专利名称：带有传导约束芯的轻重量电路板的制作方法
有关联邦资助研究或开发的声明本发明的背景技术的某些部分是按照以下合同之一或之几进行的NAS3-27743；NAS3-97040；和F29601-94-C-0093。因此美国政府可能有一定的权利。
背景技术：
复层印刷电路板或者说印刷布线板(PWB)用于安装集成电路(IC)或者其它部件。缩小电路尺寸和减少重量以及高频率和高时钟速度工作的进展趋势导致产生较多热量的较小的部件，并且越来越紧密地安置在PWB上。由于使用无引线的芯片载体通过减少部件的覆盖面积还得到了附加的尺寸和速度改进。
PWB上较大的部件密度和较热的部件产生了热管理上的问题。当产生较高的温度时，PWB与部件之间的热膨胀系数(“CTE”)失配就变得较重要了。PWB与部件之间的CTE失配在电子器件通电和断电引起的热循环过程中可造成断裂或者疲劳。在CTE失配时无引线芯片载体特别易于与PWB脱开。在CTE失配时引起的“牵拉作用”倾向于把焊点和连接线拉开。
现有技术的PWB设计使用金属约束层或芯，譬如铜-因瓦镍铁-铜、铝或者钢，以降低电路板的CTE。然而，这些材料添加了不希望的重量。授与Jensen的美国专利4,318,954提供了一种用在循环热环境中的PWB设计例，该例使用重量轻的基于碳的约束层以降低电路板的CTE。授与Leibowitz的美国专利4,591,659也表明碳约束层除了降低电路板的CTE之外还可以起热导体的作用把热从安装在PWB上的部件带走。授与Jensen的美国专利4,318,954和授与Leibowitz的美国专利4,591,659全部引入本公开作为参考。
现有技术PWB从安装在其表面上的部件传导走热的能力受到用于防止在PWB的功能层之间导电的预浸渍材料的限制。预浸渍材料中使用的材料导热特性差。因此碳约束层把热从电路板表面传导走的能力受到电路板间和电路板表面上的预浸渍材料量的限制。碳约束层中使用的碳材料是导电的，这需要现有技术结构中的PWB的功能层与碳约束层电绝缘以防止短路和串扰。在现有技术的设计中，该要求对碳约束层与电路板表面之间的距离设置了下限，所述下限等效于把电路板的功能层相互绝缘并且与碳约束层绝缘所要求的最低预浸渍材料量。所述下限转换成可以从PWB的表面上传导走的热量的上限。因此需要PWB具有机械强度同时又有低的CTE并且超过现有技术设计固有的可以从PWB表面传导走的热量的上限。
发明内容
一方面，本发明涉及其中在PWB或者其部分中设置导热层的结构和方法。例如本发明可包括用导热并且还可能导电的树脂浸渍的替代物做成的预浸渍材料层。可以用这种预浸渍材料层形成层板，所述层板具有置于预浸渍材料层上和下部的第一和第二金属层。另外，所述层板本身可以是导热和/或导电的，使之可以用于高性能的印刷布线板中。
图1是部分示意性截面图，示出根据本发明包括导电和导热层板的PWB；图2A是流程图，示出根据本发明构成PWB的方法；图2B是流程图，示出根据本发明用树脂浸渍基片的方法；图3是部分示意性截面图，示出含有四个单向碳纤维层的层板；图4是部分示意性截面图，示出含有四个单向碳纤维层的层板的另一实施例；
图5是部分示意性截面图，示出含有三个单向碳纤维层的层板；图6是部分示意性截面图，示出含有各向异性构形的四个单向碳纤维层的层板；图7是部分示意性截面图，示出根据本发明包括含有预浸渍材料层的层板的PWB；图8是部分示意性截面图，示出根据本发明包括导热和导电的层板的PWB，所述导热和导电层板包括用导电和导热树脂浸渍的玻璃纤维层；图9是部分示意性截面图，示出根据本发明包括导热和导电层板的PWB，所述导热和导电层板包括用含在预浸渍材料层之内的导电和导热树脂浸渍的玻璃纤维层；图10是部分示意性截面图，示出根据本发明的包括两个导热和导电层板以及数个井形孔(chimney)和镀通孔的PWB。
图11A是流程图，示出根据本发明的制造包括多个导电和导热层板、井形孔和镀通孔的PWB的方法；图11B是流程图，示出确定在PWB上钻井形孔的位置的方法；图11C是流程图，示出在构成根据本发明的PWB的过程中，确定在导电和导热层板上钻填充的隙孔的位置的方法；以及图12是部分示意性截面图，示出根据本发明的包括两个导热和导电层板和电绝缘的碳支承层的PWB。
具体实施例方式
现在参阅附图，图1示出根据本发明的轻重量多层PWB。PWB10包括层板12，层板12含有夹在第一金属或者其它导电材料层16和第二金属或者其它导电材料层18之间的含碳层14。所述层板夹在第一预浸渍材料层20与第二预浸渍材料层22之间。PWB的顶层由第三金属或者其它导电材料层24构成。PWB的底层用第四金属或者其它导电材料层26构成。如后文所述，导电层16、18、24和26，以及本文所述的其它实施形式的相应层，可以用金属或者具有适当的导电性的任何各种含金属的成分制造。然而为了方便，这些层在本文中往往称为“金属”层。
