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Verfahren zum Herstellen von lieiterplatten Die erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Leiterplatten, bei dem metallische Iieitungsverbindungen
auf eine mindestens einlagige Trägerplatte aus glasfaserverstärktem Epoxidharz aufgebracht
werden und dazu in die Trägerplatte zunächst Löcher für Dur&nkontaktierungen
gebo#irt, diese metallisiert und in weiteren Schritten auf die Trägerplatte als
Galvanikreserve dienende, resistente Schichten aufgedruckt werden, die jeweils zumindest
Teile einer Leiterbahnenkonfiguration freilassen, auf denen zunächst rein chemisch
eine dtüine Basisschicht aus Kupfer und darauf aufbauend galvanisch mindestens eine
Deckschicht abgeschieden werden, wobei bei mehreren Deckschichten die unterste aus
Kupfer und die übrigen aus unterschiedlichen Metallen bestehen.
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Die Technologie bei der Herstellung von Leiterplatten ist im Zuge
der Miniaturisierung der elektronischen Bauteile und ihrer damit verbundenen erhöhten
Packungsdichte ebenfalls ständig weiterentwickelt worden. Zum allergrößten Teil
werden dabei heute ein oder auch melhragige Iieiterplatten nach der bekannten subtraktiven
Methode hergestellt. Das Ausgangsmaterial ist dabei ein kupferkaschiertes Halbzeug,
d. h. eine z. B. glasfaserverstärkte Epoxidharzplatte, auf die ein- oder beidseitig
eine z. B. 35 /um dicke Kupferfolie unter Druck und Wärmezufuhr auflaminiert ist
Um eine gute Haftfestigkeit dieser Kupferkaschierung zu erreichen, ist der Isolierstoffträger
vor dem Laminieren noch nicht vollständig auspolymerisiert. Die Kupferfolie
selbst
wird galvanisch bei hohen Stromdichten auf einer sich langsam drehenden Walze abgeschieden,
wobei die Toleranzen in der Schichtdicke durch Regelung der Drehgeschwindigkeit
der Walze und der Stromdichten eingehalten werden. Die hohen Stromdichten ergeben
einseitig eine sehr rauhe Oberfläche der Kupferfolie, die Struktur der rauhen Oberfläche
wird durch chemische Nachbehandlung mit Haftvermittlern noch weiter gesteigert.
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Beim Laminieren liegt diese rauhe Seite der Kupferfolie auf dem Isolierstoffträger,
der durch den Druck und die Wärmezu fuhr beim Laminiervorgang nochmals zähflüssig
wird und in diesem Zustand in die Kavernen der Kupferfolie hineinwandert. Das Ergebnis
sind zwei vielfach miteinander verzahnte Grenzschichten.
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Beim Weiterverarbeiten dieser Halbzeug werden mehrere auf ein bestimmtes
Format geschnittene, als Nutzen bezeichnete, ktipferkaschierte Trägerplatten zu
einem Paket zusammengepreßt und Löcher für Dvwohkontaktierungen mit numerisch gesteuerten
Auto matten gebohrt. Die Löcher werden anschließend durch Schleifen entgratet, noch
in die Löcher hineingedrückte Grate werden durch Naßsandstrahlen abgelöst und ausgespült.
Diese entgrateten Bohrungen werden nun metallisiert, d. h. durchkontaktiert, indem
rein chemisch eine etwa 1 /um starke Basisschicht aus Kupfer an den Bohrungswandungen
niedergeschlagen, die galvanisch um 5 bis 10 /um verstärkt wird.
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Bei direkt steckbaren Leiterplatten werden anschließend zunächst die
Kontaktfinger im Steckbereich aufgebaut. Dazu wird das gesamte Halbzeug mit einem
Fotoresist beschichtet, das im Steckbereich der Leiterplatte entsprechend der gewünschten
Anordnung der Kontaktfinger belichtet und entwickelt wird, um zunächst die Kontaktfinger
ausätzen zu können. Diese sind danach durch Freiätzungsgräben voneinander getrennt,
an ihrer Rückseite mit der sonst unverändert erhalten gebliebenen Kupferkaschierung
jedoch kammartig verbunden. Der Nutzen wird entschichtet
und danach
erneut mit einem Fotoresist beschichtet und derart belichtet, daß allein im gesamten
Steckbereich ein Fenster#entsteht, dessen Breite der Länge der Kontaktfinger angepaßt
ist. Im Bereich dieses Fensters wird die gesamte Kupferoberfläche der Kontaktfinger
allseitig, also auch an den Blanken galvanisch zunächst vernickelt und anschließend
vergoldet Hierbei könnten sich zwischen benachbarten Kontaktfingern durch unter
die Botofolie eindringende Elektrolyten galvanisch abgeschiedene Metallbrücken bilden,
da sich die Folie den hohen Stufen zwischen zwei benachbarten Kontaktfingern und
dem dazwischenliegenden Breiätæungsgraben nicht exakt genug anzupassen vermag. Um
dies zu vermeiden, wird die Randschicht zusätzlich am Hinterende der Kontaktfinger
durch einen schmalen, im Siebdruckverfahren aufgebrachten Lackstreifen abgedeckt.
