wärmeleitfähigkeit
unter 1,25 W/m.K haben. Die Verwendung von Prepregschichten, die
eine Wärmeleitfähigkeit unter
1,25 W/m.K haben, kann die Fähigkeit
der PWB verringern, Wärme
von seiner Oberfläche
abzuleiten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die obersten und unterste Schicht aus leitendem Material aus
Materialien erzeugt, die zu denen ähnlich sind, die bei der Erzeugung
der ersten und zweiten Metall-Schichten wie oben beschrieben verwendet werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Verfahrens zum Herstellen einer PWB gemäß der Erfindung ist in 2A dargestellt.
Eine erste Laminierung wird in Schritt 32 durchgeführt. Zur
ersten Laminierung gehört,
eine 1/4 oz (8,75 μm)
dicke Kupferfolien-Schicht auf eine Seite einer Schicht von gewobenen
Kohlenstofffasern, die mit dem Epoxy-basierten Pyrolysekohlenstoffharz
imprägniert
sind, zu platzieren. Die Schichten werden dann in ein Vakuum gebracht
und von Raumtemperatur auf 350°F
(177°C) erhitzt.
Die Temperaturzunahme wird so gesteuert, dass der Temperaturanstieg
in einem Bereich von 8-12°F/min
(4,4-6,7 K/min) gehalten wird, wenn die Temperatur von 150°F auf 350°F (65,6 auf
149°C) ansteigt.
Wenn die Temperatur im Bereich von 150°F-165°F (65,6-73,9°C) ist, wird der Druck auf der Schicht
auf 250 psi (1,72 MPa) erhöht.
Sobald eine Temperatur von 350°F
(177°C)
erreicht worden ist, wird die Temperatur auf dieser Temperatur für 70 Minuten
gehalten. Nach Beendigung der 70 Minuten Zeitdauer werden die Schichten
für eine
Dauer von 30 Minuten Raumtemperatur und einem Druck über Atmoshärendruck
ausgesetzt. Der erste Laminierungszyklus liefert das oben beschriebene
elektrisch leitende Laminat 12. Vorzugsweise wird das elektrisch
leitende Laminat so hergestellt, dass es möglichst flach ist.
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Auf
den ersten Laminierungszyklus folgt ein zweiter Laminierungszyklus
in Schritt 34. Zum zweiten Laminierungszyklus gehört, einen
44N0680 Schicht-Prepreg auf eine Seite des elektrisch leitenden
Laminats, das im ersten Laminierungszyklus hergestellt wurde, und
eine zweite Schicht eines 44N0680 Prepreg auf die andere Seite des
elektrisch leitenden Laminats zu platzieren. Zusätzlich werden Schichten aus
1/2 oz (17,5 μm)
Kupferfolie auf die Außenflächen der
beiden 44N0680 Prepregschichten platziert. Die Schichten werden
dann in ein Vakuum gebracht und von Raumtemperatur auf 350°F (177°C) erhitzt.
Die Temperaturzunahme wird so gesteuert, dass der Temperaturanstieg
in einem Bereich von 8-12°F/min
(4,4-6,7 K/min) gehalten wird, wenn die Temperatur von 150°F auf 300°F (65,6 auf 149°C) ansteigt.
Wenn die Temperatur im Bereich von 150°F-165°F (65,6-73,9°C) ist, wird der Druck auf der
Schicht auf 250 psi (1,72 MPa) erhöht. Sobald eine Temperatur
von 350°F
(177°C)
erreicht worden ist, wird die Temperatur für 90 Minuten auf dieser Temperatur
gehalten. Nach Beendigung der 90 Minuten Zeitdauer werden die Schichten
für eine
Dauer von 30 Minuten Raumtemperatur und einem Druck über Atmoshärendruck
ausgesetzt. Der erste Laminierungszyklus liefert das oben beschriebene
elektrisch leitende Laminat 12. Der zweite Laminierungszyklus
liefert die in 1 gezeigte PWB 10.
Die dritten und vierten Metall-Schichten der in 1 gezeigten
PWB werden dann mit elektrischen Schaltungen in Schritt 36 strukturiert.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Verfahrens 40 zum Imprägnieren einer aus gewobenen Kohlenstofffasern
erzeugten Kohlenstoff-haltigen Schicht mit einem elektrisch leitenden
Harz ist in 2B gezeigt. Zum ersten Schritt
im Verfahren 42 gehört
das Zusammengeben von Bestandteilen um ein Harz zu bilden. Die meisten
Harze werden unter Verwendung von Epoxy- oder Polyimid-Festoffharzen,
Lösungsmittel,
Azetonen, Katalyten und Zusatzstoffen gebildet. Typischerweise werden
die Eigenschaften eines bestimmten Harzes durch die verschiedenen
Zusatzstoffe, die im Harz enthalten sind, und deren Menge bestimmt.
Zusatzstoffe können dazu
dienen, die elektrische Leitfähigkeit
oder die thermischen Eigenschaften eines Harzes zu verbessern. Wenn
ein Zusatzstoff zur Verbesserung der elektrischen oder Wärmeleitfähigkeit
eines Harzes verwendet wird, nimmt die Wärme- oder elektrische Leitfähigkeit
mit der Menge des durch das Harz gemischten Zusatzstoffes zu. In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Menge Pyrolysekohlenstoff in Pulverform, die 10 Gewichts%
des Harzes gleich ist, als Bestandteil zum Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit
und der thermischen Eigenschaften des Harzes hinzugefügt. In anderen
Ausführungsformen kann
zum Verbessern der thermischen und elektrischen Eigenschaften des
Harzes eine beliebige Menge Pyrolysekohlenstoff zugefügt werden.
