DE60003540T2

DE60003540T2 - Verstärkungsgewebe zur optimierung der dimensionalen stabilität von laminierten verbundstrukturen und produkte für elektrische und elektronische anwendungen

Info

Publication number: DE60003540T2
Application number: DE60003540T
Authority: DE
Inventors: Diego Scari'; Marco Scari'
Original assignee: Gividi Italia SpA
Current assignee: Isola Fabrics Srl Brugherio It
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: CA2367327A1; ATE243788T1; ES2202099T3; CA2367327C; CZ299775B6; US6325110B1; EP1165870A1; AU4111200A; IT1312002B1; CN1119443C; TW510364U; DE60003540D1; ITMI990665A1; EP1043433A1; KR20010108417A; EP1165870B1; KR100642262B1; WO2000060152A1; CN1345388A; HK1042122A1

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer gewebten Gewebeverstärkung, die in geschichteten Verbundstoffstrukturen verwendet wird, ins besondere in dielektrischen Laminaten und gedruckten Schaltplatinen. Die spezifische Geometrie des Gewebes und die Anordnung des Garns trägt zu einer ausgeglichenen Gewebestruktur bei, welche die Bewegungen der resultierenden, geschichteten Verbundstoffstrukturen, während der folgenden, mechanischen und thermischen Prozesse bei der Herstellung von gedruckten Schaltplatinen, reduziert.
Hintergund der Erfindung
Verstärkungsgewebe werden heutzutage mit Erfolg bei der Herstellung fortschrittlicher, dielektrischer Verbundstoffe in der Elektro- und der elektronischen Industrie eingesetzt. Bei der Herstellung von Laminaten wird der Markt, bei der Verstärkung aller Arten von Duroplast-Kunststoffen und thermoplastischen Kunststoffen, besonders von Fiberglasgewebe dominiert.
Die Laminate sind an einer oder an beiden Seiten mit einer Kupferfolie verbunden, aus welcher nach einer Vielzahl von Schritten des Fotografierens, Ätzens, Bohrens und Nachbearbeitens eine allseits bekannte, gedruckte Schaltplatine wird. In einer vielschichtigen Platine werden zusätzlich Schichten aus gewebeverstärktem Kunststoff und zusätzliche Schichten aus Kupferfolie zusammengeschichtet, und sie durchlaufen zusätzliche Fotografie-, Ätzungs-, Bohr- und Nachbearbeitungsschritte, um so zu ziemlich komplexen, vielschichtigen, gedruckten Schaltplatinen zu werden.
Von gedruckten Schaltplatinen und den Laminaten, die zu ihrer Herstellung verwendet wurden, wird verlangt, dass sie während der folgenden mechanischen und thermischen Prozess-Schritte eine hervonagende Formbeständigkeit, die geringst mögliche Beugung und Verdrehung, sowie eine stark limitierte und vorhersehbare Bewegung auf den X & Y Achsen haben.
Die gegenwärtig hergestellten Verstärkungsgewebe haben im Normalfall den Aufbau einer flachen Webebindung und sind durch eine große Anzahl von Überkreuzungen zwischen den Schussfäden und den Kettfäden charakterisiert, z. B. etwa 500 oder mehr, was während der Fünfziger Jahre als Konsequenz aus den damals machbaren, technologischen Fähigkeiten festgelegt worden ist und nahezu unverändert beibehalten worden ist.
Das verwendete Garn, insbesondere Faserglasgarn, hat eine durchschnittliche Anzahl von Drehungen pro Meter, die von 12 bis 40 Windungen pro Meter reicht. Die üblicherweise verwendete Richtung der Drehung ist die Z-Drehung. Bei Z-Drehungen weisen die Filamente eine von links nach rechts aufsteigende Konfiguration auf, wie im mittleren Strich des Buchstaben Z (siehe 1). Bei S-Drehungen weisen die Filamente eine von rechts nach links ansteigende Konfiguration auf, wie im mittleren Bereich des Buchstabens S (siehe 2).
