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Verfahren zur Herstellung eines Laminates bzw. einer elektrisehen
Schaltungsplatte Die Erfindung betrifft geätzte, gedruckte Schaltungsplatten und
ein Verfahren zur Herstellung derselben, und insbesondere eine Verfahren zur Herstellung
eines Laminates mit einem Grundmaterial, an dem eine Schicht aus elektrisch leitfähigem
Material auf der Oberfläche auf einer oder beiden Seiten befestigt, insbesondere
verklebt ist, wobei die Schicht eine Dicke hat, die erheblich geringer als die Dicke
ist, die bei herkömmlichen Herstellungsverfahren erzielt werden kann. Die Erfindung
betrifft ferner ein Verfahren, bei dem das oben erwähnte Laminat dazu verwendet
wird, geätzte oder gedruckte Schaltungen durch eine neuartige Kombination von Additiv-
und Ätsungsverfahren herzustellen.
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Bei dem #tz- oder Abtragverfahren, das an sich bekannt ist, werden
kupferbeschichtete Laminate uswendet, bei denen eine Kupferfolienschicht auf das
Grundmaterial aufgeklebt ist, wobei die Kupferschicht eine Dicke von 0,0025 bis
0,018 cm hat. (Dies entspricht einem Kupfergehalt von 20 - 140 g pro 0,09 m2.) Bei
dieser Dicke wird ein Atzlack, beispielsweise eine fotoempfindliche Widerstandsschicht,
auf die Oberfläche des Kupfers aufgebracht. Der Fotolack wird selektiv dem Licht
oder einer anderen geeigneten Strahlung ausgesetzt, und die auf diese Weise hergestellte
"Fotografie" wird durch herkammliche Verfahren entwickelt. Bei dem Entwickeln wird
der Fotolack von allen Bereichen außer der Fläche entfernt, die das gewünschte Schaltungsmuster
bildet. Das Laminat wird dann durch ein herkömmliches Ätzmittel geätzt, welches
das freiliegende Kupfer entfernt, wobei die gewünschte Schaltungsform übrig bleibt.
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Das Ätzverfahren, das so weitgehend Verwendung findet, daß es nahezu
das Standardverfahren für die Massenherstellung von Schaltungsplatten ist, ist sowohl
zeitraubend als auch verhältnismäßig teuer. Dies ist daraus ersichtlich, daß bei
dem Ätzverfahren eine verhältnismäßig dicke Kupferschicht entfernt werden muß. Es
sind daher große Mengen Ätzmittel erforderlich, und große Mengen Kupfer werden wrschwendet.
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Ein weiterer Nachteil des herkömmlichen Ätzverfahrens ist die
Notwendigkeit,
relativ große Mengen verbrauchter Ätzreagenzien, Kupfer und anderer Atznebenprodukte
beseitigen zu müssen. Das Abfall-Beseitigungsverfahren kann insbesondere in der
heutigen Zeit schwierig und teuer sein, da die verbrauchten Reagenzien mögliche
Umweltverschmutzer sind und ökologische Schäden verursachen können, so daß sie chemisch
behandelt werden müssen, um solchen Schaden zu verhindern.
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Eine spezifische Einschränkung bei der Verwendung des Ätzverfahrens
besteht darin, daß außerordentlich feine Linien nicht erzeugt werden können, zum
Teil weil das Ätzen einer verhältnismäßig dicken Kupferschicht zu einer erheblichen
Unterschneidung des Kupfers fahrt, das stehenbleiben soll.
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Ferner kann die Wirkung des Ätzmittels nicht genau gesteuert werden,
und Sicherheitsgrenzen müssen eingehalten werden, die die erzielbare Breite der
Linien weiter einschränkt.
