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Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltung Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer gedruckten Schaltung die eine isolierende
Grundplatte und auf der Oberfläche der Grundplatte verlaufende Verbindungsleitungen
mit Anschlußbuchsen umfaßt, wobei die Anschlußbuchsen durch Galvanisieren gebildet
werden.
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Es ist ein derartiges Verfahren bekannt, bei dem auf der Oberfläche
der Grundplatte zunächst die Verbindungsleitungen ausgebildet werden. Auf diese
Oberfläche wird nun eine isolierende Abdeckung gebracht, woraufhin an den Stellen,
an denen Anschlußbuchsen ausgebildet werden sollen, die Grundplatte mit den Verbindungsleitungen
und der Abdeckung durchbohrt wird. Diese Bohrungen werden anschließend ebenso wie
die Oberfläche der Abdekkung vollständig galvanisiert.
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Nunmehr- wird die Abdeckung sowie der ganze über die Grundplatte und
die Verbindungsleitungen in die Abdeckung hineinragende Teil der Galvanisierung
von der Wand der Bohrung entfernt. Von der Auskleidung der in die Abdeckung hineinragenden
Bohrung bleibt also nichts übrig. Die verbleibenden Anschlußbuchsen bestehen allein
aus der Auskleidung der Bohrungen innerhalb der Grundplatte und den Verbindungsleitungen.
Der durch Galvanisieren in der Abdeckung gebildete Teil der Anschlußbuchsen wird
mit der Abdeckung abgenommen.
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Eine derart ausgebildete Anschlußbuchse ist für das Anlöten eines
Anschlußdrahtes nach einem der bekannten Lötverfahren geeignet. Sie eignet sich
aber nicht zum Anschweißen des Anschlußdrahtes, weil die Wände der Anschlußbuchse
nicht von außen zugänglich sind, so daß keine Schweißelektrode angesetzt werden
kann.
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Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Ausarbeitung eines Verfahrens
zur Herstellung einer gedruckten Schaltung od. dgl. der eingangs angegebenen Art,
bei dem die gebildeten Anschlußbuchsen zum Anschweißen der Anschlußdrähte geeignet
sind.
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Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die
Galvanisierung an einer abnehmbaren Form erfolgt und die Form nach beendigter Galvanisierung
von den gebildeten Anschlußbuchsen abgenommen wird, so daß Anschlußbuchsen entstehen,
die über die Plattenoberfläche vorstehen.
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An die so gebildeten Anschlußbuchsen können nach dem Einführen eines
Anschlußdrahtes in einfacher Weise beiderseits Schweißelektroden angelegt werden.
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Es kann eine positive oder eine negative Form verwendet werden, d.
h. entweder eine Form mit Vorsprüngen oder eine Form mit Ausnehmungen für die Ausbildung
der Anschlußbuchsen. Die Form kann je nach dem Werkstoff, aus dem sie besteht, von
den fertigen Anschlußbuchsen und den. Verbindungsleitungen bzw. der Grundplatte
abgezogen oder auch z. B. durch Ausschmelzen oder Auslösen zerstört werden.
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Die Erfindung wird nun im einzelnen an Hand der Zeichnung beschrieben.
Hierin ist F i g. 1. ein teilweise geschnittenes Schrägbild einer Vorrichtung zur
Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, F i g. 2 ein Schnitt durch die Grundplatte
der F i g. 1 nach dem Aufbringen der leitenden Schichten, F i g. 3 ein Schnitt entsprechend
F i g. 2 nach weiteren Bearbeitungsvorgängen, F i g. 4 ein Schnitt entsprechend
F i g. 2 nach dem Einsetzen der Anschlußdrähte,
F i g. 5 ein Schrägbild
zweier aufeinandergestapelter gedruckter Schaltkreise, die mittels der hergestellten
Anschlüsse verbunden sind, F i g. 6 ein Fließdiagramm des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens,
F i g. 7 ein Fließdiagramm eines vollständigen Herstellungsverfahrens für einen
gedruckten Schaltkreis gemäß der Erfindung, F i g. 8 ein Schrägbild einer Matrize,
in der Formen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung gegossen werden
können, F i g. 9 eine in der Matrize nach F i g. 8 gegossene Form, F i g. 10 ein
stark vergrößerter Schnitt einer mit der Form nach F i g. 9 hergestellten Anschlußbuchse,
F i g, 11 eine Ansicht eines nach der Erfindung hergestellten gedruckten Schaltkreises
und F i g. 12 ein Schnitt längs der Linie 12-12 in F i g. 11 mit einem angeschweißten
Bauteil.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
wird an Hand der F i g. 1 bis 4 beschrieben. F i g. 1 zeigt eine Werkzeugmatrize
11 aus geeignetem Material wie Stahl, Aluminium od. dgl., die eine Anzahl von Löchern
15,15' und 15" aufweist. Ort und Durchmesser dieser Löcher sind entsprechend der
gewünschten Stelle der Anschlußbuchsen und der Dicke der anzubringenden Drähte gewählt.