Die Leistungsanforderung folgt aus den letzten Technologie-Fortschritten bei der Produktion von gedruckten Schaltplatinen (und besonders der vielschichtigen Platinen mit einer hohen Anzahl von Lagen), wie etwa dem Auftragungs-Prozess, Mikro-Vias und Laser-Bohrung, die eine hohe Formbeständigkeit des Laminats und eine weitaus gleichmäßigere Verteilung der Verstärkung innerhalb der Kunststoffmatrix verlangen.
In US 5.662.990 wird offenbart, dass die Verwendung von nicht gedrehtem Garn in der Gewebeverstärkung die Leistungsfähigkeit des resultierenden Laminats und der gedruckten Schaltplatine in erheblichem Maße verbessert. Noch bessere Ergebnisse, als nur auf bessere Eigenschaften einzelner Garne angewiesen zu sein, werden jedoch durch die Veränderung der Gewebegeometrie erreicht, wie sie hier beschrieben werden wird.
Ein gewebtes Gewebe, das in gedruckten Schaltplatinen von rechtwinkligem Aufbau und mit einem Gewicht von unter 190 g/m² pro Flächeneinheit verwendet wird, ist in EP-399219 offenbart.
Zusammenfassung der Erfindung
Jetzt ist entdeckt worden, dass die Geometrie des Verstärkungsgewebes prinzipiell für das Formstabilitäts-Verhalten der resultierenden, geschichteten Verbundstoffstruktur verantwortlich ist. Die hervorstechenden Effekte der vorliegenden Erfindung wurden auch bei der Produktion dünner Laminate, bei denen zarte Gewebe mit Dicken, die von 0,035 mm bis zu 0,13 mm reichen, verwendet werden und üblicherweise zu einer begrenzten Anzahl von Lage zusammengefügt werden, auf bemerkenswerte Weise erreicht. Die durchgeführten Untersuchungen führten zu einer Unterscheidung hinsichtlich der Verstärkungsgewebe: bei über 190 g pro Quadratmeter wurden optimale Ergebnisse mit unidirektionalen Geweben erzielt, wie in dem weltverbreitet anerkannten US 5.752.550 , wohingegen bei unter 190 Gramm pro Quadratmeter die Verwendung unidirektionaler Gewebe zu sub-optimalen Ergebnissen führte. Außerdem wurde herausgefunden, dass drei primäre Merkmale zum Formstabilitäts-Verhalten in einem rechtwinkeligen Verstärkungsgewebe mit einem Gewicht von bis zu 190 Gramm pro Quadratmeter beitragen, insbesondere bei flachen Webebindungen:

1. Die Geometrie der Gewebekonstruktion ist besonders wichtig: auf Grund der Tatsache, dass sämtliche Nachbearbeitungs- und Imprägnierungs-Produktionsschritte sich kontinuierlicher Prozesse bedienen, welche das Gewebe in Kettrichtung entspannen, ziehen und wieder aufwickeln, hat sich herausgestellt, dass es notwendig ist, in Kettrichtung mindestens 55% und bis zu etwa 65% der gesamten Anzahl der Kett- und Schussfäden zu haben, um so eine ausreichende Haltbarkeit des Verstärkungsgewebes zu erhalten. Das führt zu einem besseren Verhalten der dielektrischen Laminate und der gedruckten Schaltplatinen.
2. Die Anzahl der Überkreuzungen zwischen den Kettfäden und den Schussfäden muss unabhängig vom Gewicht des Gewebes innerhalb eines begrenzten Bereichs gehalten werden. Bis zu einem Gewicht pro Einheitsfläche von 190 Gramm pro Quadratmeter, zeigen die Ergebnisse, dass der optimale Bereich zwischen 200 und 315 Überkreuzungen pro Quadratzentimeter liegt. Außerhalb dieses Bereichs weisen die resultierenden, geschichteten Verbundstoffstrukturen ein unberechenbares und unvorhersehbares Verhalten auf.
