DE2320099A1 - Verfahren zur herstellung eines kunststoffsubstrates mit aufgerauhter oberflaeche - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines kunststoffsubstrates mit aufgerauhter oberflaecheInfo
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Description
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Dipping. Λ. Crörnckef 19. April 1973
Dr.-lnci.il K'Jnl^y
Dr. Ing. IV. Stuoanair ρ -^ *
$ München ?2, Maximilimttr. 43 ' l
JAPAN CIRCUIT INDUSTRIAL COMPANY, LTD. 1236, Kamiikecho-2-chome, Toyota-shi, Japan
Verfahren zur Herstellung eine_s__Kun_s
substrates mit aufgerauhter Oberfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffsubstrates mit aufgerauhter Oberfläche durch Laminieren
einer Aluminiumfolie mit rauher Oberfläche auf ein Kunststoffsubstrat unter Erwärmung und Druck und anschliessendes
chemisches Abätzen der Aluminiumfolie.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
von Kunststoffsubstraten mit solcher Art aufgerauhten
Oberflächen, dass diese in der Lage sind, dünne, stromlos aufgebrachte Metallschichten oder Schichten, die
als Tinten, Tuschen oder Farben aufgebracht werden, fest zu verankern.
309843/0981
Ein spezielles Anwendungsgebiet für solche beschichteten Kunststoffsubstrate sind die sogenannten gedruckten Schaltungen,
die durch die Festlegung von Bahnen aus leitendem Metall auf einem isolierenden Substrat hergestellt werden
und heute eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Technik der Mikroelektronik sind. Die meisten dieser gedruckten
Schaltungen werden nach dem Subtraktionsverfahren hergestellt.
Dieses Subtraktionsverfahren zur Herstellung gedruckter
Schaltungen besteht in der Regel im Aufbringen einer etwa 35. bis 100 /um starken Kupferschicht auf eine oder auf
beide Seiten einer aus isolierendem Kunststoff bestehenden Tafel oder Platine, wobei die Kupferschicht in der Regel
in Form einer Kupferfolie unter Verwendung von Klebstoffen, Wärme und bzw. oder Druck auf das Kunststoffsubstrat aufgebracht
wird. Anschriessend wird das Kupfer von den nicht
für die elektrische Leitung benötigten Stellen des so erhaltenen Kupfer-Kunststoff-Laminats durch Abätzen entfernt,
so dass auf dem isolierenden Kunststoffsubstrat lediglich'
die gewünschten Leiterbahnen aus Kupfer zurückbleiben.
Dieses Verfahren weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf.
Einer dieser Nachteile ist das Auftreten des sogenannten Unterschnitts, der darin besteht, dass beim Abätzen der
nicht benötigten Teile der Kupferschicht-von der Seite her
auch jene Kupferbereiche angegriffen werden, die als Leiterbahnen stehenbleiben sollen. Durch diese Erscheinung des
Unterschnitts, bzw. des seitlichen Abätzens der für die
Leitung vorgesehenen Kupferbereiche, wird die erzielbare Schmalheit der Leiterbahnen wesentlich eingeschränkt. ·
Ein weiterer Nachteil dieses Ätzverfahrens liegt in der schwierigen Wiedergewinnung des durch Ätzen entfernten
überflüssigen Kupfers, was aufgrund des Materialverlusts
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zu einer Verteuerung des Gesamtverfahrens führt.
Neben dem beschriebenen Subtraktions- bzw. Ätzverfahren wird zur Herstellung gedruckter Schaltungen häufig auch
das additive Verfahren verwendet, das darin besteht, dass von vornherein nur in den für die Leitung vorgesehenen
Bereichen ein leitendes Metall zur' Bildung der Schaltung auf das isolierende Substrat aufgebracht wird. Dieses Aufbringen
kann entweder stromlos oder elektrolytisch erfolgen. Im Falle des elektrolytischen Aufbringens der Leiterbahnen
nach dem additiven' Verfahren wird zunächst die gesarate Oberfläche des isolierenden Substrats mit einer dünnen
leitenden Metallschicht überzogen, wird anschliessend das Leitermaterial elektrolytisch auf den gewünschten Bahnen
abgeschieden, und zwar nur auf diesen, und wird dann schliesslich die dünne leitende Metallgrundschicht durch
Ätzen von den für die Isolation vorgesehenen Flächen entfernt.
Bei diesem Verfahren treten zwar die beim Ätzverfahren „
beschriebenen Nachteile praktisch nicht auf, jedoch liegt der grosse Nachteil der additiven Verfahren in der mangelnden
Haftung der stromlos aufgebrachten Mötallschichten auf
der Isolatoroberfläche. Da eine solche stromlos aufgebrachte Metallschicht sowohl beim direkten Aufbringen der Leiterbahnen
als auch beim elektrolytischen Aufbringen der Leiterbahnen in Form der stromlos aufgetragenen Grundschicht die
eigentliche Haftvermittlung bilden, bleibt diese nicht
ausreichende Haftung der Leiterbahnen auf dem Isolatorsubstrat ein bisher unüberwindliches Problem aller additiver
Verfahren.