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Ein weiteres Verfahren, das weitgehend verwendet wird, ist das sogenannte
Additivverfahren. Um eine Schaltungsplatte durch eine herkömmliche Form dieses Verfahrens
herzustellen, wird ein unbeschichtetes Plastiklaminat einer Reihe von Ätz- und Sensibilisierungsschritten
unterworfen. Eine sehr dünne Kupfer schicht wird durch chemische, stromlose Abscheidung
auf der Laminatfläche aufgebracht. Ein Plattierungs-Widerstandslack wird dann selektiv
auf der können Kupferoberflächenschicht durch herkömmliche Verfahren, beispielsweise
durch das oben
beschriebene fotografische Verfahren aufgebracht,
um den weiteren Aufbau der Kupferschicht auf die Bereiche zu begrenzen, die das
gewünschte Schaltungsmuster bilden. Die dünne Kupferschicht wird dann in diesen
Bereichen durch Stromabscheidung auf die gewünschte Kupferdicke weiter aufgebaut.
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Nach dem Entfernen des Widerstandslackes von den Bereichen der Platte,
wo er aufgebracht worden war, wird die nun unerwünschte dünne Kupferschicht freigelegt
und durch ein leichtes Ätzverfahren entfernt.
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Dieses Verfahren ist ebenfalls zeitraubend, teuer und schwierig. Insbesondere
das Aufbringen der ersten dünnen Kupfer schicht bietet verschiedene Schwierigkeiten.
Ein schwerwiegendes Hindernis ist die fehlende Gleichförmigkeit in der Fläche und
der Struktur der unbeschichteten Laminate, die von verschiedenen Herstellern geliefert
werden. Folglich werden ungleichmäßige Ergebnisse erzielt, wenn dieses Verfahren
angewendet wird, insbesondere was die Haftung zwischen dem Laminatsubstrat und der
abgeschiedenen Kupferschicht betrifft. Folglich ist eine chemische Behandlung der
Laminatfläche erforderlich, um diese Fläche vorzubereiten. Ferner erfordert dieses
Verfahren zahlreiche und zeitraubende Schritte, und die Verwendung einer großen
Vielzahl chemischer Lösungen. Wieder erhöht die Behandlung und das Abfallproblem
bei den verwendeten Chemikalien die Kosten des Verfahrens und ist ökologisch unerwünscht.
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Viele Nachteile des Additivverfahrens könnten überwunden oder wenigstens
gemildert werden, wenn eine Kupferschicht dünner als 20 µm auf dem Substrat durch
ein weniger schwieriges, zuverlässigeres und weniger kostspieliges Verfahren als
die chemische Abscheidung aufgebracht werden könnte, und wenn eine gleichförmige
Haftung zwischen der Kupferschicht und dem Substrat erzielt werden könnte Viele
Versuche wurden unternommen, eine Kupferschicht oder folie dünner als 20 zu verwenden.
-Während es möglich ist, solches Kupfer im Laboratorium zu verarbeiten, hat es sich
jedoch herausgestellt, daß es unpraktisch ist, solche kupferbeschichteten Laminate
in Produktionsmengen herzustellen. Die Handhabung des sehr dünnen Kupfers kann nur
mit der größten Vorsicht durchgef\1'hrt werden, und seine strukturelle Schwäche
hat die Entwicklung von Produktionsverfahren verhindert. Andererseits erlauben herkömmliche,
gedruckte Verdrahtungslaminate mit einer EupSerdicke von 0,0025 - 0,18 cm nicht
die Verwendung des Additivverfahrens.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes
Verfahren zur Herstellung von Kupfer-T>lastik laminaten anzugeben, bei denen
die Kupferschicht extrem dünn ist, wobei sich das Laminat zur Verwendung bei dem
Additivverfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungsplatten eignet. Ferner
soll ein neues und verbessertes Additivverfahren zur Herstellung von gedruckten
Schaltungsplatten geschaffen
werden, das einfacher, weniger teuer
und für die Herstellung von verhältnismäßig großen Mengen geeignet ist.
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Die vorliegende Erfindung ist ein modifiziertes Additivverfahren,
bei dem ein aus nicht leitendem Plastikmaterial oder aus einer Plastik-Glaszusammensetzung
bestehendes Substrat verwendet wird, das mit einer Kupferschicht mit einer Dicke
Hunderstel von mehreren $ bis zu 20 F laminiert ist. Durch die Verwendung des neuartigen,
erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses Laminieren durch Zusammenpressung des Plastikmaterials
und der Kupferschicht unter Wärmeeinwirkung entweder mit oder ohne die Verwendung
eines dazwischenliegenden Klebestoffes erzielt werden, was von dem speziell ausgewählten
Plastikstoff abhängt.
