DE1765484A1

DE1765484A1 - Verfahren zum Erzeugen der flaechenhaften Leitungszuege einer gedruckten Schaltung

Info

Publication number: DE1765484A1
Application number: DE19681765484
Authority: DE
Inventors: Saunders Thomas Francis; Levy M Frank
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1967-05-29
Filing date: 1968-05-28
Publication date: 1971-07-29
Also published as: GB1194112A; FR1583800A

Description

Verfahren zum Erzeugen der flächenhaften Leitungszüge einer gedruckten Schaltung

Bisher wurden gedruckte Schaltungen hauptsächlich durch subtraktive Verfahren hergestellt, bei denen metallisch überzogene Tafeln oder Karten mit einem Photo-Resistmaterial in einem vorgegebenen Muster beschichtet -wurden. Freiliegende Metallflächen wurden dann geätzt und hinterlies sen das gewünschte Leitungsmuster. Der Nachteil dieser Verfahren besteht im grossen Zeitaufwand aufgrund der zahlreichen damit verbundenen Arbeitsgänge. Ausserdem wird eine grosse Menge Kupfer in die ionische Form umgewandelt und entweder nicht weiter verwendet oder einer teuren Regenerierung unter-

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worfen. Ausserdem tritt beim Ätzen das Problem des Unterätzens auf und auch eine Verkleinerung der so erzeugten flächenhaften Leitungszüge ist schwer zu erreichen.

In jüngster Zeit wurden die flächenhaften Leitungszüge gedruckterSchaltungeii durch direktes Abscheiden des Metalls für die Leitungszüge hergestellt, die sich gegenüber den herkömmlichen subtraktiven Verfahren als überlegen erwiesen. Ein bekanntes derartiges Verfahren lehrt die saure Reduktion einer Metallverbindung. Eine mit einer Maske versehene Unterlage, die eine Metallverbindung enthält, z. B. Kupferoxyd, wird Schwefelsäure ausgesetzt, die das freiliegende Kupferoxyd zu metallischem Kupfer reduziert. Das sich ergebende Muster aus metallischem Kupfer stellt das Leitungsmuster der gedruckten Schaltung dar. Bei einem anderen bekannten Verfahren wird eine Unterlage aus Aluminiumoxyd gleichzeitig einem Reduktionsmittel und einem Elektronenstrahl ausgesetzt. Die freigelegten Teile der Unterlage erfahren W eine Reduktion zu metallischem Aluminium und bilden das Leitungsmuster.

In einem weiteren bekannten Verfahren wird eine mit einem Metalloxyd oder mit einem ein Metall enthaltendes Material überzogene Unterlage einem Elektronenstrahl gemäss einem vorgegebenen Muster ausgesetzt. Das Metalloxyd wird zu Metall reduziert oder, falls nur Metall vorliegt, wird das Metall geschmolzen und haftet an der Unterlage und bildet das Leitungsmuster. Der durch dieses Verfahren gebildete Metallfilm ist schwammähnlich oder porös und weist eine schlechte elektrische Leitfähigkeit auf. Alle oben erwähnten

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Verfahren erfordern zum Aufbau des .Leitungsmusters zusätzlich das Metallisieren der erzeugten Leitungszüge. Diese Verfahren sind teuer, da sie einen ersten Überzug aus einem Metall oder einer Metallverbindung erfordern oder aber keine stark haftenden oder durchgehenden Metallüberzüge liefern.