Es ist versucht worden, diesem Problem durch Aufrauhen der
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Oberfläche des Isolatorsubstrates abzuhelfen. Dementsprechend
sind auch bereits eine Reihe von Verfahren zur Aufrauhung von Isolatoroberflächen bekannt geworden. Es seien in
diesem Zusammenhang die folgenden Verfahren genannt: (1) mechanisches Aufrauhen der Oberfläche, beispielsweise
durch Sandblasen, Abstrahlen mit Flüssigkeiten unter hohem Druck oder durch Aufstrahlen von Schrot; (2) ein Verfahren
zur Bildung einer porösen Oberfläche durch Auftragen eines haftenden Lackes, der mit Glasstaub, Calciumcarbonat, Aluminiumoxid
oder Magnesiumoxid vermischt ist; (=3). ein Verfahren zur Herstellung poröser Oberflächen durch Auftreiben
eines thermisch härtbaren Kunststoffes, beispielsweise von ABS-Harz, Polypropylen oder Polycarbonat, mit
einem Lösungsmittel und anschliessendes Behandeln des Kunststoffs mit Chromoxid oder Schwefelsäure; (4) ein Verfahren
zur Herstellung einer porösen Oberfläche durch direkte Bestrahlung mit einer ionisierenden Bestrahlung
und durch direktes chemisches Aufrauhen einer Kunststoffoberfläche, beispielsweise einer Polyäthylenfläche, die
leicht zu zersetzen ist; (5) ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffsubstrates mit aufgerauhter Oberfläche
durch Auflaminieren einer anodisch oxidierten Aluminiumfolie
auf die Oberfläche des Kunststoffsubstrates unter Druck und anschliessendes Entfernen der Aluminiumfolie
durch chemisches Abätzen. .
Keines der genannten Verfahren vermag jedoch die Anforderungen ohne Inkaufnahme wesentlicher Nachteile zu erfüllen.
So wird nach dem Verfahren (1) maximal eine Ober- ■ fläche in der Grössenordnung von 120 - 130 %} bezogen
auf die.ursprüngliche Oberfläche, erhalten. Selbst bei einer Optimierung der Sandstrahlbedingungen, insbesondere
der Sandkorngrösse, wird kaum eine Erhöhung der Haftfestigkeit der Isolatoroberfläclie erreicht.
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_ 5 —
Der Hauptnachteil des Verfahrens (2) liegt 'darin, dass
der Füllstoffrückstand nicht restlos entfernt werden kann
und die verbleibenden FüllstoffrUckstände die Oberflächenqualität insgesamt verschlechtern, ohne dabei jedoch eine
Erhöhung der erzielbaren Haftung zu bewirken.
Nach dem Verfahren (3) wird Diäthylformamid als Treibbzw.
Quellmittel in Verbindung mit Chrom(Vl) verwendet. Beide Stoffe sind ausgesprochen umwertunfreundlich und stellen
somit in der Praxis erhebliche Abfallbeseitigungsprobleme.
Das Verfahren (4) ist im wesentlichen auf Polyäthylensubstrate beschränkt und erfordert darüber hinaus eine Reihe
aufwendiger Vorrichtungen«
Bei dem Verfahren (5) wird schliesslieh von den feinen Spalten, Rissen und Zellen Gebrauch gemacht, die sich während
der anodischen Oxydation einer Aluminiumfolie in der gebildeten Aluminiumoxidschicht bilden. Diese Störstellen
in der Aluminiumoxidschicht sind Schlitze im A-Bereich
und führen dementsprechend zu nur geringen Oberflächenzunahmen. Die auf der Kunststoffoberfläche auf diese Weise
tatsächlich erreichbare Aufrauhung wird auch dadurch noch vermindert, dass die in der Aluminiumoxidschicht vorhandenen
Fehlstellen aufgrund ihrer schlitz- bis haarrissförmigen Struktur nur unvollständig auf die Kunststoffoberfläche
übertragen werden können, und zwar wird diese Übertragung insbesondere bei der Verwendung von thermisch aushärtbareri
Kunststoffen beeinträchtigt.
Zusammenfassend ist also festzustellen, dass nach keinem der vorstehend besprochenen fünf Verfahren zur Aufrauhung
von Isolatoroberflächen eine zufriedenstellende Aufrauhung bzw. eine zufriedenstellende Erhöhung der Haftvermittlung
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gegenüber insbesondere metallischen Beschichtungen erreicht
werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kunststoff
substrat zu schaffen, dessen Oberfläche so aufgerauht ist, dass sie Beschichtungen, insbesondere solche aus
Metall, fest zu verankern vermag.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Laminierverfahren
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Oberfläche
der Aluminiumfolie durch elektrolytisches Ätzen unregelmässig
aufrauht.
Die durch das elektrolytische Ätzen erzeugte unregelmässige
Rauhigkeit der Aluminiumfolie teilt sich beim Laminieren dieser Folie mit der aufgerauhten Seite.auf der Kunststoffsubstratoberfläche
dieser in hervorragender Weise mit, und zwar insbesondere dann, wenn das Laminieren unter Druck
und Erwärmung durchgeführt wird. Auf diese Weise kann eine VergrÖsserung der Kunststoffoberfläche um den Faktor 10 60
erreicht werden. Die Tiefe der Rauhigkeit beträgt vorzugsweise 1-10 /um.
Nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung hat die der elektrolytischen Ätzung,unterworfene. Aluminiumfolie
eine elektrostatische Kapazität von 60 - 200 jdSF/cm . Die
Aluminiumfolie hat dabei vorzugsweise eine Stärke von 10 - 200 /um.
Die in der nachstehenden Beschreibung angegebenen Oberflächenvergrösserungen
sind die auf die Oberfläche einer ungeätzten Aluminiumfolie bezogenen Faktoren für die
Oberfläche der elektrolytisch -geätzten Aluminiumfolie.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die -
Fig. 1 zeigt eine mikroskopische Aufnahme
eines 80Ofach vergrösserten Querschnitts
einer erfindungsgemäss geätzten Aluminiumfolie.
Der Ausdruck "elektrolytisch geätzt", wie er im Rahmen dieser Beschreibung verwendet wird, bezeichnet ein an
sich bekanntes Ätzverfahren zur Oberflächenvergrösserung von Aluminiumfolien, wie es insbesondere für die Herstellung
elektrolytischer Kondensatoren verwendet wird. Im einzelnen ist damit ein Ätzen durch Eintauchen der Aluminiumfolie
in eine elektrolytische Ätzlösung unter elektrolytisch wirksamem Gleichstromfluss durch die Folie
gemeint. Als Ätzlösung wird dabei im allgemeinen eine wässrige Chlorid enthaltende Lösung verwendet, insbesondere
eine 0,5-5 gew.-^ige wässrige Chlorwasserstoff- oder Natriumchloridlösung. Die Lösung kann zusätzlich Essigsäure,
Schwefelsäure oder andere Zusätze zur Erhöhung der Ätzv/irkung enthalten.
Die Ätzung wird vorzugsweise 30 - 240 see lang bei 50 80
0C Badtemperatur und einer Strömdichte von 10 - 200 A/dm
durchgeführt. Die Tiefe der so erzeugten Oberflächenrauhigkeit der Aluminiumfolie und der Faktor der Oberflächenvergrösserung
können als Funktion der Zusammensetzung des Ätzbades, der Elektrolysebedingungen und der Reinheit
der verwendeten Aluminiumfolie in weiten Grenzen variiert werden. Die vorstehend spezifizierten Elektrolysebedingungen
sind daher als wahlweise bevorzugte Grenzen zu verstehen und können je nach Art der gewünschten Aufrauhungstiefe
und Oberflächenzunahme abgeändert werden.
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Neben der Tiefe der durch das Ätzen in der Aluminiumfolie
erzeugten Unregelmässigkeiten ist "vor allein auch die
Form dieser Unregelmäesigkeiten von Bedeutung. "Wie vorstehend
"bereits ausgeführt, sind Ätztie'fen von 1 - 10 /urn und
Oberflächenvergrösserungen um den Faktor 10-60 im Rahmen der Erfindung besonders bevorzugte Werte. Hinsichtlich
der Form der erzeugten Oberflächenunregelmässigkeiten ist zu beachten, dass schmale und längliche Oberflächenstörsteilen und Atzgruben -die Haftfestigkeit der unter
Verwendung solcher Aluminiumfolien hergestellter aufgerauhter Kunststoffsubstratoberflächen gegenüber chemisch
oder elektrochemisch aufgebrachten BeSchichtungen nicht "
zu verbessern vermag. Bei Ausbildung zu grosser Ätzstörstellen lassen sich keine gleichmässigen Leiterbahnen
mehr durch stromloses oder elektrolytisches Plattieren herstellen.
Vorzugsweise wird die Aluminiumfolie direkt elektrolytisch
geätzt, und zwar am wirksamsten in der Weise, dass die
Folie in eine alkalische wässrige Lösung, beispielsweise in eine Natriumcarbonat- oder Natriumhydroxidlösung, oder
in eine saure Lösung/ beispielsweise in eine Salzsäurelösung, getaucht wird, um dadurch bereits eine anfängliche
AufiHiiiung der Oberfläche der Aluminiumfolie zu erzielen.
Die auf=diese l/eise vorzugsweise vorbereitend angerauhte
Aluminiumfolie wird-dann anschliessend dem eigentlichen
elektrolytischen Ätzverfahren unterworfen.
V/ie zuvor bereits erwähnt, wird die Ausgangsaluminiumfolie
einem elektrolytischen Ätzverfahren unterworfen, wie es auch in der Regel zur Herstellung der Aluminiumelektroden
elektrolytischer Kondensatoren verwendet wird. Die unbearbeitete Aluminiumfolie hat dabei eine elektrostatische
2 ■ ■
Kapazität von 60 - 200 yuF/cm , gemessen mit einer 0,5 V-Universalwechselstronibrücke.