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Das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Laminat unterscheidet
sich von herkömmlichen Laminaten hauptsächlich in der Dicke der Kupferschicht. Das
neuartige Verfahren ermöglicht die Verwendung einer extrem dünnen Kupferfolie mit
herkömmlichen Handhabungs- und Beaufschlagungsverfahren und erlaubt das Laminieren
in Produktionsmengen.
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Kurz gesagt lehrt das erfindungsgemäße Verfahren das Anbringen einer
sehr dünnen (weniger als 20 pm) Kupferschicht auf ein Trägermaterial, das das Laminieren
ohne Beschädigung aushalten kann. Die dünne Kupferschicht wird dann mit dem Plastiksubstrat,
vorzugsweise durch Hitze und Druck, verbunden. Das Trägermaterial
kann
dann entfernt werden. Nachdem das Kupfer beschichtete Laminat hergestellt ist, kann
ein im wesentlichen herkömmliches Additivverfahren verwendet werden, um das gewünschte
Schaltungsmuster zu erzeugen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine
Laminatplatte aus Glas der Stufe B verwendet, und die Kupferschicht wird unter Verwendung
von Wärme und Druck aufgebracht, wodurch die Platte ausgehärtet wird. Eine spezielle
Form der Erfindung kann wie folgt zusam mengefaßt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Laminates, das eine aus einem nicht leitfähigen Material bestehende
Grundplatte aufweist, auf der eine sehr dünne Schicht eines elektrischen Leiters
auf der Oberfläche befestigt ist, besteht in der anfänglichen Abscheidung oder Aufbringung
des Leiters auf einem Träger und dem nachfolgenden Übertragen der dünnen leitfähigen
Schicht von dem Träger auf das Grundmateriäl. Das auf diese Weise hergestellte Laminat
kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dazu verwendet werden,gedruckte
Schaltungsplatten durch ein modifiziertes Additivverfahren herzustellen.
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Nach der Erfindung können in vorteilhafter Weise sowohl starre als
auch flexible Laminate in Produktionsmengen hergestellt werden, deren Oberflächen
mit Kupfer überzogen sind, das nenner ist, als es bisher möglich war. Ferner ist
vorteilhaft, daß die relativ dünne Kupferschicht auf einen Plastikträger ohne die
Verwendung von Klebstoffen aufgebracht werden kann.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein flexibles Trägermaterial, beispielsweise
Celluloseacetat oder Polyester, mit einer dünnen Kupferschicht überzogen. In einem
kontinuierlichen Verfahren wird die Folie durch eine Reihe von Ätz- und Sensibiliæierungslösungen
hindurchgeführt, die ihre Oberfläche für das Abscheiden des Kupfers vorbereiten.
Geeignete Verfahren für diese stromlose Abscheidung sind an sich bekannt (US-PS
3.512.946).
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Die anfängliche Abscheidung einer Kupferschicht mit einer Dicke von
etwa 38 x 10 6 cm wird durch chemische oder stromlose Abscheidung erreicht. Die
Dicke dieser Schicht muß auf beispielsweise zwischen 2,5 und 18 x 10 4 cm erhöht
werden, so daß sie nach der Übertragung auf ein Laminat als Basisschicht für ein
Additivschaltungsmuster verwendet werdenkann. Eine zweite Abscheidung von Kupfer
zum Aufbau von den anfänglichen 38 x cm auf die gewünschte Basisdicke kann vorzugsweise
durch Blektroplattieren erfolgen. Es stehen jedoch auch andere Verfahren zur Verfügung,
die tatsächlich substituiert werden können. Es gibt beispielsweise stromlose Verfahren,
die diesen Zweck mit größeren Kosten erfüllen könnten.
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Der nächste Schritt in dem Verfahren besteht darin, die Kupfer schicht
von dem flexiblen Träger auf das endgültige Laminat zu
übertragen.
