DE2264956C2

DE2264956C2 - Vormaterial für gedruckte Schaltungen

Info

Publication number: DE2264956C2
Application number: DE19722264956
Authority: DE
Inventors: Jiri Kamil Perstorp Koni&ccaron;ek
Original assignee: Perstorp AB
Current assignee: Perstorp AB
Priority date: 1971-08-30
Filing date: 1972-08-26
Publication date: 1984-03-08
Also published as: DE2264956A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Vormaterial für gedruckte Schaltungen.

Gedruckte Schaltungen werden in großem Umfange in der Elektrotechnik verwendet Sie werden gewöhnlich unter Verwendung eines kupt'erplattierten Kunststofflaminats als Ausgangsmaterial hergestellt Eine Kopie des gewünschten Schaltbildes wird auf die Kupferschicht gedruckt oder auf photochemischem Wege aufgebracht Das aufgebrachte Bild, das sogenannte Ätzresist, dient als Schutz während der anschließenden Entfernung des überflüssigen Kupfers durch Ätzen. Anschließend werden die elektronischen Komponenten am Laminat mit der so hergestellten Schaltung angebracht Die Kupferleiter der Schaltung stellen die elektrischen Verbindungen dar, und das Laminat bildet die erforderliche mechanische Stütze oder Unterlage. Hierdurch können Raum und Gewicht beim Aufbau der elektronische!? Einheit, deren Fertigung zuverlässig und rationell erfolgen kann, eingespart werden.

Die gebräuchlichsten Isolierplatten bestehen aus papierverstärkten Phenolharzlaminaten für verhältnismäßig einfache Schaltungen und aus mit Glasgewebe verstärkten Epoxyharzlaminaten, die verwendet werden, wenn die technischen Anforderungen hoch sind. Faserverstärkte Kunststofflaminate anderer Art werden ebenfalls verwendet. Auch Trägermaterialien aus Kunststoffolien und kunststoffbeschichteten Metallplatten werden in einem gewissen Umfange eingesetzt. Zum Aufbringen des Kupferüberzuges oder der Kupferschicht ist es üblich, Kupferfolien oder -bleche zu verwenden, die auf ein den Träger bildendes, mit teilweise gehärtetem Kunststoff vorimprägniertes Fasermaterial gelegt werden, worauf das Verbundmaterial unter hohem Druck und bei erhöhter Temperatur gepreßt wird. Anschließend erfolgt die endgültige Härtung des Kunststoffs, wodurch das Fasermaterial in eine Platte umgewandelt wird, die fest mit der Kupferfolie verbunden 13t. Die Kupferfolie hat gewöhnlich eine Dicke von 35 μιη, jedoch können auch dickere und dünnere Folien verwendet werden. Nach einem anderen bekannten Verfahren wird die Kupferfolie unter Einwirkung von Wärme und Druck mit einer Kunststoffolie vereinigt.

Aufgrund der schnellen Entwicklung auf dem Gebiet der Elektronik wird der Bedarf an gedruckten Schaltungen mit guter Maßgenauigkeit, insbesondere bei Schaltungen mit geringen Linienbreiten und geringen Abständen zwischen den Leitern immer größer. Bereits heute sind gedruckte Schaltungen mit Linienbreiten von 0,2 mm in vielen Fällen erforderlich.

Der Bedarf an noch kleinere Dimensionen dürfte in Zukunft steigen und damit der Bedarf an Laminaten mit dünneren Kupferschichten. Seit kurzer Zeit werden in steigendem Umfange Laminate mit 17 μιη dicken Kupferfolien eingesetzt Durch Verwendung dünnerer Kupferfolien werden Vorteile erzielt beispielsweise eine geringere sogenannte »Unterätzung«. Hierunter ist die Entfernung von Kupfer unter dem Ätzresist durch die Ätzlösung zu verstehen, die während der Auflösung der ungeschützten Teile der Kupferschicht gleichzeitig das Kupfer angreift das durch das Ätzresist bedeckt ist Die Unterätzung ist ein schwieriges Problem, das eine unannehmbar schlechte Maßgenauigkeit insbesondere in Schaltungen mit feinen Leitern zur Folge hat

