DE1496984B2 - Verfahren zum Herstellen gedruckter Schaltungen mit galvanisch erzeugten Leiterbahnen nach der Aufbaumethode - Google Patents
Verfahren zum Herstellen gedruckter Schaltungen mit galvanisch erzeugten Leiterbahnen nach der AufbaumethodeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen nach der Aufbaumethode.
Die Aufbaumethode besteht darin, daß auf einen mit einer Kupferbelegung versehenen Isolierstoffkörper
eine Schablone aufgelegt wird, die die Teile der Kupferbelegung, an denen Leitungsbahnen entstehen
sollen, nicht abdeckt (Negativschablone); Schablonen in diesem Sinne sind sowohl mehrfach verwendbare
Folien oder Platten mit entsprechenden Ausnehmungen als auch nur einmal verwendbare, durch Siebdrucken
oder Spritzen aufgetragene Abdeckungen. Durch galvanische Abscheidung von Kupfer oder
anderen geeigneten Metallen werden die Leitungsbahnen erzeugt; nach dem Entfernen der Schablone
werden die unerwünschten Teile, nämlich die nicht galvanisch verstärkten Bereiche der Kupferbelegung
weggeätzt.
Derartige Verfahren sind in der Technik der gedruckten Schaltung bekannt. Es wird dabei von mit
Kupferfolien kaschierten Isolierstoffplatten ausgegangen. Die Kupferfolie wird durch Bindemittel an
der Isolierstoffträgerplatte verankert, wobei vielfach zusätzlich die kaschierte Trägerplatte zur Erhöhung
der Haftfestigkeit der Kupferfolie am Isoliermaterial hohen Preßdrucken ausgesetzt wird. Der wesentliche
Nachteil bei der Verwendung kupferkaschierter Isolierstoffträger besteht darin, daß die Kupferfolie
nicht beliebig dünn gemacht werden kann (geringste Stärke etwa 35 μπι), so daß beim späteren Ätzprozeß
relativ lange Ätzzeiten erforderlich sind und dabei die gebildeten Leitungsbahnen vom Ätzmittel ebenfalls
angegriffen und insbesondere unterwandert werden. Darüber hinaus werden die Ätzbäder sehr
schnell verbraucht, weil die verhältnismäßig große Menge an anfallendem Kupfer die Konzentrationsverhältnisse
derÄtzlösung in ungünstigemSinne verändert.
Um die aufgezeigten Schwierigkeiten bei der eben beschriebenen sogenannten Folienätzmethode zu
überwinden, ist es bereits bekannt, an Stelle der kupferkaschierten Isolierstoffträgerplatte eine Isolierstoffträgerplatte
zu verwenden, die durch stromlose, d. h. chemische Verfahren oder Spritzverfahren mit
einer dünnen leitfähigen Grundschicht versehen wurde. Diese dünne leitfähige Schicht hat — wie
auch die Kupferfolie — die Aufgabe, alle Bereiche, die galvanisch verstärkt werden sollen, elektrisch
miteinander zu verbinden. Bei den Spritzverfahren hat man als leitfähiges Material Silber oder Graphit
verwendet, während man bei den stromlosen chemischen Verfahren die Grundschichten aus Nickel-Phosphor-Legierungen,
aber auch aus Silber oder Kupfer, hergestellt hat.
Während das Entfernen der nach dem Spritzverfahren hergestellten dünnen Schichten nach wie
vor erhebliche Schwierigkeiten bereitet, besteht auch bei chemisch hergestellten Silberschichten stets die
Gefahr der Silberwanderung, die sich beim Benutzen der gedruckten Schaltungen in elektrischen Geräten
nachteilig auswirkt. Nickel-Phosphor-Legierungen besitzen die Nachteile, daß einerseits die Leitfähigkeit
solcher dünnen Schichten sehr gering ist und es besonderer Maßnahmen bedarf, um einen für den
galvanischen Prozeß geeigneten Zustand zu erzielen, so daß hieraus sehr lange Galvanisierzeiten resultieren
und andererseits die Löslichkeit dieser Legierungen in schwachen Ätzmitteln gering ist und bei Verwendung
starker Ätzmittel sowohl die Leitungsbahnen als auch die Trägerplatten angegriffen werden.
