CH657571A5 - Basismaterial insbesondere zur herstellung von gedruckten schaltungen. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Basismaterial, das insbesondere zur Herstellung von gedruckten Schaltungen geeignet ist.
Das erfindungsgemässe Basismaterial ist in Patentanspruch 1 definiert.
Im allgemeinen bestehen gedruckte Schaltungen aus einem elektrisch isolierenden Basismaterial mit einem oder mehreren darauf angebrachten elektrisch leitenden Schal-tungsmuster(n). Das verwendete Basismaterial besteht in der Regel aus einem faserverstärkten Hartpapier. Das elektrisch leitende Schaltungsmuster besteht aus einem Material wie Kupfer, Nickel, Kobalt, Silber oder Gold oder einem anderen geeigneten Metall.
Die Herstellung gedruckter Schaltungen vermittels stromloser Metallabscheidung auf Isolierstoffunterlagen ist allgemein bekannt. Zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Metallschicht auf der Isolierstoffunterlage sind verschiedene Vorbehandlungsschritte wie Quellen und Ätzen des Unterlagematerials bekannt geworden; ebenfalls ist es bekannt, die zu metallisierende Oberfläche vor der Metallabscheidung mit einem Gummipartikel enthaltenden Kunstharzfilm zu versehen. Die Gummipartikel sind durch geeignete Chemikalien oxidier- bzw. abbaubar. Derartige Verfahren werden seit Jahren in der Herstellung gedruckter Schaltungen erfolgreich angewendet. Ein Nachteil so hergestellter Schaltungen besteht aber in deren ausserordentlich geringem Oberflä-chenwiderstand, der sich insbesondere in modernen Schal2
tungen mit grösseren Anforderungen und höherer Leiterzugdichte nicht mehr als ausreichend erwiesen hat.
Die bisher benutzten Verfahren zur Verbesserung der Haftfähigkeit von Metallniederschlägen auf Isolierstoffun-s terlagen werden noch deutlicher bei genauer Betrachtung des verwendeten Basismaterials. Zur Herstellung gedruckter Schaltungen mit ausreichender Haftfestigkeit auf der Unterlage werden im allgemeinen zwei Gruppen von Haftvermittlern verwendet: Die erste Gruppe besteht aus einem Gemisch io von Phenol- und Epoxidharzen, die fein verteilte Kunstgummipartikel enthalten wie Butadiene und Akrylobutadie-ne. Diese Kunstgummis werden von oxidierenden Chemikalien, wie beispielsweise Chromsäure oder Permanganat,
leicht angegriffen, im Gegensatz zu den genannten Harzen. 15 Nach einer solchen oxidierenden Behandlung ist deshalb die Oberfläche des Substrates mikroporös und zur stromlosen Abscheidung von Metallschichten auf dieser mit oder ohne nachfolgende Elektroplattierung geeignet.
Eine zweite Gruppe von allgemein geeigneten Haftver-20 mittlem auf harzimprägnierten Hartpapierunterlagen besteht aus bestimmten Epoxypolysulfonharzen; diese Haftvermittlergruppe wird auch als Einphasenmaterial bezeichnet. Bei Verwendung derartiger Materialien muss vor dem Ätzschritt mit oxidierenden Chemikalien vorbehandelt wer-25 den, um in der Materialoberfläche Bezirke oder Zentren zu schaffen, die durch die oxidierenden Reagenzien besonders leicht angegriffen werden, was in der Regel durch Behandeln der Oberfläche mit geeigneten organischen Lösungsmitteln geschieht. Dieses Verfahren ist allgemein als Quell- und Ätz-30 technik bekannt geworden.
Bei Verwendung dieser Quell- und Ätztechnik wird die Oberfläche beispielsweise eines glasfaserverstärkten Hartpapiers zunächst mit einem organischen Lösungsmittel und anschliessend mit einem starken Oxidationsmittel wie Chrom-35 säure behandelt; da durch die Behandlung mit dem Lösungsmittel in der Oberfläche Bezirke geschaffen werden, die durch die Säure besonders leicht angreifbar sind, wird auf diese Weise eine mikroporöse, hydrophile Oberfläche geschaffen, die für die Verankerung der nachfolgend stromlos 40 abgeschiedenen Metallschicht geeignet ist. Bei ausschliesslicher Verwendung dieser Technik erhält man keinen ausreichenden Oberflächenwiderstand, da während des Ätzschrittes die Säure so tief in das Hartpapier eindringt, dass die Glasfasern freigelegt werden können und eine gewisse Leit-45 fahigkeit auf deren Oberfläche oder in den entstehenden Hohlräumen ausgebildet wird. Um diesem Mangel zu begegnen, wurde vorgeschlagen, Hartpapiere mit besonders dicken Harzschichten zu verwenden, mit denen Oberflächenwiderstände bis zu 100 000 Megohm erzielt wurden. Die so gleichmässige Aushärtung derartiger Materialien hat sich aber in der Praxis als recht schwierig erwiesen und verlangt vom Hersteller eine ständige Überwachung des Aushärtevorgangs, was die Massenherstellung unwirtschaftlich macht. Ein weiterer Nachteil derartiger Basismaterialien be-55 steht auch darin, dass beim Lötvorgang in verhältnismässig grossen metallisierten Bezirken das Metall eine nicht ausreichende Haftfestigkeit auf der Unterlage aufweist.
Es ist weiterhin bekannt, bestimmte Kunststoffmaterialien für Dekorationszwecke mit einer Metalloberfläche nach 6o vorheriger Behandlung der Oberfläche mit einem starken Oxidationsmittel zu versehen. Zu den Kunststoffen, die bisher erfolgreich mit Metallüberzügen versehen wurden, gehören Akrylnitrilbutadienstyrene, Polyphenylenoxide, Polysulfone, Polycarbonate und Nylon. Akrylnitrilbutadienstyrene 65 wurden bereits als Filmmaterial für die Herstellung von gedruckten Schaltungen vorgeschlagen, haben sich aber als ungeeignet erwiesen, da die Haftfestigkeit der Metallschicht auf der Unterlage nur etwa 1 Newton/mm betrug und derartige
Schaltungsplatten den beim Lötvorgang auftretenden Temperaturen nicht widerstehen.
