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Verfahren zur Herstellung von Schaltkarten mit gedruckten Leiter-
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zügen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Schaltkarten mit gedruckten Leiterzügen und insbesondere auf ein verbessertes
Verfahren zum additiven Plattieren der Leiterzüge.
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Schaltkarten mit gedruckten Leiterzügen wurden traditionell hergestellt
unter Verwendung eines subtraktiven Verfahrens, bei dem eine Kupferfolie auf ein
geeignetes Substrat auflaminiert wurde, ein Photolack auf die Kupferfolie aufgebracht
wurde, der belichtet und entwickelt wurde, um das gewünschte Muster der Leiterzüge
zu erzeugen, worauf das unerwünschte Kupfer von der Oberfläche der Karte weggeätzt
wurde und das gewünschte Leiterzugsmuster übrig blieb. Dieses Verfahren arbeitet
ganz zufriedenstellend, solange die Breite der geätzten Kupferleitungen bedeutend
größer als die Dicke des auf die Schaltkarte auflaminierten Kupfermaterials war.
Der Grund dafür besteht darin, daß bei dem das Muster der Leiterzüge definierenden
Ätzvorgang das Ätzmittel nicht nur nach unten, sondern auch nach den Seiten hin
ätzt. Wenn daher die Breite eines Leiterzuges kleiner wird und sich sehr dicht der
Dicke der Kupferfolie auf der Oberfläche der Schaltkarte nähert, wird das seitliche
Unterschneiden, daß dem subtraktiven Verfahren innewohnt, ein ernsthafter Nachteil
und begrenzt in der Tat die minimale Breite, die zuverlässig mit dem subtraktiven
Verfahren erzeugt werden kann.
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Wenn beispielsweise bei einem subtraktiven Verfahren eine 50 p dicke
Kupferfolie benutzt wird, und die seitlich gerichtete Erosion der nach unten gerichteten
sich nähert, dann tritt aufgrund der seitlich gerichteten Erosion ein 50 P betragendes
Unterschneiden auf jeder Seite eines gedruckten Leiterzuges auf. Um daher auf der
Oberfläche der Schaltkarte Leiterzüge zu erzeugen, deren Breite sich dem Wert 100
p nähert, ist es notwendig in dem Photolackbild die während des Ätzens auftretenden
Breitenverluste zu kompensieren und die resultierenden Leiterzüge besitzen einen
trapezförmigen Querschnitt.
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Mit dem Aufkommen zunehmender Bedürfnisse nach einer Technologie für
dünne Leiterzüge wurden eine Reihe von additiven Plattierungsverfahren bei den Versuch
entwickelt, die oben beschriebene Begrenzung des subtraktiven Verfahrens zu überwinden.
Das Hauptproblem jedoch, dem man bei der Implementierung der verschiedenen additiven
Verfahren begegnete, besteht darin eine feste, zuverlässige Bindung zwischen den
additiv plattierten Leiterzügen und dem Substrat der Schaltkarte herzustellen. Bei
der Benutzung eines subtraktiven Verfahrens ist das kein Problem, da die aus dem
Laminieren der Kupferfolie auf das die Schaltkarte bildende Substrat resultierende
Bindung eine sehr starke Bindung ist.
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Ein Verfahren zur Verbesserung der Adhäsion zwischen den additiv plattierten
Leiterzügen und dem Substrat ist in dem US-Patent 3 808 028 beschrieben, Dieses
Patent lehrt die Verwendung einer Lösung, um die Oberfläche des Substrates aufzuquellen
und anschließend die Oberfläche mit einer Säure zu ätzen, um eine rauhe Oberfläche
zu erhalten und eine bessere Bindung zwischen der Oberfläche der Schaltkarte und
einem nachfolgend additiv plattierten Metall zu erleichtern. Während dieses Verfahren
zugegebenermaßen für die gewünschte Haftung zwischen den additiv plattierten Leiterzügen
und der Schaltkarte sorgt, ist es ein relativ zeitaufwendiges Verfahren und erfordert
eine große Kapitalinvestition.
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Es bestehen auch ernsthafte Fragen hinsichtlich der dem Verfahren
eigenen
Zuverlässigkeit und seiner Wiederholbarkeit. Darüberhinaus erfordern die in dem
Verfahren benutzten Chemikalien wegen der ihnen innewohnenden gefährlichen Eigenschaften
eine sorgfältige Behandlung und Kontrolle.
