DE69227986T2

DE69227986T2 - Pulverbeschichtungsverfahren zur herstellung von leiterplatten und ähnlichen

Info

Publication number: DE69227986T2
Application number: DE69227986T
Authority: DE
Inventors: Denis R. Guilford Ct 06437 Mckay
Original assignee: Electrostatic Technology Inc
Current assignee: Electrostatic Technology Inc
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2012-01-30
Also published as: EP0573534A1; AU659632B2; CA2104234A1; AU1350092A; EP0573534A4; EP0573534B1; DE69227986D1; ATE174817T1; JPH06507355A; WO1992015404A1

Description

Verbundwerkstoffe, die aus Fasern in Harzmatrizen bestehen, sind in der Technik hinlänglich bekannt und für verschiedenartige Anwendungen weit verbreitet. Die Länge der in solchen Verbundstoffen enthaltenen Verstärkungsfasern kann zwischen sehr kurz und endlos variieren, und sie können als einzelne Stränge, als Multifilamentbündel oder -garne oder auch als Non-Woven- Gewebe und Bahnen enthalten sein. Die Fasern werden, unabhängig von ihrer Form, im allgemeinen imprägniert, indem man sie mit einer Dispersion, Lösung oder Schmelze aus dem matrixbildenden Harz sättigt.
Leiterplatten, die für elektronische Schaltungen verwendet werden, lassen sich besonders gut aus Verbundstoffen der oben beschriebenen Art herstellen; diese Verwendung ist beispielsweise im US-Patent Nr. 4,943,334 von Medney et al offenbart. Solche Platten werden gewöhnlich hergestellt, indem eine Reihe von Lagen aus imprägniertem Glasfasertuch übereinandergelegt und die sich daraus ergebende Masse unter Anwendung von Wärme und Druck in eine zusammenhängende Struktur umgewandelt wird. Das Imprägniermittel ist gewöhnlich ein Phenol- oder härtbares Epoxyharz, und demzufolge muß der Prozeß sorgfältig geregelt werden, um zu gewährleisten, daß das Duroplastmaterial nicht über seinen sogenannten "B-Zustand" hinaus erhärtet; eine vollständige Vernetzung des Harzes ist für die nachfolgenden Laminierschritte reserviert.
In der Praxis wird das Glasfasertuch gewöhnlich dadurch gesättigt, daß es durch eine Lösemittellösung des matrixbildenden Polymers gezogen wird. Dann wird mit geeigneten mechanischen Mitteln überschüssige Polymerlösung entfernt, und danach wird das auf diese Weise imprägnierte Material durch einen Ofen gezogen, um die Lösemittel auszutreiben und das Harz in einen "klebfreien" Zustand zu bringen; Lagen des Produktes können dann laminiert werden, um eine mehrschichtige Leiterplattenstruktur zu erzeugen.
Die Lösemittel für die verwendeten imprägnierten Harze sind gewöhnlich toxisch und häufig auch äußerst flammbar;
daher sind gewöhnlich Mittel erforderlich, um das Lösemittel nach der Beseitigung aus dem Tuch zu recyceln, zu entsorgen oder zu zerstören. Außerdem müssen Beschichtungsprozesse der beschriebenen Art ständig überwacht werden, sowohl zum Regulieren der Konzentration des Polymers als auch zum Steuern des mechanischen Harzentfernungssystems.
Es wurden Trockenverfahren zum Herstellen von Faser/Harz-Verbundstoffen vorgeschlagen, bei denen Harzfeststoffpartikel von einer elektrostatischen Wirbelschicht auf Stränge von Verstärkungsfilamenten aufgebracht wurden. Wie in der Technik gelehrt, erfordern solche Partikelauftragsmethoden jedoch das Ausbreiten der Fasern eines Fadens oder Bündels, um eine ausreichende Penetration der Harzpartikel für eine ausreichende Einkapselung zu ermöglichen; in dieser Hinsicht wird auf die US-Patente Nr. 3,817,211 und 3,919,437 von Brown et al verwiesen.
Brown et al setzten elektrostatische Aufladetechniken zum Öffnen des Stranges und auch zum Partikelimprägnieren ein. Es wird gelehrt, daß die Erfindung für die Produktion von Matten, Bahnen oder Geweben anwendbar ist, aber die Patente sehen eindeutig nicht die Imprägnierung von vorgeformten Geweben vor, deren Filamentbestandteile in festen relativen Positionen dicht beieinander liegen können.
Die folgenden Literaturquellen (alle aufgeführten Patente kommen aus den USA) sind möglicherweise ebenfalls für die vorliegende Erfindung von Interesse:
Hug, Nr. 2,706,963, offenbart die elektrostatische Beflockungsbeschichtung einer Schnur, während diese durch einen Behälter transportiert wird.
Swann, Nr. 2,730,455, stellt ein Verfahren zum Beschichten von Glasfasern bereit, das das Ausbreiten der Fasern mit Hilfe elektrostatischer Effekte beinhaltet.
Gemäß Harmon et al. Nr. 2,820,716, wird ein Non-Woven- Gewebe durch elektrostatische Verteilung trockener Klebstoffpartikel über eine lose, faserige Bahn hergestellt; wobei die Partikel nachfolgend klebrig gemacht werden.
Mit Klebstoff beschichtetes Folienmaterial wird gemäß den Lehren von Dickey et al. Nr. 2,869,511, mit einem elektrostatischen Auftragsverfahren hergestellt.
Terrell et al. Nr. 3,354,013, stellt ein Verfahren bereit, bei dem endloses Filamentspinnkabel mit einem partikulären Zusatz von einer Wirbelschicht imprägniert wird; es wird die vorherige Verwendung induzierter elektrostatischer Ladungen zum Auftragen von Pulver auf Fasern erwähnt.
Williams, Jr. et al. Nr. 3,549,403, lehrt ein elektrostatisches Auftragsverfahren zum Aufbringen eines pulverförmigen thermoplastischen Harzes auf unkalandriertes Papier, gefolgt von Warmkompressionswalzen zum Herstellen eines haftenden Polymerfilms auf dem Papier.
Spencer, Nr. 3,673,027, stellt ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Fasern her, bei dem ein Strang von endlosen Filamenten über eine Führung gebogen wird, um diese bei ihrem Eintritt in eine Wirbelschicht aus Partikeln flachzudrücken und auszubreiten.
Lamanche et al. Nr. 3,703,396, lehrt das Imprägnieren von Strängen, indem sie durch eine elektrostatische Wirbelschicht geleitet werden; die Fasern können durch elektrostatische Abstoßung oder durch Luftstromeffekte getrennt und die Stränge in einer parallelen Beziehung zueinander angeordnet werden, so daß sich eine Bahn aus Fäden ergibt.
Gemäß Mayer, Jr., et al. Nr. 3,707,024, wird Garn elektrostatisch zusammengefaßt und mit aufgeladenen Harzpartikeln imprägniert.
Price, Nr. 3,742,106, stellt einen faserverstärkten Thermoplastkörper bereit, indem ein Roving in einer Wirbelschicht imprägniert wird, wobei die Stränge des Roving mit einem Kamm oder mit gerippten Stäben oder Stangen getrennt werden; die Verwendung elektrostatischer Effekte zum Bewirken einer Penetration des Polymers wird ausdrücklich ausgeschlossen. In Nr. 4,086,872 beschreibt Pan ein elektrostatisches Verfahren zum Beschichten einer endlosen Bahn, die leitend oder nichtleitend sein kann.
Gray et al. Nr. 4,098,927, stellt ein Verfahren bereit, bei dem ein kontinuierlicher Glasroving mit Harzpulver in einer Wirbelschicht imprägniert wird, wobei eine Reihe von Stäben zum Trennen des Roving zu Filamentbündeln verwendet wird.
Garner, Nr. 4,205,515 und 4,242,583, beschreiben ein Öffnungselement, das in einer Wirbelschicht positioniert werden kann, um das Füllen von Kabeln mit Pulver zu unterstützen.
Gemäß Siggen et al. Nr. 4,338,882, wird ein Seil aus Fasern, das zur Bildung einer Bahn ausgebreitet wird, mit Weichmacher behandelt, indem er in der Form eines Nebels aus elektrisch geladenen Partikeln aufgebracht wird.
Yamada et al. Nr. 4,427,482, stellt ein Verfahren zur Herstellung von Prepreg-Rovings und faserverstärkten Plastikartikeln bereit, bei dem der Roving mit Polyesterreaktionsmitteln imprägniert wird und dann mit monomerimprägnierten Bahnenlagen verfestigt werden kann.
Drain et al. Nr. 4,892,764, offenbart Faser/Harz- Verbundstoffe, deren Harzphase aus zwei Komponenten besteht, von denen wenigstens eine durch aktinische Bestrahlung gehärtet werden kann.
Fay et al. Nr. 4,913,956, lehrt ein formbares Tuch, das durch Auftragen eines flüssigen Bindemittels und eines trockenen Bindemittels (letzteres in der Form eines pulverförmigen Harzes) auf Glasfaser hergestellt wird und auch andere Verstärkungsfasern enthalten kann.