Gegossene Polysulfone wurden nur in sehr beschränktem Umfang als Basismaterial zur Herstellung von gedruckten Schaltungen verwendet und können bisher nur im Hochfrequenzbereich angewendet werden, da dort die niedrige Dielektrizitätskonstante sowie der Verlustfaktor von grossem Vorteil sind. Ausserdem beschränken erhebliche Herstellungsschwierigkeiten und der hohe Preis den Anwendungsbereich dieser Materialien sehr.
Schliesslich sind gegossene Polysulfone auch deshalb als Basismaterial für gedruckte Schaltungen ungeeignet, weil sie während der Herstellung der Schaltplatte mindestens zweimal, vorzugsweise aber viermal oder noch öfter entspannt werden müssen, und jeder einzelne dieser Vorgänge 2 bis 4 Stunden dauert. Ausserdem muss dieser Entspannungsvorgang sehr sorgfältig durchgeführt werden, da das Material bei «Über-Entspannung» brüchig wird.
Nach der vorliegenden Erfindung werden Basismaterialien insbesondere für gedruckte Schaltungen zur Verfügung gestellt, die nicht nur eine gute Haftfestigkeit der auf ihnen abzuscheidenden Metallschichten erzielen, sondern deren Oberfläche auch für die Metallabscheidung aus stromlos arbeitenden Bädern sensibilisiert werden kann, die ausserdem grosse Widerstandsfähigkeit aufweisen und sich auch für die Herstellung von Vielebenen-Schaltungen mit leitfähigen Verbindungen eignen.
Die mit erfindungsgemässen Basisplatten herstellbaren Schaltungsplatten haben einen grossen Oberflächenwiderstand, ausgezeichnete Haftfestigkeit des Metallniederschlages auf der Kunststoffträgerplatte und sind sehr hitzebeständig, so dass sie ohne Schwierigkeit einem Massenlötvorgang ausgesetzt werden können. Das Verfahren zu ihrer Herstellung ist einfach und erforderliche Reparaturen können auch im Gebrauch sehr einfach durchgeführt werden.
Ebenfalls sind diese Platten als Mehrebenen-Schaltungsplatten mit gesteuerter Impedanz für schnelle Schaltungen zu verwenden.
Die erfindungsgemässen Basismaterialplatten weisen alle zuvor beschriebenen Eigenschaften auf und eignen sich sowohl für die Herstellung von metallisierten Gegenständen als auch für die Herstellung von gedruckten Schaltungen. Weitere Einzelheiten sind der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Das erfindungsgemässe Material enthält eine Unterlage und eine mindestens auf einer Oberfläche des Unterlagematerials befestigte, vorzugsweise vorgeformte, thermoplastische Folie aus einem temperaturbeständigen, hochpolyme-ren, organischen Material aus der Reihe der aromatischen Polymere. Das Material widersteht den gewöhnlich beim Massenlötverfahren auftretenden Temperaturen und verändert sich beim Lötvorgang nicht.
Die erfindungsgemässen Basismaterialplatten werden z.B. entsprechend den folgenden Verfahrensschritten hergestellt: Mindestens eine Oberfläche des Unterlagematerials aus Metall oder Kunststoff wird mit einer vorgeformten Folie aus einem thermoplastischen Material aus der Reihe der aromatischen Polymere versehen und ist weitgehend hitzebeständig, so dass es bei den Temperaturen, wie sie im allgemeinen bei Massenlötungen auftreten, nicht angegriffen wird. Der Schichtkörper wird sodann unter Anwendung von Druck und Temperatur verfestigt.
Derartige Trägerplatten weisen weder bei der Herstellung noch im Gebrauch Brüchigkeit auf, und die aus ihnen gefertigten Schaltungen zeichnen sich durch einen sehr grossen Oberflächenwiderstand aus.
Die auf mindestens einer oder mehreren Oberf!äche(n) mit der vorgeformten Folie versehene Platte kann zusätzlich
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einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, die aus einem «Quell-Schritt» mit einem organischen Lösungsmittel und einem Oxidierungsschritt mit beispielsweise Chromsäure besteht.
s Auf der so vorbehandelten Oberfläche kann nach bekannten Verfahren stromlos Metall niedergeschlagen werden; die stromlos abgeschiedene Metallschicht kann, falls erwünscht, durch Elektroplattierung verstärkt werden.
Die erfindungsgemässe Trägerplatte eignet sich weiterhin io ausgezeichnet für die Herstellung gedruckter Mehrebenenschaltungen. Auf die zuvor beschriebene fertiggestellte Schaltungsplatte wird in diesem Fall die vorgeformte Kunststoff-Folie aufgebracht, und zwar entweder auf der gesamten Oberfläche oder nur auf den Bezirken, die mit Leiter-ls zügen versehen sind. Die Oberfläche der aufgebrachten Folie kann, wie zuvor beschrieben, durch einen Quellschritt und einen Oxydationsschritt vorbehandelt werden, und anschliessend kann auf die so vorbehandelte Oberfläche ein weiteres Schaltungsmuster durch stromlose Metallabschei-20 dung nach bekannten Verfahren aufgebracht werden, das, falls erwünscht, galvanisch verstärkt werden kann. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden, bis die gewünschte Anzahl von Leiterzugebenen erreicht ist. Falls erwünscht, können die einzelnen Leiterzugebenen durch Lö-25 eher verbunden werden, die die Leiterzüge durchdringen und deren Innenwandung nach bekanntem Verfahren metallisiert ist.
Eine weitere Möglichkeit der Verbindung der einzelnen Leiterzugebenen besteht darin, dass die Leiterzüge an den 30 Verbindungspunkten entweder nicht mit Folie überzogen werden oder diese nachträglich entfernt wird.
Weitere Ausführungsformen werden durch die weitere Beschreibung noch erläutert.
Der Ausdruck «B-Zustand» in dieser Beschreibung be-35 zeichnet den Zustand der Wärmehärtung, in dem die Vernetzung der aktiven Moleküle bereits begonnen hat, aber noch nicht alle Moleküle in den Vernetzungsprozess eingetreten sind. In diesem Zustand kann das Harz durch Wärmeeinwirkung noch erweicht werden.