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Die hinsichtlich ihrer Reinheit keinen kritischen Grenzbedingungen
unterworfene Aluminiumfolie kann sweckmässigerweise
aus dem gleichen Material bestehen, wie es im allgemeinen für die Herstellung elektrolytischer Kondensatoren
verwendet wird. Aus wirtschaftlichen, insbesondere preislichen, Gründen, aber auch aus technischen Gründen,
insbesondere im Hinblick auf ein leichtes chemisches Ab-^
lösen der Folie von der KunststoffSubstratoberfläche,
wird für das Verfahren geniäss der Erfindung eine Aluminiumfolie vorgezogen, deren Reinheitsgrad hinsichtlich des
Aluminiums 99,7 % oder darunter beträgt. Dementsprechend
kann eine für das Verfahren gemäss der Erfindung verwendete Aluminiumfolie durchaus auch aus einer Aluminiumlegierung
mit anderen Metallen, wie beispielsweise Eisen, Kupfer oder Silicium, bestehen.
Auch die Dicke der verwendeten Aluminiumfolie ist prinzipiell nicht kritisch und kann relativ frei gewählt v/erden,
wobei es selbstverständlich ist, dass eine zu dicke Folie hinsichtlich ihrer Abätzung von der Kunststoffoberfläche,
auf die sie laminierend gebunden wird, sinnlos ist. Aus praktischen Gründen wird für die Dicke der Aluminiumfolie
daher ein Bereich von 10 - 200 /um vorgezogen.
Als Material für die Kunststoffsubstrate, auf die die
aufgerauhte Oberflächenstruktur der Aluminiumfolie durch das Laminieren übertragen wird, kommen prinzipiell praktisch
alle Thermoplaste und thermisch härtenden Duroplaste in Frage. Als typische und bevorzugte Thermoplaste seien
beispielsweise ABS-Harze, Polycarbonate, Polyphenylenoxide, Polysulfone und Polyolefine, wie beispielsweise
Polypropylen, genannt. Als typische und bevorzugte in der Wärme aushärtbare Kunststoffe seien Epoxide, beispielsweise
das Reaktionsprodukt von Bisphenol A und Epichlorhydrin,
Phenolharze, beispielsweise die Reaktionsprodukte von
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Phenol,. Resorcin oder Xylenol mit Formaldehyd, ungesättigte Polyester, beispielsweise das Reaktionsprodukt ungesättigter
Dicarbonsäuren mit Glykolen, als Auswahl genannt.
Die thermisch härtbaren Kunststoffe werden vorzugsweise
in Form der sogenannten Prepregs mit verstärkenden Einlagen benutzt. Als Einlagematerialien kommen Glasfasern,
Papier, nichtgewebte Vliesmaterialien, Asbest oder Polyesterfasern
in Betracht.
Als erste Stufe des Verfahrens gemä'ss der Erfindung wird das wie vorstehend beschrieben elektrolytisch geätzte
Aluminium mit dem Kunststoff in einer Heizpresse laminiert. Bei dem so erhaltenen Laminat kann die Aluminiumfolie
sowohl auf einer Seite als auch auf beiden Seiten des KunststoffSubstrats aufgebracht sein, so dass die Kunststoffplatte, sandwichartig zwischen zwei elektrolytisch
geätzten und, mit der geätzten Oberfläche auf dem Kunststoffsubstrat
aufliegenden Aluminiumfolien eingeschlossen, zwischen"""diesen zur Herstellung der Laminatverbundstruktur
erhitzt und gepresst wird. Die Prozessparameter für das Laminieren hängen im Detail von der Art des Kunststoffs
ab, insbesondere ob es sich um einen Thermoplasten oder einen thermisch härtbaren Duroplasten handelt.
Im Falle eines Thermoplasten richtet sich die Temperatur nach dem Erweichungspunkt des Kunststoffs, und zwar in
der Weise, dass sie zumindest der Erweichungstemperatur
entspricht oder geringfügig höher ist. Der aufgewendete Druck liegt vorzugsweise, im Bereich von 1 - 50 kg/cm . ■
Die Verweilzeit der Schichtstruktur in der Heizpresse beträgt von der Aufgabe bis zur Polymerisaterweichung
vorzugsweise etwa 0,5 - 10 min.
Im Falle der Verwendung eines thermisch härtbaren PoIy-
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merisats ist darauf zu achten, dass das Aushärten des
Polymerisats unter den angewendeten Temperatur- und Druckbedingungen abgeschlossen werden muss. Bei einer Verweilzeit
von 60 - 120 min werden geeigneterweise Temperaturen im Bereich von 100 ~ 250 0C und Drücke im Bereich von 3o 200
kg/cm angewendet.
Die thermisch härtbaren Prepreg--Harze befinden sich·in
einem erst teilweise vernetzten Zustand. Während des Erwärmens und Pressens bei der Laminatbildung werden die Harze
dann vollständig vernetzt, d.h. ausgehärtet, so dass beim Pressen die in der Aluminiumoberfläche durch das elektrolytisch^
Ätzen gebildeten Ätzgruben und Löcher mit dem Polymerisat ausgefüllt werden und sich die unregelmässig
zerklüftete Oberflächenstruktur der Aluminiumfolie auf diese Weise auf die Polymerisatoberfläche, durch die Raumvernetzung
fixiert, überträgt.
Bei Verwendung von Thermoplasten werden diese unter dem
aufgewendeten Druck und der Temperatur ausreichend plastifiziert bzw. verflüssigt und bei der Zurücknahme des
Druckes und der Temperatur wieder verfestigt, so dass ein im Effekt und in der Struktur gleiches Laminat wie
bei Verwendung von thermisch härtbarem Duroplasten erhalten wird.