Pettit, Jr., Nr. 4,921,913, befaßt sich mit dem elektrostatischen Auftragen von Pulver auf verschiedene Substrate mit Hilfe einer Sprüh- oder Wirbelschichtvorrichtung; die Substrate beinhalten faserverstärkte Kunststoffe.
Asensio et al. Nr. 4,927,684, offenbart die Verwendung eines Gewebes zum Verstärken eines mehrschichtigen Plastikartikels.
Gemäß Gauchel et al. Nr. 4,929,651, werden Prepregs hergestellt, indem ein gewebter Roving mit einer Lösung aus duroplastischem Polyester imprägniert wird, und werden zu ballistisch resistenten Verbundstoffen geformt.
Das oben erwähnte Patent von Medney et al Nr. 4,943,334 offenbart ein Verfahren zur Herstellung verstärkter Plastiklaminate zur Verwendung bei der Herstellung von Leiterplatten, bei dem Sätze von Strängen während der Imprägnierung und Härtung des Harzes unter einem geregelten Druck gehalten werden; es wird eine vakuumunterstützte Imprägnierung mit Hilfe von lösemittelfreien Formulierungen gelehrt.
Eine elektrostatische Technik wird in Smyser, Nr. Re. 22,419, zum Beschichten gegenüberliegender Seiten von Gewebe, Papier oder dergleichen zur Herstellung von Klebstoffartikeln offenbart.
In dem Artikel mit dem Titel "Electrostatic Prepregging of Thermoplastic Matrices" (Elektrostatische s Prepregging von thermoplastischen Matrizen), der vermutlich im Januar 1989 erschien, beschreiben Muzzy et al die Herstellung von thermoplastischen Spinnkabelpregs durch elektrostatisches Auftragen von geladenen und fluidisierten Polymerpulvern auf ausgebreitete endlose Faserspinnkabel.
Das an Sprengling ausgegebene US-Patent Nr. 4,496,415 beschreibt, wie ein trockenes Harzpulver benutzt werden kann, um eine Laminatauflage durch Aufbringen eines trockenen Harzpulvers unmittelbar auf eine nackte Faserbahn zu imprägnieren, und dann eine Mehrzahl von Bahnen einschließlich wenigstens einer trockenen, harzbeschichteten Bahn mit einer Menge an Wärme und Druck zu beaufschlagen, die ausreicht, um die Bahnen wirksam zu verfestigen.
Das an Starkey ausgegebene US-Patent Nr. 2,723,921 beschreibt das elektrostatische Beschichten von Artikeln aus einem Material, das elektrisch isolierende Eigenschaften besitzt.
Ungeachtet des durch das oben Gesagte belegten hohen Maßes an Aktivität in der Technik besteht weiterhin Bedarf an einem praktischen und kommerziell attraktiven Verfahren zur Herstellung einer Verbundstoffbahn, die sich aus einem Gewebe von Multifilamentbündeln in einer Matrix von synthetischem Harzmaterial zusammensetzt, wobei die Filamente während des Beschichtens und Imprägnierens des Gewebes im wesentlichen an festen relativen Positionen in engem gegenseitigem Kontakt gehalten werden. Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das den beschriebenen Anforderungen gerecht wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstoffbahn bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines endlosen Gewebes aus Multifilamentbündeln, wobei sich die Filamente der genannten Bündel an im wesentlichen festen relativen Positionen in engem gegenseitigem Kontakt befinden;
Transportieren des genannten Gewebes nacheinander durch eine Benetzungsstation, eine Beschichtungsstation und eine Erhitzungsetation ohne erhebliche Öffnung der genannten Bündelfilamente;
Beschichten des genannten Gewebes an der genannten Beschichtungsstation durch Auftragen von Feststoffpartikeln eines schmelzbaren synthetischen Harzmaterials darauf; und
Erhitzen des genannten beschichteten Gewebes in der genannten Erhitzungsstation auf eine über der Umgebungstemperatur liegende erhöhte Temperatur, wobei die genannte erhöhte Temperatur hoch genug ist und für einen ausreichenden Zeitraum gehalten wird, um ein Schmelzen des genannten Harzmaterials und dessen Übergang in die genannten Bündel und dadurch eine Einkapselung der genannten Filamente durch das genannte Harzmaterial zu bewirken, wobei das genannte Harzmaterial bei der genannten erhöhten Temperatur schmelzfähig bleibt,
wobei Feuchtigkeit, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus flüssigem Wasser und Dampf, in der genannten Benetzungsstation auf das genannte Gewebe aufgebracht wird.
