DE1934934B2 - Kupferfolie1 zur Herstellung von Basismaterialien für gedruckte Schaltungen - Google Patents

Kupferfolie1 zur Herstellung von Basismaterialien für gedruckte Schaltungen

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Description

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25
JO
Die Erfindung betrifft eine Kupferfolie nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Gedruckte Schaltungen werden in einer Vielzahl elektronischer Anwendungen, wie z. B. Rundfunkgeräten, Fernsehgeräten, Computern usw. benutzt Von besonderem Interesse sind Vielschichtelemente. die entwickelt wurden, um die Forderung nach Verkleinerung elektronischer Bauteile und die wachsende Nachfrage nach Druckschalttafeln mit hoher Dichte von Zwischenverbindungen zu erfüllen. Solche Folien aus synthetischen Kunststoffen oder Harzen und Kupferfo lie werden in der Weise hergestellt daß Schaltungen nicht nur auf der Oberfläche sondern auch innerhalb der Kunststoffolien verteilt werden können. Damit die Einzelschicht- oder Vielschicht-Kunststoffolie zufriedenstellend arbeitet muß die Widerstandsfähigkeit der Kunststoffschicht und die Ablösefestigkeit der Kupferfolie unter anderem so hoch wie möglich gehalten werden. Hierzu werden strenge Qualitätskontrollmessungen bei der Herstellung durchgeführt und besondere Anforderungen an die Ausgangsstoffe, wie z. B. die Kupferfolie und den Kleber, gestellt In der USA-Palentschrift 32 20 897 wird eine Kupferfolie offenbart, die elektrolytisch behandelt wurde, um diese mit einer rauhen Oberfläche zum besseren Anhaften zu versehen. Ähnlich hat auch eine Kupferfolie entsprechend der USA-Patentschrift 32 93 109 bessere Anhafteigenschaften, wenn diese mit einer äußeren Oberfläche mit einer Vielzahl winziger Vorsprünge versehen ist, dessen innere Kerne Kupfer-Kupferoxid-Teilchen enthalten und wobei die winzigen Vorsprünge von einem Kupferüberzug umschlossen sind.
Die beiden genannten Kupferfolienarten sind für das Anhaften in Einzelschicht- oder Vielschicht-Kunststoff- b5 folien sehr geeignet. Eine Schwierigkeit entsteht jedoch dadurch, daß zahlreiche Flecken auf der Harzschicht der fertiggestellten Druckschaltungstafeln erscheinen. Von diesen Flecken sind die braunen besonders störend, da sie die dielektrischen Eigenschaften des Harzes und folglich die Gesamtausführung der Druckschaltung nachteilig beeinflussen können.
Der tatsächliche Mechanismus der Fleckenbildung ist noch nicht ganz verstanden. Die Ursache scheint jedoch das Ergebnis chemischer und/oder mechanischer Wechselwirkungen zwischen der Kupferfolie und der Harzschicht zu sein. Die Schichtenbildung, die bei hohem Druck und hoher Temperatur durchgeführt wird, scheint solche Wechselwirkungen zu fördern, die als Herabsetzung der Adhäsion der Folie nach Wärmealterung und zusammen mit der Fleckenbildung auf dem Harz-Basismaterial in Erscheinung tritt.