Vorzugsweise ist die Menge des dem Harz zugefügten Pyrolysekohlenstoffs zwischen
5 und 50 Gewichts% des Harzes. Die verschiedenen Harzbestandteile
werden dann in Schritt 44 gemischt, um ein im Wesentlichen homogenes
Harz zu erhalten.
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Sobald
ein Harz gebildet ist, wird in Schritt 46 das Harz in einen
Prepreg-Imprägnator
platziert. Der Prepreg-Imprägnator
wird dazu verwendet, ein Substrat mit Harz zu imprägnieren.
Im nächsten
Schritt 48 wird das zu imprägnierende Substrat durch den Prepreg-Imprägnator geschickt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens ist das Substratmaterial gewobene Kohlenstofffasern,
wie z.B. die oben beschriebenen gewobenen Kohlenstofffasermaterialien.
In einer bevorzugten Ausführungsform,
die ein Substrat mit gewobenen Kohlenstofffasern verwendet, wird
das Substrat mit 45 Gewichts% Harz imprägniert. In anderen Ausführungsformen
wird das Substrat mit zwischen 5 und 80 Gewichts% Harz imprägniert.
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Sobald
das Substrat durch den Prepreg-Imprägnator geschickt worden ist,
wird in Schritt 50 ein B-Zustand-Härtevorgang durchgeführt. Zum
B-Zustand-Härtevorgang
gehört,
das Substrat und Harz einer Temperatur zwischen 250°F und 300°F (121-149°C) auszusetzen.
Die Zeitmenge, für
die das Substrat und Harz dieser Temperatur ausgesetzt werden, bestimmt
sich aus der Menge Harz, die auf das Substrat geladen ist, und dem
benötigten
Ausmaß der
Härtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Zeitdauer von 15 Minuten für die Imprägnierung eines gewobenen Kohlenstofffasersubstrats
mit 45% Harz, das zum B-Zustand gehärtet ist, nötig, damit es zur Verwendung
im oben in Bezug auf 2A beschriebenen Verfahren geeignet
ist. Nach Beendigung des B-Zustand-Härtevorgangs wird das Harz vor
Verwendung in Schritt 52 in einer kontrollierten Umgebung
aufbewahrt.
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In
anderen Ausführungsformen
werden Silberoxid-Teilchen als Harz-Zusatzstoff verwendet, um die
elektrische Leitfähigkeit
und thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird eine Silberoxid-Menge von 40 Gewichts% des Harzes zugesetzt.
In anderen Ausführungsformen
kann irgendeine Menge Silberoxid zugefügt werden, um die thermischen
Eigenschaften des Harzes zu steigern. Vorzugsweise ist die dem Harz
zugefügte
Menge Silberoxid zwischen 5 und 70 Gewichts% des Harzes.
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In
anderen Ausführungsformen
werden Bornitrid-Teilchen als Harz-Zusatzstoff verwendet, um die
thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird eine Bornitrid-Menge von 40 Gewichts% des Harzes zugesetzt.
In anderen Ausführungsformen
kann irgendeine Menge Bornitrid zugefügt werden, um die thermischen
Eigenschaften des Harzes zu steigern. Vorzugsweise ist die dem Harz
zugefügte
Menge Silberoxid zwischen 5 und 70 Gewichts% des Harzes.
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In
anderen Ausführungsformen
werden Diamant-Teilchen als Harz-Zusatzstoff verwendet, um die thermischen
Eigenschaften des Harzes zu steigern. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Menge Diamantteilchen von 15 Gewichts% des Harzes zugesetzt.
In anderen Ausführungsformen kann
irgendeine Menge Diamantteilchen zugefügt werden, um die thermischen
Eigenschaften des Harzes zu steigern. Vorzugsweise ist die dem Harz
zugefügte
Menge Diamantteilchen zwischen 2 und 50 Gewichts% des Harzes.
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In
anderen Ausführungsformen
werden Aluminiumoxid-Teilchen als Harz-Zusatzstoff verwendet, um
die thermischen Eigenschaften des Harzes zu steigern. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird eine Menge Aluminiumoxid von 40 Gewichts% des Harzes zugesetzt.
In anderen Ausführungsformen kann
irgendeine Menge Aluminiumoxid zugefügt werden, um die thermischen
Eigenschaften des Harzes zu steigern. Vorzugsweise ist die dem Harz
zugefügte
Menge Aluminiumoxid zwischen 5 und 70 Gewichts% des Harzes. In anderen
Ausführungsformen können zwei
oder mehr der oben beschriebenen Zusatzstoffe als Zusatzstoffe für das Harz
verwendet werden.
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In
anderen Ausführungsformen
können
Prepregs mittels des obigen Verfahrens durch Verwendung von Substratmaterialien
mit dielektrischen Konstanten unter 6,0 bei 1 MHz hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Glasfaser-Substrat mit einem Bornitrid-haltigen Harz imprägniert,
um ein wärmeleitendes
Prepreg mit einer dielektrischen Konstante unter 6,0 bei 1 MHz zu
erzeugen. Vorzugsweise wird die Glasfaser mit 70 Gewichts% Harz
imprägniert.