40 Der Ausdruck «C-Zustand» bezeichnet den Zustand, in dem alle zur Verfügung stehenden Moleküle vernetzt sind, das Harz voll ausgehärtet und weitgehend unlöslich und unschmelzbar ist.
Die erfindungsgemässen Basismaterialien bedeuten ge-45 genüber den derzeit verwendeten einen grossen Fortschritt. Die auf die Unterlage aufzubringende Folie besteht aus einem thermoplastischen, organischen, aromatischen Polymer und hat eine Schichtdicke von vorzugsweise nicht weniger als 10 (xm, beispielsweise über 25 um, und vorzugsweise über so 50 Jim; im allgemeinen liegt die Schichtdicke unter 500 Jim, beispielsweise unter 125 um, und vorzugsweise unter 75 (im.
Auf die im «B-Zustand» befindliche Unterlage aus z.B. einem glasfaserverstärkten Hartpapier werden im allgemeinen eine oder mehrere Kunststoff-Folien auflaminiert, und 55 unter Druck und Hitze ausgehärtet, so dass ein widerstandsfähiges Unterlagematerial für die Herstellung einer gedruckten Schaltung entsteht.
Die erfindungsgemässen Basismaterialplatten haben eine weitgehend ebene Oberfläche zur Aufnahme einer gedruck-60 ten Schaltung.
Die erfindungsgemässen verwendeten, vorzugsweise vorgeformten, thermoplastischen Folien sind im allgemeinen von weitgehend einheitlicher Schichtdicke, die zwischen 10 und 500 um liegen kann. Das verwendete thermoplastische 65 Material gehört zu den aromatischen Polymeren und widersteht im allgemeinen einer Temperatur von 245 °C für mindestens 5 Sekunden. Die Unterlage kann aus glasfaserverstärkten, ausgehärteten Harzen bestehen.
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Mindestens eine der Oberflächen der Unterlage ist mit der erfindungsgemässen Folie versehen; die Aushärtung erfolgt vorzugsweise zwischen ebenen Druckplatten unter Anwendung von Druck und Hitze.
Derartige, aus Unterlage und aufgebrachter Folie bestehende Schichtplatten sind zur Herstellung gedruckter Schaltungen ausgezeichnet geeignet.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist das erfindungsgemässe Schichtmaterial bestehend aus Unterlage und Folie mit einer auf der polymeren, plastischen Folie liegenden Metallschicht versehen und mit dieser fest verbunden. Die Oberfläche der thermoplastischen Folie dient in diesem Fall als Haftvermittler zwischen Unterlage und Metallschicht. So kann eine Metallfolie unter Anwendung von Druck und Hitze mit der mit der thermoplastischen Folie versehenen Unterlage verpresst werden.
Ein anderer Weg, die Oberfläche mit einer Metallschicht zu versehen, besteht darin, sie mit einem Quell- und einem Oxidations-Schritt entsprechend vorzubehandeln, in bekannter Weise für die stromlose Metallabscheidung zu sensi- 20 bilisieren und anschliessend auf ihr stromlos Metall abzuscheiden.
Als Verwendung wurde bereits die Verwendung der erfindungsgemässen Träger für Mehrebenen-Schaltungen erwähnt. In diesem Fall kann eine auf mindestens einer Oberfläche mit einer Schaltung versehene Platte mit einer beispielsweise aus einem Polysulfon bestehenden Kunststoff-Folie überzogen werden; die Oberfläche der die Schaltung bedeckenden Polysulfonfolie wird mit einem organischen Lösungsmittel behandelt und anschliessend einem Oxidationsmittel ausgesetzt, wodurch ihre Oberfläche hydrophil und mikroporös gemacht wird. Anschliessend kann nach bekanntem Verfahren stromlos Metall aufgebracht werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemässen Basismaterials ist jedes wärmeaushärtbares Harz geeignet, vorausgesetzt,
dass es die gewünschten Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel sind folgende wärmeaushärtbare Harze geeignet: Allylphthalate, Furane, Allylharze, Glyzerylphthalate, Silikone, Polyakrylsäureester, Phenolformaldehyde und Phe-s nolfurfurale allein oder in Verbindung mit Akrylnitril-butadienstyren, Copolymeren, Ureaformaldehyd, Melamin-formaldehyd, modifizierten Methakrylaten, Polyester und Epoxidharzen.
Phenolformaldehyde können verwendet werden, wenn io die Anforderungen nicht sehr hoch sind, während Epoxidharze bei hohen Anforderungen bevorzugt werden. Die Imprägnierung des Fasermaterials oder des Hartfasergewebes kann nach bekannten Verfahren durchgeführt werden. Die Harze können in jeder Form verwendet werden, aber in der 15 Regel eignet sich am besten ein Lack, in welchem die Harze durch ein entsprechendes Lösungsmittel verdünnt vorliegen. Der Harzanteil im Lack ist im allgemeinen nicht kritisch; er liegt im allgemeinen zwischen 35 und 70 Gew.%, vorzugsweise zwischen 35 und 55 Gew.%.
Der Isolierstoffträger muss nicht aus organischem Material bestehen. Anorganische Isolierstoffkörper wie Tone, Keramik, Ferrite, Karborundum, Glas und Steatite sind ebenfalls geeignet.
Weiterhin können auch metallische Träger verwendet 25 werden, die mit der Kunststoff-Folie versehen werden, und zwar mit oder ohne Zwischenschicht aus einem thermoplastischen Harz oder einem harzimprägnierten Material.
Für die thermoplastischen Folien eignen sich nur die hitzebeständigen thermoplastischen Polymere aus der aromati-30 sehen Reihe, die sich selbst beim Massenlöten bei Temperaturen von 245 °C für die Dauer von 5 Sekunden weder zersetzen noch verändern.
Hierzu eignen sich besonders Polykarbonate und Poly-sulfon-Polymerisate, die aus den folgenden Molekülen beste-35 hen:
0
II
S
Ò
1
y oder der Polyäthersulfon-Polymerisate aus den folgenden Molekülen:
r
0
0
0
und Polyphenylsulfone.