Die genannten Nachteile werden bei dem Verfahren zum Erzeugen der flächenhaften Leitungszüge einer gedruckten Schaltung gemäss der Erfindung dadurch vermieden, dass eine Unterlage mit einer Schicht aus einem poly- "

meren pyrolysierbaren Material versehen und dieses entsprechend dem gewünschten Muster der elektrischen Leitungszüge der Energie einer Strahlungsquelle ausgesetzt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die polymere pyrolysierbare Schicht entweder aus einem Phenolharz, oder einem Epoxydharz, oder einem Polysulfonharz, oder einem aromatischen Polyamid oder einem

Polyimid. ä

Die Energie für das erfindungsgemässe Verfahren liefert entweder ein
Elektronenstrahl oder ein Laserstrahl.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Von den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung einer gedruckten mehrschichtigen Schaltkarte,

Fig. 2 eine Ansicht einer Strahlungsenergiequelle,

Fig. 3 eine Draufsicht der zusammengesetzten in Fig. 1 dargestellten mehrschichtigen Schaltkarte und

Fig. 4 die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung einer

mehrschichtigen Schaltkarte.

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren mit folgenden Arbeitegangen:

a) Überziehen einer Unterlage mit einem pyrolisierbaren polymeren Material

b) Aussetzen vorgegebener Bereiche des pyrolisierbaren polymeren Materials

der Energie einer Strahlungsquelle, deren Energie ausreicht, um in den genannten vorgegebenen Bereichen ein elektrisch leitendes Muster durch Pyrolyse zu bilden

c) Auswahl von durch Pyrolyse elektrisch leitend gemachten Bereichen durch Photomaskierung

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d) Stromloses Überziehen der durch Pyrolyse freigelegten Bereiche mit einem leitenden Metall zur Bildung eines darauf haftenden leitenden Metallüberzuges

e) Galvanisches Abscheiden eines Metalles auf der Oberfläche des erwähnten stromlos abgeschiedenen leitenden Metallüberzuges, um die geforderte elektrische Leitfähigkeit der hergestellten gedruckten Schaltung zu gewährleisten.

Die gedruckte Schaltung wird gemäss den bevorzugten Verfahr ens schritten hergestellt, die in Fig. 4 angegeben sind.

Aus einem pyrolisierbaren polymeren Material wird eine Unterlage hergestellt oder eine Unterlage aus einem leitenden Material wird mit demselben polymeren Material überzogen. Pyrolisierbare Polymere werden für die Zwecke der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus Polymeren ausgewählt, die eine hohe Konzentration von aromatischen Gruppen enthalten. Hierzu gehören natürlich keine Polymere, die sich bei Erwärmung in Monomere umwandeln, z. B. Polystyrene. Geeignete Materialien können aus folgenden Gruppen ausgewählt werden: Phenolharze (Kondensationsprodukte des Phenols und des Formaldehyd), Epoxydharze (Kondensationsprodukte von p, p' -Dihydroxyphenyl) Propan und Epichlorohydrin, gehärtet durch Agenzien wie Diäthyltriamin, m-Phenyldiamin, saure Anhydride und Dicyandiamide), das Kondensationsprodukt von Disodio 2 (p, p' -Dihydroxyphenylpropan mit

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di-chlorophenylsulfonen, voll aromatischen Polyamiden wie das Reaktionsprodukt aus m-Phenyldiamin mit Terephtalsäure und Polyamiden, z. B. dem Kondensationsprodukt aus Para-phenyldiamin mit pyromelitischen Anhydriden.

Die aus einem der oben erwähnten Materialien hergestellte Unterlage kann jede beliebige Dicke haben, für diese Erfindung wird jedoch eine Dicke im Bereich von 0, 15 bis 0, 25 mm bevorzugt. Wenn eine Unterlage mit einem der oben erwähnten Materialien überzogen ist, soll der Überzug eine Dicke von über 0, 12 mm haben. Ausserdem muss die Unterlage im Falle eines Überzuges mit einem der oben erwähnten pyrolisierbaren Materialien aus Glas, Keramik, Epoxydglasschichten, einem leitenden Material wie Kupfer oder dergleichen bestehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Unterlage aus einem leitenden Material, z. B. Kupfer hergestellt und mit einem der oben erwähnten pyrolisierbaren Materialien überzogen. Das Überziehen der Unterlage kann in jeder bekannten Uberzugstechnik durchgeführt werden, z. B. durch Eintauchen, Sprühen und dergleichen.