3. Der dritte und einflussreichste der Faktoren für das Formstabilitäts- Verhalten von geschichteten Verbundstoffstrukturen ist die Torsion, welche in jedem Kett- und Schussfaden vorliegt. Es hat sich herausgestellt, dass bei Einsatz von etwa 50% (±10 %) der Anzahl der Kett- oder Schussfäden mit Torsion im Gegenuhrzeigersinn (Z-Drehung) und den verbleibenden 50% (±10%) der Fäden mit Torsion im Uhrzeigersinn (S-Drehung) in der selben Größenordnung, das Verstärkungsgewebe in der resultierenden, geschichteten Verbundstoffstruktur ein vollständig neutrales Verhalten aufweist. Für optimale Ergebnisse, müssen die Torsionslevel so niedrig wie möglich gehalten werden, jedoch wurde das neutrale Verhalten auch bei höheren Torsionsleveln entdeckt, so dass gute Ergebnisse im gesamten Bereich von 0,4 bis 40 Windungen pro Meter erhalten werden. Das ist leicht zu erklären, wenn man sich jeden Faden als eine Gruppe von Filamenten (einige Hunderte) mit helikoidaler Form vorstellt. Somit verhält sich das Garn bei jeder thermalen Belastung wie eine Feder, bei welcher Erhitzen auf hohe Temperaturen eine Verlängerung erzeugt, und Abkühlen eine Kontraktion erzeugt. Wenn jetzt jeder Faden die selbe Torsionsrichtung hat, führen diese thermalen Belastungen zu einer Verdrehung der gesamten, geschichteten Verbundstoffstruktur. Da aber die Verlängerung als Folge des Erhitzens und die Kontraktion, als Folge des Abkühlens, nicht linear erfolgen, ist das Ergebnis eine geometrische Verformung der resultierenden, geschichteten Verbundstoffstruktur, welche zu einer Umsortierung des Laminats in den folgenden Prozess-Schritten, die nötig sind, um die endgültige, gedruckte Schaltplatine zu bilden, führt. Ein ähnliches Verhalten kann für mechanische Belastungen oder kombinierte mechanische und thermische Belastungen beschrieben werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Torsion eines jeden, gegen den Uhrzeigersinn gedrehten Fadens durch die Torsion des angrenzenden, mit dem Uhrzeigersinn gedrehten Fadens neutralisiert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat tatsächlich jeder nächste Kettfaden eine entgegengesetzte Torsion von gleicher Größenordnung, verglichen mit dem vorausgehenden Kettfaden, und jeder nächste Schussfaden hat eine entgegengesetzte Torsion von gleicher Größenordnung, verglichen mit dem vorausgehenden Schussfaden. Diese Fadenanordnung wirkt auf ähnliche Weise wie eine Ausgleichswelle in einem Automotor, welche so beschaffen ist, dass sie einen Gegeneffekt zu der Vibration bildet, welche die Hauptwelle des Motors erzeugt (obwohl die dynamische Natur dieses Prinzips vollkommen anders, als die quasi-statische Natur der vorliegenden Erfindung ist).
Diese Gewebegeometrie und Fadenanordnung führen zu einem optimalen, neutralen Verhalten der gewebten Gewebeverstärkung und der resultierenden, geschichteten Verbundstoffstruktur.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das Thema der vorliegenden Erfindung wird jetzt in der anschließenden, detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben werden, wobei die Zeichnungen zeigen:
1 zeigt die Definition von Gegenuhrzeigersinn oder Z-Drehung; 2 zeigt die Definition von Uhrzeigersinn oder S-Drehung;
3 zeigt die Seitenansicht von Verstärkungsgewebe auf dem früheren Stand der Technik;
4 zeigt die Seitenansicht eines Verstärkungsgewebes gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt die X-Y Bewegung eines Laminats, das mit 2116 Gewebe (Stand der Technik) hergestellt wurde; und
6 zeigt die X-Y Bewegung eines Laminats, das mit einem Verstärkungsgewebe gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der Prozess, der für die Herstellung von Verstärkungsgewebe, insbesondere von Glasgewebe, nötig ist, durchläuft die folgenden Schritte:
1. Zettel-Vorgang
Einige hundert Fäden werden zusammengefasst, um sogenannte primäre Zettelbäume zu bilden. Das wird angewandt, da die Anzahl der Kettfäden, die zur Herstellung eines Gewebes nötig ist, normalerweise so groß ist, dass eine einzelne Maschine, die in der Lage ist, alle Kettfäden gleichzeitig zu bearbeiten, in Bezug auf Qualität und Produktivität ineffektiv wäre.