Wie die oben aufgeführte Formel zeigt, ist in den Poly-sulfonen jeder aromatische Ring mit einem S02 verbunden. (Diese Bindung wird auch als Sulfonbindung bezeichnet.) Die gleiche Sulfonbindung liegt auch in den Polyäthersulfo-nen vor.
Einige dieser thermoplastischen Materialien in Blatt-, Stab- oder Folienform können durch eine geeignete Behandlung in ihren Oberflächeneigenschaften so verändert werden, dass eine stromlos aufgebrachte Metallschicht fest verankert wird. Derart mit einer metallischen Oberfläche versehene thermoplastische Materialien haben in der Industrie weite Anwendung gefunden, beispielsweise im Automobilbau und für elektronische Bauteile, medizinische Geräte und derglei-
55 chen. Die Polysulfone werden allgemein in verschiedene Klassen eingeteilt, die sich durch Festigkeit, Formstabilität und Stabilität gegenüber Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüssen unterscheiden.
Gewisse Polysulfone bleiben über Jahre selbst bei Ein-60 Wirkung von kochendem Wasser oder Dampf unverändert und verändern ihre Eigenschaften in Temperaturbereichen von — 100° bis +150 °C nicht. Sie können bei einer Belastung von 1,8 MPa Temperaturen bis zu 174 °C ausgesetzt werden. Langfristiges Altern bei Temperaturen von 65 150—200 °C hat wenig Einfluss auf die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Polysulfone.
Die Polysulfone werden in der Regel durch eine Kern-substitutions-Reaktion zwischen Natrium-2,2-bis-(4-hydro-
xyphenyl)propan und 4,4'-Dichlordiphenylsulfon hergestellt. Zur Unterbrechung des Polymerisationseffektes werden z. B. die Natriumphenoxidgruppen mit Methylchlorid zur Reaktion gebracht, wodurch nicht nur das gewünschte Molekulargewicht erzielt, sondern gleichzeitig auch die thermische Stabilität verbessert wird.
Die chemische Struktur der Polysulfone ist durch die Diarylgruppe charakterisiert mit einer typischen Resonanzstruktur, in der die Sulfone versuchen, aus den Phenylringen Elektronen abzuziehen. Die Resonanz wird durch die in Pa-rastellung befindlichen Sauerstoffatome noch verstärkt. Aus der Resonanzstruktur, in der die Elektronen durch Resonanz gebunden sind, ergibt sich die grosse Oxidationsbestän-digkeit der Polysulfone, die dadurch, dass der Schwefel in seiner höchsten Oxidationsstufe vorliegt, noch verstärkt wird.
Die hohe Resonanz hat noch zwei weitere Vorteile: sie erhöht die Bindungsfestigkeit zwischen den einzelnen Gruppen und hat eine ebene Konfiguration zur Folge, wodurch selbst bei hohen Temperaturen die Steifigkeit des Materials gewährleistet wird.
Die Ätherbindung verleiht der Polymerkette eine gewisse Flexibilität und damit dem Material grosse Widerstandsfähigkeit. Die die Benzolringe verbindenden Sulfon- und Ätherbindungen sind nicht hydrolysierbar, was sich in der hohen Stabilität der Polysulfone gegenüber wässrigen Säuren und Alkalien zeigt.
Für die vorliegende Erfindung sind beispielsweise Polysulfone mit mittlerem und höherem Molekulargewicht brauchbar sowie solche mit noch höherem Molekulargewicht, die Mineralien-Einschlüsse enthalten; diese eignen sich insbesondere zur Verwendung bei der Herstellung von Gegenständen mit metallbeschichteten Oberflächen.
Polykarbonate sind lineare, fein-kristalline Polymere mit hohem Molekulargewicht (ca. 18.000) und Karbonatradikalen als Verbindungsglieder. Polykarbonate weisen eine Reihe sehr wünschenswerter Eigenschaften auf:
(1) sehr hohe Schlag/Biegefestigkeit, verbunden mit grosser Duktilität;
(2) ausgezeichnete Dimensions-Stabilität mit gleichzeitig sehr geringem Wasseraufnahmevermögen (0,35% bei Wasser von Zimmertemperatur; kochendes Wasser verursacht ebenfalls keine grösseren Veränderungen als 1/1000);
(3) die Erweichungstemperatur liegt bei ca. 135 °C;
(4) hervorragende Temperaturbeständigkeit, insbesondere auch bei oxidativem Abbau bei hohen Temperaturen; und
(5) hohen elektrischen Widerstand.
Polyphenylenoxide können durch oxidative Kupplung von Phenolen hergestellt werden, worunter verstanden werden soll, dass man Sauerstoff mit aktiven Wasserstoffen zur Reaktion bringt und die Verbindung der einzelnen Monomeren unter Wasserabspaltung erfolgt. Hat das Monomer einen aktiven Wasserstoff, so entstehen Dimere, hat es zwei oder mehrere Wasserstoffe, so setzt sich die Polymerisation fort. Polyphenylenoxid ist durch seine symmetrische Struktur, schwache polare Gruppen, ein widerstandsfähiges Phe-nylenoxid-Rückgrat, hohe Glastransformations-Temperatur von 21 °C charakterisiert. (Zwischen —273 °C bis +210°C treten keine weiteren Transformationen auf.) Polyphenylenoxide weisen eine Reihe positiver Eigenschaften auf wie z.B.:
(1) Temperaturbeständigkeit von —180° bis + 180°C;
(2) ausgezeichnete Hydrolyse-Beständigkeit;
(3) hohe Dimensions-Stabilität bei sehr geringer Wasseraufnahme, geringer Kriechdehnung und hohem Elastizitätsmodul; und
(4) ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften im Temperaturbereich zwischen —180° und +180 C.
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Die erfindungsgemässen auflaminierten thermoplastischen Polymer-Filme haben sich für die Herstellung gedruckter Schaltungen als ausgezeichnete Unterlage bewährt; die erfindungsgemässen Basismaterialien sind nicht nur zu-5 verlässiger, sondern auch den bisher verwendeten harzreichen, Gummipartikel enthaltenden Haftvermittlern weit überlegen. Die Oberflächen der Folienmaterialien können nach den in der Technik bekannten Verfahren vor dem Aufbringen der Metallschicht chemisch vorbehandelt werden, io wodurch eine sehr gute Haftfestigkeit der Metallschicht auf der Oberfläche erzielt wird. Die Schichtdicke der Folien ist weitgehend gleichmässig.