Zur Vermeidung von Zersetzungseffekten von Kunststoffträgern durch das Inkontaktkommen mit darauf abgeschiedenem Kupfer, ist es aus der US-PS 33 77 259 bekannt, zwischen dem Kupfer und der Kunststoffunterlage eine Schutzschicht, bestehend aus zwei Metallschichten, aufzubringen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kupferfolie in einfacher Weise mit einer Sperrschicht zu versehen, die eine Fleckenbildung des Basismaterials verhindert.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kupferfolie ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es hat sich herausgestellt, daß erfindungsgemäß die Bildung brauner Flecken bei Einzelschicht- und Vielschicht-Kunststoffolien wesentlich verringert werden kann, wenn die benutzte Kupferfolie elektrochemisch behandelt wird, indem man eine dünne Schicht aus Indium, Zink, Zinn, Nickel, Kobalt, Messing (Kupfer-Zink-Legierung) oder Bronze (Kupfer-Zinn-Legierung) elektrisch abscheidet. Diese Schicht, deren Dicke bis zu etwa 0,1 μπι dünn sein kann, wirkt als Barriere zwischen der Kupferfolie und dem harzigen Stoff und verhindert die Entwicklung von Flecken bei dem Kupferfolien-Kunststoffschichtenaufbau. Es wird angenommen, daß das Fehlen der Fleckenbildung durch Ausschaltung der chemischen und/oder mechanischen Wechselwirkungen zwischen dem metallischen Kupfer und dem Harz hervorgerufen wird.
Die Sperrschicht wird auf die Kupferfolie entsprechend bekannten und standardisierten Elektroablagerungsverfahren für die einzelnen Metallschichten aufgebracht. Bei dieser Verbindung kann die Oberfläche der Kupferfolie, unabhängig davon, ob sie ausgewalzt oder elektrisch abgelagert ist, entweder glatt oder rauh sein. Wegen der besseren Anhaftung wird jedoch die rauhe Oberfläche vorgezogen.
Die Dicke der Sperrschicht, die aus dem Faradayschen Gesetz zu berechnen ist, kann variiert werden. Sperrschichten von etwa 0,1 μΐη Dicke arbeiten zufriedenstellend, wenn sie auf Folien aufgebracht sind, die relativ sauber von Oxiden oder losen Teilchen sind. Wenn dagegen die Folie zur Verbesserung der Anhaftung vorbehandelt wurde, um eine rauhe Oberfläche oder eine Oberfläche mit einer etwas verschiebbaren Schicht aus Kupfer-Kupferoxid-Teilchen zu schaffen, sollte die Dicke der Sperrschicht so weit erhöht werden, daß die Teilchen und/oder die Vorsprünge aus Kupfer-Kupferoxid eingeschlossen werden, damit verhindert wird, daß sie in das Harz während der
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Schichtenbildung übergehen. Natürlich kann die Dicke der Sperrschicht nicht die Grenze überschreiten, bei der die Reinheit und Leitfähigkeit der Kupferfolie nachteilig beeinflußt wird. Die Sperrschicht kann erfindungsgemäß auch auf andere Weise, z. B. durch Dampfablagerung auf die Oberfläche der Kupferfolie aufgebracht werden.
Nachdem die Ablagerung der Sperrschicht vollzogen ist, wird die Kupferfolie gespült und ist dann für die Kunststoffolienbildung bereit. Die Folie wird jedoch vorzugsweise vor der Kunststoffolienbildung mit einem die Korrosion verhindernden Wirkstoff behandelt.
Vorzügliche Ergebnisse wurden erhalten, wenn Kupferfolien erfindungsgemäß behandelt und als Leitelemente in Druckschaltungen und insbesondere bei Vielschichten-Kunststoffolien verwendet wurden. Nach der Kunststoffolienbildung wurde keine Fleckenbildung beobachtet und dia Ablösefestigkeit blieb auch nach einer Nachbehandlung oder Hitzealterung bei 1500C über eine Dauer von etwa 100 Stunden im wesentlichen erhalten.
Die folgenden Beispiele zeigen die Vorteile der Erfindung. Die Ablösefestigkeit zeigt die Wirksamkeit der Anhaftkräfte an und wird als diejenige Kraft gemessen, die notwendig ist, um einen etwa 2,54 cm breiten Streifen einer Kupferfolie von der harzigen Substanz abzutrennen, wenn diese unter einem Winkel von 90° von der Oberfläche gezogen wird. Eine Ablösefestigkeit oberhalb von etwa 3,2 kp pro 2,54 cm ist notwendig, um den Anforderungen an Druckschaltungen zu genügen.