层板12是导电的，这使该层板能够用作PWB内的接地层、PWB内的电源层，或者在PWB内既是接地层又是电源层，后者要布线以电绝缘该层板的部分。在PWB中使用层板12使PWB与使用电绝缘的含碳层以降低CTE的现有技术的PWB设计相比薄并且重量轻。减少PWB10的厚度还使含碳层14位置比在使用电绝缘的含碳层的PWB中更靠近电路板的表面。这种构形的一个优点是与现有技术设计比它增加了PWB从其表面传输走热的能力。该构形的另一个优点是，它提供了低的表面CTE，这在诸如半导体应用之类的应用中是重要的。
预浸渍材料层是复合层，包括由浸渍了树脂的纤维材料构成的基片或者支承材料。预浸渍材料层还可以是膜。膜是典型的不包括基片而只包括树脂的复合物的预浸渍材料层。第一预浸渍材料层20和第二预浸渍材料层22把导电层板12与第三金属层24和第四金属层26电绝缘开。在一个优选实施形式中，第三和第四金属或者其它导电材料层上做电路图。例如第三金属层、导电层板或者第四金属层之间的电触点可以产生在被间断开的第三和第三金属层上做成的电路图的作用。在其它的实施形式中，第三和第四金属层只有其一做电路图。
在根据本发明的PWB的一个优选的实施形式中，用于构成层板12的含碳层用编织碳纤维制成，譬如在California、Sunnyvale的三菱化工美国公司制造的厚度0.006英寸的织物K13C2U。在另一个实施形式中，含碳层可由具有110msi的拉伸模量、540ksi的抗拉强度、610M/m.K的导热率、2.15g/cc的纤维密度和0.5％的纤维延伸率，并且用平衡的织法编织的碳纤维构成。在其它的实施形式中，含碳层可以用厚度大于0.002英寸、导热率大于10w/m.K、热膨胀系数在-3.0至3.0ppm/C之间、刚度大于20msi、抗拉强度大于250ksi、密度小于2.25gm/cc的任何编织碳纤维构成。优选地，含碳层用导热率大于75w/m.K、热膨胀系数在-1.25至1.0ppm/C之间、刚度大于35msi、抗拉强度大于350ksi、密度小于2.22gm/cc的编织碳纤维构成。更优选地，含碳层用热膨胀系数是0.0ppm/C的编织碳纤维构成。在其它的实施，含碳层用能够从PWB10表面发散所要求的热量以支持PWB的CTE要求和达到所希望的PWB刚性的任何编织碳纤维构成。
在一个优选的实施形式中，编织碳纤维用导电和导热的树脂浸渍，譬如根据以上对于图2B所述方法的环氧热解碳树脂。导电性限定为在1MHz介电常数大于6.0。导热性限定为导热率大于1.25W/m.K。优选地，导热的材料将具有大于2.5W/m.K的导热率。在其它的实施形式中，编织碳纤维浸渍有诸如基于聚酰亚胺(氰酸酯)的热解碳树脂、基于环氧树脂或者聚酰亚胺的氧化银树脂、基于环氧树脂或者聚酰亚胺的碳粉树脂之类的树脂或者具有大于100°F的玻璃化转变温度、低吸潮性、高耐化学腐蚀性、高抗微裂纹性、高结构寿命、受控制的流动性、良好胶合性、导热率大于0.2W/m.k并且在1MHz介电常数大于6.0的其它树脂。优选地，编织碳纤维浸渍有大于250°F的玻璃化转变温度并且导热率大于2.0W/m.k的树脂。
在一个优选的实施形式中，第一和第二金属层用1/4盎司铜箔制造，譬如Philadelphia的Glenside的Circuit Foil Trading公司生产的NT-TW-HTE铜箔。在其它实施例中，可以使用厚度0.00003英寸至0.21英寸的其它导电材料，譬如铜、钯、银、铝、金、镍及锡，或者合金或者其它成分构成第一和第二金属层。在其它的实施形式中，可以用任意厚度的导电材料构成第一和第二金属层，只要导电层板12的总导电率足以承载层板内的电负荷。
在一个实施形式中，第一预浸渍材料层和第二预浸渍材料层用导热的介电材料制造，譬如California的Rancho Cucamonga的Arlon Materials for Electronics公司制造的预浸渍材料44N0680，其厚度为0.0015英寸，树脂成分约80％，树脂流动约50％并且凝胶时间在90至110秒的范围。在其它实施形式中，可以用其它的预浸渍材料层构成第一和第二预浸渍材料层，譬如FR-4、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、陶瓷、GIL、Gtek或者Rogers公司制造的高频电路材料，所述高频电路材料包括诸如氧化铝、金刚石颗粒或者氮化硼的添加剂，或可以用在1MHz介电常数低于6.0、导热率大于1.25W/m.K的任何其它预浸渍材料构成第一和第二预浸渍材料层。更优选地，第一和第二预浸渍材料层用在1MHz介电常数低于4.0、导热率大于2.0W/m.K的介电材料构成。在其它优选实施例中，可以用导热率小于1.25W/m.K的任何其它预浸渍材料构成第一和第二预浸渍材料层。使用导热率小于1.25W/m.K的预浸渍材料层可能会降低PWB从其表面传导走热的能力。
在一个优选实施形式中，导电材料的顶层和底层使用与构成上述第一和第二金属层使用的相似材料构成。