In anderen Ausführungsformen
wird die Glasfaser mit zwischen 20 und 80 Gewichts% imprägniert.
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In
anderen Ausführungsformen
können
andere Substrate wie z.B. Kevlar, Quarz, Aramid oder irgendein anderes
Material oder Materialmischung mit einer dielektrischen Konstante
unter 6,0 bei 1 MHz, einer Glasübergangstemperatur über 250°F (121°C), eine
Wärmeleitfähigkeit über 0,1
W/m.K, einem WAK zwischen -4,5 und 30 ppm/°C, hoher Zugfestigkeit und hoher
thermischer Widerstandskraft bei der Erzeugung von Prepregschichten
verwendet werden. Vorzugsweise hat das Substratmaterial eine Glasübergangstemperatur über 400°F (204°C), einen
WAK zwischen -4,5 und 12 ppm/°C,
behält
50% bis 60% seiner Festigkeit bei 700°F (371°C) bei und hat eine dielektrische
Konstante unter 3,0 bei 1 MHz. Ein mit diesem Verfahren hergestelltes
Prepreg kann bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten
der erfindungsgemäßen PWB 10 wie
in 1 dargestellt verwendet werden.
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In
anderen Ausführungsformen
wird die kohlenstoffhaltige Schicht mit einem Harz imprägniert, das
wärmeleitend
ist, wie z.B. ein Epoxy- oder Polyimid-basiertes Bornitrid-Harz,
Epoxy- oder Polyimid-basiertes Aluminiumoxid-, Epoxy- oder Polyimid-basiertes
Keramik-Harz, Epoxy- oder Polyimid-basiertes Diamantteilchen-Harz
oder irgendein anderes Harz mit Eigenschaften, die den oben beschriebenen
elektrisch und thermisch leitenden Harzen ähnlich sind, ausgenommen, dass
die dielektrische Konstante des Harzes unter 6,0 bei 1 MHz liegt.
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In
anderen Ausführungsformen
wird die kohlenstoffhaltige Schicht aus einem Blatt gleichlaufender
Kohlenstofffasern erzeugt, wie z.B. unidirektionalem K13C2U, hergestellt
von Mitsubi shi Chemical America, Inc., und mit einer Dicke von 0,001" (25 μm). Das zur
Verwendung bei der Erzeugung der Kohlenstoff-enthaltenden Schicht
ausgewählte gleichlaufende
Kohlenstofffasermaterial hat vorzugsweise Eigenschaften, die denen ähnlich sind,
die oben für
die gewobenen Kohlenstofffasern beschrieben sind, die bei der Erzeugung
der Kohlenstoff-haltigen Schicht verwendbar sind.
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In
anderen Ausführungsformen
wird das Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Harz imprägniert.
Harze mit Eigenschaften, die denen ähnlich sind, die oben in Bezug
auf Ausführungsformen von
Laminaten mit Blättern
gewobener Kohlenstofffasern beschrieben sind, können auch dazu verwendet werden,
Blätter
gleichlaufender Kohlenstofffasern zu imprägnieren, die bei der Erzeugung
von Laminaten gemäß der Erfindung
verwendet werden.
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In
anderen Ausführungsformen
können
bei der Erzeugung der kohlenstoffhaltigen Schicht mehrere Schichten
gleichlaufender Kohlenstofffasern, die so ausgerichtet sind, dass
die Fasern in jeder Schicht im Wesentlichen parallel sind, verwendet
werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Laminats 12',
die gemäß der Erfindung
aufgebaut ist und vier gleichlaufende Kohlenstofffaserschichten verwendet,
ist in 3 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist das Laminat
aus einer ersten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 60,
einer zweiten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 62,
einer dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 64 und
einer vierten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 66 erzeugt.
Die gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten haben alle dieselbe
Dicke und dasselbe Faser-Flächengewicht.
Die erste und vierte gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten sind
so gestaltet, dass die Kohlenstofffasern in jeder Schicht im Wesentlichen
parallel ausgerichtet sind. Die zweite und dritte gleichlaufenden
Kohlenstofffaserschichten sind aus Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern
erzeugt, worin die Fasern im Wesentlichen senkrecht zu den Kohlenstofffasern
in den ersten und vierten Schichten ausgerichtet sind.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform
eines Laminats 12'', dass gemäß der Erfindung
mittels gleichlaufender Kohlenstofffaserschichten erzeugt ist, ist
in 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist das Laminat 12'' aus einer ersten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 70,
einer zweiten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 72,
einer dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 74 und
einer vierten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 76 erzeugt.
Die gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten haben alle dieselbe
Dicke und dasselbe Faser-Flächengewicht.
Die erste und dritte gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten sind
aus Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Fasern, die
in im Wesentlichen gleicher Richtung ausgerichtet sind, erzeugt.
Die zweite und vierte gleichlaufenden Kohlenstofffaserschich ten
sind aus Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Fasern
erzeugt, die in einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen
senkrecht zu der Richtung ist, in der die Fasern in der ersten und
dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht ausgerichtet sind.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform
eines Laminats 12''', dass gemäß der Erfindung mittels gleichlaufender
Kohlenstofffaserschichten erzeugt ist, ist in 5 dargestellt.
