DE2539925A1

DE2539925A1 - Verfahren zur herstellung einer mehrschichtigen gedruckten schaltungsplatte

Info

Publication number: DE2539925A1
Application number: DE19752539925
Authority: DE
Inventors: David Samuel Goodman
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1974-09-16
Filing date: 1975-09-09
Publication date: 1976-04-01
Also published as: JPS5156968A; IT1042448B; JPS5527478B2; FR2285049B1; FR2285049A1; US3932932A

Description

Deutsche ITT Industries GmbH D.S.Goodman - 15

78 Freiburg, Hans-Bunte-Str.19 Pat. Dr.Rl/Be

2. September 1975

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I.B.

Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte

Die Priorität der Anmeldung Nr. 506 058 vom 16. 9.1974 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte und insbesondere die Herstellungsweise von Spannungsversorgungs- und Erdungsebenen bei einem derartigen Verfahren.

Mehrschichtige gedruckte Schaltungsplatten und unterschiedliche Verfahren zu deren Herstellung sind in der Elektronikindustrie wohl bekannt. In charakteristischer Weise besteht jede Schicht einer gedruckten Schaltungsplatte aus einem isolierenden Material mit einer Folie (wie z.B. Kupfer) auf der oberen und unteren Begrenzungsfläche. Ein Druck- und Ätzschritte enthaltendes Verfahren kann zur Herstellung einer gedruckten Verdrahtung an jeder Seite der Schicht angewendet werden. Andererseits kann ein Maskier- und Piatierprozeß zur Aufbringung einer gedruckten Verdrahtung auf der Isolierschicht benutzt werden. Die verschiedenen Schichten werden dann miteinander zu einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte dadurch verbunden, daß zuerst jede Schicht mit einer Laminierfolie (gewöhnlich aus einem Epoxydharz) beschichtet wird,

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daß dann die Schichten ausgerichtet/ gestapelt und danach der Einwirkung von Temperatur und Druck ausgesetzt werden, was zur Ausbildung einer permanenten Bindung zwischen der Laminierfolie und den verschiedenen Schichten führt. Nach diesem Verfahren zur Herstellung einer Lamellenstruktur können Durchgangslöcher angebracht und anschließend metallisiert werden.

Oft sind bei mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatten Spannungsversorgungs- und Erdungsebenen gewünscht. Diese Ebenen bestehen aus Metallfolien oder Schichten ^{die in der} Mehrschichtstruktur eingelagert sind. Solche Schichten bestehen char.akteristischerweise aus Kupfer der Stärke 71·10 mm, also der gleichen Stärke wie die gedruckte Verdrahtung auf den verschiedenen Schichten einer Mehrschichtplatte. Es ist erforderlich, im Bereich der Spannungsversorgungs- und Erdungsebenen, wo eine Verbindung zwischen den Ebenen und den metallisierten Durchgangslöchern nicht erwünscht ist, Abstandslöcher anzubringen. Diese sind wesentlich größer als die metallisierten Durchgangslöcher, um sicherzustellen, daß kein unerwünschter elektrischer Kontakt zwischen diesen und den, nungsversorgungs- und Erdungsebenen stattfindet. Bei Ebenen der Stärke 71· 10 mm ist es üblich, die Ab stands löcher durch Ätzen anzubringen. Für dünne Metallschichten stellt das Ätzen eine brauchbare Technik dar, mit der sich wirkungsvolle Abstandbereiche herstellen lassen, die einen Kurzschluß in der Platte zwischen dem metallisierten Durchgangsloch und den Spannungsversorgungs- und Erdungsebenen verhindern.

In der letzten Zeit ist nun die Forderung nach einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte aufgetaucht, in der hohe Stromstärken wie z.B. 300 bis 400 Ampere fließen können. Die üblichen Erdungs- und Spannungsversorgungsebenen in einer Stärke von 71*10 mm, wie sie in den herkömmlichen Mehrschichtplatten verwendet werden, sind nicht geeignet zur Übertragung derartiger Stromstärken. Damit ergab sich die Notwendigkeit, die Stärke der Ebenen zu verstärken. Eine derartige Verstärkung der Ebenen ergibt ein schwerwiegendes Problem beim Ausbilden der Abstandslöcher

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durch die Ätztechnik, da dabei Bedingungen für ein Unterätzen geschaffen werden. D.h. aber, daß das Ätzen von relativ dicken
Erdungs- und Spannungsversorgungsebenen zur Ausbildung von Abstandslöchern die Gefahr eines unerwünschten elektrischen Kontaktes zwischen den Ebenen und den metallisierten Durchgangslöchern nicht vollständig ausschließt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der gegenwärtigen Herstellungstechnik von mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatten, die verhältnismäßig dicke Erdungsund Spannungsversorgungsebenen besitzen, durch Schaffung eines Verfahrens zu beseitigen, das nicht nur die Probleme des Unterätzens beseitigt, sondern auch verhältnismäßig einfach und billig durchzuführen ist.

Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Durch die vorliegende Erfindung wird somit ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen gedruckten Schaltunsplatte mit verhältnismäßig dicken Erdungs- und Spannungsversorgungsebenen geschaffen, die zur Übertragung hoher Stromstärken geeignet sind.
Anstelle der Metallfolien oder Beschichtungen auf Isolierfolien,
wie z.B. den Erdungs- und Spannungsversorgungsebenen, bei Mehrschi chtplatten nach dem Stand der Technik verwendet man gemäß der vorliegenden Erfindung verhältnismäßig starke Metallfolien, in
denen die Abstandslöcher durch gleichzeitiges Einstanzen einer
Vielzahl von Löchern ausgebildet werden. Die Abstandslöcher werden dann mit isolierendem Material wie z.B. einer Epoxydlaminierfolie ausgefüllt. Die jraetallenen Erdungs- und Spannungsversorgungsebenen werden dann aufeinandergestapelt, wobei eine isolierende Innenschicht dazwischen zu liegen kommt, die isolierende Außenschichten oben und unten zu liegen kommen und ausgewählte Abstandslöcher in den Metallflächen unausgerichtet bleiben. Der aus den Flächen und isolierenden Schichten bestehende Stapel wird dann zu einer einheitlichen Mehrschichtplatte verbunden. Durch den Stabel werden dann koaxial zu den Abstandslöchern in jede der Flächen Durch-

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gangslöcher mit einem gegenüber den Abstandslöchern geringeren Durchmesser gebohrt. Danach wird ein leitendes Material auf die Wände derselben aufgebracht, um metallisierte Durchganslöcher zu erhalten. Jedes metallisierte Durchgangsloch, das durch ein nichtausgerichtetes Abstandsloch hindurchführt, ist elektrisch an eine der Metallflächen angeschlossen und gegenüber der anderen Fläche isoliert. Das Stanzen der Abstandslöcher in den Metallflächen läßt sich wesentlich schneller durchführen als das Bohren und vermeidet vollständig das Unterätzen, das beim Ätzen dicker Metallschichten zur Ausbildung von Abstandslöchern auftritt. Das Verfahren ist deshalb nicht nur einfach und billig, sondern führt auch zu einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte, in der höhere Stromstärken fließen können als es in Platten nach der herkömmlichen Herstellungstechnik möglich ist.

Fig. 1 ist das Fließbild, das die verschiedenen Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 2 ist eine etwas schematische Darstellung einer Stanzpresse, die zum Ausstanzen der Abstandslöcher in den Metallebenen verwendet wird,

Fig. 3 ist eine perspektivische Teilansicht einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der Kontakte in den metallisierten Durchgangslöchern angebracht sind, und

Fig. 4 ist ein vertikaler Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig.3, bei dem die Kontakte in der Platte entfernt sind und die Platte der Klarheit wegen in vergrößertem Maßstab dargestellt ist.

Die Erdungs- und Spannungsversorgungsebenen, die bei dem Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind Metallfolien (wie z.B. aus Kupfer), die hinreichend dick sind, so daß in ihnen ein Strom von verhältnismäßig großer Stärke (200 Ampere)

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fließen kann. Die Folien sind wesentlich dicker als die gewohnlich verwendeten 71*10 mm starken Metallbahnen von gedruckten Schaltungsplatten. Die Metallfolien können z. B. fünfmal stärker sein als die Metallbänder oder noch stärker. Die Erdungs- und Spannungsversorgungs ebenen sind ganz allgemein gesprochen selbsttragende Folien und unterscheiden sich von den Metallfolien oder Bahnen, die bei den mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatten nach dem Stand der Technik lediglich Beschichtungen auf isolierenden Substnaten sind.