根据本发明的制造PWB的方法的一个优选实施形式示于图2A中。在步骤32中形成第一层板。第一层板涉及在如前所述浸渍有基于环氧树脂的热解碳树脂的编织碳纤维层的一侧放置1/4盎司铜箔层，然后在该编织碳纤维层的另一侧放置1/4盎司铜箔层。然后把所述的层放置真空中并且从室温加热到350°F。控制温度的增量使得当温度从150°F升到300°F时温度上升速度保持在8-12°F/min的范围。当温度在150°F到165°F范围时，层上的压力增加到250PSI。一旦达到了350°F的温度，就把温度保持在该温度70分钟。在70分钟的时间完成后，把所述的层暴露在室温而压力大于大气压的条件下30分钟。该第一层板循环(cycle)产生上述的导电层板12。优选地，把导电层板制造得尽可能平坦。
第一层板循环后就在步骤34中进行第二层板循环。第二层板循环涉及在第一层板循环中制造的导电层板的一侧放置44N0680预浸渍材料层，然后在导电层板的另一侧放置第二层44N0680预浸渍材料层。此外，在两个44N0680预浸渍材料层的外表面放置1/2盎司铜箔层。然后把所述的层放置真空中并且从室温加热到350°F。控制温度的增量使得当温度从150°F升到300°F时温度上升速度保持在8-12°F/min的范围。当温度在150°F到165°F范围时，层上的压力增加到250PSI。一旦到达了350°F的温度，就把温度保持在该温度90分钟。在90分钟的时间完成后，把所述的层暴露在室温而压力大于大气压的条件下30分钟。该第一层板循环产生上述的导电层板12。第二层板循环产生图1中所示的PWB10。然后在步骤36中做成有电路图形的图1中所示的PWB10的第三和第四金属层。
用导电树脂浸渍编织碳纤维构成的含碳层的方法40的一个优选实施形式在图2B中示出。方法42的第一步骤包括添加配料以形成树脂。多数树脂用环氧树脂或者聚酰亚胺固态树脂、溶剂、丙酮、催化剂和添加剂形成。典型地，由包括在树脂内的各种添加剂和这些添加剂的量决定特定树脂的特性。可以用添加剂增加树脂的导电率或者树脂热特性。当用添加剂增加树脂的导电率或者导热率时，树脂的导热率或者导电率随着与树脂混合的添加剂的量而增加。在一个优选的实施形式中，把等于树脂重量10％的量的粉末热解碳纤维作为配料添加以增加树脂的导电率和导热性。在另一个实施形式中，可以添加任意量的热解碳以提高树脂的导电率和导热性。优选地，添加到树脂中的热解碳的量是树脂重量的5％至50％。然后在步骤44中混合各种树脂配料形成实质上均质的树脂。
一旦形成树脂后，在步骤46中把树脂放进预浸渍处理器中。所述的预浸渍处理器用于用树脂浸渍基片。在下个步骤48中，要浸渍的基片通过所述预浸渍处理器。在该方法的一个优选实施形式中，基片材料是编织碳纤维，譬如以上所述的编织碳纤维材料。在一个使用编织碳纤维的优选实施形式中，基片浸渍树脂重量的45％。在其它优选实施形式中，基片浸渍树脂重量的5％至80％。
一旦基片通过预浸渍处理器以后。在步骤50中进行B阶段固化循环。所述的B阶段固化循环涉及把基片和树脂暴露到250°F至300°F的温度。基片和树脂暴露到该温度下的时间由加载到所述基片中的树脂的量和所要求的固化程度决定。在一个优选的实施形式中，需要15分钟的时间把浸渍45％树脂的编织碳纤维基片固化到B阶段从而使之适用于前面对于图2A所述的方法。在完成B阶段固化循环后，在步骤52中使用以前把所述树脂存放在受控制的环境中。
在其它的实施形式中，用氧化银颗粒作为树脂添加剂以增加树脂的导电率和导热性。在一个优选的实施形式中，添加等于树脂重量40％的氧化银的量。在其它的实施形式中，可以添加任意量的氧化银以增加树脂的导热性。优选地，添加到树脂中的氧化银的量是树脂重量的5％至70％。
在其它实施形式中，用氮化硼颗粒作为树脂添加剂以增加树脂的热性能。在一个优选的实施形式中，添加等于树脂重量40％的氮化硼的量。在其它的实施形式中，可以添加任意量的氮化硼以增加树脂的热性能。优选地，添加到树脂中的氮化硼的量是树脂重量的5％至70％。
在其它实施形式中，用金刚石颗粒作为树脂添加剂以增加树脂的热性能。在一个优选的实施形式中，添加等于树脂重量15％的金刚石的量。在其它的实施形式中，可以添加任意量的金刚石颗粒以增加树脂的热性能。优选地，添加到树脂中的金刚石颗粒的量是树脂重量的2％至50％。
在其它实施形式中，用氧化铝颗粒作为树脂添加剂以增加树脂的热性能。在一个优选的实施形式中，添加等于树脂重量40％的氧化铝的量。在其它的实施形式中，可以添加任意量的氧化铝以增加树脂的热性能。优选地，添加到树脂中的氧化铝的量是树脂重量的5％至70％。在其它的实施形式中，可以使用两种或多种上述的添加剂作为形成树脂的添加剂。
在其它的实施形式中，可以用在1MHz的介电常数小于6.0的基片材料、使用上述方法制造预浸渍材料层。在一个优选的实施形式中，用含氮化硼的树脂浸渍玻璃纤维基片以产生在1MHz的介电常数小于6.0的导热预浸渍材料层。优选地，玻璃纤维浸渍70％重量的树脂。在其它的实施形式中，玻璃纤维浸渍20％至80％重量的树脂。