2. Schlicht-Vorgang
Eine gewisse Anzahl primärer Zettelbäume wird zusammengenommen, um die Kettfäden des Gewebes zu bilden, indem alle Fäden auf sogenannte Weberbäume aufgewickelt werden. Zur selben Zeit wird auf jeden Faden eine Schlichte aufgebracht, um ihn widerstandsfähiger zu machen und seine Leistungsfähigkeit in den heutzutage eingesetzten Hochgeschwindigkeits-Webmaschinen zu steigern.
Zur Zeit hat das Garn, das sowohl in Kett- als auch in Schussrichtung eines Verstärkungsgewebes verwendet wird, insbesondere in Glasgewebe, immer eine Torsion im Gegenuhrzeigersinn, die Z-Drehung genannt wird. Aus diesem Grund werden primäre Zettelbäume normalerweise in unbegrenzter Anzahl produziert, da sie alle auf die selbe Weise konstruiert sind. Wenn zum Beispiel ein bestimmter Gewebetyp 3000 Kettfäden hat, kann seine Konstruktion auf viele Weisen erfolgen, einschließlich der folgenden:

A. 4 primäre Zettelbäume, jeder mit 750 Kett-Enden
B. 5 primäre Zettelbäume, jeder mit 600 Kett-Enden
C. 6 primäre Zettelbäume, jeder mit 500 Kett-Enden

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung muß die Anzahl der primären Zettelbäume immer ausgeglichen sein, um so die Fäden mit Z-Drehung und diejenigen mit S-Drehung gleichmäßig zu verteilen. Zum Beispiel können bei den Punkten A. und C. jeweils 50% der Anzahl der primären Zettelbäume mit Drehung gegen den Uhrzeigersinn (Z-Drehung) und jeweils 50% der Anzahl der primären Zettelbäume mit Drehung im Uhrzeigersinn (S-Drehung) gefertigt sein. Indem die primären Zettelbäume mit Z-Drehung und S-Drehung im Spulengatter der Schlichtmaschine einer nach dem anderen geändert werden, und Sorge dafür getragen wird, dass beim Einfädeln in das Maschinen-Webblatt die selbe Prozedur durchgeführt wird, hat das resultierende Gewebe gerade Kettfäden mit Z-Drehung und ungerade Kettfäden mit S-Drehung. Es ist möglich sie auf andere Weise zu verändern, so lange nur etwa 50% der Anzahl der Kettfäden Z-Drehung haben, und die verbleibenden 50% der Anzahl der Kettfäden S-Drehung haben, und vice versa.
3. Webe-Vorgang
Der Vorgang der Webens wird auf Webmaschinen durchgeführt, die Webstühle genannt werden. Der Vorgang besteht darin, Kettfäden und Schussfäden miteinander zu verflechten, um so die gewünschte Gewebekonstruktion zu erhalten. Fäden die vertikal zum Materialweg verlaufen (bei 0°), bilden die Kette, und diejenigen, die überkreuz angeordnet sind (bei 90°), bilden den Schuss. Das Arrangement der Verflechtung zwischen den Kettfäden und den Schussfäden ist als Gewebe bekannt. Die Verstärkungsgewebe, die in der vorliegenden Erfindung ins Auge gefasst werden, sind verschiedene Gewebe, wie etwa Satin, Hahnentritt, Köper, Korb und andere, rechtwinkelige Gewebearten. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein flaches Gewebe als Gewebeart verwendet.