Da das flexible Trägermaterial entfernt werden muß, nachdem die dünne Kupferschicht
mit dem Plastiksubstrat verbunden ist, muß das Trägermaterial und seine Behandlung
eine Kupferschicht mit einer genügenden Adhäsion zwischen dem Kupfer und dem Träger
liefern, um eine Handhabung und eine kontinuierliche Verarbeitung zu gestatten.
Die Bindung muß auch das Elektroplattieren bis zu der gewünschten Dicke aushalten
können, ohne daß sich das Laminat auflöst oder die Kupferschicht von dem Träger
abschält. Andererseits darf die Stärke der Bindung nicht so hoch sein, daß die der
Träger nicht leicht von der Kupferschicht nach dem Laminieren entfernt werden kann.
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Die Steuerung der Stärke der Bindung zwischen dem Träger und der Metallschicht
kann in verschiedenen Weisen je nach der Zusammensetzung des Trägers erreicht werden.
Wenn die Stärke der Bindung zwischen 0,9 und 2,3 kg pro 2,5 cm liegt, tritt normalerweise
kein Problem bei der Trennung des Trägers von der Metallschicht auf. Wenn das Trägermaterial
unter der Einwirkung der Wärme oder des Druckes oder unter der Einwirkung beider
Einflüsse degeneriert, kann die Bindung zwischen der Metallschicht und dem Träger
anfänglich höher als oben angegeben sein, da solche Materialien schlechter werden,
wenn Wärme und Druck angelegt wird, so daß die wirksame Bindung auf sehr geringe
Werte reduziert wird. Hygroskopische Materialien können ebenfalls verwendet werden,
da sie nach der Wärme und Druckbeaufschlagung
mit genügend Wasser
imprägniert werden können, um eine Degeneration zu erzeugen. Beispiele für solche
Materialien sind Polyimid, welches für diesen Zweck ideal geeignet, jedoch verhältnismäßig
teuer ist, oder Polyester, das weniger teuer ist, jedoch schwieriger mit der erforderlichen
Feuchtigkeit zu imprägnieren ist. Beispiele für Materialien, die unter dem Einfluß
von Wärme und Druck an Qualität verlieren, sind Kodapak oder andere Cellulosematerialien.
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Der Träger sollte auh eine Oberflächenbeschaffenheit und Textur haben,
die zu der Adhäsion zwischen der Kupferschicht und der Fläche des Plastikgrundmaterials
beiträgt. Da die Kupferschicht die Textur des Trägers bei den sehr kleinen Dicken,
de hier in Betracht kommen, annimmt, ist es sehr erwünscht, daß der Träger eine
verhältnismäßig rauhe Oberflächenbeschaffenheit hat, so daß das Kupfer, wenn es
auf das Plastikmaterial zum Laminieren aufgebracht wird, eine rauhe Oberfläche für
das Plastikmaterial bietet, so daß die Adhäsion zwischen dem Kupfer und dem Plastikmaterial
verbessert wird.
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Als Beispiel eines speziellen Verfahrens, das zur Herstellung eines
Laminates verwendet werden kann, welches eine auf der Oberfläche befestigte Kupferschicht
aufweist, ist im folgenden im einzelnen ein Verfahren beschrieben, das bei der Herstellung
von starren Epoxy-Glas-Laminaten verwendet werden kann.
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In diesem Verfahren wird ein Glastuch, das mit flüssigem Epoxyharz
imprägniert und teilweise ausgehärtet ist (B-Stufe), in die annähernde Größe des
Fertiglaminates geschnitten. Verschiedene Schichten des B-stufigen Materiales werden
gestapelt, wobei die Za;hl der verwendeten Schichten von der gewünschten Dicke des
Laminates abhängt. Das flexible Trägermaterial, das mit der dünnen Kupferschicht
überzogen und wie oben beschrieben hergestellt ist, wird auf ähnliche Weise auf
die vorgeschriebene Größe zurecht geschnitten. Der Träger wird dann über der äußeren
Schicht des B-stufigen Epoxy-Glases ageordnet-, wobei die Kupferfläche auf das Epoxy
gerichtet ist und die Trägerschichten'auf der Außenseite liegen. Geeignete Trenn-
und Polsterschichten aus Plastik und/oder- lapier werden dann um die Außenseite
des Stapels gelegt, um einen gleichmäßigen Druck und eine gleichmäßige Temperatur
während der nachfolgenden Aushärtschritte sicherzustellen und um zu verhindern,
daß flüssiges Harz auf die Kontaktflächen der Presse fließen und dort festkleben.
