專利名稱：用于電路板的擠壓層合芯板的制作方法
本申請要求以1997年5月2日提交的臨時專利申請60/045387為優(yōu)先權。
背景技術：
用于電流循環(huán)的電路板通常包括一個由層壓板組成的多層復合材料，所述層壓板包含一種熱固性聚合物和一種適宜的增強物質。通常，該增強物質是玻璃織物(woven glass)材料，如玻璃纖維。熱固性聚合物是環(huán)氧樹脂。在生產(chǎn)多層復合材料時必須考慮的一個局限是層合板的空間穩(wěn)定性降低，尤其是對溫度的反應。電路板工作中的熱循環(huán)可引起層合板的擴張和收縮，導致內(nèi)層間的所需要的粘結力或相應連接的損失。由于電子設備的有效功能取決于這些互聯(lián)層的正確定位，不正確的互聯(lián)層的定位會引起復層電路板的報廢。與生產(chǎn)層壓板的相關的內(nèi)部成本，以及必須放棄不滿足高質量保證標準的復合材料使得用現(xiàn)有技術制造層壓板用于上游部件十分昂貴。
美國專利5,273,816公開了具有改進的空間穩(wěn)定性的層壓板，其中的層壓板通過用相對高分子量的環(huán)氧樹脂，如分子量超過850的環(huán)氧樹脂浸漬增強纖維，如玻璃棉(glass cloth)，然后擠壓該物質得到。盡管該層壓板的空間穩(wěn)定性得到提高，但生產(chǎn)這種層壓板的高成本降低了其可行性。該專利中在制造層壓板時使用有機溶劑及使用其它層壓板會引起安全和環(huán)境問題。
在本領域中所需要的是一種生產(chǎn)高質量的擠出層壓板的方法，該層壓板用于具有低介電常數(shù)(Dk)和功耗因數(shù)(DF)，但卻具有良好的空間穩(wěn)定性和低成本的印刷電路板。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是提供一種具有良好的空間穩(wěn)定性和改進的介電性能的擠壓層合芯板。本發(fā)明的另一個目的是提供一種生產(chǎn)與目前所得到的層壓板相比具有良好的空間穩(wěn)定性和成本較低的擠壓層合芯板的方法。本發(fā)明在層壓板的制造過程中不使用有機溶劑。
本發(fā)明涉及一種新穎的制造擠壓層合芯板的連續(xù)工藝。任選地，在該連續(xù)工藝中，擠壓層合芯板可以銅或環(huán)氧聚酯膠片在其一邊或兩邊層壓，或用銅在其一邊，而用聚酯膠片在其另一邊層壓。
本發(fā)明的擠壓層合芯板包括碎玻璃(chopped glass)，熔融的二氧化硅或中空的微球體作為基質。包含這種物質的材料具有可選擇層壓板所需要的介電常數(shù)和功耗因數(shù)的優(yōu)點，這種選擇是通過層壓板所包含的物質的濃度變化來實現(xiàn)的。在制造層壓板的工藝中使用便宜的碎玻璃，熔融的二氧化硅和微球體作原料可降低制造成本。
層壓板擠出機是一種共轉雙螺桿擠壓機，其特點是裝配有可自我清潔的螺旋元件，最優(yōu)化的進料系統(tǒng)和設計模具，該模具可得到均勻流動并使玻璃纖維以某種方式定位，該定位方式會對層壓板的空間穩(wěn)定性和撓曲強度作出貢獻。
生產(chǎn)擠壓層合芯板的方法的另一特點是擠壓芯通過壓延輥直接從擠壓機進料到b-級熟化爐，所述壓延輥是安裝在擠壓機和b-級熟化爐之間。另外，該芯料可與聚酯膠片和/或銅片共同進料到b-級熟化爐中，然后在熟化爐中層合在一起。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明的層壓板結構的剖面2是制造本發(fā)明的擠壓芯板的工藝流程示意圖。
圖3是圖2中使用的雙螺桿擠壓機的側視圖。
圖4A是圖2中使用的擠壓機模具的頂視圖。
圖4B是擠壓機模具的側視圖。
圖5是擠出層壓板的粘度隨時間變化的曲線圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明設計的b-級熟化爐的示意圖。