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Mit dem Vergolden sind die Kontaktfinger i'ertiggesteiit, der Nutzen
wird wieder entschichtet und nochmals einer Behandlung durch Naßsandstrahlen unterzogen.
Damit ist seine Oberfläche für den eigentlichen Leiterbahnendruck vorbereitet, in
dem er wieder mit einem Fotoresist beschichtet und der Konfiguration der Leiterbahnen
entsprechend belichtet wird. Die Leiterbahnen werden danach frei geätzt und nochmals
verkupfert. Dabei wird zugleich die erforderliche metallische Schichtdicke an den
Bohrungswandungen von ca. 25 /um und eine überlappende Kupferschicht am Übergang
von einem Kontaktfinger auf die anschließende Leiterbahn erreicht und somit ein
Mikroriß am Stoß verhindert.
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Auf diese Kupferschicht wird anschließend eine Zinnschicht aufgebaut,
der Nutzen entschichtet, d. h. die Reste des Fotoresists abgelöst, und anschließend
noch galvanisch geätzt. In diesem Ätzbad ist Zinn, Nickel und Gold beständig, freistehendes
Kupfer wird dagegen weggeätzt. Nach der herkömmlichen Methode ist die Leiterplatte
damit fertiggestellt.
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Die Herstellung einer Leiterplatte nach der rein subtraktiven Methode
wurde vorstehend ausführlich erläutert, um darzustellen, daß die üblicherweise etwa
35 /um starke Kupferkaschierung bei der Herstellung allein wegen ihrer Schichtdicke
schon bestimmte Probleme mit sich bringt. Abgesehen davon, daß bei der subtraktiven
Methode zunächst eine Kupferkaschierung aufgebracht wird, die dann durch Ätzen zum
größten Teil wieder abgelöst wird, besteht der weitere Nachteil, daß diese Kaschierung
wesentlich stärker ist, als es aus rein elektrischen und funktionellen Gründen erforderlich
wäre.
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Die handelsübliche, etwa 35 /um starke Kaschierung ist darauf zurückzuführen,
daß bei dieser Schichtdicke technologisch eine niedrige Dickentoleranz beherrscht
wird, und die Porenfreiheit der Folie gewährleistet ist. Letztere ist erforderlich,
damit der Isolierstoff beim Laminieren die Folie nicht durchdringen kann und dann
für die weitere Fertigung ungünstige Höfe bildet.
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Aus fertigungstechnischen Gründen wäre es daher wünschenswert, entweder
wenigstens ein Halbzeug mit dünnerer Kupferkaschierung verwenden oder direkt eine
additive Methode anwenden zu können, bei der auf den unkaschierten Isolierstoffträger
die metallischen Schichten direkt aufgebaut werden. Beide Möglichkeiten sind bereits
aus Versuchen bekannt, jedoch noch nicht genügend erprobt, um sie als fertigungstechnisch
beherrschbar für die Herstellung mehrlagiger Leiterplatten bezeichnen zu können.
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Die dafür angebotenen Halbzeuge und dabei anzuwendenden Fertigungsmethoden
sind außerdem so teuer, daß sie in einer größeren Fertigung noch nicht wirtschaftlich
sind. Letzteres gilt vor allem für ein Halbzeug mit dünnerer Kupferkaschierung,
was darauf zurückzuführen sein dürfte, daß es technologisch schwierig ist, eine
derart dünne Kupferfolie porenfrei herzustellen.
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Teuer ist auch ein darüber hinaus noch nicht genügend erprobtes Herstellungsverfahren,
bei dem der Isolierstoffträger für die Leiterbahnenbeschichtung in einer besonderen
Weise vorbereitet
wird. Zunächst wird auf ihn eine Aluminiumfolie
auflaminiert, diese dann durch Natronlauge wieder abgebeizt und das dabei anfallende
Aluminiumoxyd mit Salzsäure entfernt. Die so vorbereitete Oberfläche des Isolierstoffträgers
soll den Aufbau von Leiterbahnen in einem additiven Verfahren ermöglichen.