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Ein anderes Verfahren zur Erhöhung der Haftung von additiv plattierten
Leiterzügen ist in dem US-Patent 28 042 beschrieben. Gemäß diesem Patent wird zunächst
eine Kupferfolie auf das Substrat auflaminiert und anschließend das gesamte Kupfermaterial
von dem Substrat in einem Ätzbad entfernt. Im nächsten Schritt wird eine sehr dünne
Kupfer- oder Nickelschicht abgeschieden, gewöhnlich auf der gesamten Oberfläche
des Substrates, beispielsweise durch stromloses Plattieren. Danach werden die gewünschten
Leiterzüge auf die dünne Metallschicht auf der Oberfläche der Schaltkarte additiv
aufplattiert und in einem letzten Schritt wird die gesamte Schaltkarte kurzzeitig
geätzt, um die anfängliche, kontinuierliche dünne und stromlos abgeschiedene Metallschicht
zu entfernen. Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, daß es viele zusätzliche Verfahrensschritte
mit der ihnen innewohnenden Notwendigkeit nach zusätzlicher Verarbeitungszeit erfordert
als auch eine ganz wesentliche zusätzliche Kapitalinvestition für die Ausführung
des Verfahrens. Darüberhinaus ist die Zuverlässigkeit und die Wiederholbarkeit des
Verfahrens fraglich, besonders dann, wenn eine hohe Auflösung und eine gute Haftung
gefordert werden.
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Noch ein anderes Verfahren für das Anheften einer dünnen Kupfer folie
ist ein Verfahren, bei dem eine zweifache Schicht, von der die eine abgestreift
wird, verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird zuerst eine dünne Kupferschicht
auf einer dicken Kupferschicht befestigt. Dann werden die beiden Schichten auf das
Substrat auflaminiert, wobei die dünne Kupferschicht die Substratoberfläche berührt.
Die dicke, äußere Kupferschicht wird abgezogen und die dünne Kupferschicht haftet
an dem Substrat. Jedoch ist dieses Verfahren sehr kostspielig wegen der Kosten für
die sehr dicke Kupferschicht, die als Träger für die dünne Kupferschicht dient.
Außerdem kann
die dünne Kupferschicht brechen oder sonstwie beschädigt
werden, wenn keine Sorgfalt bei dem Entfernen der dicken Kupferschicht angewandt
wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
für das additive Plattieren gedruckter Leiterzüge auf der Oberfläche von Schaltkarten
anzugeben, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet. Diese Aufgabe wird
gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung gedruckter Leiter züge gelöst,
das durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: a) Verbinden einer
dicken Folie aus elektrisch leitendem Material mit wenigstens einer Seite des Substrates,
b) chemisches Ätzen dieser Folie auf eine minimale Dicke, c) additives Plattieren
eines metallischen Leiters auf die geätzte Folie aus elektrisch leitendem Material,
um das Muster der gedruckten Leiterzüge zu definieren und d) Ätzen der gesamten
Oberfläche der Schaltkarte, um alle die Teile der Metallfolie, die nicht durch den
metallischen Leiter bedeckt sind, zu entfernen.
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Im folgenden wird die Erfindung durch die genauere Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert,
von denen zeigen: Fign. 1a bis lg ein Flußdiagramm der hauptsächlichen Verfahrensschritte
für die Herstellung der Schaltkarten mit gedruckten Leiterzügen gemäß der Erfindung,
Fign, 2a bis 2g vertikale Schnittansichten der Entwicklung der Schaltkarte mit gedruckten
Leiterzügen während diese die verschiedenen Verfahrensschritte des in Fig. 1 dargestellten
Verfahrens durchläuft.
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Der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in dem
Laminieren einer Kupferschicht 13 auf das Substrat 15 unter Verwendung üblicher
Laminierungsverfahren. Das Kupfer kann beispielsweise eine Dicke von 35 p besitzen.
Das Substrat kann aus Epoxyglas bestehen und seine Dicke wird bestimmt durch die
Forderungen an die Schaltkarte. Im nächsten Schritt wird die gesamte Kupferschicht
bis auf eine Dicke von weniger als 17 p und vorzugsweise bis auf eine Dicke von
7,5 + 5 p abgeätzt. Nachdem die gleichmäßig dünne Kupferschicht 13' erzeugt wurde,
kann es erwünscht sein, irgendwelche Löcher für Durchverbindungen zu erzeugen, die
für die endgültige Schaltungskonfiguration benötigt werden. Diese sind in den Zeichnungen
nicht dargestellt, können aber durch Bohren, Stanzen oder irgendein anderes der
bekannten Verfahren erzeugt werden. Wenn Löcher für Durchverbindungen vorgesehen
werden müssen, werden sie nach ihrer Bildung in geeigneter Weise gereinigt und behandelt,
um sie für das Plattieren vorzubereiten und ein Metall wie z.B. Nickel oder Kupfer
wird stromlos in den Löchern abgeschieden.