Die Löcher in der Matrize 11 sind eingesenkt, so daß sich Abschrägungen 15 und 17
ergeben, um scharfe Kanten zu vermeiden und eine gleichmäßige Schichtdicke bei der
Galvanisierung zu erzielen, wie es bei der Herstellung gedruckter Schaltkreise bekannt
ist.
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Ein ModellierstofE wird in die Matrize 11 eingegossen, eingepreßt
od. dgl., um eine Form 12 zu bilden, an der die Schaltungselemente ausgebildet werden
können. Die Form 12 kann aus irgendeinem nachgiebigen Kunststoff oder gummiartigen
Stoff wie Silikongummi od. dgl. bestehen, der sich leicht der Matrize anschmiegt
und leicht aus dieser gelöst werden kann. So wird die Form 12 mit Zapfen 13 und
14 in F i g. 1 geformt, deren Größe und Ort der Größe und dem Ort der zu bildenden
Anschlußbuchsen entsprechen. Die Höhe der Zapfen 13 und 14 ist durch die Dicke der
für die Matrize 11 verwendeten Platte bestimmt. Eine zweite Platte 10 dient zum
Verhindern des Austretens des ModellierstofEes aus den Löchern 15, 15' und
15".
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F i g. 2 zeigt die Form 12 nach der Entnahme aus der Matrize 11 und
nach dem Aufbringen mehrerer leitender Schichten 18, 19 und 20 in
noch zu beschreibender Weise. Diese Schichten beschreiben die Gestalt der gewünschten
Leitungsverbindungen mit den gleichzeitig ausgebildeten Buchsen, welche die Zapfen
13 und 14 einschließlich der Stirnflächen 21 und 22 umhüllen.
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In F i g. 3 ist die Form 12 entfernt worden, und die gebildeten Leitungsverbindungen
wurden auf eine elektrisch isolierende Grundplatte 26 aus Glasfaser, Phenolharz
od. dgl. aufmontiert. Dies kann z. B. durch Aufkleben geschehen. Die bei der Galvanisierung
ausgebildeten Hohlkehlen, z. B. die Hohlkehle 25 am Zapfen 14, verstärken die Festigkeit
des Zapfens 14. Wie F i g. 3 zeigt, ist die Stirnfläche 21 des Zapfens 13 abgeschnitten
worden oder abgeschliffen worden, so daß sich eine offene Buchse 23 ergibt, durch
die ein Anschlußdraht hindurchgesteckt werden kann. Die Stirnfläche 22 wird in gleicher
Weise abgenommen. Anschließend werden noch Löcher in der Grundplatte 26 an den Stellen
der Buchsen gebohrt.
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Das fertige Schaltbrett 33 ist in F i g. 4 gezeigt. In der Grundplatte
26 sind inzwischen die Löcher hinter den Buchsen ausgestanzt worden, so daß Drähte
27 und 28 durch die Buchsen 23 und 24 hindurchgesteckt werden können.