在其它的实施形式中，可以在使用诸如Kevlar纤维、石英、芳族聚酰胺之类的基片或者任何在1MHz的介电常数小于6.0、玻璃化转变温度大于250°F、导热率大于0.1W/m.K、CTE在-4.5ppm/℃和30ppm/℃之间、高抗拉强度和高耐热性的其它的材料或者材料混合物构成预浸渍材料层。优选地，基片材料具有大于400°F的玻璃化转变温度、CTE在-4.5ppm/℃和12ppm/℃之间、在700°F时保留其强度的50％至60％，并且在1MHz的介电常数小于3.0。使用此方法制造的预浸渍材料层可以用于构成图1中所示的根据本发明的PWB10的第一和第二预浸渍材料层。
在其它的实施形式中，含碳的层浸渍有导热的树脂，譬如基于环氧树脂或者聚酰亚胺的氮化硼树脂、基于环氧树脂或者聚酰亚胺的氧化铝、基于环氧树脂或者聚酰亚胺的陶瓷树脂、基于环氧树脂或者聚酰亚胺的金刚石颗粒树脂或者除了在1MHz的介电常数小于6.0以外具有与以上所述导电导热树脂相似特性的任何其它树脂。
在其它的实施形式中，含碳的层用单向碳纤维片构成，譬如用三菱化工美国公司制造的厚度为0.001英寸的单向K13C2U。选择用于构成含碳层的单向碳纤维材料优选地具有与以上可以用于构成含碳的层的编织碳纤维所述的相似的特性。
在其它的实施形式中，单向碳纤维片浸渍有树脂。与以上相对于含有编织碳纤维片的层板的实施形式所述的相似的特性的树脂也可以用于浸渍用于构成根据本发明的层板的单向碳纤维片。
在其它的实施形式中，对齐得使每层中的纤维实质上平行的多层单向碳纤维可以用于构成含碳的层。
根据本发明使用四个单向碳纤维层构成层板12`的一个优选实施形式示于图3。在此实施形式中，层板用第一单向碳纤维层60、第二单向碳纤维层62、第三单向碳纤维层64和第四单向碳纤维层66构成。每个单向碳纤维层都有相同的厚度和单位面积纤维重量。把第一和第四单向碳纤维层构成得每层中的碳纤维都被对齐得基本上平行。第二和第三单向碳纤维层用单向碳纤维片构成，在此纤维被对齐得实质上垂直于第一和第四层中的碳纤维。
根据本发明使用单向碳纤维层构成层板12``的另一个优选实施形式示于图4。在此实施形式中，层板12``用第一单向碳纤维层70、第二单向碳纤维层72、第三单向碳纤维层74和第四单向碳纤维层76构成。每个单向碳纤维层都有相同的厚度和单位面积纤维重量。第一和第三单向碳纤维层由碳纤维在相同方向上对齐的单向碳纤维片构成。第二和第四单向碳纤维用被对齐得实质上垂直于第一和第三单向碳纤维层中纤维被对齐的单向碳纤维片构成。
根据本发明使用单向碳纤维层构成层板12```的另一个优选实施形式示于图5。在此实施形式中，层板12```，用厚度为0.002英寸的第一单向碳纤维层80、厚度为0.004英寸的第二单向碳纤维层82和厚度为0.002英寸的第三单向碳纤维层84构成。第一和第三单向碳纤维层有相同的单位面积纤维重量，这是第二单向碳纤维层单位面积纤维重量的一半。第一和第三单向碳纤维层由具有沿相同的方向对齐的单向碳纤维的片构成。第二单向碳纤维用具有被对齐得沿垂直于第一和第三层单向碳纤维层中纤维被对齐的方向的单向碳纤维片构成。
在其它的实施形式中，只要含碳纤维的层是平衡的，就可以用多于四层的数层单向碳纤维层构成印刷电路板。
在其它的实施形式中，根据本发明的层板包括实质上是各向同性的含碳层。在含有各向同性的含碳层的根据本发明的一个层板实施形式示于图6。层板12````包括用沿第一参考方向被对齐的纤维的单向碳纤维片构成的第一单向碳纤维层90、由放置得其纤维相对第一参考方向成45度角被对齐的单向碳纤维片构成的第二单向碳纤维层92、由放置得其纤维相对第一参考方向成90度角被对齐的单向碳纤维片构成的第三单向碳纤维层94和由放置得其纤维相对第一参考方向成135度角被对齐的单向碳纤维片构成的第四单向碳纤维层96。单向碳纤维片可以用与上述树脂相似的树脂浸渍。
根据本发明的PWB示于图7。PWB10`包括具有置于第一预浸渍材料层100和第二预浸渍材料层102之间的含碳层14`的层板结构12`````。第一金属层16`置于第一预浸渍材料层之上，而第二金属层18`置于第二预浸渍材料层之下。第三预浸渍材料层20`置于第一金属层之上而第二预浸渍材料层22`置于第二金属层之下。第三金属层24`置于第三预浸渍材料层之上，而第四金属层26`置于第四预浸渍材料层之下。
在一个优选实施形式中，含碳层14`用编织的碳纤维片构成，而金属层用与用于构成图1中所示为10的PWB的实施形式的金属层的构成材料相似的材料构成。另外，第三和第四预浸渍材料层用构成图1中所示为10的PWB的实施形式的第一和第二预浸渍材料层的材料相似的材料构成。
在一个优选的实施形式中，用导电和导热的预浸渍材料层，诸如按照上面相对于图2B所述的方法制造的、并且具有与上述热解碳树脂相似特性的基于环氧树脂的热解碳树脂之类的预浸渍材料层，构成第一和第二预浸渍材料层。用导电和导热的预浸渍材料层构成第一和第二预浸渍材料层以保证在含碳层与第一和第二导电层之间存在导电通路。在其它的实施形式中，可以用其它导电和导热预浸渍材料层构成第一和第二预浸渍材料层，譬如基于聚酰亚胺的热解碳树脂预浸渍材料层、基于环氧树脂或者聚酰亚胺的氧化银树脂预浸渍材料层或者任何具有玻璃化转变温度大于100°F、低吸潮性、高耐化学腐蚀性、高抗微裂纹性、高结构耐久性、受控制的流动性、良好的胶合性、导热率大于0.2W/m.K、并且在1MHz的介电常数大于6.0的其它预浸渍材料层。优选地，第一和第二预浸渍材料层用玻璃化转变温度大于250°F、导热率大于0.2W/m.K的预浸渍材料层构成。