\-, Durch eine geeignete Arbeitsweise ist es möglich, einen hohen Grad von Genauigkeit bei der Herstellung des Ätzresists selbst zu erzielen. Durch die Unterätzung ergeben sich jedoch Schwierigkeiten in der Aufrechterhaltung guter Maßgenauigkeit, beispielsweise bei den Linienbreiten, die das Verfahren der Abdeckung mit Hilfe eines Ätzresists an sich ermöglicht

Dünne Kupferschichten sind nicht nur bei geringen Breiten der Linien vorteilhaft Auch bei größeren Abständen zwischen den Leitern und größeren Linien-

2> breiten ermöglichen dünnere Kupferschichten eine erhöhte Maßgenauigkeit, die ein Vorteil beispielsweise in Fällen ist in dei^n elektrische Einflüsse zwischen den Leitern beim Aufbau der elektronischen Schaltung berücksichtigt werden müssen. Die Anforderungen in dieser Hinsicht dürften in Zukunft u. a. in Elektroniksystemen, die bei hohen Frequenzen arbeiten sollen, schärfer werden.

Dünnere Kupferschichten bieten noch weitere Vorteile. Beispielsweise wird die Ätzdauer erheblich

j5 verkürzt Ebenso wird die verbrauchte Menge an Ätzlösung verringert Die zur Bildung der Kupferschicht erforderliche Kupfermenge wird ebenfalls geringer. Aus den letztgenannten Gründen können dünne Kupferschichten auch dann vorteilhaft sein, wenn die

M) Anforderungen bezüglich der Miaugenauigkeit nicht sehr hoch sind.

Wenn eine größere Dicke der Kupferleitungen erwünscht ist, kann die Dicke durch chemische oder galvanische Abscheidung vor Kupfer nach bekannten Verfahren gesteigert werden. Bei dieser Arbeitsweise wird das Kupfer nur auf den Teilen der Kupferschicht abgeschieden, die die Leiter der endgültigen gedruckten Schaltung darstellen und gewöhnlich den geringeren Teil der Gesamteberfläche der gedruckten Schaltung

to ausmachen. Durch geeignete Arbeitsmethoden kann die Verstärkung der Dicke der Kupferschichten mit guter Maßgenauigkeit erfolgen, und bei Isolierplatten, die Doppelseitig mit einem Leitungsbild aus Kupfer versehen sind, kann die Verstärkung der Dicke des Kupfers zweckmäßig in Verbindung mit einer sogenannten Plattierung durch Löcher erfolgen, die man häufig zur Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen den gedruckten Schaltungen beiderseits der Isolierplatte und zur Bildung von Löchern für die

ho Anbringung elektrischer Bauteile vornimmt. Es ist somit kein zusätzlicher Arbeitsschritt für die Plattierung duFch die Löcher erforderlich. Außerdem bestehen der Hauptteil der Leitungen der Schaltung und die Kupferschicht in den Löchern aus homogenem und

b5 gleichzeitig abgeschiedenem Metall, was vom Standpunkt der Zuverlässigkeit zweckmäßig und vorteilhaft ist.
Die vorstehenden Ausführungen veranschaulichen

deutlich, die Vorteile der Verwendung von Isolierplatten, die dünnere Metallschichten tragen, als sie zur Zeit bei der Herstellung von gedruckten Schaltungen üblich sind.

Üblicherweise wird zur Herstellung von metallbeschichteten Isolierplatten für gedruckte Schaltungen eine ununterbrochene oder geschlossene bildfreie Metallfolie, die durch Pressen bei erhöhter Temperatur oder in anderer Weise mit der Isolierplatte verbunden wird, als Ausgangsmaterial verwendet Die am häufigsten verwendete Metallfolie besteht aus Kupfer und wird elektrolytisch hergestellt Eine solche Kupferfolie hat einen hohen Reinheitsgrad. Erhebliche Probleme ergeben sich jedoch, wenn auf diese Weise eine Isolierplatte mit einer Kupferfolie von weniger als ii 17 μΐη Dicke hergestellt werden soll, da sich große Schwierigkeiten bei der praktischen Handhabung dieser dünnen Kupferfolie ergeben. Ein weiterer großer Nachteil bei sehr dünnen, elektrolytisch hergestellten Kupferfolien ergibt sich dadurch, daß die Kupferfolie häufig Kavitäten und durchgehende Locher, sogenannte Mikroporen aufweist, die aus leicht verständlichen Gründen bei geringerer Dicke der Folie schwieriger zu vermeiden sind. Während des Pressens des Laminats kann noch ungehärtetes Harzmaterial durch die Poren -,=> dringen und sich an der freien Oberfläche der Folie ansammeln, wo es zu großen Schwierigkeiten beispielsweise während des späteren Ätzens der Kupferfolie führen kann.