Beispiel I
Messing-Sperrschicht
Eine Kupferfolie mit rauher Oberfläche und von etwa 30 g wurde durch eine Überzugslösung der folgenden Zusammensetzung gezogen, wobei die Anoden gegenüber einer Fläche der Folie angeordnet war:
Die Dicke wurde aus der folgenden Formel berechnet:
35
Natriumcyanid 110 g/l
Natriumhydroxid 60 g/l
Kupfercyanid 90 g/l
Zinkcyanid 5,3 g/l
40
45
Die Temperatur des Bades wurde bei etwa 500C gehalten. Der pH-Wert lag bei 11,0 bis 11,5 und die Stromdichte bei etwa 0,054 A/cm2. Die Behandlungszeit war 10 Sekunden. Dabei ergab sich eine Messingschicht von etwa 0,25 bis 0,3 μΐη Dicke. Das Messing war vom Alphatyp, d. h., es bestand aus etwa 65% Kupfer und 35% Zink.
Die Wirksamkeit des Bades wurde aus Testversuchen an Ablagerungsproben auf rostfreien Stahlplättchen über Gewichtsbestimmung und chemische Analyse ermittelt. Typische Versuchsläufe bei etwa 0,054 A/cm2, 500C und 11,4 pH ergaben das Folgende:
Zeit Gewichts- Kupfer Dicke
zunähme (Mikrometer)
(Sek.) (g) (%) (berechnet)
0,0140
0,0376
0,0584
64,3
67,6
66.1
0,137
0,368
0.574
Dicke = —
0,394 · Gewichtszunahme
wobei A die Fläche in cm-' und 0 die Dichte der Legierung in g/cm1 ist.
Die Kupferfolien-Messingschicht-Zusammensetzung wurde dann mit einer Schicht aus Kunstharz (100 Gewichtsteile Biphenol/Epichlorhydrinharz, 4 Gewichtsteile Bizyandiamid, 0,2 Gewichtsteile Benzyldimethylamid) zusammengeschichtet, wobei dieses Harz unter dem Namen FR 4 Epoxy »Harz« von der Fa. General Electric vertrieben wird. Die harzige Substanz war sauber und frei von Flecken. Nach der Hitzealterung bei 1500C über 72 Stunden lag die Ablösefestigkeit unverändert bei etwa 3,77 kp pro 2,54 cm.
Beispiel II
Nickelsperrschicht
Das Verfahren entsprechend Beispiel I wurde ausgeführt unter Benutzung einer Überzugslösung aus:
Nickelsulfat
Nickelchlorid
Borsäure
240 g/l
45 g/l
30 g/l
Die Stromdichte lag bei etwa 0,032 A/cm2, die Temperatur bei 40 bis 45° C, der pH-Wert bei 2,5 bis 3,0 und die Zeit bei 20 Sekunden. Die Dicke der Sperrschicht lag bei 0,22 μιη, die auf einer Basis von 95 bis 98% Wirksamkeit berechnet wurde. Die Kupferfolien-Nickelschicht-Zusammensetzung wurde dann wie bei dem Beispiel I mit der Kunststoffolie zusammengeschichtet, wobei weder Fleckenbildung noch eine Verminderung der Ablösefestigkeit festgestellt wurde.
Beispiel III
Zinksperrschicht
Das Verfahren wurde entsprechend
angewendet bei einer Überzugslösung aus:
Beispiel I
Zinksulfat
Lakritze
350 g/l
lg/1
Die Stromdichte lag bei etwa 0,043 A/cm2, der pH-Wert bei 4,2, die Temperatur bei 55°C und die Zeit bei 30 Sekunden.
Die Dicke der Sperrschicht lag bei etwa 0,51 bis 0,64 μΐη, die auf einer Basis von 95% Wirksamkeit berechnet wurde.
Die Kupferfolie-Zinkschicht-Zusammensetzung wurde entsprechend Beispiel I mit der Kunststoffolie zusammengeschichtet, wobei weder eine Fleckenbildung noch eine Verringerung der Ablösefestigkeit beobachtet wurde.