Es ist allgemein bekannt, dass die hitzebeständigen Polymere und insbesondere die Polysulfone eine verhältnismässig ls lange, zweite Ausheizzeit erfordern, um keine Spannungsrisse aufzuweisen. Empfehlenswert ist eine Ausheizzeit von 2—4, vorzugsweise sogar von 9 Stunden bei 170 °C, vor der Weiterverarbeitung. Ein weiteres Ausheizen wird vor der chemischen Vorbehandlung der Oberfläche erforderlich. Wie 2o später noch beschrieben wird, werden zweckmässigerweise das Auflaminieren des Films und das Ausheizen im gleichen Verfahrensschritt vorgenommen. Es wurde festgestellt, dass das erfindungsgemässe verwendete Folienmaterial beim Auflaminieren, insbesondere, wenn es aus Polysulfonen besteht, 25 entspannt wird, was den oben beschriebenen zweiten Ausheizvorgang überflüssig macht.
Nach einer bevorzugten Herstellungsmethode werden die imprägnierten Platten der Isolierstoffunterlage auf die entsprechend vorgeformten Folienabschnitte gebracht und mit 3o diesen unter Hitze und Druckeinwirkung verpresst, beispielsweise bei einer Temperatur von 160 °C, einem Druck von 1,4 MPa für eine Zeit von bis zu 60 Minuten. Die Lami-nierung kann in einer der üblichen Pressen vorgenommen werden, wie sie auch zur Herstellung harzimprägnierter 35 Hartpapiere dienen, mit möglichst plangeschliffenen Pressplatten. Der Vorgang dauert vorzugsweise zwischen 10 und 60 Minuten bei Temperaturen zwischen 120 und 180 °C und einem Druck zwischen 1,5 und 10 MPa.
Die erfindungsgemässen Basismaterialien mit auflami-40 nierter Folie können auch hergestellt werden, indem beispielsweise die Unterlage in einen Polysulfonkleber getaucht und anschliessend mit der vorbereiteten Folie bedeckt wird. Ein derartiger Polysulfonkleber kann beispielsweise aus einer Lösung von 2—5% Polysulfon in Methylenchlorid be-45 stehen. Die Haftfestigkeit der Folien auf der Unterlage bei Verwendung derartiger Kleber ist sehr gut. Des weiteren kann eine Polysulfonkleberschicht auch auf der Unterlage und die Polysulfonfolie aufgebracht werden; nach einer Trocknungszeit von etwa 15 Minuten kann die Laminierung so unter Druck von 3,5 MPa für 5 Minuten erfolgen.
Die nach den oben beschriebenen Verfahren hergestellten Basismaterialien können beispielsweise für die Herstellung gedruckter Schaltungen verwendet werden.
Auf eine oder mehrere der Folienoberflächen kann ein 55 dünner Metallfilm aufgebracht, mit dieser fest verbunden und so ein Laminat gebildet werden. Die erfindungsgemässen Basismaterialien können für Ein-, Zwei- oder Mehrebenen-Schaltungen verwendet werden, mit oder ohne durchplattierte Löcher, wie im folgenden noch beschrieben wird. 6o Zur Herstellung von gedruckten Schaltungen nach dem sogenannten «Semi-Additiv»-Verfahren wird das erfindungsgemässe Basismaterial zugeschnitten und durch Bohren oder Stanzen mit Löchern versehen. Anschliessend wird die Oberfläche vorgeätzt oder geschmirgelt. Es wird ange-65 nommen, dass eine solche Vorbehandlung vor dem eigentlichen Ätzschritt in manchen Fällen der Vorbehandlung mit einem Lösungsmittel vorzuziehen ist. Ein solches Schmirgeln kann beispielsweise mit einem geeigneten Schleifmittel wie
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Quarzsand, Karborundum oder Aluminiumoxid durchgeführt werden. Die so vorbehandelte Oberfläche wird dann einem Oxidationsmittel ausgesetzt, wodurch eine Aktivierung der Oberfläche erzielt wird.
Eines der üblichen stromlos Metall abscheidenden Bäder wird zum Herstellen eines dünnen leitenden Kupferniederschlages auf der aktivierten Oberfläche und gegebenenfalls gleichzeitig auf den Lochwandungen verwendet. Im Seidensiebdruckverfahren wird eine Resistschicht aufgebracht, die ein Negativbild des erwünschten Schaltbildes darstellt und die leiterzugfreien Bezirke abdeckt.
Die Resistschicht wird ausgehärtet und die Leiterzüge in den nichtabgedeckten Bezirken werden galvanisch aufgebaut. Anschliessend wird die Abdeckmaske entfernt und die dünne, darunter liegende Kupferschicht weggeätzt. Als Abdeckmaske kann auch ein Photoresist verwendet werden.
Ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung von Metallschichten auf Isolierstoffunterlagen ist das sogenannte «Voll-Additiv»-Verfahren. Hierbei wird das erfindungsgemässe Basismaterial, das beispielsweise aus einem mit Epoxidharz imprägnierten Hartpapier und einer Polysulfon-, Polysulfonäther- oder Polykarbonatfolie bestehen kann, mit Löchern versehen; die Oberfläche des Materials sowie die Lochwandungen werden, wie vorstehend beschrieben, vorbehandelt. Anschliessend wird die Oberfläche mit einer wässrigen Lösung einer reduzierbaren Kupferverbindung behandelt und getrocknet.
Ein Abbild der gewünschten Schaltung wird vermittels UV-Bestrahlung, entweder durch Projektion oder Kontaktdruck auf der sensibilisierten Unterlage hergestellt; anschliessend wird eine Metallschicht, beispielsweise Kupfer, stromlos in den durch die UV-Bestrahlung aktivierten Bezirken sowie auf den Lochwandungen abgeschieden. Die stromlose Metallabscheidung wird solange fortgesetzt, bis die Leiterzüge die gewünschte Schichtdicke erreicht haben.