Weiterhin ist es bekannt, eine dünne Kupferschicht je durch direktes Plattieren auf der Isolierplatte abzuscheiden, allerdings nicht allein durch Elektroplattieren, da der Träger aus einem Isoliermaterial besteht. Man kann teilweise chemisch plattieren, was jedoch verhältnismäßig kostspielig und kompliziert ist Beispielsweise muß y-, die Oberfläche des Laminats häufig vorbehandelt werden, um gute Haftfestigkeit des abgeschiedenen Kupfers zu gewährleisten, und diese Vorbehandlung kann zu tiefen Kavitäten und Hohlräumen im Schichtträger ^rühren, die beim Plattierungsprozeß mit Kupfer gefüllt werden. Dies bedingt verhältnismäßig lange Zeiten, um sicherzustellen, daß das gesamte Kupfer von den geätzten Teilen des Laminats entfernt wird. Die längere Ätzdauer erhöht die Fertigungskosten und führt ferner zu einer verstärkten Unterätzung auch 4i bei Laminaten mit dünnen Kupferschkhten.

Schließlich ist es auch bekannt, die gesamte Oberfläche einer Metallplatte zunächst elektrolytisch mit einer höchstens 10 μπι starken Metallschicht aus beispielsweise Kupfer zu plattieren. Auf diese ununter- -,« brochene und nicht gemusterte Metallschicht, die einen zeitweisen Träger darstellt, wird dann das Leitungsmuster plattiert und das Ganze anschließend auf den endgültigen isolierenden Träger übertragen. Anschließend wird die ununterbrochene und nicht gemusterte Metallschicht wieder völlig vom endgültigen Träger entfernt um das eigentliche Leitungsmuster freizulegen.

Zur Vervollständigung der Darstellung des Standes der Technik bei der Herstellung von Materialien für gedruckte Schaltungen ist noch ein Verfahren zu nennen, das beispielsweise in der US-Palentschrift 26 92 190 beschrieben wird. Gemäß dieser Patentschrift wird ein endgültiges Leitungsbild aus Kupfer auf einen provisorischen Träger aufgebracht oder darauf gebildet, worauf dieser Träger, dessen Leitungsbild einer endgültigen Isolierplatte zugewandt ist, deren Harzmaterial noch ungehärtet ^;st, gegen diese endgültige Isolierplatte gepreßt wird. Beim Pressen dringt das Leitungsbild gewöhnlich in die endgültige Isolierplatte ein. Nach dem endgültigen Härten wird der provisorische Träger beispielsweise durch Ätzen entfernt Diese Arbeitsweise, die in Verbindung mit Kupferschichten von üblicher Dicke beschrieben wird, dient häufig dem Zweck, eine fertige gedruckte Schaltung herzustellen, bei der die Oberfläche des Leitungsbildes in der gleichen Ebene wie die umgebende Fläche der Isolierplatte liegt Dies ermöglicht die Verwendung sogenannter Gleitkontakte in der Schaltungsanordnung, für die die Schaltung verwendet werden soIL Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieses bekannte Verfahren gewisse Nachteile hat die zu Schwierigkeiten und Störungen wenigstens bei gewissen Anwendungen führen können.