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Als nächstes wird, wie in den Fign. lc und 2c dargestellt ist, ein
geeigneter Photolack 17 auf die gesamte Oberfläche der Schaltkarte aufgebracht,
das gewünschte Leiterzugsmuster belichtet, der Photolack entwickelt und der unbenutzte
Photolack von der Schaltkarte abgewaschen wie das in den Fign. ld und 2d dargestellt
ist. Dadurch bleiben in dem Photolack 17 Lücken 19, 21 und 23 zurück, die die gewünschte
endgültige Konfiguration der Leiterzüge darstellen. Dann wird durch Benutzung eines
additiven Plattierungsverfahrens eine Kupferschicht auf der Oberfläche der Schaltkarte
mit den Leiterzügen 25, 27 und 29 nach Fig. 2e gebildet, die die Lücken 19, 21 und
23 der Fig. 2d ausfüllt. Nachdem additiven Plattieren der Leiterzüge wird der restliche
Photolack 17 von der Schaltkarte entfernt und es bleiben die Leiterzüge 25, 27 und
29 übrig, die auf der dünnen Kupferschicht 13 auf der Oberfläche 15 der Schaltkarte
haften, wie das in Fig. 2f dargestellt ist.
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Als letzter Schritt in dem Verfahren wird die gesamte Oberfläche der
Schaltkarte kurzzeitig geätzt wie das in Fig. 2g dargestellt ist, um alle unerwünschten
Teile der Kupferschicht 13' zu entfernen.
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Daher sind die einzigen Teile der ursprünglichen dünnen Kupferschicht,
die zurückbleiben, diejenigen Teile unter den Leiterzügen 25, 27 und 29.
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Es kann erwünscht sein, die durch additives Plattieren hergestellten
Leiterzüge vor dem Entfernen des restlichen Photolacks von der Oberfläche der Schaltkarte
und vor dem kurzzeitigen Ätzen der gesamten Oberfläche der Schaltkarte mit einem
Schutzüberzug zu versehen. Dies ist besonders dann erwünscht, wenn Leiterzüge mit
hoher Auflösung entwickelt werden.
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Bei Benutzung des beschriebenen Verfahrens gibt es wenig Unterschneiden
der Leiterzüge, da im Verhältnis zu der gewünschten Leiterzugsbreite nur ein kleiner
Betrag von Kupfer weggeätzt wird.
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Dies erlaubt in einer zuverlässigen Art die Bildung sehr dünner Leiterzüge
auf der Oberfläche einer Schaltkarte.
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Beispiel 1 Die hauptsächlichen Schritte bei der Herstellung einer
einseitig mit Leiterzügen versehenen Schaltkarte sind in dem Flußdiagramm der Fig.
1 dargestellt. Eine Kupferfolie 13 mit einer Dicke von etwa 35 p wird auf das Substrat
15 auflaminiert. Das erhaltene zusammengesetzte Gebilde wird in ein Bad einer Kupferchloridlösung
gelegt, die die Oberfläche der Kupferschicht angreift. Es bleibt in dem Bad, bis
die Dicke der Kupferschicht auf etwa 8 u reduziert ist. Die Kupferchloridlösung
mit dem Kupfer darin wird aufbewahrt, um verarbeitet zu werden und eine Kupferlösung
zu ergeben, die beim nachfolgenden additiven Plattieren benutzt wird.
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Als nächstes wird das erwünschte Leiterzugsmuster auf der Oberfläche
der verminderten Kupferschicht aufgebaut in der Form eines belichteten und entwickelten
Photolackmusters, das Lücken aufweist, wo die Leiterzüge zu plattieren sind. Dann
wird das Leiterzugsmuster plattiert durch Abscheiden von Kupfer in den definierten
Bereichen, worauf der restliche Photolack entfernt wird. Darauf wird die gesamte
Oberfläche der Schaltkarte kurzzeitig in einer Lösung von Natriumpersulfat geätzt,
um die restlichen ungeschützten Teile der verkleinerten Kupferschicht zu entfernen.