Die Verwendung . dünner, chemisch erzeugter Kupferniederschläge bei der Herstellung der galvanisch
verstärkbaren Oberfläche der Isolierstoffkörper ist an sich schon bei den Fällen bekanntgeworden,
bei denen die gesamte gedruckte Schaltung stromlos aufgebaut wird. Es ist auch schon bekannt, dünne,
stromlos erzeugte Kupfergrundschichten galvanisch zu verstärken; dabei wird jedoch ausdrücklich darauf
hingewiesen, daß besondere Sorgfalt bei der Weiter-Verarbeitung solcher dünnen Grundschichten aufgewendet
werden muß. Diese besondere Sorgfalt ist sowohl bei der Handhabung der Platten, wie Waschen
und Bedrucken mit der Negativschablone, als auch bei dem Anbringen der Kontaktklemmen und beim
Galvanisieren erforderlich. Dies liegt hauptsächlich daran, daß Halbfertigprodukte mit sehr dünnen
Kupfergrundschichten wegen der geringen mechanischen Beanspruchbarkeit nicht mit der Negativschablone
versehen oder nicht gelagert werden können, selbst wenn die Lagerzeit nur sehr kurz ist.
Die bekannten Verfahren verwenden entweder unvorbehandelte Isolierstoffträgerplatten, d. h. also {
mit glatter Oberfläche, und ein Bindemittel (vorgehärteter oder ungehärteter Kleber) oder aber aufgerauhte
Isolierstoffplatten, wodurch sich ein Kleber erübrigt. Durch diese Maßnahmen soll die Haftfestigkeit
der Grundschicht und damit auch die Haftfestigkeit der Leitungsbahnen am Isolierstoffträger
gewährleistet werden. Zur Erhöhung dieser Haftfestigkeit kann die mit Leitungsbahnen versehene
Isolierstoffträgerplatte auch noch hohen Preßdrucken ausgesetzt werden. Derartige Verfahren sind in der
Zeitschrift »Modern Plastics«, April 1954, beschrieben.
Ein weiteres Problem bei der Herstellung gedruckter Schaltungen ist dann gegeben, wenn in der
Isolierstoffplatte zur Kontaktierung von Bauelementen oder anderen elektrischen Teilen Löcher vorzusehen
sind, die zur Gewährleistung einwandfreier Lötverbindungen durchkontaktiert sein sollen. Die
zur Lösung dieses Problems bekannten Verfahren benutzen hierfür dünne, stromlos hergestellte Auflagen
aus Nickel-Phosphor-Legierungen oder Silber als zur Verstärkung dienende Grundschichten. Auch
hierbei treten die oben beschriebenen Nachteile auf.