In der Regel wird die auf solche Weise hergestellte laminierte Tafel oder Platte zunächst einer mechanischen Bearbeitungsstufe
unterworfen, in der sie beispielsweise auf die gewünschte Platinengrösse zugeschnitten oder
mit den erforderlichen Bohrungen versehen wird.
Die auf diese V/eise erhaltene, mechanisch bearbeitete laminierte Platine, die aus einer, gegebenenfalls zwei
Aluminiumfolien und dem Kunststoffsubstrat besteht, wird
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dem zweiten Arbeitsgang, dem chemischen Abätzen der Aluminiumfolie,
unterworfen. Geätzt wird vorzugsweise durch Eintauchen der Laminatplatte in eine wässrige Alkalilösung,
beispielsweise in eine wässrige, 20 - 30 5'uige Natronlauge,
oder in eine wässrige Säure, beispielsweise in Salzsäure. Die Ätzbadtemperatur liegt dabei vorzugsweise im Bereich
zwischen Zimmertemperatur und 80 0C. Die Verweilzeit der
Platine im Ätzbad richtet sich nach der Dauer, die zur
vollständigen Ablösung, bzw. Auflösung der Aluminiumfolie erforderlich ist. ■ ■
Wenn das Verfahren gemäss der Erfindung im wesentlichen
auch nur aus den beiden beschriebenen Bearbeitungsstufen besteht, so können doch noch eine Reihe zusätzlicher Verfahrensstufen,
beispielsweise Waschen, mit Wasser, vorgesehen sein.
Die Oberfläche des auf diese Weise erzeugten Kunststoff-Substrats
ist durch Unregelmässigkeiten bemerkenswert
vielfältiger und unterschiedlicher Struktur aufgerauht/ Diese wünschenswerte Eigenschaft wird offensichtlich aufgrund
der nachstehend geschilderten Verhältnisse erreicht: Wenn'die noch nicht behandelte Aluminiumfolie dem elektrolytischen
Ätzen unterworfen wird, bilden sich zahlreiche Ätzgruben, bzw. Ätzlöcher, mit einer Tiefe von ca. 1-10 /
auf der Oberfläche der Folie. Die so gebildeten Ätzgruben bzw. Ätzlöcher v/eisen ausserordentlxch und ungewöhnlich
vielfältig strukturierte und geformte geometrische Ausbildungen auf, so dass die Oberfläche der Aluminiumfolie um
den Faktor 20 - 4o oder darüber, bezogen auf die Oberfläche der nicht geätzten Aluminiumfolie, vergrössert wird. Die
Fig. 1 zeigt eine Mikro skopauf nahrne eines Querschnittes einer elektrolytisch geätzten Aluminiumfolie in OOOfacher
Vergrösserung. Der Faktor der Oberflächenvergrösserung
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beträgt im Falle der Abbildung 40. Der zentrale v/eisse
Teil der Abbildung zeigt den Schnitt durch die Aluminiumfolie. ¥ie der Photοgraph!e deutlich zu entnehmen ist,
zeigt die Oberfläche eine geometrisch ausserordentlich komplizierte und vielfältige Aufrauhung. Auf diese V/eise
bietet eine so ausgebildete Aluminiumoberfläche für einen noch relativ v/eichen Kunststoff eine Fülle von Eindringmöglichkeiten.
Insbesondere unter dem Einfluss von Temperatur und Druck tritt der Kunststoff des Substrats tief
in die Löcher und Ätzgruben der Folienoberfläche ein. Nach dem Aushärten bzw. Wiedererhärten des Kunststoffs
wird die Aluminiumfolie chemisch aufgelöst, so dass ein Kunststoffsubstrat mit einer vielfältige und komplizierte
Unre&elraässigkeiten und Rauhigkeiten aufweisenden Oberfläche
zurückbleibt, wobei die positiven Oberflächenrauhigkeiten der Kunststoffoberfläche den negativen Ausrauhungen
der geätzten Aluminiumoberfläche entsprechen. Die auf diese l/eise auf dem Kunststoffsubstrat ausgebildeten rauhen Oberflächen
sind aufgrund der Vielfältigkeit ihrer gsometrischräurnlichen
Ausbildung ideal für die Verankerung bzw. für den überaus fest haftenden Auftrag von Oberflächenbeschichtungen.
Wenn daher Überzüge, beispielsweise Farben, Tuschen, Metalltinten oder -pasten, stromlos auf solche
Substratoberflächen aufgetragen werden, wird eine ausserordentlich
feste Haftung der Beschichtungen auf den Kunststoff Substraten erreicht. Insbesondere bei der Bildung
metallischer Überzüge durch stromloses Auftragen der Metalle v/erden verblüffende und unerwartete Effekte erhalten.