Die in Fig. 2 dargestellte beliebige Quelle für Strahlungsenergie muss soviel Strahlung erzeugen, dass eine Pyrolyse des polymeren Überzuges erreicht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Laserstrahl eines 1 Watt-Argon-Lasers verwendet, der im Brennpunkt einen Durchmesser

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von 0, 125 mm hat. Der Laserstrahl kann eine Energiedichte von 25 bis 400

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Joule pro cm bei Abtastgeschwindigkeiten von ungefähr 65 cm pro Minute auf die Unterlage aufbringen. Es kann jedoch auch eine Elektronenstrahlquelle verwendet werden, deren Strahl eine Energiedichte von 2, 5 bis 75 Joule pro

cm auf die Oberfläche der Unterlage bringt. Die Energiedichte auf der Oberfläche der Unterlage lässt sich nach dem gewünschten Grad der Leitfähigkeit im Pyrolisat variieren. Als Beispiel wird in der folgenden Tabelle die Beziehung zwischen der Leitfähigkeit einer durch Pyrolyse erzeugten Leitung und der Energiedichte für einen Punkt mit einem Durchmesser von 0, 12 mm, der durch einen 1 Watt-Argon-Laser erzeugt wird, aufgeführt.

Energiedichte (j/cm )

50 100 200 400

Widerstand in Ohm/cm 990 509 395 380

Wenn als Quelle für die Strahlungsenergie ein Laser dient, wird die Unterlage auf einem Träger befestigt, der in der x, y und ζ-Richtung beweglich ist. Der bewegliche Träger kann durch eine übliche Vorrichtung so programmiert werden, dass er einer entsprechenden vorgegebenen Bahn folgt. Das Muster lässt sich jedoch auch erhalten, indem man Ablenkung, Scharfeinstellung und andere elektrische Parameter des Elektronenstrahls zur Aufzeichnung des

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vorgegebenen Musters programmiert.

Die Photomaskierung kann mit jedem herkömmlichen M a ski e rung sver fahr en durchgeführt werden. Ein leicht zu entfernendes Photo-Resistmaterial, z.B. auf der Basis von Polyvinylzinnamat, wird auf die pyrolisierten Bereiche der Unterlage in dem durch die einzelnen elektronischen Elemente, die in die Schaltung einzubauen sind, bestimmten Muster aufgetragen. Wenn eine Schal- W tung z. B. leitende und Widerstands gehaftete Elemente enthalten soll, wird

nur der Bereich maskiert, der die Widerstands elemente bilden soll. Der Widerstand kann aber auch aus einem der oben erwähnten pyrolisierbaren Harze hergestellt werden und braucht dann vor dem Auftragen nachfolgender Schaltung s eben en nicht entfernt zu werden. Wenn man z. B. eine zweite Schaltungsebene auftragen will, braucht das Harz nur in den nichtmaskierten Bereichen der ersten Schaltung aufgetragen und die zweite Schicht in einem vorgegebenen Muster wie vorher pyrolisiert zu werden.

Das durch Pyrolyse erzeugte Muster kann durch jede der üblichen stromlosen Metallabscheidungsverfahren verstärkt werden, um die Leitfähigkeit des durch Pyrolyse erzeugten Musters der Leitfähigkeit von in üblicher Weise erzeugten gedruckten Schaltungen anzugleichen. Die Unterlage mit dem durch Pyrolyse erzeugten Muster kann z. B. in ein Bad für stromlose Metallabscheidung getaucht werden, das folgende Zusammensetzung aufweist:

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Tabelle I

Kupfer nit rat	15g/l
Natriumbicarbonat	10 »
Rochelle Salz	30 "
Natriumhydroxid	20 "
Formalin (37%)	100 ml/1
pH-Wert	11.5
Temp. °C	24°

Die Unterlage wird solange in dem Bad gelassen, bis die gewünschte Leitfähigkeit erreicht ist, z. B. 24 Minuten bis 16 Stunden, je nach dem, ob das durch Pyrolyse erzeugte Muster vorher sensitiviert worden ist oder nicht.