In dieser Ausführungsform ist
das Laminat 12''' aus einer ersten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 80 mit
einer Dicke von 0,002'' (0,05 mm), einer
zweiten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 82 mit
einer Dicke von 0,004'' (0,1 mm) und einer
dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht 84 mit
einer Dicke von 0,002'' (0,05 mm) erzeugt.
Die Faser-Flächengewichte
der ersten und dritten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten sind
dasselbe Faser-Flächengewicht,
das die Hälfte des
Faser-Flächengewichts
der zweiten gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht ist. Die erste
und dritte gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten sind aus Schichten
gleichlaufender Kohlenstofffasern mit in derselben Richtung ausgerichteten
Fasern erzeugt. Die zweite gleichlaufende Kohlenstofffaserschicht
ist aus einer Schicht gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Fasern
erzeugt, die in einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen
senkrecht zu der Richtung ist, in der die Fasern in der ersten und dritten
gleichlaufenden Kohlenstofffaserschicht ausgerichtet sind.
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In
anderen Ausführungsformen
kann eine Zahl von gleichlaufenden Kohlenstofffaserschichten größer als
vier zur Erzeugung der Leiterplatte verwendet werden, vorausgesetzt
dass die Kohlenstofffasern-enthaltende Schicht ausgewogen ist.
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In
anderen Ausführungsformen
beinhalten Laminate gemäß der Erfindung
Kohlenstoffenthaltende Schichten, die im Wesentlichen isotrop sind.
Eine Ausführungsform
eines Laminats gemäß der Erfindung
mit einer isotropen Kohlenstoff enthaltende Schicht ist in 6 dargestellt.
Das Laminat 12'''' beinhaltet
eine erste gleichlaufende Kohlenstofffaserschicht 90, die
aus einem Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern mit in einer ersten
Bezugsrichtung ausgerichteten Fasern erzeugt ist, eine zweite gleichlaufende
Kohlenstofffaserschicht 92, die aus einem so angeordneten
Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern erzeugt ist, dass seine
Fasern in einem Winkel von 45° zu
der ersten Bezugsrichtung ausgerichtet sind, eine dritte gleichlaufende
Kohlenstofffaserschicht 94, die aus einem so angeordneten
Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern erzeugt ist, dass seine
Fasern in einem Winkel von 90° zu
der ersten Bezugsrichtung ausgerichtet sind, und eine vierte gleichlaufende
Kohlenstofffaserschicht 96, die aus einem so angeordneten
Blatt gleichlaufender Kohlenstofffasern erzeugt ist, dass seine
Fasern in einem Winkel von 135° zu
der ersten Bezugsrichtung ausgerichtet sind. Die gleich laufenden
Kohlenstofffaser-Blätter
können
mit Harzen imprägniert
sein, die den oben beschriebenen ähnlich sind.
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Eine
PWB gemäß der Erfindung
ist in 7 dargestellt. Die PWB 10' beinhaltet eine Laminatstruktur 12''''' mit einer Kohlenstoff-enthaltenden Schicht 14', die sich zwischen
einer ersten Prepregschicht 100 und einer zweiten Prepregschicht 102 befindet.
Eine erste Metallschicht 16' ist über der
ersten Prepregschicht angeordnet und eine zweite Metallschicht 18' ist unter der
zweiten Prepregschicht angeordnet. Eine dritte Prepregschicht 20' ist über der
ersten Metallschicht angeordnet und eine zweite Prepregschicht 22' ist unter der
zweiten Metallschicht angeordnet. Eine dritte Metallschicht 24' ist über der dritten
Prepregschicht angeordnet und eine vierte Metallschicht 26' ist unter einer
vierten Prepregschicht angeordnet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Kohlenstoff-enthaltende Schicht 14' aus einer gewobenen Schicht Kohlenstofffasern
erzeugt, und die Metallschichten sind aus Materialien erzeugt, die
zu denen ähnlich
sind, die oben bei der Erzeugung der Metallschichten beschrieben
sind, die bei der Konstruktion der in 1 als 10 gezeigten
PWBs verwendet werden. Zusätzlich
sind dritte und vierte Prepregschichten aus Materialien erzeugt,
die zu denen ähnlich
sind, die oben bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten
der Ausführungsform der
in 1 als 10 gezeigten PWBs beschrieben sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine elektrisch und thermisch leitende Prepregschicht, wie
z.B. gemäß dem oben
in Bezug auf 2B beschriebenen Verfahren erzeugtes
Epoxy-basiertes Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg, und mit zu dem
oben beschriebenen Pyrolysekohlenstoff-Harz ähnlichen Eigenschaften, bei
der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten verwendet.
Ein elektrisch und thermisch leitender Prepreg wird bei der Erzeugung
der ersten und zweiten Prepregschichten verwendet, um dafür zu sorgen, dass
ein elektrisch leitender Pfad zwischen der Kohlenstoff-enthaltenden
Schicht und den ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten
besteht. In anderen Ausführungsformen
können
andere elektrisch und thermisch leitende Prepregs, wie z.B. Polyimid-basierter
Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg,
Epoxy- oder Polyimid-basierter Silberoxid-Harz-Prepreg oder irgendein
anderes Prepreg mit einer Glasübergangstemperatur über 100°F (37,8°C), niedriger Feuchtigkeitsabsorption,
hohe chemische Korrosionsbeständigkeit,
hohe Mikrorissfestigkeit, hohe strukturelle Beständigkeit, kontrolliertem Fließen, guter
Adhäsion,
einer Wärmeleitfähigkeit über 0,2 W/m.K
und einer dielektrischen Konstante über 6,0 bei 1 MHz bei der Erzeugung
der ersten und zweiten Prepregschichten verwendet werden. Vorzugsweise sind
die ersten und zweiten Prepregschichten mit einem Prepreg erzeugt,
das eine Glasübergangstemperatur über 250°F (121°C) und eine
Wärmeleitfähigkeit über 2,0
W/m.K hat.