Die gestapelte Anordnung wird dann auf Preßplatten oder andere starre Träger gelegt
und dann zwischen die Heizplatten einer Presse eingesetzt. Wenn die Temperatur der
Fressenplatten und der Stapelanordnung einen erhöhten Wert angenommen hat, wird
Druck angewendet. Die Temperatur und der Druck werden lange genug aufrechterhalten,
um das Verschmelzen und Aushärten des Epoxyharzes und der Kupferschicht in ein fertiges
Laminat, abzuschließen.
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Nach dem Kühlen werden die Kanten des Laminates nachbearbeitet, und
nach dem Entfernen der Trägerschicht ist das kupferbeschichtete Laminat für die
Verarbeitung zu einer Schaltungsplatte durch das Additivverfahren fertig. Ähnliche
Verfahren können bei anderen Substratmaterialien verwendet werden, die so ausgewählt
werden können, daß alternativ starre oder flexible Laminate erzielt werden. Solche
Verfahren sind im allgemeinen ähnlich, unterscheiden sich jedoch in speziellen Einzelheiten,
beispielsweise dem Druck, der Temperatur, der Aushärtezeit usw. Die erfdgreiche
Durchführung des Additivverfahrens erfordert eine zweifelsfrei saubere Kupferfläche,
und der erste Schritt in dem Verfahren besteht in der gründlichen Reinigung der
Kupferfläche mit geeigneten Ätzmitteln oder anderen Reagenzien, um Spuren von Lack
oder Fremdteilchen zu entfernen.
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Wie oben erwähnt wurde, wird ein Teil der 2,5 - 18 x 10 4 cm dicken
Kupferschicht dazu angebracht, um eine gründliche Reinigung zu gestatten, da ein
Teil der Kupferfläche gewöhnlich während des Reinigungsverfahrens verloren geht.
Es ist sehr wichtig, daß eine genügend dicke Kupferschicht vorgesehen ist, um nicht
leitende Bereiche zu vermeiden, die nicht auf das Additivverfahren ansprechen würden.
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Ein Plattierlack, beispielsweise eine Schicht aus einem fotoempfindlichen
Widerstandsmaterial wird dann auf die gesäuberte Kupferfläche aufgebracht. Fotoempfindliche
Widerstandslacke mit einer festen Schicht, beispielsweise RISTON von DuPont, können
verwendet werden, oder ein flüssiges Widerstandsmaterial, beispielsweise KPR von
Eastman Kodak, sind im allgemeinen geeignet. Ein Bild der gewünschten elektrischen
Schaltung wird über der Widerstandsschicht angeordnet, die dann mit einer verhältnismäßig
starken Ultraviolett- Lichtquelle belichtet wird.
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Die belichtete Fotolackschicht wird entweder durch Immersion oder
durch Besprühen mit einem geeigneten Lösungsmittel entwikkelt, so daß das Kupfer
in den Bereichen freigelegt wird, in denen eine Verstärkung der Eupferschickt erwünscht
ist. Die freiliegenden Kupferflächen werden dann auf die gewünschte Dicke durch
Elektroplattieren in einem herkömmlichen Kupfer Plattierungsbad verstärkt'. Nach
dem Kupferplattieren kann es erwünscht sein, durch Elektroplattieren oder durch
andere Mittel eine Schicht Lötmittel oder ein Schutzmetall beispielsweise Gold,
abzuscheiden. Die Art der äußeren Schicht hängt von der bezweckten Anwendung der
elektrischen Schaltung ab. Die Fotolackschicht wird dann von dem Laminat durch Hineintauchen
in eine geeignete Abziehlösung abgezogen0 Die verhältnismäßig dünne Kupferschicht
unter dem Fotolack kann durch Eintauchen der Platte in ein Ätzmittel, beispielsweise
Ammoniumpersulfat,
entfernt werden, welches das Kupfer angreift,
während es das Lötmittel oder die durch Gold geschützte, leitfähigen Muster unberührt
läßt.