Das Leitungsmuster kann zusätzlich durch herkömmliches Galvanisieren weiter verstärkt werden. Die stromlose Metallabscheidung kann auch ausfallen und das durch Pyrolyse erzeugte Muster in folgendem Bad galvanisch verstärkt werden:

Tabelle II

Kupferpyrophosphat 0, 64 g/l

Kaliumpyrophosphat 4, 2 /

Ammoniak 0, 06

pH-Wert 8,0-9,0

ORIGWAt INSPHCTSC

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Die bei dem herkömmlichen Galvanisieren übliche Sensitivierung kann wegfallen, da das durch Pyrolyse erzeugte Muster selbst leitend ist und somit vor dem Abscheiden des Metalls nicht sensitiviert oder aktiviert zu werden braucht. In beiden Fällen haftet das abgeschiedene Metall fest an dem durch Pyrolyse erzeugten Muster.

Im Zusammenhang mit Fig. 1 ist die Herstellung einer mehrschichtigen ge- W druckten Schaltung im folgenden beschrieben. Im Schritt a wird eine Kupferunterlage mit einer Dicke von ungefähr 0, 035 mm mit einem pyrolisierbaren Material 2 überzogen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kupferunterlage mit einem Überzug aus Epoxydharz folgender Zusammensetzung versehen:

Bisphenol A diglycidyläther 100 g

Methylendianilin 26, 2 g

Methyläthylketon 30 g

Das auf die übliche Art auf die Unterlage aufgetragene Harz bildet einen Film von ungefähr 0, 12 bis 0, 25 mm Dicke. Nach sorgfältigem Trocknen

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lässt man den Film bei 55 C ungefähr 2 Stunden lang gelieren, dann bei 125 C 2 Stunden härten und schliesslich bei 175 C 2 Stunden lang nachhärten.

Die überzogene Unterlage wird auf einen Träger gesetzt, der nach allen Richtungen bewegt werden kann und mit dem Ausgangs strahl eines 1 Watt

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Argon-Lasers belichtet, dessen Strahldurchmesser 0, 12 mm beträgt, der

eine Energiedichte auf der Unterlage von 200 Joule pro cm und eine Schreibgeschwindigkeit von ungefähr 75 cm pro Minute hat. Die gewünschte Schaltung wird aufgezeichnet, indem man die Bewegung des Trägers entsprechend dem vorbestimmten Muster programmiert. Im Arbeitsgang a in Fig. 1 werden mehrere Punkte 3 dadurch gebildet, dass der Laserstrahl so lange auf die gewünschten Punkte fällt, z. B. ungefähr 50 Millisekunden, bis er den Überzug durchdrungen hat und auf die Kupferunterlage trifft. Die Kupferunterlage bildet die elektrische Verbindung für die nachfolgenden Galvanisierungsope rationen und die Schaltung. Als nächstes wird ein Bereich 4, der die eine Platte eines elektrischen Kondensators bilden soll, der Strahlungsenergie ausgesetzt. Die Zeit der Aussetzung reicht aus zur Pyrolyse der oberen Teile des polymeren Filmes und entspricht ungefähr 25 Millisekunden, während der der Ausgangs strahl eines 1 Watt-Lasers, dessen Strahldurchmesser 0, 12 mm beträgt, auf dem Film ruht. Es wird dabei dafür gesorgt, dass der Strahl den Film nicht durchdringt. Dann wird eine Leitung durch Pyrolyse im Bereich 5 erzeugt, die vom Bereich 4 zu einem der leitendgemachten Löcher 3 verläuft. Das durch Pyrolyse erzeugte Muster wird dann durch stromlose und anschliessend durch galvanische M etallab scheidung verstärkt, kann jedoch auch direkt galvanisch^verstärkt werden. Bereiche der Epoxydharzschicht, die Widerstandselemente bleiben sollen, werden mit einem Phoio-Resistmaterial maskiert, da dieses eine genaue Begrenzung der geschützten Bereiche gestattet. Nach dem Metallisieren wird das Photo-Resistmaterial

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durch ein geeignetes Lösungsmittel entfernt.