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Das
in 7 dargestellte Verfahren zum Herstellen der PWB 10' ist dem in 2A dargestellten ähnlich.
Eine Schicht aus Epoxy-basiertem Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg
wird auf einer Seite einer Schicht gewobener Kohlenstofffasern platziert, und
eine zweite Schicht aus Epoxy-basiertem Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg
auf der anderen Seite der Schicht gewobener Kohlenstofffasern. Schichten von
1/4 oz (8,75 μm)
Kupferfolie wird dann auf den Außenflächen der Schichten aus Epoxy-basiertem Pyrolysekohlenstoff-Harz-Prepreg
platziert. Diese Schichten werden dann dem ersten Laminierzyklus wie
oben in Bezug auf 2A beschrieben unterworfen,
um das Laminat 12''''' herzustellen.
Der zweite Laminierzyklus und die Strukturierung der PWB 10' sind auch den
Verfahren ähnlich,
die oben in Bezug auf 2A beschrieben sind.
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In
anderen Ausführungsformen
können
wärmeleitende
Prepregschichten, die zu denen ähnlich sind,
die bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten der
Ausführungsform
der in 1 gezeigten PWBs wie oben beschrieben verwendet werden,
bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschichten der Ausführungsform
der in 7 gezeigten PWBs 10' verwendet werden. In Ausführungsformen
der PWB 10' die
wärmeleitende
Prepregschichten verwenden, die schlechte elektrische Leiter sind,
werden zwischen den ersten und zweiten Metallschichten und der Kohlenstoff-enthaltenden Schicht
elektrische Kontakte mittels durchkontaktierten Bohrungen hergestellt.
Durchkontaktierte Bohrungen sind durch das Laminat 12''''' gebohrte Löcher, die mit elektrisch leitendem
Material ausgekleidet werden und elektrische Kontakte zwischen den ersten
und zweiten Metallschichten und der Kohlenstoffenthaltenden Schicht
bilden.
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In
anderen Ausführungsformen
ist das Laminat 12''''' aus einer Kohlenstoff-enthaltenden
Schicht erzeugt, die aus Schichten gleichlaufender Kohlenstofffasern
mit einer Anordnung ähnlich
den oben in Bezug auf die Laminat-Ausführungsformen gemäß der Erfindung
wie in 3 bis 6 dargestellten beschriebenen
Anordnungen gebildet ist. In anderen Ausführungsformen sind die Schichten
gleichlaufender Kohlenstofffasern mit Harzen imprägniert,
die denen ähnlich
sind, die oben vor der Konstruktion des Laminats 12''''' beschrieben sind.
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In
anderen Ausführungsformen
ist das Laminat 12''''' aus einer Kohlenstoff-enthaltenden
Schicht erzeugt, die aus einem Kohlenstoff-Kompositblatt oder einer
Kohlenstoff-Kompositscheibe
gebildet ist, wie z.B. einer Kohlenstoffscheibe hergestellt von
Mitsubishi Chemical America, Inc., mit einer Dicke vom 0,001 Zoll.
Ein Kohlenstoff-Kompositblatt oder eine Kohlenstoff-Kompositscheibe
kann unter Verwendung einer komprimierten Pulvergussform erzeugt werden.
In anderen Ausfülrungsformen
kann die Kohlenstoff-enthaltende Schicht aus irgendeinem Kohlenstoff-Kompositblatt
oder einer Kohlenstoff-Kompositscheibe mit physikalischen Eigenschaften
erzeugt werden, die zu denen ähnlich
sind, die oben in Bezug auf gewobene Kohlenstofffasern beschrieben
sind.
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Für Ausführungsformen
des Laminats 12''''', die mit aus
Kohlenstoff-Kompositblättern
oder -scheiben gebildeten Kohlenstoff-enthaltenden Schichten erzeugt
sind, kann die erste Prepregschicht 100 und die zweite
Prepregschicht 102 aus Harzen erzeugt werden, die den oben
beschriebenen ähnlich
sind.
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Eine
Leiterplatte gemäß der Erfindung
ist in 8 gezeigt. Die Leiterplatte 10'' beinhaltet eine elektrisch und
thermisch leitende Schicht 110. Eine erste Metallschicht 16'' ist über der elektrisch und thermisch
leitenden Schicht angeordnet und eine zweite Metallschicht 18'' ist unter der elektrisch und thermisch
leitenden Schicht angeordnet. Eine erste Prepregschicht 20'' ist über der ersten Metallschicht angeordnet
und eine zweite Prepregschicht 22'' ist unter
der zweiten Metallschicht angeordnet. Eine dritte Metallschicht 24'' ist über der ersten Prepregschicht
angeordent und eine vierte Metallschicht 26'' ist
unter der zweiten Prepregschicht angeordnet. Die elektrisch und
thermisch leitende Schicht und die erste und zweite Metallschicht
bilden ein elektrisch leitendes Laminat 112.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
können ähnliche
Materialien zu jenen, die bei der Erzeugung der Ausführungsform
der erfindungsgemäßen PWB 10 wie
in 1 dargestellt verwendet werden können, auch
bei der Erzeugung der ersten und zweiten Prepregschicht und der
ersten, zweiten, dritten und vierten Metallschichten verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
werden die dritte und vierte Metallschicht strukturiert um elektrische Schaltkreise
zu bilden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die elektrisch und thermisch leitende Schicht aus einem gewobenen
Glasfaser-Substrat erzeugt, das mit einem elektrisch leitenden Pyrolysekohlenstoff-Epoxyharz
gemäß dem oben
in Bezug auf 2B beschriebenen Verfahren imprägniert ist.