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Der flexible Träger kann auch aus anderen Materialien als Celluloseacetat
oder Polyesterschichten hergestellt sein, wie oben angegeben ist. Andere Plastikschichten,
beispielsweise Nylon, Polyimid oder Cellulosetriacetat sind geeignet. Es hat sich
auch als möglich erwiesen, Metallfolien aus Kupfer, Messing, Stahl oder aus rostfreiem
Stahl und andere Metalle oder plattierte Kombinationen von etallen als Trägermaterial
zu verwenden. Die verhältnismäßig starke Adhäsion zwischen der Trägerfolie, wenn
ein Metall verwendet wird, und der abgeschiedenen Kupferschicht kann dadurch vermieden
werden, daß auf der metallischen Trägerfläche eine molekulare Schicht, beispielsweise
ein Oxid, ein Sulfid oder eine andere metallische Verbindung, erzeugt wird. Solch
eine Schicht gestattet die Abscheidung der Oberflächenkupferschicht auf den Träger,
ermöglicht jedoch keine Adhäsion zwischen dem Trägermaterial und der Kupferschicht,
die ausreichen würde, um das nachfolgende Entfernen des Trägers nach dem Laminieren
zu verhindern. Als spezielles Beispiel für die Verwendung eines metallischen Trägers
kann eine Kupferfolie verwendet werden, auf deren Oberfläche eine dünne Schicht
aus Nickel aufgesprüht ist. Nach dem Trocknen des Nickels bildet sich eine dünne
Oxidschicht auf der Nickelfläche, die die Elektroabscheidung von Kupfer aus
einem
sauren Kupferplattierungsbad ermöglicht. Andererseits verhindert die Oxidschicht
eine verhältnismäßig starke Adhäsion zwischen der dünnen Eupferschicht und der Nickelschicht-bzw.-fläche.
Alternativ kann die Kupferfolie in ein Bad eingetaucht werden, das Schwefelleber
enthält, wobei dieses Bad eine dünne Schicht aus Kupfersulfid auf der Oberfläche
der Folie erzeugen würde. Diese, Kupfersulfidschicht w# in derselben Weise wie die
Nickeloxidschicht in dem vorhergehenden Beispiel. Die Adhäsion der dünnen Kupferschicht
auf der Grundfolie würde ausreichen, um eine Handhabung während des Laminierens
ohne spezielle Bearbeitung zu gestatten.
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Noch ein weiteres Verfahren, nämlich die Verwendung eines starren
Trägers, beispielsweise einer Stahlplatte aus rostfreiem Stahl, hat sich als durchführbar'
erwiesen. Obwohl diese Art von Träger sich nicht für ein kontinuierliches Verfahren
eignet, hat es einzigartige Vorteile. Die Platte selbst wird als Pressenplatte während
des Laminierens verwendet. Sie kann erneut verwendet werden und ermöglicht eine
verhältnismäßig einfache Abscheidung der dünnen Kupferschicht, während eine geringe
Adhäsion zwischen der Platte und dem Kupfer vorhanden ist.
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Ein weiterer alternativer Schritt in dem Verfahren besteht darin,
daß die Vakuumabscheidung statt der chemischen Abscheidung
für
den anfänglichen Kupferüberzug auf der Trägerschicht gesetzt wird. Die Vakuumabscheidung
kann entweder im Vakuum oder in einer geeigneten inerten Atmosphäre durchgeführt
werden. Der Metalldampf kann durch Verdampfung oder durch die Zersetzung von Metall-Carbonyl-Verbindungen
geliefert werden.
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Andere Metalle als Kupfer, beispielsweise Nickel, Kobalt, Silber,
Gold oder Legierungen dieser Metalle, können als anfangliche Schicht oder zum Zwecke
des Aufbaus der anfingichen Schicht durch Elektroplattieren während des Additivverfahrens
verwendet werden.