Wenn das durch Pyrolyse erzeugte Muster durch stromlose Metallabscheidung verstärkt werden soll, kann die Unterlage in ein Sensitivierungsbad der in den Tabellen III und IV gezeigten Zusammensetzung getaucht werden.

Tabelle III Zusammensetzung des Sensitivierungsbades:

Zinnchlorür 10 g

Konzentrierte HCl 40 ml

Wasser 1000 ml

Tabelle IV

(PdCl Aktivierungsbad)

Palladiumchlorid 1 g

Konzentrierte HCl 10 ml

Wasser 3, 780 ml

Die Unterlage wird zuerst 15 bis 30 Sekunden in das Sensitivierungsbad getaucht, anschliessend mit Wasser abgespült und dann für 5 bis 15 Sekunden in das Palladium-Aktivierungsbad eingetaucht. Nach dem anschliessenden erneuten Abspülen zur Entfernung des überschüssigen Palladiums wird die

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Unterlage dann zur stromlosen Metallabscheidung in das Bad mit der in Tabelle I wiedergegebenen Zusammensetzung getaucht. In diesem Bad verbleibt die Unterlage, bis sich ein Film mit der gewünschten Leitfähigkeit gebildet hat, was im allgemeinen 24 Minuten dauert.

Wenn das durch Pyrolyse erzeugte Muster oder das durch stromlose Metallabs cheidung verstärkte Muster galvanisiert werden soll, wird die Unterlage in ein Galvanisierungsbad mit der in Tabelle II wiedergegebenen Zusammensetzung getaucht. Eine Stromdichte von ungefähr 20 mA/cm wird angelegt, bis sich eine Metallschicht der gewünschten Leitfähigkeit gebildet hat. Die Bildung einer Metallschicht von 0, 025 mm dauert z. B. 13 Minuten. Ähnlich verfährt man bei direkter Galvanisierung, die mit derselben Stromdichte vorgenommen wird. Bei der Galvanisierung dient diein Fig. 1 gezeigte Kupferunterlage als Elektrode. Nach dem Metallnieder schlag wird ein zweiter polymerer Film (siehe Fig. 1, Arbeitsgang b) auf den ersten polymeren Film mit der galvanisierten Konfiguration (Fig. 1, Arbeitsgang a) aufgetragen. Weitere Schaltelemente werden auf die oben beschriebene Art hergestellt. So wird z. B. die zweite Platte 7 des Kondensators genau so gebildet wie die erste Platte. Ein Widerstand 8 entsteht dadurch, dass der Film in üblicher Weise während der Galvanisierung, so dass der Bereich des durch Pyrolyse erzeugten Musters, der das Widerstandselement bilden soll, nicht galvanisiert wird. Die leitenden Bohrungen 3 entstehen wieder dadurch, dass der Energiestrahl den polymeren Film durchdringt. Die neuentstande-