Das Verfahren kann ohne Druckbeaufschlagung durchgeführt werden.
Die durchschnittliche Partikelgröße des genannten synthetischen Harzmaterials kann erheblich höher sein als der Durchmesser der genannten Filamente. So kann beispielsweise die durchschnittliche Partikelgröße des genannten Harzmaterials zwischen 20 und 100 Mikron liegen, während der Durchmesser der genannten Filamente zwischen 6 und 10 Mikron betragen kann.
Das Gewebe kann gewebt sein, wobei die Bindung des genannten Gewebes ausreichend fest sein kann, um die genannten Filamente der genannten Bündel im wesentlichen gegen eine Verschiebung von deren genannten festen relativen Positionen zu immobilisieren.
Die Filamente können ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Zellulosefasern, Glasfasern, Kohlenstoffasern, Graphitfasern, Polyesterfasern, Aramiden und Gemischen davon.
Das Gewebe kann die genannte Benetzungsstation mit einem Feuchtigkeitsgehalt verlassen, der erheblich unter dem Sättigungsgrad liegt.
Beide Seiten des genannten Gewebes können in, der genannten Beschichtungsstation durch elektrostatisches Auftragen von Feststoffpartikeln eines schmelzbaren synthetischen Harzmaterials darauf beschichtet werden. So kann zum Beispiel das genannte Gewebe senkrecht durch die genannte Beschichtungsstation transportiert werden, wobei die genannte Beschichtungsstation effektiv eine elektrostatische Wirbelschicht aus partikulärem Material auf den beiden gegenüberliegenden Seiten des genannten Gewebes bildet, um dessen Beschichtung zu bewirken.
Der Aufbau des genannten Harzmaterials auf dem genannten Gewebe kann ausreichen, um eine im wesentlichen vollständige Einkapselung der genannten Filamente durch die volle Dicke der genannten Bahn zu bewirken.
Das Verfahren kann den zusätzlichen Schritt des Kühlens des genannten beschichteten Gewebes beinhalten, um das genannte geschmolzene Harzmaterial zu verfestigen.
Das synthetische Harzmaterial kann ein härtbares Harz sein, wobei die genannte erhöhte Temperatur des genannten Erhitzungsschrittes ausreicht, um das genannte Harz nur in seinen B-Zustand zu versetzen.
Die Erfindung betrifft auch eine Verbundstoffbahn, die mit dem oben definierten Verfahren hergestellt wird.
Das Verfahren kann den weiteren Schritt des Formens der genannten Verbundstoffbahn unter Wärme und Druck zu einem Herstellungsartikel beinhalten. In diesem Fall kann eine Mehrzahl von Stücken der genannten Verbundstoffbahn gestapelt und dem genannten weiteren Schritt unterzogen werden, um eine Laminatstruktur zu erzeugen. Die in dem genannten Formschritt erzielte Temperatur kann höher sein als die genannte erhöhte Temperatur und ausreichen, um das genannte Harzmaterial in seinen vollständig erhärteten duroplastischen Zustand zu versetzen. Die Erfindung betrifft auch eine Laminatstruktur, die für die Verwendung in einer Leiterplatte geeignet ist und mit dem definierten Verfahren hergestellt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Durchführung der Produktion mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise bei Liniengeschwindigkeiten von 18 Metern pro Minute und erheblich höher, und mit problemlos erhältlicher Ausrüstung, und eine vollständige Imprägnierung der faserigen Komponente mit dem Harz wird wirksam und problemlos und bei atmosphärischem Druck erreicht, so daß eine Verbundstoffbahn hergestellt werden kann, die frei von Lunkern und Lösemitteleinschlüssen ist. Beliebige aus einer großen Zahl von Spezies faseriger Materialien und Harzmaterialien können problemlos miteinander kombiniert werden. Das Verfahren ist auch äußerst wirtschaftlich und umweltfreundlich.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt, allgemein mit 10 bezeichnet, einer die Erfindung ausgestaltenden Verbundstoffbahn, bei der die Fasern eines Grundbindungsgewebes in einer Matrix aus synthetischem Harzmaterial eingekapselt sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN

Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens wird in der Benetzungsstation Feuchtigkeit auf das Gewebe aufgebracht, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen und somit praktische Auftragungsraten zu erzielen. Das Gewebe verläßt die Benetzungsstation vorzugsweise mit einem Feuchtigkeitsgehalt, der erheblich unter dem Sättigungsgrad liegt, was einfach durch Besprühen seiner Oberflächen mit Wasser erreicht werden kann. Es ist in jedem Fall wichtig, den Austrag und den Übertrag von Wasser in die elektrostatische Beschichtungseinheit minimal zu halten, und das geschieht am besten mit Dampf anstatt mit flüssigem Wasser, um die Befeuchtung zu bewirken.
In der Beschichtungsstation werden Feststoffpartikel eines schmelzbaren synthetischen Harzmaterials elektrostatisch auf das Substrat aufgetragen (vorzugsweise auf beide Seiten), und in der Erhitzungsstation wird das Gewebe mit einer geeigneten Wärmeenergiequelle, wie z. B. durch eine Strahlungs- und/oder Konvektionsheizung, auf eine erhöhte Temperatur über der Umgebungstemperatur erhitzt. Das beschichtete Substrat wird für eine Zeitdauer auf dieser Temperatur gehalten, die ausreicht, um das Schmelzen des Harzmaterials und dessen Bewegung in die Bündel zu bewirken und so eine Einkapselung der Filamente zu erreichen; es wird davon ausgegangen, daß der Harz durch Kapillarwirkung in das faserige Material einzieht und dabei eventuell vorhandene Luft oder Feuchtigkeit verdrängt, die sich möglicherweise in den Zwischenräumen befindet. Es versteht sich von selbst, daß der Ofen, die Lampengruppe oder jedwede andere Form von Erhitzungsstation, die eingesetzt wird, eine ausreichende Länge besitzen muß, um beide Effekte zu bewirken, bevor der Harz seine notwendige Fluidität verliert, und daher ist auch die Erhitzungsstation gewöhnlich der begrenzende Faktor bei der Erzielung maximaler Durchsatzraten.
Es ist natürlich klar, daß das Harzmaterial bei der erhöhten Temperatur, auf die das Substrat anfänglich erhitzt wird, schmelzfähig bleiben muß. Thermoplastische Harze werden natürlich von sich aus umgekehrt schmelzfähig bleiben; um duroplastische Harze in diesem Zustand zu halten muß natürlich sorgfältig darauf geachtet werden, daß der Harz nicht vorzeitig auf eine Temperatur über der erhitzt wird, bei der er in seinen B-Zustand (vernetzt, aber nicht vollständig erhärtet) übergeht. Der Harz muß eine Schmelzviskosität bei Betriebstemperatur haben, die so niedrig ist, daß ein Maß an Penetration zugelassen wird, das ausreicht, um die angeführten Ziele zu erreichen.
Es wird zwar davon ausgegangen, daß jede konventionelle, einer Fachperson bekannte Gewebeart oder - bindung (z. B. Würfelbindung, Grundbindung, Krähenfußsatin, Geschirrsatin) zur Durchführung der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, aber es ergeben sich doch die größten Vorteile häufig dann, wenn das Gewebe eine Bindung hat, die so fest ist, daß die Filamente der Bündel, aus denen es besteht, gegen eine relative Verschiebung aus ihren festen Positionen des innigen gegenseitigen Kontaktes im wesentlichen immobilisiert werden. Die Filamente, aus denen sich das Fasersubstrat zusammensetzt, werden vorteilhafterweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zellulosefasern, Glasfasern, Kohlenstoffasern, Graphitfasern, Polyesterfasern, Aramiden (z. B. Kevlar) und Gemischen davon. Ein Beispiel: Der Filamentdurchmesser liegt wünschenswerterweise im Bereich von 6 bis 10 Mikron, und der Denier-Wert der Kett- und Schußgarne (z. B. bei einem Kevlar-Gewebe) liegt gewöhnlich im Bereich zwischen 195 und 3000; die Garnzahl (Kette · Schuß pro Zoll) liegt gewöhnlich im Bereich von 17 · 17 bis 50 · 50, und das Gewebe hat wünschenswerterweise eine Stärke von 0,127 mm-0,762 mm (5 bis 30 mil).