Die gegenwärtig verwendeten Webstuhlarten sind mit einem Doppel-Schussgerät für das Einführen des Schusses in das Gewebe ausgestattet, um so die Durchschuss-Geschwindigkeit des Schusses zu senken. Die derzeitige hohe Geschwindigkeit der Luftdüsen- und Greifer-Webmaschinen verlangt nach dieser Doppelinsertions-Ausrüstung, die von zwei unabhängigen Garnspulen beschickt wird, um die Spannung des Schusses stark zu erniedrigen und dadurch eine Überbelastung des Garns zu vermeiden. Um einen ausgeglichen Schuss zu erhalten, wie durch die vorliegende Erfindung, wird ganz einfach eine Garnspule mit Z-Drehung und die andere Garnspule mit S-Drehung verwendet. Weil die Doppelinsertions-Ausrüstung abwechselnd einen Schussfaden von der ersten Spule und den nächsten Schussfaden von der zweiten Garnspule zieht, können wir ganz leicht den beschriebenen, ausgeglichenen Schuss sowie das resultierende Gewebe erhalten.
4. Nachbearbeitungs-Vorgang
Das Verstärkungsgewebe, das durch den oben beschriebenen Prozess erhalten wurde, kann im Nachbehandlungs-Vorgang unter Verwendung konventioneller Techniken bearbeitet werden, was einen Entschlichtungs-Vorgang, thermisch oder chemisch, sowie die Behandlung mit Bindemitteln in einer Nachbehandlungsanlage umfasst.
Verstärkungsgewebe-Konstruktionen, insbesondere glasverstärkte Gewebe, die von den Laminat-Herstellern verwendet werden, sind durch unterschiedliche Gewichte charakterisiert, und vor allem im Bereich von 25 Gramm pro Quadratmeter bis zu 190 Gramm pro Quadratmeter sind sie durch eine hohe Zahl von Überkreuzungen zwischen den Kett- und Schussfäden charakterisiert, z. B. 500 oder mehr. Überkreuzungen sind in der Gewebestruktur diejenigen Punkte, wo sich Ketfäden und Schussfäden kreuzen. In einem flachen, gewebten Gewebe liegt jede Überkreuzung, an der ein Kettfaden über einem Schussfaden verläuft (dieser Kettfaden wird dann als Heberfaden bezeichnet), angrenzend an eine Überkreuzung, an der ein Kettfaden unter einem Schussfaden verläuft (dieser Kettfaden wird dann als Senkerfaden bezeichnet). Das wiederholt sich auf einheitliche Weise sowohl in der Kettrichtung als auch in der Schussrichtung, so dass dann, wenn ein Stück aus Heberfäden (mit einem schwarzen Quadrat markiert) und aus Senkerfäden (mit einem weißen Quadrat markiert) hergestellt worden ist, das resultierende Bild ein Schachbrettmuster hat.
Es hat sich herausgestellt, dass der wellenförmige Weg, dem Kett- und Schussfäden folgen, ein kritischer Punkt beim Verhalten der entstehenden, geschichteten Verbundstoffstruktur und der gedruckten Schaltplatine ist, wo eine große Anzahl von Überkreuzungen zusätzliche Belastungen in den folgenden thermischen und mechanischen Prozess-Schritten bewirken, und dadurch ein unberechenbares und unvorhersehbares Verhalten bewirken.
In 3 und 4 sind zwei verschiedene Gewebe dargestellt, die das selbe Gewicht und eine ähnliche Dicke haben, aber eine unterschiedliche Anzahl von Überkreuzungen haben. Es ist offensichtlich, dass die verringerte Anzahl von Ketfäden und Schussfäden pro Flächeneinheit durch einen höheren Garngehalt (Gewicht des Garns) kompensiert wird, um das selbe Gewicht des Gewebes pro Flächeneinheit zu erhalten.
Ein allseits bekanntes Verstärkungsgewebe von etwa 100 Gramm Gewicht pro Quadratmeter wird mit dem Code 2116 (siehe IPC-EG-140 Spezifikation von The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) bezeichnet. In diesem Fall ist die Konstruktion des Gewebes Folgende:
23,6 Fäden pro cm in der Kette
22,8 Fäden pro cm im Schuss
Aus den obigen Daten können wir folgern, dass die Anzahl der Ketfäden 50,86% der Gesamtzahl der Kett- und Schussfäden beträgt, dass die Gesamtzahl der Überkreuzungen 538 Überkreuzungen pro Quadratzentimeter beträgt, und dass ausdrücklich weder eine Anforderung an die Anzahl der Drehungen noch an deren Dichtung genannt wird.