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Beispiel 2 Bei einem modifizierten Verfahren, daß dem nach Beispiel
1 ähnlich ist, werden Kupferfolien auf beide Seiten des Substrates aufgebracht.
Nachdem die Kupferfolien in der Kupferchloridlösung verringert wurden, werden Durchverbindungslöcher
zwischen den beiden Oberflächen erzeugt, die Löcher werden gereinigt und bekeimt
und eine dünne stromlose Plattierung wird in den Durchverbindungslöchern vorgesehen.
Danach erfolgt das additive Plattieren wie in Beispiel 1.
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Beispiel 3 Bei einem gegenüber den Verfahren nach den Beispielen 1
und 2 modifizierten Verfahren werden vor dem Entfernen des restlichen Photolacks
vor dem kurzzeitigen Ätzen die additiv plattierten Oberflächen der Leiterzüge mit
einer im Tauchverfahren aufgebrachten Zinnschicht bedeckt, um diese Oberflächen
während des kurzzeitigen Ätzens mit der Natriumpersulfatlösung zu schützen. Nach
dem kurzzeitigen Ätzen kann das im Tauchverfahren aufgebrachte Zinn mit einem geeigneten
Lösungsmittel entfernt werden.
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Andere Modifikationen und Änderungen die beispielsweise durch Entwurfsüberlegungen
oder durch Bevorzugen bestimmter Materialien diktiert sind, können von Fachleuten
leicht durchgeführt werden.
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Bei dem anfänglichen Ätzen der Kupferfolie kann Eisenchlorid, Ammoniumpersulfat,
Natriumpersulfat oder irgendein anderes handelsübliches Ätzmittel, das das Substrat
nicht angreift, anstelle von Kupferchlorid verwendet werden. Bei dem kurzzeitigen
Ätzschritt kann eine Ammoniumpersulfatlösung anstelle einer Natriumpersulfatlösung
verwendet werden. Einige der Photolacke, die für die Verwendung in dem Verfahren
gemäß der Erfindung gut geeignet sind, ist die Gruppe der Photolacke, die als mit
additiven Verfahren verträglich bekannt sind. Im allgemeinen müssen die verschiedenen
in dem Verfahren benutzten Materialien und Lösungen so gewählt werden, daß sie in
dem Ausmaß verträglich sind, das erforderlich ist, um die gewünschten Ergebnisse
zu erzielen.
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Während das beschriebene Verfahren zur Herstellung von Schaltkarten
mit gedruckten Leiterzügen besonders vorteilhaft ist, besitzt es auch eine genügende
Wirtschaftlichkeit, um breitere Leiterzüge zu erzeugen, die üblicherweise mittels
eines subtraktiven Verfahrens hergestellt werden. Daher braucht ein Hersteller nicht
zwei getrennte Produktionslinien für breite und dünne Leiterzüge aufrechtzuerhalten,
Wenn beispielsweise verhältnismäßig breite Leiterzüge von mäßiger Dicke erwünscht
sind, können sie vorteilhaft und wirtschaftlich erzeugt werden gemäß einem großen
Teil der Verfahrensschritte des gleichen Prozesses, der zur Erzeugung sehr dünner
gedruckter Leiterzüge benutzt wird. Als ein Beispiel für die Erzeugung von Schaltkarten
mit dicken Leiterzügen gemäß der Erfindung, kann das Verringern der auf laminierten
Kupferfolie entfallen. Die restlichen Verfahrensschritte werden jedoch angewandt,
um ein Muster
sehr dicker Leiterzüge zu erzeugen. Natürlich muß
die Breite der Leiterzüge ausreichend sein, um eine gute Haftung auch bei dem resultierenden
Unterschneiden aufrechtzuerhalten, das auftritt, wenn das Kupfer von der Oberfläche
der Schaltkarte entfernt wird.
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Ein weiterer und sehr erwünschter Aspekt der Erfindung besteht darin,
daß das beim Einbringen der Kupferfolie in die Kupferchloridlösung weggeätzte Kupfer
wiedergewonnen werden kann und in dem additiven Plattierungsbad verwendet werden
kann, das anschließend folgt. Dies verbessert natürlich sehr wesentlich die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens, indem es die beträchtliche Verwendung mäßig teurer Kupferfolien
erlaubt.
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L e e r s e i t e