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Dieses Halbzeug ist jedoch noch sehr teuer und die für Leiterplatten
zu fordernde Haftfestigkeit zwischen dem Isolierstoffträger und den metallischen
Schichten noch nicht ausreichend sichergestellt, obwohl die Oberfläche des Halbzeuges
durch Haftvermittler bereits verbessert ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die metallischen Leitungsverbindungen
additiv aufgebracht werden, das aber trotzdem Ergebnisse liefert, die den in vielen
Fällen sehr hohen Anforderungen an Haftfestigkeit der metallischen Schichten gegenüber
dem Isolierstoffträger genügen. Dabei soll für den ##bau der Basisschicht aus Kupfer
auf dem Isolierstoffträger von den bekannten Möglichkeiten rein chemischer Abscheidung
ausgegangen werden. Bei diesen wird der Isolierstoffträger in Sensibilisiorungs-
bzw. Aktivierungsbädern aufbereitet, dann einer :'oahandlung in einem sogenannten
Katalysatorbad unterzogen, das Palladium und Zinn in gelöster Form enthält und in
dem der Isolierstoffträger Palladium adsorbiert. In einem anschließenden chemisch
reduktiven Schritt wird das Palladium gegen Kupfer ausgetauscht; dabei wirkt das
ausgetauschte Palladium quasi als Starter, so daß der einmal begonnene Vorgang der
Kupferabscheidung autokatalytisch weiterläuft. Diese rein chemische Kupferabscheidung
wird technologisch beherrscht, führt jedoch noch nicht zu den ausreichend haftfesten
Basisschichten, die bei einer Leiterplattenfertigung für die Leiterbahnen gefordert
werden.
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Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art besteht die Lösung
dieser Aufgabe deshalb darin, daß die gesamte Oberfläche der Trägerplatte nach dem
Bohren durch intensives, auch mehrmaliges
Naßsandstrahlen vorbereitet
wird, danach getrocknet und ohne weitere Vorbehandlung in bekannter Weise die gewunschten
metallischen Schichten auf der Trägerplätte abgeschieden werden.
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Gegenüber allen anderen bekannten Versuchen, z. B. mit Hilfe von Haftvermittlern
auf rein chemischem Wege die Oberfläche des Isolierstoffträgers vorzubereiten oder
durch mechanische Behandlungen aufzurauhen, z. B. durch ein Schleifen mit in Wasser
aufgelöstem Bimsmehl, liefert diese technisch sehr einfache Vorbehandlung des Isolierstoffträgers
brauchbare Ergebnisse mit einer viel besseren Haftfähigkeit. Der besondere Vorteil
dieses Verfahrens besteht darin, von einem billigen Halbzeug ausgehen zu können,
das im Gegensatz zu den geschilderten Versuchen, Leiterbahnen additiv aufzubauen,
keinen noch nicht völlig erprobten, außerdem teueren Aktivierungsbehandlungen unterworfen
werden muß. Statt dessen läuft das Verfahren mit der bereits bei der subtraktiven
Methode ausgefeilten Technologie vollkommen zufriedenstellend und mit gutem Ergebnis
ab. Das bedeutet unter anderem keine neuen Maschineninvestitionen.
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Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit, dieses Verfahren auch
bei nach der subtraktiven Methode hergestellten Leiterplatten anzuwenden, wenn diese
im Leiterbild Fehler enthalten. In diesem Fall kann die ganze metallische Beschichtung
abgelöst werden und das Leiterbild mit den vorhandenen Einrichtungen neu gebildet
werden. Bisher nicht verwendbare Leiterplatten können auf diese Weise repariert
werden.
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Da ein- oder beidseitig kaschiertes Halbzeug mit einer 35 /um starken
Kupferkaschierung handelsüblich, im Verhältnis preiswert erhältlich ist, besteht
eine Weiterbildung der Erfindung darin, daß zur Verbesserung der Haftfestigkeit
der Basisschicht auf der Trägerplatte als Ausgangsmaterial des Halbzeuges eine handelsübliche,
mindestens einseitig kupferkaschierte Trägerplatte verwendet wird, deren Kupferkaschierung
von dem Epoxidharzkern
abgeätzt und dann erst die so vorbehandelte
Träger platte durch Näßsandstrahlen behandelt wird.