图7所示的PWB10`的制造方法与图2A所示的方法相似。把基于环氧树脂的热解碳树脂预浸渍材料层置于编织的碳纤维层的一侧，而把基于环氧树脂的第二热解碳树脂预浸渍材料层置于编织的碳纤维层的另一侧。1/4盎司铜箔层放置于基于环氧树脂的热解碳树脂预浸渍材料层的外表面上。然后把这些层去经受以上参照图2A所述的第一层板循环以产生层板1`````。第二层板循环和PWB10`的构图也与以上参照图2A所述的方法相似。
在另一个实施形式中，可以用与用于构成图1所示的PWB10的实施形式的第一和第二预浸渍材料层使用的那些相似的导热预浸渍材料层构成图7中所述的PWB10`的第一和第二预浸渍材料层。在使用不良导电体的导热预浸渍材料层的PWB10`的实施形式中，通过镀通孔使第一和第二金属层和含碳层之间形成电触点。镀通孔是钻通层板12`````的孔，所述孔衬以导电材料并且在第一和第二金属层和含碳层之间建立电接触。
在其它的实施形式中，层板12`````用单向碳纤维层制造的含碳层构成，所述的单向碳纤维具有与以上根据相对于图3至6所示的本发明的层板实施形式所述的结构相似的结构。在其它的实施形式中，单向碳纤维层在层板12`````构成之前，用与所述的那些树脂相似的树脂浸渍。
在其它的实施形式中，层板12`````由含碳层构成，所述的含碳层由碳复合片或者板制造，譬如由三菱化工美国公司制造的厚度为0.001英寸的碳板。碳复合片或者板可以使用压缩粉末模制构成。在其它的实施形式中，含碳的层可以由任何物理特性与以上相对于编织碳纤维所述的那些相似的碳复合片或者板制造。
对于用碳复合片或者板制造的含碳层构成的层板12`````的实施形式，第一预浸渍材料层100和第二预浸渍材料层102可以用与以上所述相似的树脂构成。
根据本发明的PCB示于图8。PCB10``包括导电和导热层110。第一金属层16``置于导电和导热层之上而第二金属层18``置于导电和导热层之下。第一预浸渍材料层20``置于第一金属层之上而第二预浸渍材料层2``置于第二金属层之下。第三金属层24``置于第一预浸渍材料层之上，而第四金属层26``置于第二预浸渍材料层之下。导电和导热层和第一和第二金属层形成导电层板112。
在一个优选的实施形式中，与可以用于构成图1所示的根据本发明的PWB10的实施形式的那些材料相似的材料也可以用于构成第一和第二预浸渍材料层以及第一、第二、第三和第四金属层。在一个优选的实施形式中，把第三和第四金属层构图，以含有电路。
在一个优选的实施形式中，导电和导热层用根据以上参照图2B所述的方法浸渍有导电环氧树脂热解碳树脂的编织玻璃纤维基片构成。优选地，用于构成导电和导热层的编织玻璃纤维是由位于加拿大Ontario的South Cickering的JPS玻璃公司制造的E玻璃。在其它的实施形式中，使用其它的基片材料譬如非编织玻璃纤维、Kevlar纤维、石英、芳族聚酰胺基片或者任何玻璃化转变温度大于250°F、导热率大于0.1W/m.K、CTE在-4.5ppm/℃和30ppm/℃之间、高抗拉强度和高耐热性的材料。优选地，基片材料有大于400°F的玻璃化转变温度、CTE在-4.5ppm/℃和12ppm/℃之间、在700°F时保留其强度的50％至60％。优选地，玻璃纤维基片用占70％树脂重量含有10％重量比的热解碳添加剂的环氧树脂浸渍。在其它的实施形式中，导电和导热层用浸渍5％至80％的在1MHz的介电常数大于6.0的以上所述的任何树脂的基片形成。在其它的实施形式中，可以使用任何在1MHz的介电常数大于6.0的导电和导热层14`的树脂和基片。
图8中所示的PWB10``的实施形式可以按照图2A和图2B所示的方法制造。
根据本发明的一个PWB的实施形式示于图9中。除了用上述的任意基片材料取代含碳层以及第一和第二预浸渍材料层在1MHz具有大于6.0的介电常数以外，PWB10```与图7所示的PWB10`相似。
上述的PWB实施形式使用单个层板。根据本发明的PWB的其它实施形式中可以使用多个层板。
根据本发明的包括两个层板的PWB示于图10。PWB10````包括第一层板120、第二层板122、多个预浸渍材料层124和多个金属层126。在一个优选的实施中，第一层板形成接地层而第二层板形成电源层。在其它实施形式中，可以保留层板的功能，两个层板可以分担相同的功能，或者可以把这两个层板只用于改进热特性。使用多个层板可以提高PWB把热从其表面传导走的能力，改善PWB的CTE并且较现有技术的PWB降低PWB的厚度和重量。
在一个优选实施形式中，相似于图1的层板12，构成第一层板120和第二层板122。在其它实施形式中，可以用上述的任何层板结构构成第一或第二层板。优选地，预浸渍材料层124和金属层可以用与可以用于构成图1所示的PWB10的预浸渍材料层和金属层的那些材料相似的材料构成。在其它的实施形式中，可以使用上述的任何层板构成第一和第二层板。
