DE1259989B - Verfahren zum Herstellen eines Metall-Thermoplast-Schichtstoffes fuer gedruckte Schaltungsplatten - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIb

Deutsche Kl.: 21c-2/34

Nummer: 1 259 989

Aktenzeichen: T 21370 VIII d/21 c

Anmeldetag: 4. Januar 1962

Auslegetag: 1. Februar 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Metall-Thermoplast-Schichtstoffes für gedruckte Schaltungsplatten, bei dem auf der einen Oberfläche zweier dünner Metallfolien Oxydüberzüge ausgebildet werden, und bei dem die Metallfolien unter Einwirkung von Wärme und Druck an die entgegengesetzten Oberflächen einer thermoplastischen Unterlage gebunden werden, wobei der Oxydüberzug der Folie mit den Oberflächen der Unterlage in Kontakt steht.

Gedruckte elektrische Schaltungsplatten, bei denen der Metall-Thermoplast-Schichtstoff, dessen Herstellung zuvor angegeben ist, Anwendung findet, tragen ein Muster aus verbliebenen Leitungsstücken, die selbst Schaltungselemente, wie Induktivitäten, Kondensatoren, Transformatoren und Filter darstellen. Beim Arbeiten im Mikro- bis Millimeterwellenbereich müssen an den Schichtstoff besondere Anforderungen gestellt werden. Geringfügige örtliche Dickenänderungen, Verwölbungen oder ein Verziehen führen zu einer unvorhersehbaren, unerwünschten Veränderung der erwarteten elektrischen Eigenschaften der Schaltungselemente. Die Stabilität der elektrischen Eigenschaften einer solchen Schaltungsplatte hängt aber in beträchtlichem Maß von der Konstanz der Abmessungen des Metall-Thermoplast-Schichtstoffes ab.

In dieser Hinsicht haben sich die Metall-Thermoplast-Schichtstoffe als besonders geeignet erwiesen, weil der Thermoplast geringe dielektrische Verluste und eine sehr geringe Neigung zur Absorption von Feuchtigkeit aufweist und sich außerdem hinsichtlich seiner Dielektrizitätskonstanten isotrop verhält. Da die Metallfolie einseitig oxydiert und mit dieser Seite unter Anwendung von Wärme und Druck mit einer thermoplastischen Unterlage verbunden ist, besteht keine Gefahr, daß sich die Metallteile ablösen.

Als Nachteil hat sich jedoch herausgestellt, daß sich insbesondere Schichtstoffe dieser Art, deren Dicke nicht übermäßig groß ist, verformen, wenn von der einen Breitseite der Platte mehr Metallfolie als von der anderen entfernt wird. Wenn z. B. die gesamte Metallfolie von der einen Breitseite der thermoplastischen Unterlage entfernt wird, so wölbt sich der Schichtstoff gleichförmig zu einer Seite hin. Wenn aber die Metallfolien ungleichmäßig und nur stellenweise von beiden Breitseiten entfernt werden, wie es meistens der Fall ist, so verzieht sich der gesamte Schichtstoff, wodurch die elektrischen Eigenschaften der einzelnen verbliebenen Metallstücke in unerwarteter Weise abgeändert werden.

Ein Ziel der Erfindung besteht daher darin, die Verfahren zum Herstellen

eines Metall-Thermoplast-Schichtstoffes

für gedruckte Schaltungsplatten

Anmelder:

Philip Tell, Summit, N. J. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. W. Schalk, Dipl.-Ing. P. Wirth,
Dipl.-Ing. G. Dannenberg
und Dr. V. Schmied-Kowarzik, Patentanwälte,
6000 Frankfurt, Große Eschenheimer Str. 39

Als Erfinder benannt:

Philip Tell, Summit, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 5. Januar 1961 (80 887)

Deformationen der Unterlage aus thermoplastischem Kunststoff auszuschalten, die beim Entfernen von Abschnitten der MetallfoHen auf der einen oder beiden Breitseiten der Unterlage auftreten und auf innere Spannungen zurückzuführen sind, die beim Aufbringen der Metallfolien unter Anwendung von Druck und Wärme in das Material hineingekommen sind.

Bei dem eingangs bezeichneten Verfahren wird gemäß der Erfindung der sich ergebende Schichtstoff einer Temperatur von —56 bis —196° C während einer Zeitspanne ausgesetzt, die zur Temperatursättigung des Schichtstoffes ausreicht.

