DE2715875A1

DE2715875A1 - Leiterplatte und verfahren zur herstellung einer leiterplatte

Info

Publication number: DE2715875A1
Application number: DE19772715875
Authority: DE
Inventors: @@ Impey John; John H Mettler; Rollin W Mettler
Original assignee: Circuit Wise Inc
Current assignee: Circuit Wise Inc
Priority date: 1976-04-22
Filing date: 1977-04-09
Publication date: 1977-11-10
Also published as: FR2349255A1; CA1075825A; IT1086737B; JPS52151866A

Description

PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. ALEX STENGER D-4000 DÜSSELDORF 1 * DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE Malkastenstrafie 2 2715875 DIPL.-ING. HEINZ J. RING Unser Zeichen: - _Q . Datum:

18 109 7. April 1977

CIRCUIT-WISE, Inc., 400 Sackett Point Road, USA - North Haven Connecticut

Leiterplatte und Verfahren zur Herateilung einer Leiterplatte

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5·

Herkömmliche Verfahren zur Herstellung gedruckter Schaltungen verwenden eine Trägerplatte, die gewöhnlich aus einem metallkaschierten Laminat besteht. Anfänglich wurden dünne Kupferfolien (0,025% bis 0,127 mm) auf ein phenolhaltiges Basismaterial aufgeklebt, auf dessen Schichtseite dann als Ätzmaske ein Positivbild der gewünschten Schaltung aufgebracht und anschließend das blanke Kupfer weggeätzt wurde. Nach Entfernen der Ätzmaske von den Leiterbahnen, wurdea die Löcher gebohrt oder gestanzt und die fertige Platine schließlich gereinigt und unter Erhaltung der Lötfähigkeit mit einem Schutzlack versehen. Als eine natürliche Weiterentwicklung dieses Verfahrens wurden die Kupferleiterbahnen in ähnlicher Weise auf beide Seiten einer gemeinsamen Trägerplatte aufgebracht.

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Telefon (0211) 3« OS14 ■ TelegrimmadresM: Dabipatent · Fo«Uche<Utonto Köln 227« 10

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Daraus entwickelte sich später ein weiteres Verfahren, bei dem eine zweiseitige Trägerplatte durchbohrt wurde, die im stromlosen Verfahren eine Metallbeschichtung (einschließlich der Durchgangsbohrungen) erhielt. Nach dem Aufdrucken einer Schutzschicht in Form eines Negativ-Leiterbildes und elektrolytischer Kupferbeschichtung wmrde die Trägerplatte mit einem Überzug aus Zinn-Blei oder einem anderen für die Bildung einer Atzmaske oder Schutzschicht geeigneten Material versehen. Die Schutzschicht wurde dann entfernt, um die Metallbeschichtung auf der Trägerplatte wegätzen zu können, während die Ätzmaske auf den Leiterbahnen verblieb und diese schützte.

In einer vereinfachten Abwandlung dieses Verfahrens wird die Trägerplatte aktiviert, mit einem negativen Muster der Schaltung versehen und die Leiterbildschicht stromlos aufgebracht. Dieses unter dem Begriff "Zusatzverfahren¹¹ bekanntgewordene Verfahren wird bei der Herstellung der zuvor erwähnten Trägerplatten eingesetzt.

Eine der dabei auftretenden Schwierigkeiten besteht darin, daß die Durchgänge in der Trägerplatte so glatt und sauber wie möglich sein müssen, um eine einwandfreie Beschichtung zu erhalten. Während das Bohren der Löcher grundsätzlich praktikabel und wirtschaftlich ist, haben sich Versuche nicht bewährt, Teile und/oder das gesamte zur Verfügung stehende Trägermaterial sauber auszustechen, da es viele Kunden gibt, die für den späteren Zusammenbau ohnehin keine exakt zylindrischen Löcher fordern.

Diese Schwierigkeiten wirken sich erheblich bei der Massenanfertigung aus. Bei dieser Art der Trägerplatte betragen zudem die reinen Plattenkosten 25 % oder mehr der Herstellungskosten der fertigen Platine, wobei außerdem noch die Gefahr besteht, daß die Platten brechen und sich Schichten lösen.