Vorzugsweise ist die bei der Erzeugung der elektrisch und thermisch
leitenden Schicht verwendete Glasfaser E-Glas hergestellt von JPS
Glass, mit Sitz in South Cickering, Ontario, Kanada. In anderen
Ausführungsformen,
andere Substratmaterialien wie z.B. nicht-gewobene Glasfaser, Kevlar, Quarz, Aramid oder
andere Materialien mit einer Glasübergangstemperatur über 250°F (121°C), einer
Wärmeleitfähigkeit über 0,1
W/m.K, einem WAK zwischen -4,5 ppm/°C und 30 ppm/°C, hoher
Zugfestigkeit und hoher thermischer Beständigkeit. Vorzugsweise hat
das Substrat eine Glasübergangstemperatur über 440°F (204°C), einen
WAK zwischen -4,5 ppm/°C
und 12 ppm/°C,
behält
50% bis 60% seiner Festigkeit bei 700°F (371°C). Vorzugsweise ist das Glasfasersubstrat
mit 70 Gewichts% eines Epoxyharzes, das 10% Ge wichts% Pyrolysekohlenstoff-Zusatz
enthält,
imprägniert.
In anderen Ausführungsformen
ist die elektrisch und thermisch leitende Schicht mithilfe eines Substrats
gebildet, das mit zwischen 5% und 80% irgendeines der oben beschriebenen
Harze mit einer Dielektrizitätskonstante über 6,0
bei 1 MHz imprägniert
ist. In anderen Ausführungsformen
kann irgendeine Kombination von Harz und Substrat verwendet werden,
die dazu führt,
dass die elektrisch und thermisch leitende Schicht 14' eine Dielektrizitätskonstante über 6,0
bei 1 MHz hat.
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Die
in 8 dargestellte Ausführungsform der PWB 10'' kann gemäß den in 2A und 2B dargestellten
Verfahren hergestellt werden.
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Eine
Ausführungsform
einer PWB gemäß der Erfindung
ist in 9 dargestellt. Die PWB 10''' ist der in 7 dargestellten
PWB 10' ähnlich,
mit der Ausnahme dass die Kohlenstoffenthaltende Schicht durch irgendeines
der oben beschriebenen Substratmaterialien ersetzt ist und die ersten
und zweiten Prepregschichten Dielektrizitätskonstanten über 6,0
bei 1 MHz aufweisen.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsformen von
PWBs setzen ein einziges Laminat ein. In anderen Ausführungsformen
von PWBs gemäß der Erfindung
können
mehrere Laminat verwendet werden.
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Eine
zwei Laminate beinhaltende PWB gemäß der Erfindung ist in 10 dargestellt.
Das PWB 10'''' weist
ein erstes Laminat 120, ein zweites Laminat 122,
mehrere Prepregschichten 124 und mehrere Metallschichten 126 auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform
bildet das erste Laminat eine Masse-Ebene und das zweite Laminat
eine Stromversorgungsebene. In anderen Ausführungsformen kann die Funktion
der Laminate umgekehrt sein, beide Laminate können die gleichen Funktionen
teilen, oder die Laminate können
lediglich wegen ihrer verbesserten thermischen Eigenschaften eingesetzt sein.
Die Verwendung mehrerer Laminate kann die Fähigkeit der PWB, Wärme von
seiner Oberfläche abzuleiten,
erhöhen,
den WAK der PWB verbessern und kann die Dicke und das Gewicht der
PWB im Vergleich zu bekannten PWBs verringern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind das erste Laminat 120 und das zweite Laminat 122 ähnlich dem
Laminat 12 der 1 erzeugt. In anderen Ausführungsformen
kann irgendeine der oben beschriebenen Laminatstrukturen bei der
Erzeugung des ersten oder zweiten Laminats verwendet werden. Vorzugsweise
sind die Prepregschichten 124 und Metallschichten aus Materialien
erzeugt, die denen ähnlich
sind, die zum Erzeugen der Prepregschichten und Metallschichten
in der in 10 dargestellten PWB 10 verwendet
werden können.
In anderen Ausführungsformen
kann irgendeines der oben beschriebenen Laminate bei der Erzeugung des
ersten und zweiten Laminats verwendet werden.
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Nähere Betrachtung
der 10 gibt zu erkennen, dass die PWB 10''''' eine Anzahl von beschichteten
Löchern
aufweist. Die PWB 10'''' beinhaltet
Schlote 128, die mit wärmeleitendem
Material gefüllte
Löcher
sind. Die Schlote dienen dazu, Wärme
von der Oberfläche
der PWB zu den elektrisch und thermisch leitenden Laminaten in der
PWB zu befördern.