仔细地审视图10揭示PWB10````包括数个镀孔。PWB10````包括孔内填充导热材料的井形孔(chimney)128。所述井形孔用于从PWB表面向PWB内的导电导热层板传递热。井形孔不全部贯通PWB形成。如果井形孔既接触第一层板也接触第二层板，井形孔就会短路PWB。PWB10````还包括衬以导电材料的通孔130，用于在PWB的功能层之间建立电连接。在不希望在镀通孔与第一或第二层板之间有连接之处，可以使用在1MHz的介电常数小于6.0的环氧树脂之类的介电材料环132保证在层板与通孔的导电内衬之间不存在电连接。
根据本发明制造图10所示的PWB10````的方法示于图11A。方法150开始于步骤152，该步骤涉及构成两个根据本发明的的层板，它们用前面对于图2A说明的方法形成。然后在步骤154在层板上构图出供电或者接地区域。构图层板内的电绝缘区域，这使层板能够在PWB内起接地层或者电源层的作用。
一旦完成构图，就在步骤156中使层板进行氧化处理。在氧化处理后在步骤158中钻隙孔。钻隙孔涉及在层板中钻第一直径的孔然后把钻好的孔填充以介电材料，譬如上述的在1MHz的介电常数小于6.0任何树脂。在填充钻好的孔之前，对它们检查并且使用高压干燥空气清洁。
一旦钻了隙孔，在步骤160进行第二层板循环。第二层板循环与前面关于图2A所述的第二层板循环相似。在第二层板循环后，在步骤162在PWB钻井形孔。一旦钻好井形孔后，在步骤164中把井形孔内面衬以导热材料。优选地，所述导热材料是铜。其它实施形式中，可以使用导热率大于5W/m.K的任何材料。
在衬好井形孔后，在金属层上蚀刻电路，将位于成品PWB内部的金属层在步骤166中构图并且在步骤168中经受氧化处理。
在氧化处理后在步骤170中完成第三层板。第三层板涉及把在第二层板中产生的两个结构与其它的预浸渍材料层对齐以与图10中所示的PWB10````的层相应。把这些层暴露到与第二层板循环中经历的相似温度和压力下。
在第三层板循环后，在步骤172中钻最后的通孔。最后的通孔钻制涉及在整个PWB上钻小于上述第一直径的第二直径的通孔。在步骤174把通孔加衬。优选地，通孔上衬铜。在其它实施形式中，通孔镀以与可以用于构成金属层的那些材料相似的材料。如果通孔穿过层板中的填充了的隙孔之一，通孔的内衬与其中钻制隙孔的层板电绝缘。如果通孔不穿过层板中的填充了的隙孔之一，通孔的内衬与该层板电接触。
选择其中要在PWB中钻井形孔的位置的方法的实施形式示于图11B。方法190包括第一步骤192，该步骤涉及创建PWB的结构模型。第二步骤194涉及在所述模型的最外金属层上添加铜之类的导热材料。向模型上添加导热材料使得导热材料不与添加该导热材料的金属层上构图的电路产生任何电接触。
一旦添加了导热材料，就在步骤196中确定井形孔的位置。井形孔的位置通过在PWB表面上选择在位于步骤194中添加导热材料的区域内的位置确定。如果孔的特定直径相当于可以钻穿PWB而不与PWB内部的金属层上构图的电路有任何相交的井形孔的直径，那么所述位置对所述井形孔来说就是适当的位置。否则，选取的位置就不适于钻井形孔的位置。要找出的位置的数量取决于需要从电路板的表面传导走的热量。
在层板中选择填充的隙孔的位置的方法的实施形式示出图11C中。方法200包括第一步骤202，该步骤涉及构建PWB的模型。通孔在PWB中的位置用于在步骤204中确定通孔与接地层或者电源层相交的位置。一旦确定了这些位置，在步骤206中就把隙孔的位置选择成通孔与接地层或者电源层的层板相交的位置和不希望镀通孔内衬与接地层或者电源层层板有电接触的位置。
内含根据本发明的层板和附加的含碳层的根据本发明的PWB示于图12中。PWB10`````具有第一层板120`、第二层板122`、附加的含碳层210、预浸渍材料层124`和金属层126`。优选地，第一层板形成接地层而第二层板形成电源层。附加的含碳层210不用作接地层或者电源层，并且与层板和金属层电绝缘。附加的含碳层增加了PWB的导热率和刚性并且改善了PWB的CTE。与用于构成图1所示的PWB10的层板、预浸渍材料层和金属层的那些材料相似的材料也可以用于构成图12所示的PWB10`````的层板、预浸渍材料层和金属层。附加的含碳层可以使用与那些可以用于构成图1中用标号12所示、图3中用标号12`所示、图4中用标号12``所示、图5中用标号12```所示和图6中用标号12````所示的层板的含碳层的材料相似的材料构成。
图12中的PWB10`````可以用与以上关于图11A-11C所述的那些方法相似的方法构成。仅有的区别是，在构成第三层板循环中使用的材料安排和在附加的含碳层210中也必须钻填充的隙孔，从而使附加的含碳层与存在于PWB中的任何通孔的内衬电绝缘。
尽管上述实施形式包括单个或者两个根据本发明的层板，领域内普通技术人员会理解可以构成包括三个或者更多上述方法的层板的PWB。
权利要求
1.预浸渍材料，含有浸渍导热树脂的基片。
2.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述基片材料包括碳。