So kann beispielsweise auf einem Substrat, das aus einer auf eine Oberflächenvergrösserung um den Faktor 20 geätzten
99,7 &igen Aluminiumfolie, die eine bei 0 Volt
gemessene elektrostatische Anfangskapazität von 90 /uF/cm
hatte, und einem Epoxid hergestellt worden war, bei stromloser Plattierung mit Kupfer eine Haftfestigkeit von 1,4 -
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1,7 kg auf eine Breite von 1 cm erreicht v/erden. Bei Wiederholung
des gleichen Herstellungsverfahrens, jedoch mit einer Aluminiumfolie, die auf eine 40fache Oberflächeiivergrösserung
geätzt wurde und eine elektrostatische Kapazität von 130 /uF/cm
im ungeätzten Zustand, geinessen bei einer Transformationsspannung
von 0 Volt, aufwies, wurde eine Haftfestigkeit von 1,6 - 3,2 kg auf einer Breite von 1 cm erhalten.
Die Haftfestigkeiten wurden nach der. japanischen"Industrienorm
JIS C 6481 bestimmt, nach der die zu testende Kupferlaminatprobe mit" einem 1 cm breiten Kupferstreifen als
Deckschicht in der Weise getrennt wird, dass der kupferstreifen von der Testmaschine unter einem Winkel von 90 °
vom Substrat abgezogen wird. Als Testgerät kann dazu beispielsweise
ein SCHOPPER-Teiisidtestgerät oder ein arideres
geeignetes Testgerät verwendet werden. Die zum Abpellen der Laminatschicht unter 90 ° erforderliche Masse kann an den
genannten Geräten direkt in kg abgelesen werden.
Wie eingangs bereits ausgeführt, besteht die Schwierigkeit bei der Herstellung gedruckter Schaltungen nach dem additiven
Verfahren in der mangelnden Haftfestigkeit zwischen dem Metall der Leiterbahn und dem Substrat. Bei Anwendung
des Verfahrens gemäss der Erfindung wird dieser■Nachteil
der mangelnden Haftfestigkeit mit überraschend guten Ergebnissen überwunden. Mit Hilfe des Verfahrens gemäss der
Erfindung können gedruckte Schaltungen mit" ausgezeichneten Eigenschaften und in wirtschaftlicher Weise nach dem additiven
Verfahren hergestellt werden.
Die Vorteile, die insbesondere verfahrenstechnisch der additiven Methode zuzuschreiben sind, wenn man diese mit
der Ätzmethode vergleicht, liegen auf der Hand, wenn man beide Verfahren nebeneinander hält:
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Wenn eine beidseitig mit Leiterbahnen versehene Platine nach dem subtraktiven Verfahren, d.h. nach dem Ätzverfahren,
hergestellt werden soll, wobei die Platine Kontaktlöcher von einer zur anderen Kartenseite aufweisen soll, sind die
folgenden Arbeitsschritte erforderlich: Herstellung der kupferüberzogenen Laminatplatte, Schneiden der grossen
Platte auf die gewünschte Karten- bzw. Platinengrösse,
Lochen der Karte, gegebenenfalls unter numerischer Maschinensteuerung, Abstrahlen der Kupferbeschichtung, Oberflächenbehandlung
in den gebohrten Löchern, Oberflächenbehandlung der Kupferschicht, katalytische Aktivierung,
chemische Kupferplattierung, primäre Kupferpyrophöspbatplattierung,
Seidenumkehraufdruck der Leiterbahnen, sekundäre Kupferpyrophosphatplattierung, Goldplattierung bzw.
Goldlötung, Entfernen der Ätztinte, Ätzen mit Ammoniurnpersulfat, Oberflächenbehandlung, Bearbeitung des äusseren
Randes und andere mehr. Bei einer spezifischeren Aufgliederung
all dieser Arbeitsstufen kann man in die 50 unterschiedliche
Arbeitsstufen festhalten, die zur Herstellung der als Beispiel genommenen Platine nach dem Ätzverfahren
erforderlich sind,
Venn dagegen eine gleiche Leiterplatine-nach dem Additionsverfahren
hergestellt werden soll, so sind dagegen lediglich die folgenden Schritte erforderlich: Herstellung einer
Aluminiumfolie mit vergrösserter Oberfläche, Herstellung
des Laminats, Alkalibehandlung, Schneiden der grossen Platte auf Kartengrösse, Anbringen der Löcher, gegebenenfalls
unter numerischer Maschinensteuerung, katalytische Aktivierung, Seidenumkehrdruck, chemische Kupferplattierung,
Oberflächenbehandlung und Bearbeitung des äusseren Randes. Auch bei feiner Untergliederung all dieser Arbeitsschritte
sind für die Herstellung einer solchen beidseitig mit Leiterbahnen versehenen Platine höchstens etwa 20 Arbeitsschritte erforderlich.
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Der Vorteil des additiven Verfahrens gegenüber dem subtraktiven
Verfahren liegt jedoch nicht nur in der bedeutend geringeren Anzahl der erforderlichen Bearbeitungsstufen begründet. V/enn beispielsweise das Kunststoffsubstrat
und die Kupferbeschichtung gleichzeitig gelocht bzw. gebohrt
werden, müssen zur Erzielung einwandfreier Ergebnisse genaue Schneidbedingungen und Vorschubgeschwindigkeiten eingehalten
werden, da sonst leicht ein Lösen der Beschichtung von der Isolatorplatte eintritt. Diese Sorgfalt braucht dann bei
weitem nicht aufgewendet zu werden, wenn im Falle des
additiven-Verfahrens lediglich die Kunststoffsubstratplatte
gelocht v/erden muss. Darüber hinaus nimmt die Wahrscheinlichkeit der Ablösung beider Kupferschichten beim Ätzverfahren
zu, wenn der Katalysator auf die Kupfergrundschicht aufgetragen und auf diese anschiiessend die sekundäre Kupferschicht
chemisch abgeschieden wird, v/enn der Katalysator dagegen direkt auf die aufgerauhte Kunststoffsubstratober- fläche
aufgetragen und das Kupfer in einer Schicht chemisch auf diese Oberfläche aufgebracht wird, tritt eine solche
Ablösung nicht auf.