Das eingangs bezeichnete Verfahren zum Herstellen eines Metall-Thermoplast-Schichtstoffes läßt sich zweckmäßig in der Weise durchführen, daß die Metallfolien an die entgegengesetzten Oberflächen der thermoplastischen Unterlage dadurch gebunden werden, daß zuerst ein dünner Thermoplastfilm unter Einwirkung von Wärme und Druck an den oxydierten Überzug jeder Metallfolie gebunden und dann eine thermoplastische Unterlage zwischen das kaschierte Metallplattenpaar gelegt wird, wobei die entgegengesetzten Flächen der Unterlage mit dem auf diese Weise an die Oxydüberzüge der Metallfolien gebundenen, dünnen Film in Kontakt stehen, und daß zur Bindung der Metallfolien an die Unterlage ein Druck auf das Metallplattenpaar ausgeübt wird, während die Anordnung erwärmt wird. Der fertige

709 747/407

Schichtstoff wird dann der erfindungsgemäßen Tem- unternommen, um die Stärke des Schichtstoffes genau peraturbehandlung unterworfen. zu regulieren, da es vor allem darauf ankommt, Die Metallfolien können Kupferfolien sein. Die einen Kunststoffüberzug auf die Oxydschicht zu brinthermoplastische Unterlage kann aus Polyäthylen be- gen und die parallele Orientierung der Preßplatten stehen, und der Schichtstoff kann einer Temperatur 5 während des Heißpreßverfahrens beizubehalten. Der von annähernd —196° C ausgesetzt werden. Schichtstoff, der die in F i g. 2 gezeigte Form hat, Wenn der Schichtstoff ein einziges Mal bei einer wird dann der Presse entnommen, und man läßt ihn Temperatur von —196° C behandelt wird, so wird praktisch auf Raumtemperatur abkühlen, er derart gestärkt, daß selbst bei Beseitigung der ge- Bei der zweiten Stufe des Verfahrens werden zwei samten Metallfolie auf der einen Breitseite keine Ver- io Schichtstoffe 13 mit den gegenüberliegenden Flächen formung auftritt. Wenn nur eine Temperatur von eines relativ dicken Substrates verbunden, nämlich — 57° C angewendet wird, so müssen, um dasselbe mit einer linearen Polyäthylenfolie, wie sie in Fig. 3 Ergebnis zu erzielen, eine längere Behandlungsdauer bei 14 gezeigt ist. Marktgängige Polyäthylenfolien oder mehrere Behandlungen nacheinander gewählt oder -platten weisen Stärkenunterschiede von vielen werden; der Schichtstoff muß also wechselweise einer 15 tausendstel Zentimetern auf, was bei der Arbeit mit Temperatur von —57° C und der Raumtemperatur Mikrowellen untragbar ist. Folglich wurde es für jeweils während einer Zeitspanne ausgesetzt werden, nötig befunden, von dem Material zunächst eine Folie die für die Temperatursättigung bei der betreffenden gewünschter Form zu schneiden, worauf durch geTemperatur ausreicht. eignete maschinelle Bearbeitung, wie Fräsen oder Zum besseren Verständnis ist ein Ausführungs- 20 Schleifen, ein Substrat hergestellt wird, das die gebeispiel der Erfindung im folgenden an Hand der wünschte und genau einheitliche Stärke aufweist. Zeichnungen näher erläutert, und zwar zeigt Vorzugsweise enthält das Substrat ein geeignetes Fig. 1 vergrößert einen Querschnitt durch die Antioxydationsmittel, wodurch die elektrischen und Metallfolie und den dünnen Plastik- bzw. Kunststoff- physikalischen Eigenschaften des fertigen Schaltungsfilm vor dem ersten Verbindungsvorgang, 25 trägers auf lange Jahre hinaus aufrechterhalten wer-F i g. 2 eine gleiche Ansicht wie F i g. 1 nach der den. Das Substrat wird dann bestrahlt, um insbeson-Verbindung, dere seine Wärmebeständigkeit durch molekulare

F i g. 3 eine ähnliche Ansicht von zwei dünnen, Vernetzung zu verbessern.