Im allgemeinen ist es ratsam, die Oberfläche des thermoplastischen Filmes mit einem Lösungsmittel vor oder während des Ätzschrittes vorzubehandeln wie beispielsweise Di-methylformamid, Azetophenon, Chloroform, Cyclohexa-non, Chlorbenzol, Dioxan, Methylenchlorid und Tetrahy-drofuran.
Je nach Art des verwendeten Filmmaterials kann es erforderlich sein, zur vorübergehenden Polarisation der Oberfläche weitere Lösungsmittel zu verwenden, wie beispielsweise saures Natriumfluorid, Chlor- oder Fluorwasserstoffsäure, Chromsäure, Borate, Fluorborate und Soda oder Mischungen davon.
Die üblicherweise zum Ätzen von Kunststoffen wie Akrylnitrilbutadienstyren verwendeten Lösungen eignen sich ebenfalls für Polysulfone; eine typische Chromsäure-Ätzlösung besteht aus 60% H2SO4; 10% H3PO4; 1% Cr03 und 29% H20. Während des Ätzvorganges wird das Cr+6 zu Cr+3 reduziert.
Wenn der grösste Teil des Chroms reduziert ist, ist die Lösung unbrauchbar, weshalb die Lösung möglichst viel Chrom enthalten sollte. Wird jedoch Dimethylformamid zur Vorbehandlung verwendet, bewirken Lösungen mit einem Gehalt von Chromsäure über 3% eine sichtbare Rissigkeit der Oberfläche und schlechte Haftfestigkeit des Metalls auf dieser. Vorzugsweise wird deshalb zur Ätzbehandlung von Polysulfonen die folgende Mischung vorgeschlagen (Angaben in Gewichtsprozent):
55,9% Schwefelsäure (96%)
10,4% Phosphorsäure (85 — 87%)
3,0% Cr03
30,7% Wasser
In einem weiteren «Voll-Additiv»-Verfahren wird wie folgt vorgegangen: nachdem die Oberfläche durch entsprechende Vorbehandlung polar und mikroporös gemacht wurde, wird sie nach einem der üblichen Verfahren mit Zinn(II)chlorid und Palladium(II)chlorid für die Metallabscheidung aus stromlos arbeitenden Bädern sensibilisiert. Dann wird eine permanente Abdeckmaske aufgedruckt, die die zu metallisierenden Bezirke frei lässt. Die Maske wird ausgehärtet und anschliessend werden die von der Maske nicht bedeckten Bezirke sowie die Lochwandungen stromlos verkupfert.
Die erfindungsgemässen Basismaterialien können auch durch katalytisch wirkende Beimischungen sensibilisierend auf die stromlose Metallabscheidung wirken, was einen besonderen Katalysierungsschritt erübrigt.
Bei der Verwendung des erfindungsgemässen Basismaterials für gedruckte Schaltungen wird vorzugsweise von einer harzimprägnierten, faserverstärkten Hartpapierplatte ausgegangen.
Neben den beschriebenen Isolierstoffen eignen sich aber auch Metallplatten als Unterlage für das erfindungsgemässe Basismaterial, beispielsweise Aluminium- oder Stahlplatten, die mit einer Isolierstoffschicht aus der vorgeformten thermoplastischen Polymer-Folie überzogen werden. Soll eine solche Platte mit Löchern versehen werden, so ist es zweckmässig, zunächst die Löcher zu bohren und anschliessend die Kunststoffschicht aufzubringen.
Unter anderem ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung von Schaltungsplatten aus Metall, auf denen die stromlos abgeschiedenen Metallschichten wie beispielsweise Kupfer, Nickel, Gold galvanisch verstärkt sind, und zwar entweder mit dem gleichen Metall oder mit Kupfer, Nickel, Silber, Gold, Zinn und Rhodium oder auch Legierungen der genannten Metalle. Die galvanischen Verfahren zur Aufbringung solcher Schichten sind dem Fachmann bekannt.
Die Erfindung wird durch die Beschreibung der Zeichnungen noch deutlicher.
Die Figuren 1 — 3 stellen Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen auf Unterlagen aus Isolierstoffbasis dar.
Fig. 4 stellt eine Vorrichtung dar zur Herstellung des neuen Basismaterials.
Fig. 5 stellt die Vorrichtung zur Herstellung des Basismaterials unter Verwendung von Polysulfonfolien dar.
Fig. 1A zeigt eine Basismaterialplatte 10 aus einem Kern 12 aus wärmeaushärtbarem Harz und einer Deckschicht aus vorgeformter Polysulfonfolie 14. Das Kernmaterial 12 enthält eine Beimischung, die katalytisch auf die Abscheidung von Metall aus stromlos arbeitenden Bädern wirkt; die Deckfolie 12 enthält ebenfalls eine solche Beimischung. In Figur 1B die Platte 10 bereits mit den Löchern 16 und 18 versehen.
Die Platte 10 wird einer Vorbehandlung in einem Lösungsmittel unterzogen und anschliessend einer Ätzlösung ausgesetzt, die aus 20 g/1 Cr03,350 mg/1 H2S04, und 50 g/1 NaF bei einer Temperatur zwischen 45 und 65 °C besteht.
Der Ätzschritt dient der Freilegung der katalytisch wirksamen Partikel sowie der Aktivierung und wird in Fig. IC dargestellt. In Fig. 1D wird die Platte 10 nach dem Aufbringen des Photoresists 24'gezeigt, das zum Abdecken der nicht zu metallisierenden Bezirke dient. Anschliessend wird in den nicht abgedeckten Bezirken sowie auf den Wandungen der Lochungen 16 und 18 der Platte 10 stromlos Kupfer abgeschieden und so die Leiterzüge 22 hergestellt, deren Schichtdicke etwa 35 um beträgt. (Vgl. Fig. IE.) In Figur 1F ist die Platte 10 nach dem Entfernen der Abdeckmaske 24 gezeigt. Auf die soweit fertiggestellte Platte 10 kann eine Lötmaske 30 aufgedruckt werden, die die Löcher 16 und 18 frei lässt. (Fig. IG.)
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In Figur 2 wird ein Verfahren zur Herstellung von Viel-ebenenschaltungen nach der «Additiv»-Technik dargestellt.