Die Schlote erstrecken sich nicht zur Gänze durch die PWB. Wenn die
Schlote sowohl das erste als auch das zweite Laminat kontaktieren
würden, dann
würden
sie die PWB kurzschließen.
Die PWB 10'''' weist
auch Durchgangsbohrungen auf, die mit elektrisch leitendem Material
ausgekleidet sind, das dazu dient, elektrische Verbindungen zwischen
den funktionellen Schichten der PWB herzustellen. Wo Verbindungen
zwischen den durchkontaktierten Bohrungen und dem ersten oder zweiten
Laminat nicht erwünscht
sind, kann ein Ring dielektrischen Materials 132, wie z.B.
ein Epoxyharz mit einer Dielektrizitätskonstante unter 6,0 bei 1
MHz, verwendet werden, um dafür
zu sorgen, dass keine elektrische Verbindung zwischen dem Laminat
und der elektrisch leitenden Auskleidung der Durchgangsbohrung besteht.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung der in 10 dargestellten PWB 10'''' ist in 11A gezeigt. Das Verfahren 150 beginnt
mit Schritt 152, zu dem die Erzeugung zweier erfindungsgemäßer Laminate
gehört,
die unter Verwendung des oben in Bezug auf 2A beschriebenen Verfahrens
gebildet werden. Stromversorgungs- oder Massebereiche werden dann
in Schritt 154 auf den Laminaten strukturiert. Das Strukturieren
isoliert Bereiche in dem Laminat elektrisch, was es dem Laminat
ermöglicht,
in einer PWB als Masse- oder Versorgungsebene zu funktionieren.
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Sobald
das Strukturieren fertig gestellt ist, werden die Laminate einer
Oxidbehandlung in Schritt 156 unterworfen. Nach der Oxidbehandlung
wird in Schritt 158 ein Bohren der Freistellbohrungen durchgeführt. Zum
Freistellbohrungs-Bohren gehört
Bohren von Löchern
in das Laminat mit einem ersten Durchmesser und Füllen der
so erhaltenden Löcher mit
einem dielektrischen Material wie z.B. irgendeinem der oben beschriebenen
Harze mit einer Dielektrizitätskonstante
unter 6,0 bei 1 MHz. Vor dem Füllen der
gebohrten Löcher
werden sie inspiziert und mittels trockener Hochdruckluft gereinigt.
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Sobald
die Freistellbohrungen gebohrt worden sind, wird der zweite Laminierzyklus
in Schritt 160 ausgeführt.
Der zweite Laminierzyklus ist ähnlich dem
oben in Bezug auf 2A beschriebenen zweiten Laminierzyklus.
Nach dem zweiten Laminierzyklus werden Schlotbohrungen in die PWB
in Schritt 162 gebohrt. Sobald die Schlotbohrungen gebohrt worden
sind, werden in Schritt 164 die Auskleidungen der Schlotbohrungen
mit einem wärmeleitenden Material
ausgekleidet. Vorzugsweise ist das wärmeleitende Material Kupfer.
In anderen Ausführungsformen
kann irgendein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit über 5 W/m.K verwendet werden.
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Nachdem
die Schlotbohrungen ausgekleidet worden sind, werden Schaltkreise
auf die Metallschichten geätzt,
die im Inneren der fertigen PWB angeordnet sein sollen, in Schritt 166 strukturiert
und dann einer Oxidbehandlung in Schritt 168 unterworfen.
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Auf
die Oxidbehandlung folgend wird der dritte Laminierzyklus in Schritt 170 ausgeführt. Zur
dritten Laminierung gehört
Ausrichten der beiden Strukturen, die im zweiten Laminierzyklus
produziert worden sind, mit zusätzlichen
Prepregschichten, in Entsprechung mit den Schichten der in 10 dargestellten
PWB 10''''.
Die Schichten werden dann Temperaturen und Drücken ähnlich denen, die während des
zweiten Laminierzyklus festgestellt wurden, ausgesetzt.
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Nach
dem dritten Laminierzyklus wird das abschließende Durchgangsloch-Bohren
in Schritt 172 ausgeführt.
Zum abschließenden
Bohren der Durchgangsbohrungen gehört es, durch die gesamte PWB
Bohrungen zu bohren, die einen zweiten Durchmesser haben, der geringer
als der oben beschriebene erste Durchmesser ist. Die Durchgangsbohrungen
werden dann in Schritt 174 ausgekleidet. Vorzugsweise werden
die Durchgangsbohrungen mit Kupfer ausgekleidet. In anderen Ausführungsformen können die
Durchgangsbohrungen mit Materialien ausgekleidet werden, die denen ähnlich sind,
die bei der Erzeugung der Metallschichten verwendet werden. Wenn
eine Durchgangsbohrung durch eines der gefüllten Freistellbohrungen in
einem Laminat geht, dann sind die Auskleidung der Durchgangsbohrungen
gegenüber
dem Laminat, in dem das Leerloch gebohrt ist, elektrisch isoliert.
Wenn eine Durchgangsbohrung nicht durch eines der gefüllten Freistellbohrungen
in einem Laminat geht, dann steht die Auskleidung der Durchgangsbohrung
in elektrischem Kontakt mit dem Laminat.