圖7是圖5中恒溫箱的輸送帶的剖面圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及用于電路裝配連接材料的擠壓層合芯板，如電路板或芯片載體。擠壓層合芯板是由擠壓芯制成，在該擠壓芯任一側上層合電路板層合材料物質如聚酯膠片或銅片或二者的組合。如圖1所示是根據(jù)本發(fā)明的方法所生產(chǎn)的電路層壓板10。層壓板10是由連有1-4層附加的層壓板層的層壓芯12組成的，在圖1中，最大層數(shù)是四層，里面的兩層14和16是由部分熟化的纖維織物組成的薄層和環(huán)氧基電路板薄片，商業(yè)上也叫聚酯膠片。外層18和19是銅片。
由于層壓芯12的組成，電路層壓板10與現(xiàn)有的電路板相比有顯著的不同。層壓芯12是非織物擠出薄片狀物質，而不是普通的織物芯。該芯板由四種主要成分組成，一種纖維材料組分，一種熱固性樹脂和一種催化劑，有時也包括其它原料以改進其介電性能，如微球體或熔融的二氧化硅。所述纖維可以是任何具有耐久性并增加了強度和穩(wěn)定性的纖維狀材料，如由碎紙屑，優(yōu)選玻璃纖維屑制得的纖維素纖維。任選的微球體是中空充氣的球體，可降低芯板的重量并提高其介電性能。優(yōu)選的微球體是大小為1μm-100μm，也是由中空的玻璃制成。熔融的二氧化硅的大小也為1μm-100μm。熱固性樹脂可以是任何可用于電路板的熱固性樹脂，通常是環(huán)氧樹脂。盡管可以設想所使用的樹脂可以自動催化而不需要催化劑，但所使用的催化劑仍是特別挑選可與經(jīng)過選擇的熱固性樹脂一起使用以促進其熟化。在非織物擠壓芯12中使用這些材料使成品層壓材料的介電常數(shù)(Dk)的范圍為2.5-3.5，功耗因數(shù)的范圍為0.001-0.008。四種組分占擠壓芯的體積的相對量如下纖維材料10％-50％熔融的二氧化硅 0-40％微球體 0-40％熱固性樹脂 25％-60％催化劑 0-5％其它具有良好的介電性能的材料，如石英晶體，也可替換或加入。
如圖2所示，是用來生產(chǎn)本發(fā)明的擠壓層合芯板的整個工藝流程的示意圖。
可以設想，外層18和19除了常規(guī)的銅片，還可以有其它不同的形式。任何其它金屬導體片都可使用。導體片經(jīng)過噴鍍或真空沉積制造后可用于擠壓層合芯板。
如圖2所示，安裝有擠壓機22。擠壓機22的進料裝置是適宜的擠壓芯板的四種基本組分的進料儲槽。如圖所示的24是纖維材料，如玻璃纖維的儲槽。26是微球體的儲槽。28是催化劑的進料儲槽。30是熱固性樹脂的進料儲槽。每個進料儲槽24，26，28和30的輸出物進入擠壓機22。在擠壓機22的出料處是擠壓模具32，在此處得到擠壓機輸出物。擠壓機的輸出物是層壓芯板的擠壓卷材，見圖中的34。然后卷材通過中間整備區(qū)域36(staging zone)。在該整備區(qū)域36最多有兩個聚酯膠片的進料輥38和最多兩個銅片的進料輥40。用聚酯膠片或銅片或二者將適宜的片材層壓到芯板上后壓進適宜的進料輥，然后用兩個滾筒42壓榨擠壓層合芯板的一個或兩個表面?？梢岳斫?，在層壓芯板的任意給定的用途，根據(jù)具體用途選擇層壓材料，可以有零到兩層的聚酯膠片或零到兩層的銅片。
由擠壓層合芯板組成的層壓板，外加所使用的無論聚酯膠片層和銅片層通過b-級熟化爐44。當層壓材料離開熟化爐，被46所示的切片切割，然后放入壓榨機進行最后的壓榨和熟化。這兩個階段是本領域的技術人員所熟知的，以后不再詳述。
如圖3所示是擠壓機12的一個實例的細節(jié)描述。擠壓機12由雙螺桿52和54組成，每個螺桿由一組相匹配的組件組成，標號為56，58，60，62，64，66，68，70和72。雙螺桿的每個組件的螺間距和兩個螺桿間的距離是匹配的。螺旋線是交錯的以使兩個螺桿可以相互自我清潔。特別可以考慮到，本發(fā)明的擠出層壓材料的前兩個組分的進料應在距離出料口最遠的擠壓螺桿的末端，如圖3的左圖所示。第一個進料的是纖維。纖維優(yōu)選碎玻璃纖維。從微球體儲槽26在擠壓機螺桿的上游末端加入微球體。微球體減輕了擠出層壓材料的重量，提高了其介電常數(shù)。