Einige dieser Nachteile werden in der britischen Patentschrift 11 16 299 erörtert und im Zusammenhang mit der Erfindung ist ferner darauf hinzuweisen, daß sich praktische und wirtschaftliche Schwierigkeiten ergeben, wenn das Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen mit einem sehr hohen P'üzisionsgrad, der unter anderem bei der Herstellung voi> Schaltungen mit sehr schmalen Lettern und sehr geringen Abstarben zwischen den Leitern erforderlich ist, angewendet werden soll. Nach dem Ätzen muß der provisorische Träger mit der Schaltung gehandhabt und transportiert und auf uie endgültige Isolierplatte gepreßt werden, und diese Maßnahmen verschlechtern gemeinsam die Genauigkeit des Verfahrens. Es ist ferner zu bemerken, daß Laminate mit Schaltungsbildern auf jeder Seite der endgültigen Isolierplatte und mit Plattierung durch die Löcher hindurch auf diese Weise praktisch nicht hergestellt werden können. Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß eine Vergrößerung der Dicke der Kupferleiter auf der Isolierplatte mit großen Schwierigkeiten verbunden ist, wenn ein hoher Genauigkeitsgrad gewünscht wird.

Schließlich ist aus der GB-PS 11 57 618 ein Material zur Herstellung gedruckter Schaltungselemente bekannt das aus einer zur einmaligen Verwendung vorgesehenen Metallfolie von ΙΟΟμίη Dicke, einer durc> galvanische Abscheidung auf dieser Metallfolie aufgebrachten, dünnen, geschlossenen, nicht-gemusterten Metallschicht einer Stärke von 10 μπι und einer mit dieser Metallschicht laminierten Isolierplatte besteht. Dieses Vormaterial soll zur Herstellung gedruckter Schaltungselemente, z. B. gedruckter Widerstände, verwendet werden, nicht jedoch zur Herstellung gedruckter Schaltungen allgemein. Dazu ist aaO in Spalte 2, Zeilen 12 bis 32 ausgesagt, daß bei der Herstellung gedruckter Schaltungen — also nicht nur ein Schaltungselement enthaltende Schaltungsnetzwerke — Teile der Trägerfolie als Leiter verwendet werden. Darüber hinaus besteht dort die Träger-Metallfolie im Gegensatz zum Anmeldungsgegenstand aus Kupfer und die darauf aufgebrachte zunächst nicht gemusterte dünne, geschlossene Metallschicht aus einer Zinn-Nikkel-Legierung.

Aus der DE-AS 11 00 741 ist schließlich ein Verfahren zur Herstellung ein^s mit einem iVietallmuster versehenen isolierenden Trägers bekannt. Das zur Herstellung der gedruckten Schaltung eingesetzte Vormaterial enthält bereits das fertige Leiterbild, das in ditser Form zur Übertragung kommt. In dem Vormaterial ist zwecks Bildung des vorläufigen Trägers auf einer Metallplatte auf einer TrennschicSt eine, dünne, höchstens 10 μηι starke Metallschicht galvanisch niedergeschlagen. Diese Trennschicht dient jedoch nicht als späteres Leitungsbild, sondern wird verworfen. Hinweise auf die

Möglichkeit der Herstellung direkter laminierter, extrem dünner Leiterbilder oder auf ein hierfür geeignetes Vormaterial ergeben sich aus dieser Literaturstelle nicht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vormaterial für gedruckte Schaltungen zu schaffen, das auf einfache Weise die Herstellung gedruckter Schaltungen gestattet, die bei direkter !!aminierung extrem dünne Leiterbilder aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Vormaterial für gedruckte Schaltungen gelöst, das aus einer zur einmaligen Verwendung vorgesehenen Folie aus Aluminium, Zink oder Legierungen dieser Metalle oder aus Stahl einer Dicke von nicht mehr als 200 um, mit einer durch galvanische Abscheidung auf der Folie aufgebrachten dünnen, geschlossenen, nicht-gemusterten Schicht aus Kupfer oder Kupferlegierung einer Stärke von 1 bis 15 um und einer mit dieser ivictSiiSCiiiCiit uii*€iCt ιΰΐπίΠίεΓΐΟΠ iSGiiCTptäiiO 3U3 5100- faserverstärktem Epoxyharz besteht.

Die Dicke der nicht-gemusterten dünnen Metallschicht sollte zweckmäßig zwischen 2 und 10 μπι liegen und kann vorzugsweise etwa 5 μπ> betragen.

Die dünne Metallschicht, die später die Schaltung bilden soll, kann aus Kupfer oder Legierungen dieses Metalls bestehen.