Es wurde nun festgestellt, daß die Haftfestigkeit
von Leitungsbahnen an den Isolierstoffträgerplatten durch die einzelnen oben beschriebenen Verfahren
oder auch durch ihre teilweise gemeinsame Anwendung für die Herstellung zugfester Lötverbindungen
nicht ausreichend hoch ausgebildet werden kann. Die sich hieraus und aus dem Wunsche, weitere Vereinfachungen
zu erzielen, ergebende Aufgabenstellung für die Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren
zu finden, das bei gleichem oder geringerem Apparate- und/oder Kostenaufwand es gestattet, gedruckte
Schaltungen herzustellen, deren Leitungsbahnen fester an der Trägerplatte haften, wobei — falls dies
gewünscht und erforderlich — im gleichen Verfahrensgange sichere Durchkontaktierungen hergestellt
werden können und wobei neben der Erhöhung der Haftfestigkeit auch die mechanische Beanspruchbarkeit
der dünnen Kupfergrundschicht erhöht wird, so
daß die Halbfertigprodukte gefahrlos gelagert und ohne Aufwand übertriebener Sorgfalt den weiteren
Arbeitsschritten des Aufbauverfahrens unterworfen werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren, bei dem folgende Schritte
kombiniert werden:
a) Aufbringen wenigstens einer Kleberschicht auf den aufgerauhten, unkaschierten Isolierstoffträgerkörper;
b) Voraktivieren des mit Kleber versehenen Körpers mit Zinn und Palladium;
c) Bilden der Metallauflage durch Auftragen einer höchstens 0,5 μΐη starken Kupfergrundschicht
mittels stromloser, chemischer Verkupferung der gesamten Oberfläche, einschließlich eventueller
Bohrungen der Trägerplatte;
d) Verdichten der Kupfergrundschicht und gegebe-■ nenfalls Verstärken derselben auf etwa 1 bis
2 μΐη durch galvanische Behandlung;
e) Aufbringen der Negativschablone, galvanische Verstärkung der nicht abgedeckten Teile bis zur
gewünschten Stärke, Entfernen der Schablone und Wegätzen der nicht gewünschten Teile der
Kupfergrundschicht nach den hierfür an sich bekannten Verfahren.
Während bereits durch die Verwendung einer vorzugsweise mechanisch aufgerauhten, unkaschierten
Isolierstoffträgerplatte und einen darauf aufgetragenen Kleber die Haftfestigkeit der später
aufzutragenden Kupferschichten erhöht wird, wird die Haftfestigkeit noch wesentlich dadurch erhöht,
daß auf den ersten Kleber ein zweiter Kleber aufgetragen wird. Diese Kleber sind so auszuwählen,
daß der erste eine gute Haftfestigkeit zum Isolierstoffträger aufweist und der zweite elastisch ist und eine
gute Haftfestigkeit zur Kupfergrundschicht besitzt. Der erste Kleber ist beispielsweise aus einem Gemisch
von Polyamid und Epoxid aufgebaut. Als zweiter Kleber kann ein auf der Grundlage von Polybutadien
aufgebauter Bunakleber verwendet werden. Dieser zweite Kleber bewirkt durch seine elastischen Eigenschaften
auch, daß unterschiedliche Wärmeausdehnungen von Leitungsbahnen und Trägerplatte ausgeglichen
werden, ohne daß die Leitungsbahnen abblättern.
Die stromlose chemische Verkupferung wird vorzugsweise so vorgenommen, daß einerseits durch
Reduktion von Kupfer mit Formaldehyd, wobei das Kupfer mit Äthylendiamintetraessigsäure in wäßriger
Lösung komplex gebunden ist und die Lösung mit geringen Mengen CN~-Ionen gegen unerwünschte
Kupferabscheidung stabilisiert ist, Kupfer an mit Palladium bekeimten Oberflächen des Isolierstoffkörpers
abgeschieden wird und andererseits die Bekeimung durch Tauchen der vorher in Zinn(II)-chloridlösung
getauchten Körper in Palladium(II)-chloridlösung erfolgt, deren pH-Wert auf 5,2 bis 5,5
z. B. mit Essigsäure-Acetat gepuffert ist.
Das galvanische Verdichten und gegebenenfalls geringfügige Verstärken der Kupfergrundschicht
bringt einerseits eine Erhöhung der Haftfestigkeit mit sich und bewirkt andererseits vornehmlich, daß
die mechanische Beanspruchbarkeit der Kupfergrundschicht wesentlich vergrößert wird. In dieser
Weise nicht nachbehandelte stromlos hergestellte Kupfergrundschichten besitzen neben der geringen
mechanischen Beanspruchbarkeit auch noch den Nachteil, daß sie durch Einflüsse aus der umgebenden
Atmosphäre stark zur Korrosion neigen. Nach der Erfindung galvanisch verdichtete und verstärkte
Kupfergrundschichten zeigen diese Neigung in technisch störendem Maß überhaupt nicht. Weiterhin
gewährleistet die galvanische Verdichtung und Ver-Stärkung der Kupfergrundschicht, daß die Negativschablone
in einfacher Weise ohne Aufwand besonderer Sorgfalt, beispielsweise nach dem Siebdruckverfahren
oder auch nach dem Fotodruckverfahren mit galvanikfestem Lack hergestellt werden kann.