3.如权利要求2所述的预浸渍材料，其特征在于，所述基片含有编织碳纤维。
4.如权利要求2所述的预浸渍材料，其特征在于，所述基片包括单向碳纤维。
5.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述基片包括玻璃纤维。
6.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述基片包括Kevlar纤维。
7.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述基片包括芳族聚酰胺。
8.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述基片包括石英。
9.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导热树脂含有氮化硼添加剂。
10.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导热树脂含有金刚石粉末添加剂。
11.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导热树脂含有氧化铝添加剂。
12.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导热树脂的导热率大于0.125W/m.K。
13.如权利要求12所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导热树脂的导热率大于2.5W/m.K。
14.如权利要求1所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导热树脂也是导电的。
15.如权利要求14所述的预浸渍材料，其特征在于，所述预浸渍材料的介电常数在1MHz大于6.0。
16.如权利要求14所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导电和导热树脂含有热解碳添加剂。
17.如权利要求14所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导电和导热树脂含有氧化银添加剂。
18.如权利要求14所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导电和导热树脂含有碳粉末添加剂。
19.如权利要求14所述的预浸渍材料，其特征在于，所述导电和导热树脂在1MHz的介电常数大于6.0。
20.层板，包括预浸渍材料，含有浸渍有导热树脂的基片；置于预浸渍材料之上的第一导电材料层；和置于预浸渍材料之下的第二导电材料层。
21.如权利要求20所述的层板，其特征在于，所述导热树脂的导热率大于0.125W/m.K。
22.如权利要求21所述的层板，其特征在于，所述导热树脂的导热率大于2.5W/m.K。
23.如权利要求20所述的层板，其特征在于，所述导热树脂也是导电的。
24.如权利要求23所述的层板，其特征在于，所述导电和导热树脂在1MHz的介电常数大于6.0。
25.层板，包括基片；置于基片上方的第一预浸渍材料层；置于基片下方的第二预浸渍材料层；置于第一预浸渍材料层之上的第一导电材料层；和置于第二预浸渍材料层之下的第二导电材料层；并且其中层板的介电常数在1MHz大于6.0。
26.如权利要求25所述的层板，其特征在于，所述预浸渍材料含有导电和导热的树脂。
27.如权利要求26所述的层板，其特征在于，所述预浸渍材料在1MHz的介电常数大于6.0。
28.如权利要求26所述的层板，其特征在于，所述导电和导热树脂在1MHz的介电常数大于6.0。
29.印刷布线板，包括导电和导热层板置于导电和导热层板上方的第一介电层；置于导电和导热层板下方的第二介电层。
30.如权利要求29所述的印刷布线板，其特征在于，所述导电和导热层板在1MHz的介电常数大于6.0；并且第一和第二预浸渍材料层在1MHz的介电常数大于6.0。
31.如权利要求29所述的印刷布线板，其特征在于，所述导电和导热层板配置为能承载足以使所述层板起印刷布线板中的接地层的作用的电负荷。
32.如权利要求29所述的印刷布线板，其特征在于，所述导电和导热层板配置为能承载足以使所述层板起印刷布线板中的电源层的作用的电负荷。
33.如权利要求29所述的印刷布线板，其特征在于，隔开所述导电和导热层板从而把所述导电和导热层板的第一部分配置为能承载足以使所述第一部分起印刷布线板中的电源层的作用的电负荷，并且把所述导电和导热层板的第二部分配置为能承载足以使所述第二部分起印刷布线板中的接地层的作用的电负荷。
34.如权利要求29所述的印刷布线板，其特征在于，所述导电和导热层板含有预浸渍材料，含有浸渍有导电和导热树脂的基片；置于预浸渍材料之上的第一导电材料层；和置于预浸渍材料之下的第二导电材料层。