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Dabei wird nun der Effekt des Naßsandstrahlens als Aktivierungsbehandlung
des Isolierstoffträgers noch offensichtlicher. Rein optisch müßte man auf Grund
der Mikrooberfläche eines abgeätzte Isolierstoffträgers bei einem derartigen Halbzeug
annehmen, daß diese zerklüftete und mit tiefen Kavernen durchsetzte Oberfläche ausgezeichnet
geeignet sei, eine ausreichende Haftfestigkeit einer darauf abzuscheidenden Basisschicht
aus Kupfer sicher zu stellen. Tatsächlich ist dies jedoch nicht der Fall, im Gegenteil,
erst eine Nachbehandlung dieser Oberfläche durch Naßsandstrahlen führt zu dem gewünschten
Ergebnis. Dies ist umso erstaunlicher, als dabei, wie ohne weiteres vorstellbar,
die ursprünglich stark zerklüftete Oberfläche nivelliert, die wirksame Oberfläche
also verringert wird. Dieser überraschende Effekt wird darauf zurückgeführt, daß
die Aktivierungsbehandlung der rauhen Oberfläche der Kupferfolie vor dem Laminieren
mit dem Isolierstoffträger auf diesem Rückstände hinterläßt, die die Haftfestigkeit
verringern und die erst durch das Naßsandstrahlen beseitigt werden.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß nach dem Erstellen sämtlicher Leiterbahnen und der internen und
der externen Anschlußkontakte die so weit fertig metallisierte Leiterplatte in einem
letzten Schritt getempert wird. Bei dem abschließenden Tempern einer fertiggestellten
Leiterplatte, davon kann wohl ausgegangen werden, spielen sich in der Grenzschicht
zwischen der Basisschicht und dem Isolierstoffträger Vorgänge ab, die die Spannungen
zwischen den aneinandergrenzenden Schichten verringern, bzw. die diese beiden aneinandergrenzenden
Schichten noch besser aneinander anpassen. Im Ergebnis führt dies nochmals zu einer
Erhöhung der Haftfestigkeit der Basisschicht aus Kupfer auf dem Isolierstoffträger,
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen die fünf Figuren rein schematisch den Fertigungsablauf nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren in verschiedenen Schritten, wobei als Ausgangsmaterial ein doppelseitig
kaschiertes Halbzeug mit einer handelsüblichen, 35 jum starken Kaschierung verwendet
wird.
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Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch ein handelsübliches Halbzeug
mit einem Isolierstoffträger 1 aus glasfaserverstärktem Epoxidharzgewebe, der beidseitig
eine Kupferkaschierung 2 trägt. Diese besteht aus einer in bekannter Weise hergestellten
Kupferfolie mit einer stark zerklüfteten und von tiefen Kavernen durchsetzten Oberfläche,
die sich beim Laminiervorgang in die Oberfläche des Isolierstoffträgers 1 einprägt.
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Fig. 2 soll schematisch andeuten, daß in einem ersten Verfahrensschritt
zunächst die Kupferkaschierung 2 von dem Isolierstoffträger 1 abgeätzt wird. Dann
liegt die zerklüftete Oberfläche des Isolierstoffträgers 1 frei, die in ihrer Struktur
bereits die Ursache für eine gute Haftfestigkeit der aufzubringenden metallischen
Schicht bildet.
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In Fig. 5 ist der nächste Verfahrensschritt schematisch angedeutet,
bei dem in den freigelegten Isolierstoffträger 1 Bohrungen 3 für die Durchkontaktierungen
eingelassen werden. In der Praxis wird dies gleichzeitig für mehrere Halbzeuge durchgeführt,
die zu einem Paket verstiftet sind. Dabei ist es prinzipiell gleichgültig, in welcher
Reihenfolge die beiden in Fig. 2 bzw. Fig. 3 angedeuteten Verfahrensschritte ausgeführt
werden. Die dargestellte Reihenfolge hat den Vorteil, daß sich in die Bohrungen
3 keine metallischen Grate hineinziehen können, da die Kaschierung 2 vorher bereits
abgeätzt ist; außerdem ist der Bohrerverschleiß geringer. Dies erhöht die Standzeit
der Bohrwerkzeuge. Bei mehrlagigen Leiterplatten,
die bekanntlich
Zwischenlagen mit metallischen Leiterbahnen enthalten, hat die angegebene Reihenfolge
den weiteren Vorteil, daß in den Bohrungswandungen keine Hinterätzungen an den Anschlußflecken
der Innenlagen auftreten können. Deshalb ist in diesem Ausführungsbeispiel die angegebene
Reihenfolge -gewählt. Nach dem Bohren werden die Löcher durch Schleifen entgratet.