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Es sind weitere Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten bekannt, insbesondere solcher mit einer Trägerplatte aus dielektrischem Material und in der Oberfläche eingelassenem Leiterbild, bei denen das Schaltungsmuster auf einem Behelfsträger vorgeformt und dann in eine Trägerplatte eingelassen wird, wonach der Behelfsträger wieder entfernt werden muß; oder bei denen eine formbare Trägerplatte mit einem Metallüberzug versehen wird, das Schaltungsmuster auf die beschichtete Plattenoberfläche aufgebracht und das freiliegende Metall entfernt wird. Alle aufgezeigten Verfahrensarten, einschließlich deren Abwandlungen unter Zuhilfenahme anderer geeigneter Hilfsmittel, zeigen einen oder mehrere Nachteile, z. B. Mehrkosten, mangelnde Adhäsion, schwierige Qualitätskontrolle u.a.,

Die vorliegende Erfindung bezweckt daher zunächst, eine Leiterplatte der genannten Art zu schaffen, bei der die einzelnen Leiterbahnen chemisch und mechanisch mit der Trägerplatte verbunden sind.

Die Erfindung bezweckt weiter, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Leiterplatte aufzuzeigen, dessen einzelne Verfahrensschritte einfach und wirtschaftlich sind und eine leichte und genaue Kontrolle ermöglichen.

Schließlich soll eine Verbesserung der Form, der Konstruktion und Anordnung der verschiedenen Teile sowie der einzelnen Verfahrensschritte erreicht werden mit dem Ziel, die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wirkungsvoll zu erreichen.

Hinsichtlich der Leiterplatte wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dagegen durch die im Anspruch 5 genannten Merkmale gekennzeichnet.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sowohl hinsichtlich der Leiterplatte als auch das Verfahren betreffend sind in weiteren Ansprüchen enthalten.

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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Übersicht der einzelnen Phasen der Fertigung einer Leiterplatte,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil einer typischen Leiterplatte,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Schnittlinie III-III nach Fig. 2, und

Fig. k ähnliche Schnittansichten wie Fig. 3

bei unterschiedlichen Verfahrensstufen.

Im Folgenden werden zunächst die in Fig. 1 veranschaulichten Fertigungsphasen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Leiterplatte aufgezeigt:

A. Nach den Plänen des Kunden wird eine Form mit dem erhaben herausgearbeiteten Leity-rbild angefertigt und mit Dornen oder kleinen Stäben versehen, die in Größe und Form den zu formenden Löchern entsprechen.

B. Die Trägerplatte wird geformt, und sie kann aus jedem geeigneten nicht-leitenden Material bestehen, wie z. B. Phenolharze oder Polyphenylensulfid, wobei sowohl dessen Handhabungsmoglichkeiten als auch dessen Verarbeitbarkeit zu berücksichtigen ist. In der Oberfläche der fertigen Trägerplatte sind Leiterbild und Löcher als Vertiefungen ausgebildet.

C. Die Trägerplatte wird gesandstrahlt, z. B. mit Aluminiumoxid der Korngröße 24O bei einem Druck von 2,8l kp/cm , und/oder chemisch aufgerauht (bevorzugterweise beides), um sie für das spätere Beschichten vorzubereiten. Zweckmäßigerweise wird dabei eine Rauhigkeit von ca. 0,635,Um angestrebt. Das chemische Aufrauhen kann durch Entfetten

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der Trägerplatte mit einem chlorierten Lösungsmittel, wie z. B. Trichlorethylen, oder durch Eintauchen in eine alkalische Reinigungsflüssigkeit, wie beispielsweise Enthone's PC 453. Die Platte muß anschließend unter fließendem Wasser gespült und getrocknet werden, wonach sie in ein Lösungsmittel eingetaucht wird, das aus Dimethylformamid und Äthylenglycol besteht. Nach anschließendem erneuten Spülen unter fließendem Wasser wird die Platte in eine methylethylketon- und trichloräthylenhaltige Lösung getaucht und nachfolgend wieder unter fließendem Wasser abgespült. Schließlich wird die Trägerplatte einer wässrigen Lösung ausgesetzt, die aus einer mit Schwefeldioxyd gesättigten Säure und gelöstem Chromtrioxid besteht, bevor sie abschließend noch einmal unter fließendem Wasser abgespült wird.