Beispiel IV
Indiumsperrschicht
Das Verfahren nach Beispiel I wurde mit Überzugslösung CY-AN —IN (der Indium Corp. of America) durchgeführt.
Die Dicke der Sperrschicht wurde durch Wirksam-
keitstests vor jedem Überzugsvorgang bestimmt. Das besondere Bad war in der Lage, 11,5 mg Indium pro Ampere-Minute zuzuführen. Etwa je 0,188 mg/cm2 an Indium entspricht 0,25 μΓτι/Dicke. Eine Testprobe von etwa 154,8 cm2 wurde bei einem Ampere über 2 Minuten oder einer Gesamtmenge von 23 mg überzogen. Somit entstand eine Sperrschichtdicke von etwa 0,20 μιη. Bei der Kunststoffschichtenbildung wurde wiederum keine Fleckenbildung beobachtet.
Weitere Beispiele, die die Vorteile der erfindungsgemäßen Sperrschichten zeigen, sind in der Tabelle aufgeführt, wobei eine rauhe Kupferfolie von etwa 30 g und die Kunststoffolie GE-FR 4 Epoxy/Glass benutz! wurde.
Tabelle
Sperrschicht Dicke Ablösefestigkeit Ablösefestigkeit Bemerkungen
nach der Schichtung nach der Hitze
behandlung unter
150 C für 72 Std.
(μιη) (kp/cm) (kp/cm)
_ _ 1,34-1,43 1,07-1,25 Fleckenbildung
Messing 0,10 1,48 1,48-1,52 sauber - keine
Fleckertbi/dung
Messing 0;22 1,43 1,43 Fleckenbildung
Zink 0,30 1,52-1,61 1,43-1,52 Fleckenbildung
Bronze 0,25 1,25-1,32 1,6*) Fleckenbildung
(90% Kupfer
+ 10% Zinn)
Indium 0,25 1,46-1,50 1,7-1,79*) Fleckenbildung
Kobalt 0,64 1,39 1,39-1,43 Fleckenbildung
Nickel 0,13 1,43 1,46-1,50 Fleckenbildung
Zinn 0,15 1,48-1,52 1,61-1,64 Fleckenbildung
*) 100 Stunden Wärmebehandlung.
Druckschaltungen, die den Kupferfolien-Metallschicht-Zusammensetzungsaufbau als Leitelement benutzen, entwickelten geringe oder überhaupt keine Fleckenbildung in den Harzschichten nach der Kunststoffolienbildung. Darüber hinaus wurde keine Verringerung der Ablösefestigkeit festgestellt. Bei der visuellen Betrachtung der Druckschaltungsplatten erscheinen diese sauber im Gegensatz zu solchen, die Kupferfolien ohne Sperrschicht verwenden. Elektronenmikroprobenuntersuchungen an Kunststoffolien zeigten bei der vorliegenden Erfindung eine signifikante Reduzierung der Kupferionenwanderung in die Harzschichten.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Kupferfolie zur Herstellung von Basismaterialien für gedruckte Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfolie eine darauf abgelagerte dünne metallische Schicht, bestehend aus der Gruppe aus Zink, Zinn, Kobalt, Nickel, indium. Messing und Bronze aufweist, wobei die Schicht als effektive Sperrschicht zwischen Kupferfolie und Harz-Basismaterial zur Verringerung der Fleckenbildung wirkt
2. Kupferfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht wenigstens 0,1 μιπ dick ist
3. Kupferfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfolie aufgerauht ist und Vorsprünge von Kupfer und/oder Kupfer-Kupferoxidteilchen auf der Oberfläche der Kupferfolie vorliegen.
4. Kupferfolie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Sperrschichtdicke genügend groß ist, um die Kupfer-Kupferoxidteilchen einzuschließen.
10
DE1934934A 1968-10-03 1969-07-10 Kupferfolie1 zur Herstellung von Basismaterialien für gedruckte Schaltungen Ceased DE1934934B2 (de)

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