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Zur Herstellung des elektrischen Anschlusses werden die Elektroden
31 und 32 eines Schweißapparates an die Außenfläche der Buchse 24 angelegt und ein
Stromstoß hindurchgeschickt.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Buchsen haben gegenüber Lötösen
den Vorteil, daß die verschweißte Fläche etwa doppelt so groß ist. Es bilden sich
gleichzeitig zwei Schweißperlen 29 und 30. Gleichzeitig ist es unerheblich, an welcher
Stelle die Schweißelektroden 31 und 32 angesetzt werden. Man braucht also der Anbringung
der Schweißelektroden keine besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Da außerdem die
Schweißelektroden stets das gleiche Material, nämlich die Außenfläche der Buchse
berühren, ist ein Wechsel der Schweißelektroden für verschiedene Arten von Anschlußdrähten
nicht erforderlich.
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F i g. 5 zeigt beispielsweise einen Teil einer fertigen Modulschaltung
55, die unter Verwendung der Erfindung aufgebaut ist. Sie besteht aus mehreren aufeinandergestapelten
gedruckten Schaltbrettern 40 und 41, deren Schaltungskreise durch Verbindungsleitungen
47 und 54 verbunden sind. Die Schaltbretter 40 und 41 tragen Verbindungsleitungen
42 bis 46, die mit den erfindungsgemäß hergestellten Anschlußbuchsen versehen sind.
Diese sind gleichzeitig mit den Verbindungsleitungen hergestellt.
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So besteht beispielsweise die Leitungsverbindung 44 auf dem Schaltbrett
41 aus einem Stück mit zwei Anschlußbuchsen 13 und 14. Der Anschlußdraht 49 von
einem nicht dargestellten elektronischen Bauteil geht durch die Buchse 13 hindurch
zu einer weiteren Buchse an der Leitungsverbindung 42 auf Schaltbrett 40. Ebenso
ist der Anschlußdraht 53 mittels der Buchse 14 mit der Leitungsverbindung 44 verbunden.
Die Verbindung der Drähte 49 und 53 mit den Buchsen 13 und 14 geschieht in an sich
bekannter Weise durch Schweißen, vorzugsweise durch Hochfrequenzschweißung. Dagegen
ist das bisher meist angewandte Verfahren der Anbringung von Lötösen an den einzelnen
Anschlußstellen zeitraubend, weil jede einzelne Lötöse besonders angebracht werden
muß, beansprucht viel Platz und ist für Hochfrequenzschweißung weniger geeignet,
weil keine genügende Steifheit und Zuverlässigkeit der Verbindung erzielt wird.
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F i g. 6 zeigt im Fließdiagramm die einzelnen Schritte des Verfahrens
zur Herstellung von Verbindungsleitungen, während F i g. 7 das Fließdiagramm eines
vollständigen Herstellungsverfahrens für eine gedruckte Schaltung zeigt.
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Die Formherstellung 60 bezieht sich auf die Herstellung der Form 12
gemäß F i g. 1 aus einem Material wie Silikongummi od. dgl. mit Hilfe der Platte
10 und der Matrize 11, die Löcher entsprechend der Form und Verteilung der Anschlußbuchsen
aufweist.
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Die nachfolgende Verfahrensstufe 61 bezieht sich auf die Aufbringung
verschiedener leitender Schichten auf die Form 12 nach Entnahme aus der Matrize
11. Die Ausbildung, Verteilung und die verwendeten Stoffe der Schichten hängen weitgehend
von dem ins Auge gefaßten Anwendungszweck ab.
Falls die Anschlüsse
später angeschweißt werden sollen, empfiehlt sich die Verwendung von spannungsfreiem
Nickel für die zu verschweißenden Teile, also die Anschlußdrähte und die Anschlußbuchsen.
In diesem Fall wird man für die Schichten 18, 19 und 20 in F i g. 2 bis 4 nacheinander
Silber, Kupfer und Nickel wählen. Zunächst wird also die Form 12 in bekannter Weise,
vorzugsweise elektrodenlos versilbert. Der Silberüberzug 18 bildet dann die leitfähige
Schicht, auf der eine dünne Kupferschicht 19 galvanisch niedergeschlagen werden
kann.
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Anschließend wird die Nickelschicht 20 im gewünschten Muster auf photographischem
Wege aufgebracht. Hierzu wird zunächst die gesamte Kupferschicht 19 mit einem photographisch
empfindlichen Abdeckmaterial überzogen und dann mit dem Bild der gewünschten Leitungsverteilung
belichtet. Nach dem Entwickeln ergibt sich eine Platte, bei der die photographische
Schicht diejenigen Stellen frei läßt, die vernickelt werden sollen. Anschließend
erfolgt die Vernickelung beispielsweise in einem Elektrolysebad.