verbundenen Kupfer-Kunststoff-Platten und der ver- Eine Schichtung, wie in Fig. 3 gezeigt, von PoIyhältnismäßig schweren Kunststoffplatte, die das 30 äthylensubstrat 14 und zwei Kombischichten 13 wird Substrat darstellt, vor der zweiten Verbindung, und jetzt zwischen zwei parallele Platten gebracht und F i g. 4 eine gleiche Ansieht wie Fi g. 3 nach der Wärme und Druck ausgesetzt. In diesem Fall liegt Verbindung zum fertigen Träger für gedruckte Schal- die Temperatur zwischen 177 bis 218° C und der tungen oder Stromkreise. Druck im Bereich von etwa 1,75 bis 14 kg/cm². Diese Gemäß F i g. 1 umfaßt die Metallfolie eine Platte 35 Phase wird verhältnismäßig kurze Zeit aufrechterhalaus im wesentlichen reinem Kupfer 10, die entweder ten, ζ. B. 45 Sekunden lang, wenn das Substrat eine von einem Gußblock gewalzt ist oder elektrolytisch Stärke von 3,18 mm hat; für größere Stärken kann gewonnen ist. Die Kupferfolie kann jede Stärke die Zeit verlängert werden. Wichtig für diese Phase haben, obwohl die Stärke von etwa 0,066 mm die ist die Anwendung von genügend Wärme, um die in gebräuchlichste bei der Schaltung für Mikrowellen 40 Berührung stehenden Oberflächen des Polyäthylens ist. Die eine Seite der Kupferfolie ist durch chemi- gerade zu erweichen, also ihre Vernetzung zu bewirsche oder elektrolytische Verfahren mit einer konti- ken, ohne das gesamte Substrat zu erweichen. Günnuierlichen Schicht 11 aus Kupferoxydkristallen aus- stiger ist es, eine relativ niedrigere Temperatur für gebildet. Ein dünner Film 12 aus Mnearem Poly- einen längeren Zeitraum wirken zu lassen, jedoch äthylenkunststoff wird mit diesem Oxydüberzug ver- kann bei sorgfältiger oder automatischer Zeitkonbunden. Der Kunststoffilm hat eine anfängliche Stärke trolle durch Anwendung höherer Temperaturen Zeit von etwa 0,051 mm, obgleich diese Dimension zwi- gewonnen werden.

sehen 0,025 und 0,12 mm schwanken kann. Die mit Da in der zweiten Verfahrensstufe unter Verwender Oxydschicht versehene Kupferfolie und der dung nicht begrenzter, paralleler Platten mit einer Kunststoffilm werden zwischen flache Preßplatten ge- 50 Druck-Wärme-Phase nur das Erweichen der äußeren legt und gleichzeitig einer Temperatur im Bereich Oberfläche des Substrates bewirkt wird, behält das von 191 bis 270° C und einem Druck von 3,50 bis Substrat seine genaue ursprüngliche Stärke bei. In-14 kg/cm² für eine gewisse Zeit, beispielsweise etwa folgedessen hat der fertige Träger für gedruckte 5 Minuten, ausgesetzt, die ausreicht, um eine dauernde Schaltungen gemäß F i g. 4 eine dimensionale Stabi-Verbindung zwischen dem Kupferoxyd und den pola- 55 lität und Einheitlichkeit, die durch bekannte Methoren Gruppen des Kunststoffs durch teilweise Redulc- den nicht erreichbar sind. Es ist ersichtlich, daß ein tion des Kupferoxyds herzustellen. Dies ergibt einen Träger für eine gedruckte Schaltung gewünschter dünnen Schichtstoff oder Sandwich, wie er in F i g. 2 Größe und Form von relativ großen Trägerplatten dargestellt und mit 13 bezeichnet ist. der oben beschriebenen Art geschnitten werden kann. Es ist hier besonders darauf hinzuweisen, daß bei 60 Jeder Träger für gedruckte Schaltungen, der in dieser der Herstellung von Schichtstoffen, wie in F i g. 2, Weise hergestellt ist, weist einheitliche Stärke mit die Platten nicht wie im Fall einer Gußform ein- einer maximalen Abweichung von + 0,025 mm auf. geschlossen sind und die Anwendung von Temperatur Träger für gedruckte Schaltungen neigen zu De- und Druck ein Erweichen des Kunststoffilms bewirkt, formationen, wenn eine andere oder größere Kupferwodurch die Stärke des Films vermindert wird. Das 65 fläche von der einen Seite entfernt wird als von der überflüssige Material kann frei aus den Platten flie- anderen.