D. Als Vorbereitung für weitere Arbeitsabläufe wird die Trägerplatte jetzt chemisch aktiviert. Nachfolgend werden einige Verfahren zur chemischen Aktivierung angeführt, die jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben:

1. Eintauchen in ein Lösungsbad, wie Mac Dermid's PA-3» und nachfolgendes Spülen in Wasser;

2c Eintauchen in eine zinnchlorige Lösung mit einer kolloiden oder nicht-kolloiden Suspension aus Palladiumchlorid, wie Shipley's Cataprep, und nachfolgendes Spülen in Wasser;

3. Eintauchen in eine borflußsäurige Lösung, wie Shipley's Accelerator 19 oder Mac Dermid's 9071, und nachfolgendes Spülen in Wasser; und

k. Erhitzen auf ca. 100⁰C über einen Zeitraum von ca. 30 Minuten.

E. Auf die erhabenen Flächen der Trägerplatte wird eine Schutzschicht aus einem lichtempfindlichen oder UV-härtbaren Polymer, z. B. Riston oder KPR, aufgetragen, wobei

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die tieferliegenden Leiterflächen freibleiben.

F. Die Trägerplatte wird, bevorzugterweise stromlos, mit einem leitenden Material, z. B. Kupfer (allein oder mit einem Nickelüberzug) in gewünschter Schichtdicke beschichtet, einschließlich der tieferliegenden Flächen und Löcher. Folgende Methoden können dabei angewendet werden, die jedoch wiederum keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben:

1. Evtl. vorheriges Eintauchen in eine borflußsäurige Lösung, wie Shipley's Accelerator 19 oder Mac Dermid's 9071t und nachfolgendes Spülen in Wasser;

2. Vernickelung durch Eintauchen in eine Nickelsalzlösung, z. B. eine Nickel-Phosphat-Lösung mit Netzmitteln und Nickelchlorid, wie Mac Dermid's Electroless Nickel 9340, und nachfolgendes Spülen in Wasser; und

3. Verkupfern durch Eintauchen in eine Kupfersalzlösung, z. B. eine Lösung aus Kupfersulfat, Formaldehyd, Stabilisatoren und kornverfeinernde Netzmittel sowie Hydroxide, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.

G. Das Überziehen und Reinigen umfaßt das Auftragen einer epoxydhaltigen Lötschutzschicht auf die Leiterflächen, die keine Lötverbindungen eingehen, das Reinigen der freiliegenden Kupferflächen, beispielsweise durch Abreiben mit einem Bimsstein, mit Aluminiumoxid oder einem synthetischen Schleifmaterial, und das Schützen dieser Flächen mit einem wasserhaltigen Grundlack oder verdünnter Apfelsäure oder mit einem inaktiven Rosin-Flußmittel, um die Lötfähigkeit der Flächen herzustellen. Die freiliegenden Kupferflächen können ebenfalls vor dem Auftragen chemisch gereinigt werden und zwar auf folgende oder ähnliche Weise:

1. Eintauchen in eine heiße alkalische Lösung,

2. Spülen in kaltem Wasser,

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3· Eintauchen in eine schwache überschwefelsaure Ammoniaklösung,

4. Spülen in kaltem Wasser,

5. Eintauchen in eine 10%ige Schwefelsäurelösung,

6. Spülen in kaltem Wasser, und

7. Trocknen.

In diesem Stadium ist die Trägerplatte soweit, daß sie geprüft, verpackt und versandt werden kann. Auf der Form können zwecknäBigerveise Erkennungszeichen und/oder Erläuterungsziffern ausgebildet werden, die dann auf der fertigen Trägerplatte als kupferbeschichtete Flächen erscheinen.