Eine derartige Metallfolie wird in Fig. 2 unter dem Bezugszeichen 10 gezeigt. Die Folie ist auf dem Träger 12 unter der Stanzpresse 14 befestigt. Der Kopf 16 der Presse trägt eine Vielzahl von Stanzen 18, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind. Der Durchmesser der einzelnen Stanzstempel 18 reicht für Abstandlöcher in der Mehrschichtplatte aus, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden soll. Beim Betrieb der Presse 14 wird in einem bestimmten Muster durch den Kopf 16 in der Folie 10 eine Vielzahl von Abstandslöchern 20 erzeugt. Das Muster wird durch die gewünschte Position der metallisierten Durchgangslöcher in der fertigen Mehrschichtplatte bestimmt. Eine zweite Metallfolie 22 in Fig. 4 wird ausgestanzt, um gleichzeitig eine Vielzahl von Abstandslöchern 24 zu erzeugen, die sich von den Löchern 20 in der ersten Folie 10 in ihrer Anlage unterscheiden. Die Verteilung der Löcher in den zwei Folien ist so, daß einige der Löcher in der Folie mit einigen Löchern in der anderen Folie nicht übereinstimmen und die restlichen Löcher fluchten, wenn die zwei Folien übereinanderliegen.

Die Zahl der in den Folien 10 und 22 gleichzeitig gestanzten Löcher wird durch die Größe der Stanzpresse 14 und die Zahl der Stanzstempel, die sie tragen kann, bestimmt. Für gewöhnlich reicht die Zahl der Stanzstempel, die vom Kopf 16 getragen werden können, nicht aus, alle in den Metallfolien erforderlichen Löcher auszustanzen. Beispielsweise kann der Stanzkopf 20 bis 150 Stanzstempel enthalten, je nach dem Abstand der Mittellinien. Es liegt

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auf der Hand, daß das Ausstanzen von Löchern in die Folien wesentlich schneller und wirkungsvoller vonstatten geht als das Bohren von Löchern.

eine
Eine Laminierfolie wird auf der planaren Flächen der zwei Folien 10 und 22 aufgebracht, um eine isolierende Schicht auf denselben zu erzeugen und um die Abstandslöcher in den Folien mit Isoliermaterial zu füllen. Die Isolierschichten werden von den Bezugsziffern 26 und 28 in Fig. 4 angezeigt.

Die zwei Metallfolien 10 und 22 und die drei Isolierschichten 30, 32 und 34 werden dann übereinandergelegt, wobei die Isolierschicht 32 zwischen den zwei Metallfolien zu liegen kommt und die Isolierschichten 30 und 34 jeweils an den Außenseiten derselben auftreten. Isolierschichten mit unterschiedlicher Dicke können zur Regelung der Kapazität zwischen den Schichten verwendet werden. Es liegt auf der Hand, daß bei Bedarf mehr als zwei Metallschichten mit dazwischenliegenden Isolierschichten verwendet werden können.

Wie Fig. 4 zeigt, sind zwei Löchersätze 20 und 24 in den Folien 10 und 22 ausgerichtet, wenn die Metallfolien und Isolierschichten aufeinandergestapelt werden, und das Loch 20" in der Folie fluchtet nicht, mit dem Loch 24' in der Folie 22. Der Sinn in dieser Anordnung wird später noch erklärt.

Der Stapel aus Metallfolien und Isolierschichten wird dann durch Anwendung einer entsprechenden Temperatur und eines entsprechenden Druckes zu einem einzigen Teil verbunden, wie es für den Fachmann bekannt ist und hierin keiner weiteren Beschreibung bedarf. Es wird Bezug genommen auf den Artikel von W.S. Rigling "Designing and Mating Multilayer Printed Circuits", Electro-Technology, Mai 1966, Seiten 54 bis 57 und US -Patent Nr. 3 739 469, wo die Ausgangsstoffe und die Technik zur Herstellung von mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatten vollständig offenbart ist.