ίο Das beschriebene Verfahren läßt erkennen, daß
damit sowohl einseitige als auch ohne großen Mehraufwand doppelseitige bzw. doppelseitig durchkontaktierte
gedruckte Schaltungen hergestellt werden können. Die Kontaktierungslöcher bei durchkontaktierten
Platten werden vorzugsweise nach dem Auftragen der Kleberschichten in die Trägerplatte
gestanzt.
Einseitig mit Leitungsbahnen versehene gedruckte Schaltungen werden vorzugsweise dadurch hergestellt,
daß auf der Rückseite der Isolierträgerplatte die Kupfergrundschicht entfernt wird. Dies kann beispielsweise
durch Abwischen mit Ätzlösung geschehen, es kann aber auch dadurch vorgenommen werden, daß bei Isolierstoffplatten, in denen keine
Löcher vorgesehen sind, die Kupfergrundschichten der Vorder- und Rückseite elektrisch isolierend voneinander
getrennt werden und bei der galvanischen Verstärkung nur die Vorderseite als Kathode kontaktiert
wird. Schaltet man hierbei die Rückseite als Anode, so wird dort die Kupferschicht abgetragen
oder aber es genügt allein der Elektrolyt des Galvanisierbades zur Auflösung.
Es ist aber auch möglich, zur Herstellung einseitig mit Leitungsbahnen versehener gedruckter Schaltungen
die nicht mit Leitungsbahnen zu versehenden Seiten jeweils zweier Platten nach dem Auftrag des
oder der Kleber gegeneinanderzulegen, so daß diese Seiten der Verkupferung entzogen werden.
Gedruckte Schaltungen, die zwar nur einseitig mit Leitungsbahnen versehen sind, die jedoch Kontaktierungslöcher
aufweisen, um deren Öffnung auf der Rückseite der Schaltung zum Zwecke der besseren
Lötung kreisförmige Metallauflagen herumgelegt sind, werden nach dem Verfahren der Erfindung wie
beidseitig mit Leitungsbahnen zu versehende und durchkontaktierte Schaltungen behandelt, d. h., daß
auch auf der Rückseite eine entsprechende Schablone aufgetragen wird.
Vorteilhafterweise wird das galvanische Verdichten und Verstärken der Kupfergrundschicht und die Herstellung
der Leitungszüge in Hochleistungsgalvanisierbädern vorgenommen, in denen die Ordnungsgeschwindigkeit höher als die Abscheidungsgeschwindigkeit
des Kupfers ist. Ein solches Bad gestattet eine schnelle Kupferabscheidung durch hohe Stromdichten,
beispielsweise 5 A/dm2, wobei der galvanische Auftrag an allen Stellen durchgreifend und
einebnend erfolgt. Derartige Hochleistungsbäder sind an sich bekannt.
Neben den bereits beschriebenen Vorteilen bietet das Verfahren nach der Erfindung noch folgende
weitere Vorteile.
Die Wahl des Materials für den Isolierstoffträger ist weitgehend frei.
Der Wegfall einer dicken Kupferkaschierung an den nicht für die Leitungsführung benötigten Stellen
und ihr Ersatz durch eine dünne, etwa 1 bis 2 μηι
starke Kupfergrundschicht verringert die Ätzzeit und
die anfallenden Mengen verbrauchter Ätzlösungen beträchtlich, so daß große Neutralisations- und
Regenerieranlagen nicht erforderlich sind. Das im Rahmen der Galvanik anfallende Spülwasser kann
durch Ionenaustauscher gereinigt werden.