Der vorstehende Vergleich dieser beiden Verfahren zeigt deutlich die Überlegenheit des additiven Verfahrens gegenüber
dem subtraktiven bzw. dein Ätzverfahren. Durch das Verfahren gemäss der Erfindung, das dem Kunststoffsubstrat eine
praktisch ideal aufgerauhte Oberfläche mit ausserordentlich hoher Haftfestigkeit für die Leiterbahnen verleiht, ist
die volle Ausnutzung der Vorteile des additiven Verfahrens möglich geworden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung, kann in prinzipiell
gleicher Weise, wie vorstehend beschrieben, auch auf mehrschichtige Leiterplatinen angewendet v/erden. Im einzelnen
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werden Im Fall einer mehrschichtigen Platine auf die beiden äussersten Schichten der ßchichtstruktur die elektrolytisch
geätzten Aluminiumfolie!! in der beschriebenen Weise aufgebracht. Die Leiterzwischenschichten v/erden durch je
eine dünne Platte erhalten, auf der das verdrahtete Muster der Strombahnen der Zwischenschicht angeordnet ist. Die
Zwischenplatten werden dann zusammen mit den äusseren geätzten Aluminiumfolien und den Prepregs zur Hehrschichtenplatte
laminiert. Die endgültige elektrische Schaltung der Leiterbahnen wird dann in üblicher V/eise durch mechanische
Bearbeitung und die Entfernung der äusseren Aluininiumfolien; wie im Falle der einschichtigen Platine
beschrieben, fertiggestellt.
In den folgenden Beispielen ist die Erfindung anhand spezifischer
Ausführungsformen näher beschrieben:
Eine Aluminiumfolie mit einer Reinheit des Aluminiums von 99,75 %, wobei die übrigen Verunreinigungen 0,15 % Fe,
0,03 % Cu und 0,07 % Si sind, wurde in eine elektrolytische
Ätzlösung getaucht, die auf 1 1 Wasser SO ml 35 ^oige Salzsäure und 5 ml konzentrierte Schwefelsäure
enthielt. Das elektrolytische Ätzen wurde 80 see lang bei einer Gleichstromdichte von 15 A/dm und einer Badtemperatur
von 60 0C durchgeführt. Die auf diese Weise
hergestellte Aluminiumfolie ,hatte eine Stärke von 100 /um und war so lange elektrolytisch geätzt worden, bis sie
eine Oberflächenvergrösserung um den Faktor 20 aufwies. Daneben wurde ein Prepreg von 150 /um Dicke aus einem
mit Epoxidharz imprägnierten Glasfasertuch hergestellt. Das Epoxid wurde durch Umsetzen von Epichlorhydrin mit
Bis-phenol A erhalten. Die geätzte Aluminiumfolie und
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das Prepreg wurden so aufeinandergelegt, dass die geätzte Oberfläche der Aluminiumfolie auf der Oberfläche des Prepregs
lag. Die so erhaltene Schichtstruktur wurde in eine mehrstufige Heizpresse gegeben und 120 min lang bei 60 0C
unter 30 kg/cm" zu einer- laminierten Platte verpresst. Das so erhaltene Laminat bestand aus dem ausgehärteten Glasfaserepoxidsubstrat
und einer mit seiner Oberfläche fest verbundenen Aluminiumschicht.
Anschliessend, wurde die so erhaltene laminierte Platte
10 min lang in eine 70 0C v/arme 30 ^oige wässrige Natronlauge
getaucht. Durch diese Behandlung wurde die Aluminiumfolie vollständig aufgelöst, so dass nur noch das alurninium
freie Substrat zurückblieb.
Die ursprünglich mit der Aluminiumfolie bedeckte Oberfläche der so erhaltenen ausgehärteten Glasfaserepoxidplatte war
rauh und zeigte geometrisch vielfältige und komplizierte Oberflächenmikrostrukturen, die für eine Verankerung und
feste Haftung von Beschichtungen hervorragend geeignet ist.
Die auf diese Weise erhaltene Oberfläche wurde der katalytischen Aktivierung und der stromlosen Kupferplattierung
nach an sich bekannten Verfahren unterworfen. Die Haftfestigkeit, gemessen als die zum Abschälen eines Überzugsstreifens erforderliche Last, betrug für den so hergestellten
Kupferfilm bei einer Dicke der Kupferbeschichtung von 35 /um 1,7 kg bei einer Schichtbreite von 1 cm.