Die Isolierplatte besteht zweckmäßig aus einem Streifen flächigen Kunststoff, der faserverstärkt sein kann, nämlich einer Platte aus glasfaserverstärktem Epoxyharz.

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Abbildungen beschrieben.

Fig. 1 bis 3 veranschaulichen den Einfluß der Dicke der Kupferschicht auf die sogenannte Unterätzung. Sie zeigen im Querschnitt eine aus Kupfer bestehende Metallschicht 2', 2" bzw. 2¹" einer gedruckten Schaltung, wobei die Schicht mit einer Isolierplatte 1 verbunden und von einem Ätzresist 3 bedeckt ist. In F i g. 1 bzeichnet die Bezugsziffer 4 den durch Unterätzung entstandenen Hohlraum in der Metallschicht unter dem Ätzresist U¹ ist die Abmessung der Unterätzung. In Fig.2 und 3 ist die Unterätzung mit U" bzw. U^m bezeichnet Die Metallschicht 2¹ in F i g. 1 ist verhältnismäßig dick, nämlich 35 μΐη, und erfordert eine lange Ätzdauer. Die Unterätzung ist in diesem Fall erheblich. Die Dicke der Metallschicht 2" in F i g. 2 ist geringer und beträgt etwa 17 μηι, und die Unterätzung i/" ist erheblich geringer als die Unterätzung U' in F i g. 1. Die Metallschicht 2'" ist sehr dünn. Sie hat beispielsweise eine Dicke von etwa 5 μΐη und erfordert nur eine kurze Ätzdauer. Die Unterätzung U^m ist hier selbst bei sehr geringen Breiten der durch die Metallschicht gebildeten Leiter vernachlässigbar.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist in den Fig.4 bis 6 dargestellt Auf einem provisorischen Träger 5 (Fig.4) aus Aluminium ist eine dünne Kupferschicht 6 (Fig.5) einer Dicke von 15μτη oder weniger galvanisch abgeschieden worden. Das in F i g. 5 dargestellte Material wird anschließend auf eine endgültige Isolierplatte 7 aus glasfaserverstärktem Epoxyharz laminiert oder gepreßt, während die Kupferschicht der Isolierplatte zugewandt ist (Fig.6). F i g. 11 zeigt ein modifiziertes Material für gedruckte Schaltungen, bei dem auf dem provisorischen Träger 5 zunächst eine dünne Zinkschicht 9 aufgebracht und auf dieser dann eine Kupferschicht 6 galvanisch abgeschieden worden ist

Das Material kann in der in den Fig.7 bis 10

dargestellten Weise eingesetzt werden, in dem die zur einmaligen Verwendung vorgesehene und den provisorischen Träger darstellende Aluminiumfolie 5 beispielsweise durch Abstreifen oder Ätzen entfernt wird. Auf ■> das in dieser Weise erhaltene Produkt (F i g. 7) wird ein Ätzresist 8 aufgebracht (F i g. 8), das einem gewünschten Schaltbild entspricht, worauf die unbedeckten Teile der dünnen Kupferschicht durch Ätzen entfernt werden (Fig.9). Nach der Auflösung des Ätzresists 8 wird die ίο endgültige gedruckte Schaltung erhalten (F ig. 10).

Das in F i g. 7 dargestellte Material kann, wie in F i g. 8 und in F i g. 9 gezeigt, als solches verwendet werJen. Dies hat den Vorteil, daß die Un'.erätzung beim Ätzprozeß vernachlässigbar wird. Dieser Vorteil kann ι-, jedoch auch erhalten bleiben, wenn Schaltungen mit verstärkter Dicke der Leitungen hergestellt werden sollen. Fig. 12 bis 14 zeigen, wie dies erreicht werden kann.