Es kann zwar auch horizontal beschichtet werden, aber in den bevorzugten Ausgestaltungen wird das Substrat senkrecht durch eine Beschichtungsstation transportiert, die effektiv eine elektrostatische Wirbelschicht aus partikulärem Material auf seinen beiden Seiten erzeugt; das heißt, es können entweder zwei Beschichtungseinheiten eingesetzt werden, oder eine einzelne Vorrichtung kann separate Wirbelschichteffekte auf den gegenüberliegenden Seiten einer Bahn erzeugen. Geeignete elektrostatische Wirbelschicht-Pulverbeschichtungsvorrichtungen sind unter anderem in den US-Patenten Nr. 3,828,729 von Goodridge, 3,916,826 von Knudsen, 4,030,446 von Karr, 4,297,386 und 4,330,567 von Gillette, 4,332,835 von Knudsen, 4,418,642 und 4,472,452 von Gillette et al. sowie 4,517,219 von Hajek offenbart und im Handel von der Zessionarin dieser Patente und der vorliegenden Anmeldung, S. L. Electrostatic Technology, Inc., aus Branford in Connecticut erhältlich. Im Vergleich zu Pulversprühpistolen werden elektrostatische Wirbelschichten gewöhnlich bevorzugt, hauptsächlich aufgrund der mit ihnen erzielbaren Gleichförmigkeit des Auftrags des partikulären Materials.
Das zum Beschichten verwendete synthetische Harzmaterial kann, wie erwähnt, ein duroplastischer Harz oder ein thermoplastischer Harz sein; geeignete Harzklassen sind u. a. Epoxyharze, Phenolharze, Polyesterharze, Polyetherharze, Alkydharze, Polyamidharze, Polyimidharze, Bismaleimidharze, Polyolefine, Vinylharze usw., wie für eine Fachperson einleuchtend sein wird. Die Harzpartikel haben gewöhnlich eine Größe im Bereich von 10 bis 200 Mikron und vorzugsweise von 20 bis 100 Mikron; eine Fluidisierung von Pulvern, die feiner sind als 10 Mikron und gröber als 200 Mikron, ist problematisch. Es sollte bemerkt werden, daß die Fähigkeit, feine Filamente (z. B. mit einem Durchmesser von 6 bis 10 Mikron) mit einem Harz mit einer wesentlich höheren durchschnittlichen Partikelgröße (z. B. 20 bis 100 Mikron) wirksam einzukapseln, als ein unerwarteter Vorteil des vorliegenden Verfahrens angesehen wird. Der Aufbau auf dem Substrat reicht vorteilhafterweise aus, um eine im wesentlichen vollständige Einkapselung der Filamente über die gesamte Stärke des Gewebes zu bewirken; normalerweise wird eine ausreichende Harzmenge aufgebracht, die etwa 35 bis 70% davon ausmacht, basierend auf dem Gewicht der Verbundstoffbahn.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung beinhaltet gewöhnlich den zusätzlichen Schritt des Kühlens des Verbundstoffes, um das geschmolzene Harzmaterial zu verfestigen, und in den meisten Fällen beinhaltet es vorteilhafterweise den weiteren Schritt des Formens der resultierenden Bahn unter Wärme und Druck zu einem Herstellungsartikel. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Lagen einer gewebeverstärkten Verbundstoffbahn gestapelt und dann dem Formungsschritt unterzogen werden, um eine Laminatstruktur zu erhalten, die zur Verwendung bei der Herstellung von Leiterplatten geeignet ist. Es ist klar, daß bei Einsatz eines duroplastischen Matrixharzes die im Formungsschritt erzielte Temperatur höher ist als die, die beim Schmelzen in dem anfänglichen Erhitzungsschritt erreicht wird, und ausreicht, um das Harzmaterial in seinen vollständig erhärteten Zustand zu versetzen. Duroplastische Harze müssen natürlich eine Glasübergangstemperatur haben, die niedrig genug ist, um einen Ausfluß bei der anfänglichen Erhitzungstemperatur zuzulassen, ohne eine übermäßige Vernetzung zu bewirken.