35.如权利要求29所述的印刷布线板，其特征在于，所述导电和导热层板含有基片；置于所述基片之上的第一预浸渍材料层；置于所述基片之下的第二预浸渍材料层；置于所述第一预浸渍材料层之上的第一导电材料层；和置于所述第二预浸渍材料层之下的第二导电材层料；并且其中，层板的介电常数在1MHz大于6.0。
36.如权利要求29所述的印刷布线板，其特征在于，还包括至少一个附加的预浸渍材料层；至少一个附加的导电材料层；其中所述导电和导热层板、附加的预浸渍材料层和附加的导电材料层放置得彼此相邻；其中所述至少一个预浸渍材料层放置在每个附加的导电材料层之间，以及其中至少一个预浸渍材料层放置在每个附加的导电材料层与所述导电和导热层板之间。
37.如权利要求36所述的印刷布线板，其特征在于，还包括至少一个附加的导电和导热的层板；其中至少一个预浸渍材料层放置在每个附加的导电材料层和所述附加的导电和导热层板之间；并且其中至少一个预浸渍材料层放置在每个导电和导热层板之间。
38.如权利要求37所述的印刷布线板，其特征在于，还包括至少一个含碳层；其中至少一个预浸渍材料层放置在每个附加的导电材料层和所述含碳层之间；并且其中至少一个预浸渍材料层放置在所述导电和导热层板与所述含碳层之间。
39.如权利要求29所述的印刷布线板，其特征在于，所述印刷布线板包括多个有内衬的孔，所述的内衬孔从印刷布线板的表面延伸通过导电和导热层板。
40.如权利要求39所述的印刷布线板，其特征在于，所述有内衬的孔内衬是导热材料。
41.如权利要求40所述的印刷布线板，其特征在于，所述有内衬的孔内衬的导热率大于1.25W/m.K。
42.如权利要求41所述的印刷布线板，其特征在于，所述有内衬的孔内衬的导热率大于2.5W/m.K。
43.如权利要求39所述的印刷布线板，其特征在于，所述有内衬的孔内衬是导电和导热的材料。
44.如权利要求43所述的印刷布线板，其特征在于，所述有内衬的孔内衬是铜。
45.如权利要求37所述的印刷布线板，其特征在于，所述导电和导热层板还包括多个穿过所述印刷布线板延伸的通孔，用于提供至少两个所述层之间的电连接；所述通孔内的导电的内衬；和至少一个布置在导电的内衬与导电导热的层板之间的预先选择位置上的介电材料环。
46.如权利要求45所述的印刷布线板，其特征在于，所述环用介电常数在1MHz小于6.0的材料构成。
47.如权利要求46所述的印刷布线板，其特征在于，所述环用介电常数在1MHz小于4.0的材料构成。
48.如权利要求45所述的印刷布线板，其特征在于，所述的环防止在通孔的内衬与导电和导热层板之间不希望的电接触。
49.构成印刷布线板的方法，所述的印刷布线板具有在其外表面上构图的电路和在内部的传导材料层上构图的电路，包括步骤构造印刷布线板模型；确定印刷布线板外表面上不含构图的电路的部分；在所述确定的与在印刷布线板的内部层上构图的电路不产生不希望的电连接的部分上确定钻孔位置；构造印刷布线板使得所述的确定的部分镀有导热材料；在构成的印刷布线板上于所述确定的钻孔位置上钻孔；并且用导热材料为所述孔加衬。
50.构造印刷布线板的方法，所述的印刷布线板具有导电和导热层板、多个具有在其上构图的电路的导电材料层和连接所述导电材料层上的电路的加衬的通孔，包括步骤；构造印刷布线板模型；构造所述导电和导热层板；识别在其中加衬的通孔与所述的导电和导热层板相交的位置；在各个所述位置上确定在加衬的通孔的内衬与导电和导热层板之间是否希望有电连接；如果在所述的位置上不希望有电连接，就在所述导电和导热层板的所述位置上钻孔，并且用介电材料填充所述孔。
51.构成预浸渍材料的方法，包括步骤用导热树脂浸渍基片。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于，导热树脂也是导电的。
53.构成层板的方法，包括步骤用导热树脂浸渍基片以产生具有顶表面和底表面的预浸渍材料；和对所述预浸渍材料的上表面层压第一导电材料层，和对所述预浸渍材料的下表面层压第二导电材料层。
54.如权利要求53所述的方法，其特征在于，导热树脂也是导电的。
55.构成印刷布线板的方法，包括步骤构成具有上表面和下表面的导电和导热层板；对所述层板的上表面层压第一预浸渍材料层，和对所述层板的下表面层压第二预浸渍材料层。
全文摘要
本发明涉及预浸渍材料(124)、层板(120、122)、印刷布线板结构和方法，用于构成能够构成具有改善了的热特性的印刷布线板的材料和印刷布线板。在一个实施形式中，预浸渍材料包括浸渍有导电和导热树脂的基片(132)。在其它的实施形式中，预浸渍材料具有包括碳的基片材料。在其它的实施形式中，预浸渍材料包括浸渍有导热树脂的基片。在其它的实施形式中，印刷布线板结构包括可以起接地层和/或电源层作用的导电和导热层板。
文档编号H05K1/02GK1486245SQ01821947
公开日2004年3月31日 申请日期2001年12月11日 优先权日2000年12月12日
发明者卡卢·K·维索亚, 卡卢 K 维索亚, M 曼格罗利亚, 巴拉特·M·曼格罗利亚, E 戴维斯, 威廉姆·E·戴维斯, A 伯纳, 理查德·A·伯纳 申请人:施瑞迪克萨公司