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Nach dem Laminierprozeß werden Löcher senkrecht in die Mehrschichtplatte koaxial zu den Abstandslöchern in den zwei Metallfolien gebohrt. Gemäß dem Stand der Technik haben die Durchgangslöcher einen gegenüber den Abstandslöchern kleineren Durchmesser. Die Durchgangslöcher werden dann mit einem leitenden Material metallisiert und ergeben eine Reihe von metallisierten Durchgangs löchern, die mit 36, 38, 40 und 42 in Fig. 4 bezeichnet sind. Es muß gesagt werden, daß das metallisierte Durchgangsloch 36 gegenüber den Metallfolien 10 und 22 durch die Isoliermaterialfüllung der Abstandslöcher 20 und 24 isoliert ist. Das metallisierte Durchgangsloch 42 ist gleichermaßen gegenüber den Folien 10 und 22 elektrisch isoliert. Andererseits ist das metallisierte Durchgangsloch 38 mit der Folie 1O verbunden, jedoch gegenüber der Folie 22 durch die Isolierfüllung des Abstandsloches 24* isoliert. Andererseits ist wiederum das metallisierte Durchgangsloch 40 gegenüber der Folie 22 elektrisch verbunden und gegenüber der Folie 10 isoliert. Deshalb gestatten die metallisierten Durchgangslöcher 38 und 40 eine elektrische Verbindung zu den Metallfolien oder Ebenen 10 und 22, während die metallisierten Durchgangslöcher 36 und 42 von diesen Ebenen isoliert sind.

Nach dem Laminierschritt und der Ausbildung der platierten Löcher in der gebildeten Mehrschichtplatte wird eine gedruckte Schaltung auf der freiliegenden Oberfläche 44 der Isolierschicht 30 und auf der unteren Fläche 46 der unteren Isolierschicht 34 ausgebildet. Ein Verfahren zur Herstellung der gedruckten Verdrahtung auf den zwei Schichten kann benutzt werden, das Druck— und Ätzschritte enthält.

Als Alternative kann zur Aufbringung der gedruckten Verdrahtung auf den Isolierschichten ein Maskier- und Piatierverfahren angewendet werden. Spezielle Bahnen der gedruckten Verdrahtung auf der Oberfläche 44 der Isolierschicht 30 werden mit 48, 50 und 52 bezeichnet. Die Bahn 50 führt zum metallisierten Durchgangsloch 36,

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die Bahn 48 zum metallisierten Durchgangsloch 36' hinter dem Loch 36. Die Bahn 52 führt zum metallisierten Durchgangsloch 42. Eine oder mehrere Bahnen können auf der Oberfläche 46 der Mehrschichtplatte angebracht sein. Eine solche Bahn 55 führt zum unteren Ende des metallisierten Durchgangsloch 42. Damit stellt das metallisierte Durchgangsloch 42 eine Verbindung der Bahnen und 55 her. Normalerweise führen keine Bahnen zu den metallisierten Durchgangslöchern 38 und 40, die mit den Erdungs- und Spannungsversorgungsebenen (Folien 10 und 22) verbunden sind. In manchen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, eine Bahn der gedruckten Verdrahtung direkt an eines, der metallisierten Durchgangs löcher 38 und 40 zu legen. Eine solche Bahn ist unter 56 in Fig. 3 zu sehen.

Fig. 3 zeigt eine Vielzahl von Kontakten 58 einer gedruckten Schaltungsplatte, die in den metallisierten Durchgangslöchern derselben angebracht sind. Diese Kontakte können entweder durch einen Preßsitz in den Löchern befestigt sein, wie gezeigt wird, oder eingeschweißt oder in die Durchgangslöcher hineingesteckt sein. Es muß erwähnt werden, daß die in Fig. 3 gezeigten Durchgangslöcher in zwei Reihen angeordnet sind, wobei die Kontakte in den Löchern in den jeweiligen Reihen fluchten. Die Kontakte sind in diesen zwei Lochreihen mit ihren ausgerichteten gebogenen Kontaktteilen 60 befestigt. Ein nicht gezeigtes Anschlußgehäuse der gedruckten Schaltungsplatte kann über den Kontakten angebracht,sein und auf der Mehrschichtenplatte durch Reibung an den Vorsprüngen 62 der Kontakte gehalten werden. Die spezielle Form der Kontakte und des Anschlußgehäuses stellt keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung dar. Die Kontakte und das Anschlußgehäuse können z. B. entsprechend dem US-Patent Nr. 3 737 838 ausgebildet sein.