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Nun folgt die Stufe 62, die aus der Entfernung der Stirnflächen der
Anschlußbuchsen besteht, so daß später die Anschlußdrähte hindurchgesteckt werden
können. Dies kann durch Abschleifen gemäß F i g. 3 geschehen.
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Die Stufe 63 besteht in der Entfernung des gedruckten Schaltkreises
und der daran hängenden Anschlußbuchsen von der Form 12. Dies läßt sich meist einfach
durch Abschälen der gebildeten Leitungsplättchen von der Form 12 bewerkstelligen.
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In Stufe 64 wird schließlich das äußere Überzugsmaterial entfernt,
um ein Fertigprodukt zurückzulassen, daß nur noch aus den Verbindungsleitungen und
den daran hängenden Anschlußbuchsen besteht. Zu diesem Zweck wird die Anordnung
mit einer Lösung behandelt, welche die photographische Schicht auflöst, während
die unerwünschten Kupfer- und Silberschichten durch entsprechende Ätzmittel entfernt
werden können. Damit ist die Leitungsverbindung fertig. Eine große Anzahl solcher
Schaltungselemente kann gleichzeitig hergestellt werden und ist nur durch die Abmessungen
der Form 12 begrenzt.
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F i g. 7 zeigt eine Abänderung des Verfahrens nach F i g. 6, wonach
ein ganzes gedrucktes Schaltbrett auf dem erfindungsgemäßen Wege hergestellt wird.
Die Stufen 60', 61' und 63' entsprechen den gleichbezeichneten Stufen 60, 61 und
63 in F i g. 6.
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Anschließend an die Entfernung der Form 12 werden die gebildeten Leiter
gemäß Stufe 65 auf einer Unterlage, etwa der Unterlage 26 in F i g. 3 und 4 angebracht.
Hierzu kann ein beliebiger Klebstoff dienen. Nun erst werden die unerwünschten Schichtteile
entsprechend Stufe 64' entfernt, woraufhin die Stirnflächen gemäß Stufe 62' von
den Anschlußbuchsen abgenommen werden.
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Nach Stufe 66 werden Löcher in die Unterlage 26 gestanzt, die mit
den Löchern der Buchsen fluchten. Dies läßt sich mit Hilfe einer entsprechenden
Lehre erreichen.
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Gemäß Stufe 67 werden schließlich die einzelnen Platten der gedruckten
Schaltkreise auseinandergeschnitten, wenn eine große Unterlage 26 verwendet wurde,
auf der mehr als ein Schaltkreis gleichzeitig ausgebildet wurde. Dann können die
einzelnen Platten mittels einer Lehre aufeinandergestapelt werden, so daß sich eine
Anordnung nach F i g. 5 ergibt. Es sind selbstverständlich auch andere Metalle als
Silber, Kupfer und Nickel für die einzelnen Schichten anwendbar. So kann zwecks
besserer Löteigenschaft noch ein Goldüberzug angebracht werden, oder, falls überhaupt
nur Lötverbindungen ausgeführt werden sollen, kann der Nickelüberzug ganz weggelassen
werden.
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Wieerwähnt,wirdNickelwegenseinergutenSchweißeigenschaft als äußere
leitende Schicht vorgeschlagen. Die dünne Silberschicht 18 innerhalb der
Buchse 24
in F i g. 4 wird schon allein durch die Reibung des Anschlußdrahtes
27 bei dessen Einführung entfernt. Außerdem verschmilzt beim Verschweißen die äußere
Nickelschicht 20 durch die dünne Kupferschicht 10 hindurch mit dem Material des
Anschlußdrahtes 27, so daß ein guter elektrischer und mechanischer Kontakt unmittelbar
mit der äußeren Nickelschicht hergestellt wird. Auch kann natürlich die Reihenfolge
der Stufen 64' und 62' in F i g. 7 vertauscht werden. In diesem Fall werden die
Silber- und Kupferschichten innerhalb der Anschlußbuchsen bereits während des Ätzens
entfernt.