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Eine
Ausführungsform
eines Verfahrens zum Auswählen
der Orte, in die Schlotbohrungen in eine PWB gebohrt werden, ist
in 11B dargestellt. Das Verfahren 190 beinhaltet
einen ersten Schritt 192, zu dem das Erstellen eines Modells
der Struktur der PWB gehört.
Zum zweiten Schritt 194 gehört das Hinzufügen eines
wärmeleitenden
Materials, wie z.B. Kupfer, zu den äußersten Metallschichten auf
dem Modell. Das wärmeleitende
Material wird dem Modell zugefügt,
sodass das wärmeleitende
Material keinerlei elektrischen Kontakte mit den Schaltkreisen schafft,
die auf den Metallschichten, auf die das wärmeleitende Material aufgebracht
wird, strukturiert wurden.
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Sobald
das wärmeleitende
Material hinzugefügt
worden ist, werden die Orte der Schlotbohrungen in Schritt 196 festgelegt.
Die Orte der Schlotbohrungen werden durch Wahl einer Stelle auf
der Oberfläche
der PWB, die in einem Gebiet liegt, wo in Schritt 194 wärmeleitendes
Material zugefügt
wurde, festgelegt. Die Stelle ist für eine Schlotbohrung geeignet, wenn
ein Loch mit bestimmtem Durchmesser entsprechend dem Durchmesser
des Schlots durch die PWB gebohrt werden kann, ohne irgendeinen
der elektrischen Schaltkreise zu treffen, die auf den in der PWB
innenliegenden Metallschichten gestaltet sind. Sonst ist die gewählte Stelle
als Ort zum Bohren einer Schlotbohrung ungeeignet. Die Anzahl der
Stellen, die gefunden werden müssen,
hängt von
der Wärmemenge
ab, die von der Oberfläche
der Leiterplatte abgeleitet werden muss.
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Eine
Ausführungsform
eines Verfahrens zum Auswählen
des Ortes der gefüllten
Leerlöche
in dem Laminaten ist in 11C dargestellt.
Das Verfahren 200 beinhaltet einen ersten Schritt 202,
zu dem Erzeugen eines Modells der PWB gehört. Die Stellen der Durchgangsbohrungen
in der PWB werden verwendet, in Schritt 204 die Stellen
festzulegen, an denen die Durchgangsbohrungen das Massenebenenlaminat
oder Versorgungsebenenlaminat kreuzen. Sobald diese Stellen festgelegt
worden sind, werden in Schritt 206 die Stellen der Freistellbohrungen
als jene Stellen gewählt,
wo die Durchgangsbohrungen die Masse- oder Versorgungsebenenlaminate
kreuzen und wo eine elektrische Verbindung zwischen der Auskleidung
der durchkontaktierten Bohrung und dem Masse- oder Versorgungsebenen-Laminat
unerwünscht
ist.
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Eine
erfindungsgemäße PWB,
das erfindungsgemäße Laminate
und eine zusätzliche
Kohlenstoff-enthaltende Schicht miteinbezieht, ist in 12 dargestellt.
Die PWB 10''''' hat ein erstes
Laminat 120',
ein zweites Laminat 122',
eine zusätzliche
Kohlenstoff-enthaltende Schicht 210, Prepregschichten 124' und Metallschichten 126'. Vorzugsweise
bildet das erste Laminat eine Masseebene, und die zweite Laminat
bildet eine Stromversorgungsebene. Die zusätzliche Kohlenstoff-enthaltende
Schicht 210 wirkt nicht als Masse- oder Versorgungsebene
und ist gegenüber
den Laminaten und Metallschichten elektrisch isoliert. Die zusätzliche Kohlenstoffenthaltende
Schicht erhöht
die Wärmeleitfähigkeit
und Steifigkeit der PWB und verbessert dessen WAK. Ähnliche
Materialien zu denen, die bei der Erzeugung der Laminate, Prepregschichten
und Metallschichten der in 1 dargestellten
PWB verwendet werden, können
auch zum Erzeugen der Laminate, Prepregschichten und Metallschichten
der in 12 dargestellten PWB 10''''' verwendet werden. Die zusätzliche
Kohlenstoff-enthaltende Schicht kann unter Verwendung der Materielien
erzeugt werden, die zu denen ähnlich
sind, die bei der Erzeugung der Kohlenstoff-enthaltenden Schichten
des als 12 in 1, 12' in 3, 12'' in 4, 12''' in 5 und 12'''' in 6 dargestellten
Laminats verwendet werden.
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Die
PWB 10''''' in 12 kann
mithilfe eines Verfahrens erzeugt werden, das zu denen ähnlich ist, die
oben in Bezug auf 11A-11C beschrieben
ist. Der einzige Unterschied liegt in der Anordnung der bei der
Erzeugung des dritten Laminierzyklus verwendeten Materialien und
dem Umstand, dass gefüllte
Freistellbohrungen auch in der zusätzlichen Kohlenstoffenthaltenden
Schicht 210 gebohrt werden müssen, sodass die zusätzliche
Kohlenstoffenthaltende Schicht gegenüber den Auskleidungen jeglicher
in der PWB bestehender Durchgangsbohrungen elektrisch isoliert ist.
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Obwohl
die oben beschriebenen Ausführungsformen
ein einzelnes oder zwei Laminate gemäß der Erfindung beinhalten,
würde der
Fachmann anerkennen, dass eine PWB, die drei oder mehr Laminate
beinhaltet, mittels der oben beschriebenen Verfahren erzeugt werden
kann.