Eine der Folien 10 oder 22 kann die Erdungsebene bilden, während die andere die Spannungsversorgungsebene der Mehrschichtplatte bildet. Die Anzahl der metallisierten Durchgangslöcher 38 und 40,

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die rait den entsprechenden Sp annungs ve r sor gungs- und Erdungsebenen Verbindung haben, hängt davon ab, welche Anforderungen an die Verbindung innerhalb der gedruckten nicht gezeigten Schaltungsplatte gestellt wird_/ die die Kontakte 58 und die Bahnen auf der Mehrschichtplatte berührt. Charakteristischerweise ist nur eine Erdungsebene für jede gedruckte Schaltungsplatte erforderlich. Es können jedoch ein oder mehrere Spannungsversorgungsebenen nötig sein und die restlichen metallisierten Durchgangslöcher, die mit dem Anschluß verbunden sind, dienen als Zwischenverbindung zwischen den Bahnen der gedruckten Schaltung auf der Mehrschichtenplatte und den Signalbahnen auf der gedruckten Schaltungsplatte. Somit hängt das Muster der Abstandslöcher, die in die Ebene 10 und 22 gestanzt sind, von den elektrischen Zwischenverbindungen ab, die zwischen der Mehrschichtplatte (der Mutterplatte) und der Tochterplatte, die in dem Anschlußgehäuse, das den Kontakt 58 überlagert, befestigt sind^hergestellt werden soll.

Die Stärke der Erdungs- und Spannungsversorgungsebenen kann z. B. zwischen 0,38 und 0,78 mm liegen und die der Isolierschichten 30, 32 und 34 bei 0,254 mm. Die Bahnen auf der oberen und unteren Fläche der Mehrschichtplatte bestehen aus Kupfer der Stärke 35.5.ΊΟ"³ mm - 71*1O~³ mm.

Aus dem Gesagten wird deutlich, daß durch Stanzen der Abstandslöcher in verhältnismäßig dicke Metallebenen gemäß der vorliegenden Erfindung große Stromstärken durch die Mehrschichtplatte fließen können ohne, dem Problem eines Kurzschlusses, der als Folge eines Unterätzens auftreten würde, wenn andererseits ein Ätzprozeß dazu verwendet würde, die Abstandslöcher herzustellen. Der Stanzvorgang zur Ausbildung einer großen Zahl von Ab stands löchern geht schnell und leicht vonstatten und ist somit wirtschaftlich bei der Herstellung von. Mehrschichtplatten.

7 Patentansprüche

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Claims

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TANSP rüche

Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Bereitstellung von mindestens zwei Metallfolien einer Stärke, bei der im Falle einer Ätzung ein Unterätzen auftritt,

gleichzeitiges Ausstanzen einer Vielzahl von Abstandslöchern in eine der beiden Folien nach einem bestimmten ersten Muster,

gleichzeitiges Ausstanzen einer Vielzahl von Abstandslöchern in der anderen Folie nach einem zweiten bestimmten Muster,

Ausfüllung der Abstandslöcher mit einem Isoliermaterial, Aufeinanderstapeln der Folie^wobei die Isolierschicht dazwischen und jeweils eine Isolierschicht oben und unten zu liegen kommt, und wenigstens einige der Abstandslöcher in den entsprechenden Folien unausgerichtet bleiben, >

Vereinigung des aus Folien und Schichten bestehenden Stapels zu einem einheitlichen Teil,

Bohren von Löchern senkrecht durch den Stapel, koaxial zu den Abstandslöchern in den einzelnen Folien, wobei die Durchgangslöcher einen kleineren Durchmesser be- . sitzen als die Abstandslöcher, und

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Metallisieren der Durchgangslöcher mit leitendem Material.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien selbstragend sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Metallfolie eine Stärke von 38 · 10~² mm oder größer besitzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite vorgegebene Muster der Abstandslöcher sich von dem ersten vorgegebenen Muster unterscheidet und daß die Folien und Schichten so aufeinandergestapelt werden, daß einige der Abstandslöcher in den jeweiligen Schichten fluchten.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Verfahrensschritt Metallbahnen auf den freiliegenden planaren Flächen von wenigstens einer der äußeren Isolierschichten ausgebildet werden, wobei die Bahnen mit denjenigen metallisierten Durchgangslöchern in Verbindung stehen, die mitiden Abs tands löchern fluchten.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Metallfolie mindestens fünfmal stärker ist als die Metallbahnen.* .
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandslöcher in den Folien durch Beschichtung der Oberfläche mit einer Laminierfolie vor dem Aufeinahderstapeln der Folien und Isolierschichten mit einem Isoliermaterial ausgefüllt werden.

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