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Während bei der Ausführungsform nach F i g. 1 bis 7 eine Patrize als
Form verwendet wurde, auf der die Verbindungsleiter mit ihren Buchsen galvanisch
ausgebildet wurden, wird nun an Hand von F i g. 8 bis 12 eine andere Ausführungsform
der Erfindung beschrieben, die in der Anwendung einer Matrize als Form dient.
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F i g. 8 zeigt ein Werkzeug zum Gießen dieser Formen. Es besitzt eine
Grundplatte 112 mit vier Rahmenleisten 114, die etwas abgeschrägt sind, um die gegossene
Form leichter entnehmen zu können. Auf der Innenfläche 116 befindet sich
eine Anzahl Kerne 118. Das Werkzeug der F i g. 8 besteht vorzugsweise aus
Metall. Die Kerne können in entsprechende Löcher der Grundplatte 116 eingeschraubt
werden. Wenn ein Kern weggelassen werden soll, so kann eine Schraube mit ebener
Endfläche von unten in das Loch eingeschraubt werden. Statt des kleinen Werkzeuges
nach F i g. 8 wird man im allgemeinen größere und komplizierter aufgebaute Formen
für Schaltungsmuster verwenden.
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Mittels des Werkzeuges nach F i g. 8 wird eine Form 122 nach F i g.
9 gegossen. Diese weist Löcher 124 auf, die den Kernen 118 in F i g. 8 entsprechen.
Die Form 122 besteht aus Modellierwachs oder einem anderen Isoliermaterial mit niedrigem
Schmelzpunkt. Das Wachs oder sonstige Material wird flüssig in das Werkzeug nach
F i g. 8 eingegossen, und nach dem Festwerden wird das Werkzeug erwärmt und umgedreht,
so daß die Form herausfällt.
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Nun werden verschiedene Schichten auf die Form 122 aufgebracht. Wie
F i g. 10 zeigt, wird zunächst die Form 122 in dünner Schicht 126
verkupfert. Dies geschieht so, daß die Form 122 zunächst in eine entsprechende im
Handel erhältliche Lösung eingetaucht und chemisch verkupfert wird und dann diese
dünne Kupferschicht elektrolytisch verstärkt wird. Die Kupferschicht ist im ganzen
sehr dünn und hat eine Dicke von etwa 0,0025 bis 0,005 mm. Nun wird ein Teil der
verkupferten Fläche, der nicht weiter metallisiert werden soll, mit einer Abdeckung
versehen, während an anderen Stellen die Kupferschicht entfernt wird. In F i g.
10 erscheint die Abdeckung 128 an der Oberseite der Form 122, während an der Unterseite
130 der Kupferüberzug mechanisch durch Sanden oder Schleifen entfernt wurde.
Die
Abdeckung kann in bekannter Weise auf verschiedene Arten angebracht werden. So kann
eine deckende Färbe mit Siebdruck im gewünschten Muster aufgebracht werden. Auch
kann eine lichtempfindliche Abdeckung aufgesprüht werden und durch ein Negativ hindurch
mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Nach dem Entwickeln erhärtet die Abdeckung
an den Stellen, wo sie von ultraviolettem Licht getroffen wurde. Wenn sie anschließend
mit einem Lösungsmittel wie Trichloräthylen gewaschen wird, so lösen sich diejenigen
Stellen, die durch das Licht nicht gehärtet wurden, während die gehärteten Stellen
stehenbleiben.
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Nach der Aufbringung der Abdeckung 128 auf bestimmte Stellen der Form
1122 wird diese in dünner Schicht 134 vergoldet. Der Goldüberzug kann sehr dünn
sein und beträgt z. B. etwa 0,001 mm. Bei der galvanischen Vergoldung schlägt sich
das Gold nur auf den frei liegenden Stellen des Kupfers nieder, nicht aber auf der
Abdeckung. Anschließend wird eine kräftige Nickelschicht 136 galvanisch auf dem
Gold angebracht.
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Die Stärke derselben beträgt vorzugsweise 0,08 bis 0,25 mm, kann aber
je nach dem Anwendungszweck auch andere Werte annehmen. Schließlich wird noch eine
weitere dünne Goldschicht 138 auf der Nickelschicht 136 niedergeschlagen.