Gegenüber kupferkaschiertem Ausgangsmaterial, bei dem die minimale Kupferstärke 35 μπα betrug
und durch die elektrolytische Herstellung der aufkaschierten Folie bedingt war, können nach dem
Verfahren der Erfindung Leitungsbahnen wesentlich geringerer Stärke, d. h. also bis herab zu 1 μ hergestellt
werden.
Die Leitungsbahnen können im Verlauf des Verfahrens nicht nur mit lötfähigen Zinnauflagen,
sondern galvanisch auch mit Edelmetallauflagen versehen werden, wie z. B. mit Gold, Silber oder
Rhodium, wenn die Endoberfläche ätzfest und/oder gut lötbar und/oder besonders korrosionsfest und/
oder als Schalter- bzw. Kontaktfläche brauchbar sein soll.
Das Verfahren nach der Erfindung bietet auch für die Herstellung von Rundfunkschaltungen einen
neuen Gesichtspunkt, da es ohne Mehraufwand eine Metallisierung der Bohrungen in der Platte auch
bei einseitigen Schaltungen gestattet, wodurch die Zuverlässigkeit der Lötstellen beträchtlich erhöht
wird.
Durch die Anwendung von zwei Klebern fallen Preßvorgänge an den gedruckten Schaltungen fort.
Nicht zuletzt sei erwähnt, daß das Verfahren nach der Erfindung auch für jede andere Kontaktierung
und Verschaltung, ζ. B. bei Mikromodul- und Mikroblockbaugruppen (letztere sind aus konventionellen
Bauelementen durch Verguß mit Gießharz hergestellt) anwendbar ist.
An Hand der Zeichnung sollen die Stufen des Verfahrens nach der Erfindung beispielsweise bei
einer beidseitig mit Leitungsbahnen versehenen und durchkontaktierten gedruckten Schaltung erläutert
werden. F i g. 1 zeigt einen Ausschnitt einer gedruckten Schaltung. Die F i g. 2 bis 7 zeigen den Verfahrensgang,
wobei der Schnitt entlang der Linie A-B in F i g. 1 erfolgt ist.
In F i g. 1 ist mit 1 der Isolierstoffträgerkörper bezeichnet. Die Leitungsbahnen 2 sind auf den
Isolierstoffträgerkörper aufgetragen, wobei eine dieser Leitungsbahnen zwei Kontaktierungslöcher 3, die um
die Öffnung herum einen kreisförmigen Rand 4 besitzen, verbindet.
Fig. 2 stellt den Isolierstoffträgerkörper 1, im
vorliegenden Fall eine Platte dar, die an ihren beiden Oberflächen 5 und 6 mechanisch aufgerauht ist. Auf
die mechanisch aufgerauhten Oberflächen 5 und 6 werden die beschriebenen Kleberschichten 7 und 8
aufgetragen, so daß ein Körper gemäß F i g. 3 entsteht. F i g. 4 zeigt, daß in dem Körper nach F i g. 3
Kontaktierungslöcher 3 z. B. durch Bohrungen hergestellt sind. Das Herstellen der Löcher 3 an dieser
Stelle des Verfahrens bringt den nicht unbeträchtlichen Vorteil mit sich, daß die Löcher durch den
Kleber nicht verstopft werden. In Fig. 5 ist der Körper nach F i g. 4 gezeigt, der nach Voraktivieren
und Bekeimen mit der stromlos hergestellten und galvanisch verdichteten Kupfergrundschicht 9 versehen
ist. Diese Kupferschicht bildet sich auf der gesamten Oberfläche des Körpers, d. h. also auch an
den Randflächen 10 und an den Innenoberflächen 11 der Löcher 3 aus. Auf die höchstens 2 μπι starke
Kupfergrundschicht 9 ist bereits die Schablone 12 aufgetragen.