In Figur 2A wird das Schaltungsmuster 102 auf der Basismaterialplatte 100 festhaftend angebracht.
Eine vorgeformte Polysulfonfolie 104 wird auf die gedruckte Schaltung 102 auflaminiert (Fig. 2B), anschliessend wird ein Loch 106 durch die Polysulfonfolie 104, die gedruckte Schaltung 102 und das Basismaterial 100 gebohrt (Fig. 2C).
Die Oberfläche der Polysulfonfolie 104 wird dann, wie zuvor beschrieben, einer Vorbehandlung zur Haftverbesserung unterzogen und für die stromlose Metallabscheidung nach bekannten Verfahren mit einer Lösung von Sn(II)-Pd(II)chlorid sensibilisiert. Fig. 2D zeigt die so vorbereitete Platte nach dem Aufbringen einer Abdeckmaske aus Photo-resist 110. Die von der Maske freigelassenen Bezirke 104 sowie die Lochwandungen 106 werden stromlos verkupfert; die Dicke der Kupferschicht 112 beträgt 35 um (Fig. 2E). Figur 2F zeigt die fertige Mehrebenenschaltung nach dem Entfernen der Abdeckmaske 110.
In Figur 3 wird ein Verfahren zur Herstellung von Vielebenen-Schaltungen nach der sogenannten «Semi-Additiv»-Methode dargestellt. Das Basismaterial 200 ist zweiseitig mit einer Kupferschicht 201 versehen (Fig. 3A). Nach allgemein bekannten Druck- und Ätz-Verfahren wird eine erste oder innere Schaltung 202 hergestellt und mit einer vorgeformten Polysulfonfolie 204 abgedeckt (Fig. 3B). In die Platte 200 wird ein Loch 216 gebohrt und diese anschliessend einer Vorbehandlung zur Haftverbesserung unterzogen und für die Metallabscheidung aus stromlos arbeitenden Bädern katalytisch sensibilisiert. Ein Kupferfilm 211 wird stromlos auf der Oberfläche 204 und der Lochwandung 216 abgeschieden, wobei die Kupferschichtdicke etwa 2 [im beträgt (Fig. 3C). Eine Photoresist-Abdeckmaske wird aufgedruckt, und in den den Leiterzügen entsprechenden unmaskierten Bezirken wird galvanisch eine Kupferschicht 212 in einer Schichtdicke von 35 (im abgeschieden (Fig. 3D).
In Fig. 3E ist die Abdeckmaske entfernt und der 2 |im Kupferfilm 211 unter der Abdeckmaske mit einem geeigneten Ätzmittel weggeätzt.
Figur 4 zeigt die Herstellung einer Basismaterialplatte 10. Es sind die Einspeiswalzen 100,102 und 104 dargestellt. Auf der Walze 100 ist ein flexibles Trägermaterial 106 von ca. 1,6 mm Dicke aufgespult. Der Träger kann ein Glasfasergewebe, ein nicht-gewebtes Glas, Dacron, Rayon oder Zellulosepapier sein, das mit Harz, vorzugsweise mit einem wär-meaushärtbaren Harz wie Epoxidharz, imprägniert ist. Es können aber auch andere thermoplastische Materialien wie Polyimide und Polykarbonate verwendet werden. Auf der Walze 102 ist eine 1—5 mm dicke thermoplastische Folie 108 aufgespult. Auf der Walze 104 ist ebenfalls eine thermoplastische Folie in einer Stärke von 1 — 5 mm aufgespult. Die thermoplastische Folie kann beispielsweise aus einem Poly-sulfon, einem Polyäthersulfon oder aus Polykarbonat bestehen.
Ebenfalls werden die Laminierungswalzen 110 gezeigt, die das Laminiergut mit Druck und Hitze beaufschlagen. Die Laminiertemperatur liegt zwischen 160—200 °C, der Druck bei 30—400 N/mm. Nach Durchlaufen der Walzen 110 ist das erfindungsgemässe flexible Basismaterial fertiggestellt.
In Fig. 5 wird die Herstellung einer Basismaterialplatte aus einem nicht flexiblen Trägermaterial 12, beispielsweise einem 8 mm dicken faserverstärkten Epoxylaminat gezeigt.
Die Einspeiswalzen 100,102 und 104 sind dargestellt, wobei auf den Walzen 102 und 104 die thermoplastische Folie 108 in einer Stärke von 1 —5 mm aufgespult ist. Ebenfalls gezeigt sind die Laminierungswalzen 110, die das Laminier-
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gut mit Wärme und Druck beaufschlagen. Die Laminiertemperatur liegt zwischen 160 und 200 °C und der Druck zwischen 30—400 N/mm. Das Isolierstoffunterlagematerial 12 wird durch die Walzen 110 geführt und die thermoplastische 5 Folie 108 auf die gegenüberliegenden Seiten des Trägers 12 auflaminiert; so entsteht das Basismaterial 10. Falls erwünscht, kann das Trägermaterial 12 vor dem Auflaminie-ren der thermoplastischen Folie mit einem Polysulfonkleber beschichtet werden.
io Die nachfolgenden Beispiele zeigen einige Ausführungsformen zur Herstellung des erfindungsgemässen Basismaterials.
Beispiel 1
Ein 8-schichtiges und mit 45—55% Epoxyharz imprä-i5 gniertes Glasfasergewebe wird in einer Laminierungspresse beidseitig mit einer vorgeformten 50 um dicken Polysulfonfolie versehen und mit dieser fest verbunden. Die Polysulfonfolie wurde aus Udel P-1700 Polysulfonharz hergestellt. Die Laminierungstemperatur betrug 175 °C und der Druck 20 4,2 MPa; die Verweildauer in der heissen Presse betrug 15 Minuten. Danach wurde die Presse abgekühlt und die Basismaterialplatte herausgenommen.