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Nun wird die Grundplatte 140 des gedruckten Schaltkreises an der frei
liegenden Goldoberfläche 138 befestigt. Die Löcher 1.41 in der Grundplatte 140 sollen
hierbei mit den Löchern in der Form 122 fluchten. Vorzugsweise sind die Löcher in
der Grundplatte und der Form nach einem bestimmten Grundmuster verteilt. Die Befestigung
kann in irgendeiner bekannten Weise geschehen. Falls z. B. die Grundplatte 140 aus
einem glasfaserverstärkten Epoxyharz besteht, kann sie mittels eines trockenen Filmklebers,
der durch Druck und Hitze aktiviert wird, oder mittels eines Lösungsmittels oder
mittels eines Epoxyklebers an den frei liegenden Metallschichten der Form 122 befestigt
werden.
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Anschließend wird die Form 122 entfernt bzw. zerstört. Bei Wachs oder
einem anderen Material mit niedrigem Schmelzpunkt kann dies durch schwaches Erwärmen
geschehen, ohne daß hierbei die Grundplatte 140 beschädigt wird. Die Form 122 kann
aber auch aus nachgiebigem Stoff bestehen, so daß sie mechanisch von den Metallschichten
abgezogen werden kann, ohne diese zu beschädigen.
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Nach der Entfernung der Form 122 kann auch die Kupferschicht 126 durch
Ätzen entfernt werden. Hierzu dienen z. B. Ferrichlorid oder ein Gemisch von Chromsäure
und Schwefelsäure.
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Die Goldschichten 134 und 138 verhindern einen Angriff der Ätzlösung
auf die dicke Nickelschicht.
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F i g. 11 und 12 zeigen das fertige Schaltbrett mit der Grundplatte
140 und den galvanisch ausgebildeten Metallstreifen 142, 144 und 146. Von diesen
ragen die Anschlußbuchsen 148, 150 und 152 aus Nickel hervor. Diese Nickelbuchsen
dienen zum Anschweißen an die Anschlußdrähte von Bauteilen, die durch die Schaltbretter
hindurchgesteckt werden. Beispielsweise ist in F i g. 12 der Anschlußdraht 154 eines
Widerstandes 155 an den Punkten 156 und 158 mit der Buchse 152 verschweißt. Es bilden
sich auch hier Schweißperlen gemäß F i g. 4. Der andere Anschlußdraht 160 des Widerstandes
155 kann zu einem zweiten parallelen, in gleicher Weise gebildeten Schaltbrett führen.
Zwischen diesen Schaltbrettern sind dann die weiteren Bauelemente wie Transistoren,
Kondensatoren usw. angebracht.
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Die Form des Herstellungsverfahrens nach F i g. 8 bis 10 hat unter
anderem den Vorteil, daß die mit dem Schaltbrett verbundenen und an den Anschlußdraht
angeschweißten Flächen der Verbindungsleiter elektrolytisch rein und nicht verschmiert
sind. Ferner können photographische und Siebdruckverfahren angewandt werden.
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Statt der vollrunden Anschlußbuchsen könnten gegebenenfalls aus besonderen
Gründen auch nur teilweise geschlossene oder umrunde Buchsen Verwendung finden.
Als weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten seien beispielsweise folgende erwähnt: die
Formen können mechanisch bearbeitet statt gegossen werden, es kann eine Form mit
Fortsätzen verwendet werden, auf welche die Unterlage des gedruckten Schaltkreises
aufgeschoben wird, so daß die Anschlußbuchsen durch die Fläche der Unterlage hindurchgehen,
es kann Platin statt Gold zum Schutz des Nickels während des Ätzens verwendet werden,
der anfängliche Metallüberzug kann selektiv gelöst statt abgedeckt werden usw. Auch
kann die zerstörbare Form aus einem Material bestehen, das in einer Flüssigkeit
löslich ist, welche das goldüberzogene Nickel nicht angreift. Andererseits kann
sie aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt bestehen. In diesem Fall müßte nur
die Fläche 130 abgedeckt werden, und der Überzug 126 wäre nicht erforderlich.