ßen, deren Fläche etwas größer ist als die der Kupfer- Die Möglichkeit solchen Verformens kann erfln-

folie. Bei dieser Stufe des Verfahrens wird nichts dungsgemäß dadurch beseitigt werden, daß der fer-

tige Schichtstoff einer Normalisierungsbehandlung unterworfen wird, um innere Spannungen zu beseitigen. Diese Behandlung besteht darin, daß der Träger relativ niedrigen Temperaturen etwa im Bereich von —57 und -196⁰C ausgesetzt wird. Es wurde herausgefunden, daß, wenn der Träger einer Temperatur von etwa —196° C bis zur Temperatursättigung ausgesetzt wird, eine einzige derartige Behandlung genügt, um den Träger so zu stärken, daß selbst nach Entfernen der gesamten Kupferfläche auf der einen Seite keine Verformung eintritt. Die Anwendung höherer Temperaturen von etwa — 57° C erfordert entweder eine längere Zeitdauer oder vorzugsweise mehrere Behandlungen, d. h. daß der Träger wechselweise einer Temperatur von — 57° C und Raumtemperatur ausgesetzt wird, und zwar jeweils für eine Zeitdauer, die für die Temperatursättigung bei den betreffenden Temperaturen reicht.

Ein zusammengesetzter Schichtstoff, der aus linearem Polyäthylen nach dem erfindungsgemäßen ao Verfahren hergestellt ist, hat eine genau einheitliche Stärke (Genauigkeit von ± 0,025 mm), keine Wasserabsorption, eine niedrige dielektrische Konstante (2,35 β) in allen Richtungen, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abblättern (Minimum 5 kg) und einen as geringen Verlustwert (0,0002 tgd). Der Schichtstoff ist ausgesprochen stabil in seinen Dimensionen, wodurch der Menge des von einer oder beiden Seiten zu entfernenden Kupfers keine Grenzen gesetzt sind.

Auch kann fertigungstechnisch, soweit die Träger mit sehr engen Stärketoleranzen hergestellt sind, eine genaue Nachbildung und Auswechselbarkeit der präzisionsgedruckten Schaltungen erreicht werden. Weiterhin ist das spezifische Gewicht des Substrats niedrig, etwa 0,95, was bei gedruckten Schaltungen für Luftfahrtgeräte oder bei rotierenden Geräteteilen von Bedeutung ist.

Vorstehend wurde die Erfindung speziell für einen Schaltungsträger mit Kupferfolien auf einem Polyäthylensubstrat beschrieben, der hervorragende Eigenschaften aufweist, die für gedruckte Schaltungen oder Stromkreise im Mikrowellenbereich besonders geeignet sind. Es ist jedoch klar, daß die Bestandteile des Schaltungsträgers und die Verfahrensstufen seiner Herstellung abgeändert werden können, insbesondere um Träger für weniger kritische Anwendungszwecke zu schaffen. Der zweistufige Bindungsprozeß, worin die Kupferfolie erst an einen dünnen Film des Kunststoffmaterials gebunden und dann das Kupfer-Kunststoff-Sandwich mit einem verhältnismäßig starken Substrat desselben oder eines damit verträglichen Materials verbunden wird, gestattet die Verwendung jedes Kunststoffmaterials für das Substrat, zumal bei dem Bindungsprozeß keine geschlossenen Formen verwendet werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Metall-Thermoplast-Schichtstoffes für gedruckte Schaltungsplatten, bei dem auf der einen Oberfläche zweier dünner Metallfolien Oxydüberzüge ausgebildet werden, und bei dem die Metallfolien unter Einwirkung von Wärme und Druck an die entgegengesetzten Oberflächen einer thermoplastischen Unterlage gebunden werden, wobei der Oxydüberzug der Folie mit den Oberflächen der Unterlage in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß der sich ergebende Schichtstoff einer Temperatur von —56 bis —196° C während einer Zeitspanne ausgesetzt wird, die zur Temperatursättigung des Schichtstoffes ausreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien (10) an die entgegengesetzten Oberflächen der thermoplastischen Unterlage (14) dadurch gebunden werden, daß zuerst ein dünner Thermoplastfilm (12) unter Einwirkung von Wärme und Druck an den oxydierten Überzug (11) jeder Metallfolie gebunden und dann eine thermoplastische Unterlage (14) zwischen das kaschierte Metallplattenpaar (13) gelegt wird, wobei die entgegengesetzten Flächen der Unterlage mit dem auf diese Weise an die Oxydüberzüge (11) der Metallfolien (10) gebundenen, dünnen Film in Kontakt stehen, und daß zur Bindung der Metallfolien an die Unterlage Druck auf das Metallplattenpaar ausgeübt wird, während die Anordnung erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien (10) Kupferfolien sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoplastische Unterlage (14) Polyäthylen ist, und daß der Schichtstoff einer Temperatur von annähernd —196° C ausgesetzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 747/407 1.68 © Bundesdruckerei Berlin