Auf eine isolierplatte S S is; cine Küpfcrschicht 12 in _><> einer Dicke von beispielsweise 5 μπι aufgebracht worden. Zur Verstärkung der Dicke der Leitungen wird zunächst eine Maske 13, die dem Negativ des gewünschten Leitungsbildes entspricht, auf die Kupferschicht 12 aufgebracht, wie in Fig. 12 dargestellt. :> Anschließend wird weiteres Kupfer !6 galvanisch auf der Schicht 12 abgeschieden, bis die gewünschte Dicke des Leiters von beispielsweise 35 μπι erreicht ist, worauf ein zv sites anderes Metall, das als Ätzresist 17 dient, auf die abgeschiedene Kupferschicht aufgebracht wird. Alle jo diese Maßnahmen sind in Fig. 13 veranschaulicht Anschließend wird die Maske 13 aufgelöst, und die von der Maske abgedeckte dünne Kupferschicht wird durch Ätzen, das nur kurze Zeit erfordert, entfernt Das Resultat zeigt Fig. 14, aus der ersichtlich ist, daß ein Leiter von erheblicher Dicke von beispielsweise 35 μπι und mit sehr genauen Dimensionen, die auf das Fehlen einer nennenswerten Unterätzung zurückzuführen sind, erhalten worden ist.

Der beim Vormaterial gemäß der Erfindung verwendete provisorische Träger braucht lediglich die Dicke zu haben, die erforderlich ist um die dünne Kupferschicht zu bilden und so zu tragen, daß das aus dem provisorischen Träger und der Kupferschicht bestehende Verbundmaterial während der weiteren Verarbeitung bequem gehandhabt werden kann. Vorzugsweise sollte der provisorische Träger wegwerfbar sein, so daß er nach dem Gebrauch vernichtet werden kann. Seine Dicke hängt von der Steifigkeit der verwendeten Werkstoffe ab, sollte jedoch nicht mehr als 200 μπι, so vorzugsweise nicht mehr als 100 μπι, beispielsweise etwa 30 μπι, betragen. Er hat den Vorteil, dab er als Schutz gegen Oxydation, Verkratzung und andere Beschädigung der dünnen Metallschicht während des Transports, der Lagerung und der mechanischen Behandlung des Laminats dienen kann.

Ein weiterer Vorteil hängt mit der oben genannten Anwesenheit durchgehender Löcher, sogenannter Mikroporen, in der Kupferschicht zusammen. Diese Mikroporen sind bei der galvanischen Abscheidung schwierig zu vermeiden. Sie führen, wie bereits erwähnt, zu Schwierigkeiten, da ein Teil des Harzes während des unter hohem Druck erfolgenden Pressens zur Herstellung beispielsweise von mit Glasgewebe verstärkten Epoxyharzlaminaten durch die Mikroporen zur Oberfläehe des Kupfers fließt Die Recken aus Epoxyharz auf der Oberfläche des Kupfers sind äußerst nachteilig bei der Herstellung der gedruckten Schaltung während des Ätzens, Plattierens und Lötens. Je dünner die Kupfer-

schicht ist, um so schwieriger isl es, dieses Problem zu vermeiden. Dieses Problem tritt bei dem beschriebenen Vormaterial nicht auf, da der provisorische Träger eine wirksame Sperrschicht während des Preßvorganges bildet und vollständig verhindert, daß Harz zur Oberfläche der Kupferschicht fließt.

Bevor der provisorische Träger mit der Kupferschk.« auf die Isolierplatte gepreßt wird, ist es zweckmäßig, das Kupfer einer Oberflächenbehandlung

zu unterwerfen, um die Haftfestigkeit zwischen dem Kupfer und dem Harz der Isolierplatte zu verbessern. Diese Oberflächenbehandlung dient dazu, die Oberfläche des Kupfers uneben zu machen. Die Dicke der abgeschiedenen Kupferschicht ist daher als durchschnittliche Dicke gerechnet. Eine durchschnittliche Dicke von 10 μηι entspricht einem Flächengewicht von etwa 87 g/m².

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vormaterial für gedruckte Schaltungen, bestehend aus einer zur einmaligen Verwendung vorgesehenen Folie aus Aluminium, Zink oder Legierungen dieser Metalle oder aus Stahl einer Dicke von nicht mehr als 200 μπτ, mit einer durch galvanische Abscheidung auf der Folie aufgebrachten dünnen, geschlossenen, nicht-gemusterten Schicht aus Kupfer oder Kupferlegierung einer Stärke von 1 bis 15 um und einer mit dieser Metallschicht direkt laminierten Isolierplatte aus glasfaserverstärktem Epoxyharz.