擠壓機螺桿52的下端是催化劑儲槽28的催化劑進料位置。催化劑由一個擠壓機螺桿組件60，62，64或66進入擠壓機螺桿。催化劑首先從催化劑儲槽28注入，然后緊接著從相鄰的環(huán)氧樹脂儲槽30進料環(huán)氧樹脂。在催化劑下游1英寸處加入環(huán)氧樹脂。用這種方式操作可以保證纖維和微球體在加入催化劑和環(huán)氧樹脂前混合均勻。盡管進料的重量和溶解性不同，仍可達到這種混合。這種不同可通過相應的進料方位來解決。用這種方法可得到性質均一的層壓材料。
擠壓機螺桿52和54將用于生產(chǎn)層壓材料的混合原料送入擠壓機模具32，其詳圖見圖4A和4B。擠壓模頭使原料進一步橫向膨脹，然后使其收縮成片狀材料。擠壓模具的入口74可從擠壓螺旋接受進料。大量的原料通過擠壓模具進入較窄的末端76，得到未熟化的擠壓層合芯板。
擠壓溫度隨環(huán)氧乙烷樹脂的不同而不同。最適宜的溫度范圍是由樹脂的熔融粘度對溫度的依賴性決定的。任何在高于室溫時可固化的樹脂在本發(fā)明的范圍內(nèi)都可使用。同樣地，催化劑的種類和用量以及擠壓溫度將決定操作窗口。如圖4所示的是使用XUR溴代環(huán)氧樹脂(Dow)的操作窗口的示意圖，該圖顯示了適宜的擠壓溫度約是在80℃擠壓10分鐘。擠出過程在擠壓機和模具中在60-90℃進行。最適宜的溫度范圍是65-73℃，優(yōu)選68-70℃。在擠壓機內(nèi)的接觸時間是4分鐘，在模具中的時間是2分鐘。使用的催化劑是與所用環(huán)氧樹脂相容和可溶解在所選用的環(huán)氧樹脂中的2-乙基，4-甲基咪唑。本發(fā)明的統(tǒng)計圖表和曲線只為說明性的，設定生產(chǎn)這種層壓材料的溫度窗口和加工時間是本領域的技術人員所熟知的。
一旦擠壓芯板離開擠壓模頭后進入壓光輥42，同時其它的片材一起加入層壓板中。部分熟化的成品芯板的厚度，指b-級芯板的厚度，由熟化爐入口處的螺桿控制。未熟化的層壓板是指a-級的層壓板，而完全熟化的層壓板是指c-級的層壓板。在本領域所熟知的方法中，偏斜的壓光輥安裝在熟化爐的入口處，通過調(diào)節(jié)偏斜壓光輥的斜度，可控制整個b-級層壓板的厚度。圖6所示的熟化爐簡單地說明了壓光輥壓過被通入加熱區(qū)域然后通過冷卻區(qū)域的層壓板的過程。加熱溫度區(qū)域控制在約175℃。熟化爐也有一個冷卻區(qū)域或冷區(qū)域。冷卻階級可用于冷卻b級芯板。對于具體的使用目的，冷卻區(qū)域可以使用也可以不使用，但如果擠壓芯板需要保持為a-級的材料，冷卻區(qū)將是有益的。銅片、聚酯膠片或二者同時與擠壓芯板一起進入b-級熟化爐。在熟化爐的加熱區(qū)域，所有的層壓材料都被預層合在一起。
實施例生產(chǎn)b-級芯板的標準流程可有效地連續(xù)生產(chǎn)b-級擠壓層合芯板的系統(tǒng)包括一個Leistritz 34mm共轉雙螺桿擠壓機，其螺桿元件的構型如圖2所示，還包括引出輥(take-up rolls)和一個b-級熟化爐。雙螺桿擠壓機裝有下列組件1)用來稱量碎玻璃(chopped glass)的減重加料器(Ktron，K 2LDS-T20)；2)經(jīng)過校正的螺桿加料器(Ktron，T20-87-035-F1，帶有獨立的可傳送微球體的進料螺桿)；3)一個與泵相連的注入裝置和催化劑儲槽，它們均位于溫度控制箱中；4)一個與泵相連的注入裝置和環(huán)氧樹脂儲槽，均位于溫度控制箱中，和一個用于片材成型的模具。
生產(chǎn)擠壓層合芯板的原料包括chopped E-glass(長3/16英寸，Certainteed)，玻璃中空微球體(B38/4000，3M)，環(huán)氧樹脂(XUR 1544-53744-6，Dow)，和催化劑(2E4MI，Aldrich)。