Eine Aluminiumfolie mit einer Stärke von 100 /ui, die '
auf einen Oberflächenzuwachsfaktor von 20 elektrolytisch geätzt worden war, und zwar unter den gleichen Bedingungen,
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wie im Beispiel 1 beschrieben, wurde mit der geätzten Seite auf ein 150 /um dickes Prepreg zur Bildung einer
Schichtstruktur aufgelegt. Das Prepreg wurde durch Imprägnieren
eines Papiers mit einem Phenolformaldehydharz hergestellt. Die so erhaltene Schichtstruktur wurde in eine
mehrstufige Heizpresse gebracht und 60 min lang bei 16O 0C
unter 150 kg/cm zu einem festen Laminat verpresst. Die erhaltene Platte bestand aus dem vollständig ausgehärteten
Polymerisatsubstrat und der auf dessen Oberfläche fest haftenden Aluminiumfolie. Anschliessend wurde diese Laminatplatte 10 rain lang· in eine 70 0C v/arme 30 >iige Salzsäure
getaucht. Unter diesen Bedingungen wurde die Aluminiumfolie vollständig aufgelöst, so dass das aluminiumfreie
Substrat mit der aufgerauhten Oberfläche zurückblieb.
Auf diese Substratoberfläche wurde nach einem an sich bekannten
Verfahren stromlos eine Kupferschicht abgeschieden.
Die Haftfestigkeit der durch diese Art des Plattierens erhaltenen Kupferschicht betrug bei einer Schichtdicke von
35 /.um 1,8 kg, bezogen auf einen Streifen von 1 cm Breite.
Beispiel 3 ■
Eine 50 /um dicke Aluminiumfolie, die in der im Beispiel
1 beschriebenen Weise elektrolytisch auf einen Faktor der Oberflächenzunahme von 40 geätzt worden, war, wurde
auf die Oberfläche einer 1 mm starken Po'lycarbonatplatte gelegt. Das Polycarbonat wurde durch Umsetzen von Bisphenol A
mit Phosgen erhalten. Die Aluminiumfolie lag dabei mit der ausgeätzten Seite auf dem Kunststoffsubstrat. Diese
Schichtstruktur wurde anschliessend in eine mehrstufige
Heizpresse gegeben und bei 160 0C unter 10 kg/cm gepresst.
Mit einsetzender Verflüssigung des Kunststoffs wurde der Druck' verringert. Die so erhaltene, aus der
Aluminiumfolie und. dem Polycarbonatsubstrat bestehende
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- 20 - ■■■■.·;■
Laminatplatte wurde anschiiessend nach dem Abkühlen 10 min
lang in eine 70 0C wärme 30 %ige wässrige Natronlauge getaucht.
Dabei wurde die Aluminiumschicht vollständig abgelöst, so dass ein Polycarbonatsubstrat mit einer zum
Aufbringen festhaltender Beschichtungen geeigneten Oberfläche 'erhalten wurde.
Das so erhaltene Substrat wurde in an sich bekannter i/eise
stromlos mit Kupfer plattiert. Die Haftfestigkeit dei'
so hergestellten 35 /um starken Kupierplattierung aul Com
Substrat betrug 3,2. kg bei 1 cm Breite der Beschiclrtvuig.
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Claims (11)
- Patentansprüche,Verfahren zur Herstellung eines KunststoffSubstrats ' mit aufgerauhter Oberfläche durch Laminieren einer Aluiainiumfolle axt rauher Oberfläche auf ein Kunststoffsubstrat unter Erwärmung und Druck und anschliessendes chenlsch.es Abätzen der Aluminiumfolie, dadurch gekennzeichnet, dass man die Oberfläche der Aluminiumfolie durch elektrolytisches Ätzen unregelraässlg aufrauht.
- 2. Verfahren nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet,* dass man die Aluminiumfolie durch Eintauchen in eineelektrolytische Ätslösung, die In wässriger Lösung Chloridionen enthält, elektrolytisch ätzt.
- 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumfolie im Verlaufvon 30 bis 240 see bei einer Temperatur von 50 bis 80 0Cund einer Stromdichte von 10 bis 200 A/dm elektrolytisch geätzt wird.
- 4. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass öle Oberflächenstörsteilen bzw, Ätzgruben in der Oberfläche der Aluminiumfolie eine Tiefe von etwa 1 bis 10 yum haben.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumfolie auf eine OberflächenzuwacJasrate um den Faktor 10 bis 60, bezogen auf die ungeätzte Oberfläche, geätzt wird,
- 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumfolie vor der elektro-309843/0981lytischen Ätzung zum vorläufigen Anrauhen der Oberfläche zunächst .in eine wässrige Alkali- oder Säurelösung getaucht wird.
- 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumfolie, die dera elektrolytischen .Ätzen unterworfen worden ist, eine elektro-Statische Kapazität von 60 bis 200 /uF/cia^ hat..
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumfolie eine Stärke von 10 bis 200 /um hat.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff einer der folgenden. Thermoplasten ist: ABS-Harz, Polycarbonat, Polyphenylcn-' oxid, Polysulfonharz oder Polyolefin.
- 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff eines der folgenden thermisch härtbaren Harze ist, nänlich ein Epoxid, ein Phenolharz oder ein ungesättigter Polyester.
- 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz mit einem Glasfasergewebe, Glasfaservlies, Papier, einem nichtgewebten Faservlies, Asbest oder Polyesterfasern verstärkt ist.309843/0981
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