F i g. 6 zeigt den Körper nach der galvanischen Herstellung der Leitungsbahnen und der Innenoberflächen
der Löcher mit den Kupferschichten 13, auf welche nochmals eine ätzfeste Metallauflage 14
galvanisch aufgetragen wurde.
F i g. 7 zeigt die fertige gedruckte Schaltung, wobei die nicht galvanisch mit Kupfer verstärkte Kupfergrundschicht
nach Entfernen der Schablone 12 durch Ätzen abgetragen wurde.
Claims (11)
1. Verfahren zum Herstellen von gedruckten Schaltungen, bei dem zunächst ein Isolierstoffträgerkörper
unter Verwendung eines Klebers mit einer Metallauflage und diese mit einer Negativschablone versehen wird und anschließend
die nicht abgedeckten Teile der Metallauflage galvanisch verstärkt werden, worauf die
verstärkten Teile gegebenenfalls noch mit einer ätzfesten Metallauflage versehen und danach die
Schablone entfernt und die abgedeckten Teile der Metallauflage weggeätzt werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender
Verfahrensschritte:
a) Aufbringen wenigstens einer Kleberschicht auf einen aufgerauhten, unkaschierten Isolierstoffträgerkörper;
b) Voraktivieren des mit Kleber versehenen Körpers mit Zinn und Palladium;
c) Bilden der Metallauflage durch Auftragen einer höchstens 0,5 μηι starken Kupfergrundschicht
mittels stromloser chemischer Verkupferung der gesamten Oberfläche einschließlich
eventueller Bohrungen der Trägerplatte;
d) Verdichten der Kupfergrundschicht und gegebenenfalls Verstärken derselben auf etwa
1 bis 2 μπι durch galvanische Behandlung;
e) Aufbringen der Abdeckung, galvanische Verstärkung der nicht abgedeckten Teile,
Entfernen der Abdeckung und Wegätzen der nicht gewünschten Teile des Kupferbelages
nach den hierfür an sich bekannten Verfahren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufrauhen durch eine
mechanische Vorbehandlung vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den ersten Kleber ein
zweiter Kleber aufgetragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Auftragen der
Kleberschichten Löcher in die Trägerplatte gestanzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Voraktivieren des
Körpers durch Tauchen in Zinn(II)-chloridlösung und das Bekeimen durch Tauchen in Palladium(II)-chloridlösung
vorgenommen wird, deren pH-Wert mit Essigsäure-Acetat gepuffert ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert auf 5,2 bis 5,5
eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die stromlose chemische Verkupferung in an sich bekannter Weise durch
Reduktion von Kupfer, das mit Äthylendiamintetraessigsäure komplex gebunden ist, durch
Formaldehyd vorgenommen wird, wobei in der Lösung geringe Mengen CN~-Ionen als Stabilisatoren
gegen unerwünschte Reduktion der Kupfer(II)-ionen enthalten sind.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einseitig mit
Leitungsbahnen versehener gedruckter Schaltungen die Kupfergrundschicht auf der Rückseite der
Isolierstoffträgerplatten entfernt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfergrundschichten auf
Vorderseite und Rückseite voneinander elektrisch
isoliert werden und bei der galvanischen Verstärkung nur die Vorderseite verstärkt, die Rückseite
dagegen abgetragen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einseitig mit
Leitungsbahnen versehener gedruckter Schaltungen die nicht mit Leitungsbahnen zu versehenden
Seiten jeweils zweier Platten nach dem Auftrag des oder der Kleber gegeneinandergelegt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das galvanische Verdichten
und Verstärken der Kupfergrundschicht, wie auch die Herstellung der Leitungszüge bei Bedingungen
vorgenommen wird, bei denen die Ordnungsgeschwindigkeit höher als die Abscheidungsgeschwindigkeit
des Kupfers ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 009 527/180
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