In den folgenden Verfahrensschritten wurde auf diesem Basismaterial eine gedruckte Schaltung hergestellt: 25 ( 1 ) In die Platte werden Löcher gebohrt;
(2) Die Bohrrückstände werden durch Bürsten entfernt (nach dem Bohren war weder ein Entspannungs- noch Ausbackvorgang erforderlich);
(3) Die Platte wird für 3 bis 6 Minuten in eine wässrige 30 Dimethylformamid-Lösung getaucht (Dichte der Lösung
0,955 bis 0,965);
(4) Die Platte wird 45 Sekunden in heissem Wasser gespült;
(5) Die Plattenoberfläche wird zur Verbesserung der
35 Haftfestigkeit mit der folgenden Lösung bei 55 °C für 7 Minuten behandelt;
Cr03 20 g/1
H3PO4 100 ml/1
H2S04 600 ml/1
40 FC-98+ 0,5 g/1
+FC-98 ist ein anionischer Perfluoroalkylsulfonat-Benetzer
(6) Die Platte wird in Wasser gespült;
(7) Das 6-wertige Chrom wird mit einer Lösung aus 10% H202 und 15% H2S04 neutralisiert;
45 (8) — (11) Die Platte wird in Wasser gespült und mit einer der üblichen Sensibilisierungslösungen aus Zinn(II)- und Palladium(II)chlorid behandelt;
als Beschleuniger dient eine 5%ige HBF4-Lösung;
(12) Kupfer wird stromlos bis zu einer Stärke von 2,5 |xm 50 abgeschieden;
(13)—(14) Die mit der Kupferschicht versehene Platte wird in Wasser gespült und bei 125 °C für 10 Minuten getrocknet.
Das so hergestellte Basismaterial wird zum Herstellen ei-55 ner gedruckten Schaltungsplatte nach einem der bekannten Verfahren verwendet; beispielsweise wird eine Abdeckmaske aufgedruckt und das Schaltbild durch galvanische Verkupferung hergestellt; die Abdeckmaske wird anschliessend entfernt und die darunter befindliche dünne Kupferschicht weg-60 geätzt.
Die so hergestellte Schaltung weist eine Haftfestigkeit (Abzugsfestigkeit) von 1,7 N/mm auf der Unterlage auf.
Beim Löt-Test wurde die Schaltung für 10 Sek. mit geschmolzenem Lötzinn von 260 °C in Kontakt gebracht. Bei 65 der anschliessenden genauen Untersuchung konnte festgestellt werden, dass weder Blasenbildung noch ein Ablösen der Schicht von der Unterlage eingetreten war; die Schaltung war von einwandfreier Beschaffenheit.
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8
Beispiel 2
Das Beispiel 1 wird mit verringertem Druck in der Lami-nierungspresse (nur 2,8 MPa) und längerer Verweilzeit (1 Stunde) unter sonst gleichen Bedingungen wiederholt. Die Abzugsfestigkeit (Haftfestigkeit) beträgt 2,4 N/mm, das Ergebnis der Lötprobe war, bei mehr als 10 Sek., ebenso einwandfrei wie bei der nach Beispiel 1 hergestellten Schaltplatte.
Beispiel 3
Das Beispiel 1 wird mit nochmals verringertem Druck von nur 1,4 MPa und einer Verweilzeit in der Laminierungs-presse von 5 Minuten durchgeführt; anschliessend wurde die Platte für eine Stunde in einem Heissluftofen getempert. Die Abzugsfestigkeit (Haftfestigkeit) auf der Unterlage betrug in diesem Fall 1,9 N/mm.
Beispiel 4
Ein glasfaserverstärktes Epoxidhartpapier mit einer beidseitig aufkaschierten Kupferfolie von 35 |im Dicke wird zum
Herstellen einer gedruckten Schaltung nach konventionellem Druck- und Ätzverfahren verwendet.
Auf das so hergestellte Schaltbild wird ein Polysulfonkleber aufgebracht und luftgetrocknet; anschliessend wird die Oberfläche mit einer vorgeformten 75 [im dicken Polysulfonfolie beidseitig abgedeckt und die Folie in einer Laminie-rungspresse unter Einwirkung von Druck (1,4 MPa) bei 175 °C und einer Verweilzeit in der Presse von 10 Min. auflaminiert. In die so vorbereitete Platte werden Löcher gebohrt und der Bohrstaub abgebürstet. Auf den mit der Polysulfonfolie abgedeckten Oberflächen werden gemäss dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren Vielebenen-Schaltungen hergestellt.
Beispiel 5
Auf ein mit Epoxidharz imprägniertes Glasfasergewebe wird beidseitig eine 25 um dicke Polysulfonfolie in einer La-minierungspresse bei 2,8 MPa und 175 °C und einer Verweilzeit in der Presse von 10 Minuten auflaminiert. Das so hergestellte flexible Basismaterial eignet sich ausgezeichnet für die Herstellung flexibler gedruckter Schaltungen.
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4 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Basismaterial insbesondere für die Herstellung gedruckter Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Unterlage enthält, die mindestens auf einer ihrer Oberflächen mit einer thermoplastischen, organischen, temperaturbeständigen Kunststoff-Folie versehen und mit dieser festhaftend verbunden ist, und dass diese Folie aus einem aromatischen Polymer besteht, das den beim Massenlöten auftretenden hohen Temperaturen widersteht und sich während des Lötvorganges weder zersetzt noch verformt.
2. Basismaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die thermoplastische Polymerfolie bei einer Temperatur von 245 °C nach mindestens 10 Sekunden weder zersetzt noch verformt.
3. Basismaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Unterlage fest verbundene Polymerfolie vorgeformt ist und eine Schichtdicke zwischen 20 und
500 (im aufweist.
4. Basismaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine solche ist, wie sie aus einem Polymer aus der Gruppe der Polysulfone, Poly-carbonate oder Polyäthersulfone erhältlich ist.
5. Basismaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlagematerial aus Isolierstoff besteht.
6. Basismaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlagematerial aus Metall besteht.
7. Basismaterial nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterlagematerial ein faserverstärktes, harzimprägniertes Hartpapier ist.
8. Basismaterial nach den Ansprüchen 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest in bestimmten Bereichen auf der mit der thermoplastischen Folie bedeckten Oberfläche zusätzlich mit einer fest auf dieser Folie haftenden Metallschicht versehen ist.
9. Basismaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Folie festhaftende Metallschicht eine stromlos abgeschiedene Metallschicht ist, welche galvanisch verstärkt ist.
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