Ein Verstärkungsgewebe des selben Gewichts pro Flächeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Eigenschaften:
20 Fäden pro cm in der Kette
12,6 Fäden pro cm im Schuss
Aus den obigen Daten können wir folgern, dass die Anzahl der Kettfäden 61,35% der Gesamtzahl der Kett- und Schussfäden beträgt, dass die Gesamtzahl der Überkreuzungen 252 Überkreuzungen pro Quadratzentimeter beträgt, und dass die Anforderungen an die Anzahl der benötigten Drehungen und ihre Anordnung entsprechend der angegebenen, präzisen Beschreibung ist, d. h. im Wesentlichen ausgeglichene Drehung.
Wenn wir Testergebnisse über die Formstabilität der entstandenen, geschichteten Verbundstoffstruktur vergleichen, sind die Daten in der Tabelle angegeben, und die 5 und 6 zeigen die jeweils unterschiedlichen Bewegungen der Laminate, die mit Gewebetyp 2116 (5) hergestellt worden sind, sowie mit einem Verstärkungsgewebe des selben Gewichts pro Flächeneinheit, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist (6).
Tabelle: Ergebnisse der Formstabilität
Wie es für jeden, der auf diesem Gebiet bewandert ist, offensichtlich ist, führen die neue Konstruktion und die Garnanordnung des Gewebes, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, zu Ergebnissen bei der Formstabilität, die unerreichbar für flache, gewebte Gewebe, welche gemäß des heutigen Standes der Technik hergestellt wurden, sind.

Claims

Ein gewebtes Verstärkungsgewebe für gedruckte Platinen mit rechtwinkligem Aufbau, welches ein Flächengewicht von bis zu 190 Gramm pro Quadratmeter hat und über Kett- und Schussfäden verfügt, welches dadurch charakterisiert ist, dass es eine Anzahl Kettfäden beinhaltet, die größer ist, als 55% der Gesamtanzahl von Kett- und Schussfäden pro Flächeneinheit zusammen, und die Anzahl der Überkreuzungen von Kett- und Schussfäden zwischen 200 und 315 Überkreuzungen pro Quadratzentimeter liegt, wobei das besagte Gewebe ein Arrangement der Kett- und/oder Schussfäden von solcher Art hat, dass etwa 50 % der Anzahl der Kett- und/oder Schussfäden eine Torsion im Uhrzeigersinn von 0,4 bis 40 Windungen pro Meter aufweisen, und etwa 50% der Anzahl der Kett- und/oder Schussfäden ein Torsion im Gegenuhryeigersinn von der selben Größenordnung aufweisen.
Das gewebte Verstärkungsgewebe aus Anspruch 1, welches ein Arrangement der Kettund Schussfäden aufweist, das solcher Art ist, dass etwa 50% der gemeinsamen Anzahl von Kett- und Schussfäden eine Torsion im Uhrzeigersinn von 0,4 bis 40 Windungen pro Meter aufweisen, und etwa 54% der gemeinsamen Anzahl von Kett- und Schussfäden eine Torsion im Gegenuhrzeigersinn von der selben Größenordnung aufweisen.
Das gewebte Verstärkungsgewebe aus Anspruch 1, bei weichem etwa 50% der Anzahl der Kettfäden eine Torsion im Uhrzeigersinn von 0,4 bis 40 Windungen pro Meter aufweisen, und etwa 50% der Anzahl der Schussfäden eine Torsion im Gegenuhrzeigersinn von der selben Größenordnung aufweisen.
Das gewebte Verstärküngsgewebe aus Anspruch 1, bei welchem etwa 50% der Anzahl der Schussfäden eine Torsion im Uhrzeigersinn von 0,4 bis 40 Windungen pro Meter aufweisen, und etwa 50% der Anzahl der Kettfäden eine Torsion im Gegenuhrzeigersinn von der selben Größenordnung aufweisen.
Eine geschichtete Verbundstffstruktur für gedruckte Platinen, welche das Gewebe aus den Ansprüchen 1–4 enthält.