DE1496984C3

DE1496984C3 - Verfahren zum Herstellen gedruckter Schaltungen mit galvanisch erzeugten Leiterbahnen nach der Aufbaumethode

Info

Publication number: DE1496984C3
Application number: DE1496984A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Haid; Siegfried Dipl.-Chem. Dr. Vigoureux
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-02-06
Filing date: 1963-02-06
Publication date: 1974-01-24
Also published as: CH424891A; GB1013606A; AT253031B; DE1496984B2; DE1496984A1; DE1490374B1

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 pollen oder Platten mit entsprechenden Ausnehmungen als auch nur einmal verwendbare, durch Sieb- ίο drucken 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 μΐη), 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 Isolier-Stoffträgerplatte 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 m 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 Weiterverarbeitung 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 φ 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 Auf- erlagen 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) Öilden 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 gegebenenfalls 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

j 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,

ao 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 2μπι 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. S

Gegenüber kupferkaschiertem Ausgangsmaterial, bei dem die minimale Kupferstärke 35 (im 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 um, hergestellt werden.

Die Leitungsbahnen können im Verlauf des Verfahrens nicjit 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. ao

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. Fig. 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.'

F i g. 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 Randfiächen 10 und an den InnenoberflUchen 11 der Löcher 3 aus. Auf die höchstens 2 (im starke Kupfergrundschicht 9 ist bereits die Schablone 12 aufgetragen.

F i g. 6 zeigt den Körper nach der galvanischen Herstellung der Leitungsbahnen und der Innenpberflächen der Löcher mit den Kupferschichten 13, auf welche nochmals eine ätzfeste Metallauflage 14 galvanisch aufgetragen wurde.

Fig. 7 zeigt die fertige gedruckte Schaltung, wobei die nicht galvanisch mit Kupfer verstärkte Kupfergrundschicht nach Entfernen der Schablone 12 durch Ätzen abgetragen wurde.

Claims

Patentansprüche:

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 <£7^f 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 μπι 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 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfergrundschichten auf Vorderseite und Rückseite voneinander elektrisch

isoljert 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 309 684/209