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Tabelle VI

Bad zur stromlosen Metallabscheidung

Ni ekel sulfat 7, 5 g

Kobalt sulfat 5, 0

Ammo nium sulfat 21,0

Natriumzitrat 42,0

Hypophosphorsäure 4 ml *

Ammoniumhydroxyd 6, 6 ml

Wasser 500 ml

Wenn Magnetspeicherelemente und leitende Elemente in derselben Schicht gebildet werden sollen, wird der Bereich des durch Pyrolyse erzeugten leitenden Musters während des Galvanisierens der leitenden Elemente, der die Speicherelemente bilden soll, mit einer Photomaske versehen. Nach der Metallisierung der leitenden Elemente wird die Maske entfernt und die leitenden Elemente während des Galvanisierens der Speicherelemente maskiert. Die übrigen Schichten (Fig. 1 Schritte d und e) werden wie oben hergestellt und können die gewünschten elektronischen Bauteile enthalten. Die Schaltungen auf den verschiedenen Schichten werden durch Galvanisieren der Löcher oder Einsetzen von Metallstiften in diese miteinander verbunden. Bei Bedarf kann die Kupferunterlage 1 auch durch herkömmliche Verfahren geätzt und so zusätzliche Schaltungen erstellt werden oder sie kann auch

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nen leitenden Löcher 3 sind mit den alten ausgerichtet. Nach jedem Galvanisieren werden das Überziehen, das Erzeugen eines leitenden Musters durch Pyrolyse und Galvanisieren wiederholt. Jede neue Schicht kann eines oder mehrere Schaltelemente enthalten. So wird z. B. im Arbeitsgang c in Fig. 1 ein rundes leitendes Muster durch Pyrolyse gebildet und anschliessend darauf ein magnetisches Material, z. B. Nickel, eine Kobalt-Nickel-Legierung, eine Kobalt-Nickel-Eisen-Legierung usw. auf galvanisiert, so dass ein magnetisches Element gebildet wird. In den Tabellen V und VI ist die Zusammensetzung typischer Bäder zum Abscheiden magnetischer Filme angegeben.

Tabelle V

Galvanisierung sbad

NiCl₂ - 6H₂O 110 g/l

CoCl, . 6HO 50

Zt dl

NHCl 25

Na₀SO. . lOH-O 50

i 4 L

Na HPO . 5HO bis zum pH-Wert 4. 5

Cm J Ct

,2

Stromdichte 5 mA/cm

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entfernt werden, wobei nur Kontaktstreifen für die Schaltungen auf der Karte übriggelassen werden. Bei der Darstellung der zusammengesetzten Schaltung in Fig. 3 ist die Beziehung der Schaltungen der einzelnen Schichten zueinander und ihre Verbindung gezeigt.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Erzeugen der flächenhaften Leitungszüge einer gedruckten Schaltung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterlage mit einer Schicht aus einem polymeren pyrolysierbaren Material versehen und dieses entsprechend dem gewünschten Muster der elektrischen Leitungszüge der Energie einer Strahlungsquelle ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere pyrolysierbare Schicht entweder aus einem Phenolharz, oder einem
Epoxydharz, oder einem Polysulfonharz.oder einem aromatischen Polyamid oder einem Polyimid besteht.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie von einem Elektronenstrahl geliefert wird, der der Unterlage eine Energiedichte im Bereich von 2, 5 bis 75 Joule/cm zuführt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie von einem Laser geliefert wird, dessen Ausgangsstrahl der

Unterlage eine Energiedichte im Bereich von 25 bis 400 Joule/cm zuführt.

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5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Pyrolyse erzeugten flächenhaften Leitungszüge anschliessend metallisiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die flächen haften Leitungszüge mit einem der Metalle Kupfer, Nickel oder Kobalt bzw. mit einer Nickel-Eisen-Legierung oder einer Kobalt-Nickel-Legierung metallisiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallisieren der flächenhaften Leitungszüge durch stromloses Abscheiden des Metalles bzw. der Metall-Legierung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallisieren der flächenhaften Leitungszüge durch Galvanisieren erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ausgewählte Teile der durch Pyrolyse erzeugten flächenhaften Leitungszüge vor dem Galvanisieren mit einer Photomaske versehen werden, so dass die maskierten Teile, deren elektrische Leitfähigkeit beim Galvanisieren nicht verbessert wird, als elektrische Widerstände dienen.

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10. Verfahrennach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer mehrlagigen gedruckten Schaltung die Verfahrensschritte nach den Ansprüchen 1 und 7 mehrmals wiederholt werden.

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