催化劑和環(huán)氧樹脂分別裝在位于熟化爐中的儲槽，加熱并保持在100℃。催化劑儲槽用氮氣加壓到10psig(每平方英寸磅表壓)，環(huán)氧樹脂儲槽用氮氣加壓到60psig。將從泵到相應的注入部分的導管加熱并保持在80℃。擠壓機和模具的溫度設定在70℃。兩個加料器設定為12克/分鐘。擠壓機的速度定為50rpms(轉/分)。
生產(chǎn)以下列流程進行。首先，環(huán)氧樹脂加料泵以5rpm(轉/分)的速度啟動，緩慢加速到28rpm。其次，啟動碎玻璃(chopped glass)和微球體加料器。從擠壓模具出來的物料流穩(wěn)定后，擠壓片材進入引出輥之間然后合上輥。片材的厚度和速度均勻后，啟動催化劑泵。催化劑的加料量為環(huán)氧樹脂重量的1.2重量％。由引出輥的輸出物進入b-級熟化爐。其在b-級熟化爐中的接觸時間為5分鐘。b-級芯板的熟化在175℃和500或1000psig的壓力下在壓機中進行。
根據(jù)所用的催化劑量，使用Dow樹脂的完全熟化的芯板的Tg范圍為約145-180℃，根據(jù)微球體與碎玻璃(chopped glass)的比例，其Dk的范圍為約2.5-3.5。
用這種方法生產(chǎn)的擠壓層合芯板可單獨使用，或如果用銅片包層，作為層合電路芯板使用，或作為層合組件加入到多層層合板中。擠壓芯板是空間穩(wěn)定的，與用常規(guī)的聚酯膠片制得的相同厚度的層壓板相比，具有低的介電常數(shù)和較低的成本。
可以理解本發(fā)明不應限制在本文所描述的具體的實施方案中，而應包括所有包括在以下權利要求范圍內(nèi)的改進的形式。
權利要求
1.一種生產(chǎn)部分熟化的電路板層壓材料的方法，包括以下步驟在擠壓機中加入連續(xù)流的(1)纖維物質，(2)選自絕緣的中空的微球體和熔融的二氧化硅的組分，(3)催化劑和(4)熱固性樹脂；從擠壓機中擠出層合芯板的片材；在擠壓層合芯板的至少一個表面放置至少一層選自聚酯膠片層合層和金屬導體層的材料，形成未熟化的擠壓芯電路板層壓材料和；在加壓下加熱層合的芯板制造至少部分熟化的擠壓芯電路板層壓材料。
2.權利要求1的方法，其中碎玻璃是切碎的E-玻璃。
3.權利要求1的方法，其中微球體是玻璃中空微球體。
4.權利要求1的方法，其中在步驟(a)中加入微球體和熔融的二氧化硅。
5.權利要求1的方法，其中環(huán)氧樹脂是溴代環(huán)氧樹脂，催化劑為在溴代環(huán)氧樹脂中可以混溶的催化劑。
6.權利要求4的方法，其中催化劑的加入量約為樹脂體積的0-5％(體積)。
7.用于多層電路板的層壓材料，包括由纖維材料和熱固性環(huán)氧樹脂形成的擠壓層合芯板，該芯板用選自玻璃微球體和熔融的二氧化硅的體積重量為層壓芯板的1-40％的填料浸漬；和施用于層壓芯板的至少一個表面的1-4層附加的層合層，層合層選自聚酯膠片層合層和銅片。
8.權利要求7的層壓材料，其中纖維材料是玻璃纖維。
9.權利要求7的層壓材料，其中玻璃微球體的大小范圍約為1-100μm。
10.權利要求7的層壓材料，其中層壓材料的介電常數(shù)約為2.5-3.5。
11.權利要求7的層壓材料，其中層壓材料的損耗因數(shù)約為0.001-0.008。
全文摘要
一種用于在連續(xù)工藝中生產(chǎn)擠壓的b－級層壓芯板的方法,該工藝中使用了碎玻璃和微球體作為環(huán)氧樹脂的基質。用這種方法所得到的擠壓層合芯板具有良好的空間穩(wěn)定性,而且成本較低,并具有良好的絕緣性能。
文檔編號B29B13/02GK1261844SQ98806693
公開日2000年8月2日 申請日期1998年5月1日 優(yōu)先權日1997年5月2日
發(fā)明者弗雷德·J·吉弗里, 弗蘭克·梅爾斯, 杰弗里·D·普拉特, 拉里·D·奧爾森 申請人:伊索拉層壓系統(tǒng)公司