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In Fig. 4 ist nun rein schematisch durch die von beiden Seiten auf
den Isolierstoffträger 1 weisenden Pfeile 4 angedeutet, daß der Isolierstoffträger
1 nunmehr von beiden Seiten einer Behandlung durch Naßsandstrahlen unterzogen wird.
Bei einer genaueren Betrachtung der Oberfläche des Isolierstoffträgers 1 im Vergleich
mit den Fig. 1 bis 3 sollte erkennbar sein, daß dabei die nach außen weisenden Spitzen
abgetragen werden. Die tiefen Kavernen, z. B. an den mit 5 bezeichneten Stellen
bleiben jedoch erhalten und reichen aus, eine große Haftfestigkeit der aufzubringenden
metallischen Schichten zu sichern.
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Der so vorbereitete Isolierstoffträger 1 wird nun in herkömmlicher
Weise, die einleitend ausführlich beschrieben ist, weiterverarbeitet. Dabei wird
er mit einem Fotoresist beschichtet und belichtet. Durch den Belichtungsvorgang
polymerisiert das Fotoresist und ist dann je nach dem, ob es sich um ein positives
oder negatives Fotoresist handelt, an den belichteten bzw.
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unbelichteten Stellen gegenüber Lösungsmitteln resistent.
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Dadurch lassen sich auf den Isolierstoffträger 1 LeiterbahnenkonSigurationen
und Anschlußkontakte übertragen und die durch Fotoresist nicht mehr -beschichteten
Stellen zunächst chemisch mit einer Basisschicht 61 verkupfern, die durch eine oder
mehrere galvanisch abgeschiedene Deckschichten 62 verstärkt wird, wie das Ergebnis
in Fig. 5 zeigt. Aus den einleitenden Erläuterungen geht'wohl klar genug hervor,
daß für jeden Metallisierungsvorgang, so weit dabei die sich zu metallisierende
Oberfläche ändert, eine jeweils erneute Beschichtung des
Isolierstoffträgers
1 mit einem Fotoresist erforderlich ist.
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Dies ist jedoch auch bei den bekannten Verfahren zum Herstellen von
Leiterplatten nach der subtraktiven Methode der Fall, so daß dies im einzelnen nicht
mehr erläutert werden muß.
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Nach der fertigen Metallisierung ist eine nach der subtraktiven Methode
hergestellte Leiterplatte fertig. Bei dem hier vorliegenden Verfahren ist es jedoch
zweckmäßig, eine solche Leiterplatte anschließend noch zu tempern, dabei Spannungen
in der Grenzschicht zwischen der Basisschicht 61 und dem Isolierstoffträger 1 abzubauen
und beide Oberflächen noch besser aneinander anzupassen.
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel geht von einem kupferkaschierten
Halbzeug aus, das eine sehr gut haftende Basisschicht aus Kupfer auf dem Isolierstoffträger
liefert. In manchen Anwendungsfällen reicht es jedoch durchaus aus, direkt ein unkaschiertes
Halbsug zu verwenden, das allerdings dann die beim Laminiervorgang des kaschierten
Halbzeuges gebildete zerklüftete Oberfläche des Isolierstoffträgers 1 nicht aufweist.
Die durch intensives Sandstrahlen zu erzielende Struktur in der Oberfläche des Isolierstoffträgers
1 reicht aber trotzdem noch aus, bei geminderten Ansprüchen an die Haftfestigkeit
einer entsprechend dem geschilderten Ausführungs#:ei##iIe:ai<#emisc##i abgeschiedenen
Basisschicht, um auch diese Möglichkeit zu nutzen. Dies kann z. B. für die Verbesserung
der Durchkontaktierung bei bestimmten Leiterplattentypen zweckmäßig sein.
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In diesem Fall dient eine an der Oberfläche des Isolierstoffträgers
abgeschiedene Kupferschicht lediglich dafür, die Metallisierung der Bohrungen für
die Durchkontaktierungen auszulösen, d. h. daß in diesem Fall die Verkupferung der
Bohrungswandungen von den Oberflächen des Isolierstoffträgers aus nach innen fortschreitet.
Vielfach wird dann in späteren Verfahrensschritten diese Hilf sschicht auf der Oberfläche
des
Isolierstoffträgers wieder abgeätzt, da sie ihren Zweck erfüllt
hat. In diesem Fall kommt es dann weniger auf ihre ausgezeichnete Haftfähigkeit
auf dem Isolierstoffträger an, sie muß nur so dicht sein, daß sie den gewünschten
Vorgang in Gang setzen kann.
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3 Patentansprüche 5 Figuren