ERSTES BEISPIEL

In einem speziellen Beispiel werden eine zweiseitig wirkende elektrostatische Wirbelschicht und ein Infrarotofen mit einer Länge von 10 Metern verwendet, um ein senkrecht durch ihn geleitetes Gewebe zur Herstellung einer Leiterplatte des Typs "FR-4" zu beschichten. Das Gewebe ist gewebtes Glasfasertuch mit einer Dicke von 0,127 mm (5 mil), das aus Bündeln mit jeweils etwa 60 Filamenten besteht, und der imprägnierte Harz ist ein bromierter Epoxyharz, der einen Beschleuniger und einen Katalysator (im Handel erhältlich von Dow Chemicals unter der Handelsbezeichnung DER 521-80) mit einer Gelzeit von etwa 250 Sekunden und einer Gewichtsmittel-Partikelgröße von 60 Mikron beinhaltet. Die gegenüberliegenden Flächen der Bahn werden vor dem Beschichten mit Wasser besprüht (ohne die Bahn zu sättigen). Das Gewebe wird unter atmosphärischem Druck und bei einem Pulveraufladungspotential von 64 kV auf beiden Seiten elektrostatisch beschichtet; es wird auf etwa 285ºC erhitzt. Ein Harzgehalt von etwa 55 Gew.-% läßt sich mit einer Durchsatzrate von über 10 Metern pro Minute leicht in dem Gewebe erzielen, und die Gelzeit des gekühlten Harzes beträgt etwa 150 Sekunden. Mikrofotos des Verbundstoffes, die über eine Querschnittslinie geschossen wurden, zeigen, daß die Filamente des Gewebes von dem Epoxyharz vollständig eingekapselt sind und daß die Matrix praktisch frei von Lunkern ist.
Von der einzigartigen Fähigkeit des vorliegenden Verfahrens abgesehen, faserige Substrate aus Garnen zu beschichten, bei denen die Filamente in innigem gegenseitigem Kontakt gehalten werden, liegt einer seiner Hauptvorteile darin, daß keine Lösemittel verwendet werden. Dadurch werden nicht nur die Risiken, Kosten und Zeitbeschränkungen in Verbindung mit der Notwendigkeit vermieden, solche Substanzen auszutreiben und nachfolgend zu behandeln, sondern es erleichtert auch die Herstellung von lunkerfreien Produkten und gewährleistet, daß keine Lösemittelblasen eingeschlossen werden, deren Beseitigung im allgemeinen als zu kostspielig angesehen wird, wenn sie denn überhaupt möglich ist; solche Defekte sind natürlich besonders unerwünscht (oder sogar unannehmbar) in elektrischen Bauelementen wie gedruckten Leiterplatten. Das Fehlen von Lösemitteln in dem vorliegenden Prozeß trägt auch zu dessen Eignung für die Herstellung dicker Laminate aus relativ Wenigen Lagen bei, wobei jede dieser Lagen dicker sein kann, als dies sonst der Fall wäre, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Herstellung noch weiter verbessert wird. Der inhärente klebfreie Charakter der Verbundstoffbahnen (bei Raumtemperatur) vereinfacht deren Weiterverarbeitung, und die Möglichkeit der Verwendung thermoplastischer Harze kann verbesserte thermische Eigenschaften in den Produkten, eine praktisch unbegrenzte Lagerfähigkeit und die Fähigkeit zur Bildung geformter Leiterplatten erbringen.
Somit wird ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung ein praktisches und kommerziell attraktives Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstoffen unter Verwendung von Geweben aus Multifilamentbündeln bereitstellt. Die Produktion kann mit hoher Geschwindigkeit, bei Umgebungsdruck und mit kommerziell erhältlicher Ausrüstung durchgeführt werden; es besteht keine Notwendigkeit für ein elektrostatisches Aufladen der Filamente, um deren Trennung zu fördern (oder auch zum elektrischen Erden des Substrats). Eine vollständige Imprägnierung der faserigen Komponente mit dem Harz läßt sich leicht und wirksam erzielen, und das Verfahren ist außerdem äußerst wirtschaftlich und umweltfreundlich. Bei der Durchführung des Verfahrens sind zahlreiche Kombinationen von Fasern und Harzen möglich, und das Verfahren ist besonders gut für die Herstellung von Lamellen für den Einsatz als Leiterplattensubstrate sowie für die Herstellung der Leiterplattenstrukturen selbst geeignet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Verbundstoffbahn, umfassend die folgenden Schritte:

Bereitstellen eines endlosen Gewebes aus Multifilamentbündeln, wobei sich die Filamente der genannten Bündel an im wesentlichen festen relativen Positionen in engem gegenseitigem Kontakt befinden;

Transportieren des genannten Gewebes nacheinander durch eine Benetzungsstation, eine Beschichtungsstation und eine Erhitzungsstation ohne erhebliche Öffnung der genannten Bündelfilamente;

Beschichten des genannten Gewebes in der genannten Beschichtungsstation durch Auftragen von Feststoffpartikeln eines schmelzbaren synthetischen Harzmaterials darauf; und

Erhitzen des genannten beschichteten Gewebes in der genannten Erhitzungsstation auf eine über der Umgebungstemperatur liegende erhöhte Temperatur, wobei die genannte erhöhte Temperatur hoch genug ist und für einen ausreichenden Zeitraum gehalten wird, um ein Schmelzen des genannten Harzmaterials und dessen Übergang in die genannten Bündel und dadurch eine Einkapselung der genannten Filamente durch das genannte Harzmaterial zu bewirken, wobei das genannte Harzmaterial bei der genannten erhöhten Temperatur schmelzfähig bleibt;

dadurch gekennzeichnet, daß Feuchtigkeit, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus flüssigem Wasser und Dampf, in der genannten Benetzungsstation auf das genannte Gewebe aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ohne Druckbeaufschlagung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Partikelgröße des genannten synthetischen Harzmaterials erheblich höher ist als der Durchmesser der genannten Filamente.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Partikelgröße des genannten Harzmaterials zwischen 20 und 100 Mikron liegt, und dadurch, daß der Durchmesser der genannten Filamente zwischen 6 und 10 Mikron beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Gewebe gewebt ist, und dadurch, daß die Bindung des genannten Gewebes ausreichend fest ist, um die genannten Filamente der genannten Bündel gegen eine Verschiebung von deren genannten festen relativen Positionen im wesentlichen zu immobilisieren.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filamente ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Zellulosefasern, Glasfasern, Kohlenstoffasern, Graphitfasern, Polyesterfasern, Aramiden und Gemischen davon.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Gewebe die genannte Benetzungsstation mit einem Feuchtigkeitsgehalt verläßt, der erheblich unter dem Sättigungsgrad liegt.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Seiten des genannten Gewebes in der genannten Beschichtungsstation durch elektrostatisches Auftragen von Feststoffpartikeln eines schmelzbaren synthetischen Harzmaterials darauf beschichtet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Gewebe senkrecht durch die genannte Beschichtungsstation transportiert wird, und dadurch, daß die genannte Beschichtungsstation effektiv eine elektrostatische Wirbelschicht aus partikulärem Material auf den beiden gegenüberliegenden Seiten des genannten Gewebes bildet, um dessen Beschichtung zu bewirken.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau des genannten Harzmaterials auf dem genannten Gewebe ausreicht, um eine im wesentlichen vollständige Einkapselung der genannten Filamente durch die volle Dicke der genannten Bahn zu bewirken.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Kühlens des genannten beschichteten Gewebes, um das genannte geschmolzene Harzmaterial zu verfestigen.

12. Verfähren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte synthetische Harzmaterial ein härtbares Harz ist, und dadurch, daß die genannte erhöhte Temperatur des genannten Erhitzungsschrittes ausreicht, um das genannte Harz nur in seinen B-Zustand zu versetzen.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Formens der genannten Verbundstoffbahn unter Wärme und Druck zu einem Herstellungsartikel.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Stücken der genannten Verbundstoffbahn gestapelt und dann dem genannten weiteren Schritt unterzogen wird, um eine Laminatstruktur zu erzeugen.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 in Abhängigkeit von Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem genannten Formschritt erzielte Temperatur höher ist als die genannte erhöhte Temperatur und ausreicht, um das genannte Harzmaterial in seinen vollständig erhärteten duroplastischen Zustand zu versetzen.

16. Verbundstoffbahn, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12.

17. Laminatstruktur, geeignet für die Verwendung in einer Leiterplatte und hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15.