In den Fig. 2 bis 5 sind einige für den Herstellungsprozeß bedeutende Zwischenstadien veranschaulicht.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, weist die aus einem thermoplastischen Isoliermaterial bestehende Trägerplatte 11 eine Form auf, in der Vertiefungen 12 ausgebildet sind, die den späteren Leiterbahnen der gewünschten Schaltung entsprechen, und in der gleichzeitig Löcher 13, l4 in jeder beliebigen Größe, Form und Anordnung vorgesehen sind. Wenigstens eine Seite der Trägerplatte sollte im Randbereich der Löcher, wie durch die Bezugszeichen 15 und 16 angezeigt, ausgespart sein, um die in Fig. 2 gezeigten ringförmigen Leiterbahnen zu bilden. Die nicht ausgesparten Flächen der Oberfläche liegen in einer gemeinsamen Ebene und bilden erhabene Flächenteile 17, l8. Infolge der zuvor beschriebenen Fertigungsphasen B, C und D erhält die Trägerplatte 11 ihr in ^Fig. 4 gezeigtes Aussehen. Nach der chemischen Aktivierung der Oberfläche wird, wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, in herkömmlicher Weise auf die erhabenen Flächenteile 17, l8 und auf die Rückseite 19 eine Schutzschicht 20, aufgetragen (Phase E), wonach die Trägerplatte dann beschichtet wird (Phase F), damit sich das Kupfer in den tieferliegenden Leiterbahnen 12 sowie in und um die Löcher 13, l4 ablagert,

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wie durch die Bezugszeichen 22, 23 und 24 in *ig. 3 gezeigt. Die Aussparungen im Randbereich gewisser Löcher auf der Rückseite der Trägerplatte sind ebenfalls mit einer Kupferablagerung 25» 26 versehen, um an diesen Stellen die Leiterbahnen mit anderen Bauelementen verbinden zu können. Die Schutzschicht braucht nicht entfernt zu werden. Die Beschichtungs- und Reinigungsphase (G) variieren in den verschiedenen Bereichen, wie eingangs erläutert, und sind daher zeichnerisch nicht extra dargestellt.

Die Form kann eine Einfach- oder Mehrfachform sein, die so ausgebildet ist, daß sowohl auf beiden als auch auf einer Seite die vertieften Leiterbahnen entstehen. Die Löcher sind glatt, nicht rauh und aufgerissen wie bei gestanzten Löchern.

Das Material der Trägerplatte muß so beschaffen sein, daß es der Löthitze widersteht und muß darüber hinaus alle anderen Anforderungen erfüllen. Kunststoffe auf Phenolbasis sind dafür besonders geeignet und können allein oder mit anderen Materialien geschichtet verwendet werden.

Die Schutzschicht (Phase E) kann in verschiedener Weise aufgetragen werden,einschließlich Rollen oder mit Hilfe eines Rakels. In manchen Fällen ist jedoch die Anwendung einer "Seiden-Raster-Methode" ratsam.

Bei einer modifizierten Fertigungstechnik wird die Phase E (Auftragen der Schutzschicht) weggelassen und die gesamte Oberfläche der Trägerplatte stromlos mit einem Metall beschichtet (Phase F), wonach durch Fräsen oder Sandbestrahlung soviel Metall abgetragen wird, daß die erhabenen Flächenteile blank werden, während das Metall in den ggf. vorhandenen Vertiefungen verbleibt. Die Dicke der die Leiterbahnen bildenden Metallschicht kann bei Bedarf durch stromloses oder elektrolytisches Beschichten erhöht werden.

Bei jeder Herstellungstechnik haftet das die Leiterbahnen bildende Metall fest in den vorgeformten Aussparungen oder Vertiefungen

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sowie in den ggf. geformten Löchern. Wie oben bereits vorgeschlagen wurde, können die Leiterbahnen durch eine erste stromlose Nickelbeschichtung hergestellt werden, der eine stromlose Kupferbeschichtung folgt bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist.

Während die Leiterplatten gewöhnlich flach und rechteckig sind, können sie bei Fertigung nach dem hier offenbarten Verfahren bei Bedarf auch andere Formen aufweisen,einschließlich kreis-, bogen- oder zylinderförmig. Die Bezeichnung der erhabenen Flächenteile als "flach" schließt begrifflich auch solche nicht ■it Vertiefungen versehenen Flächenteile einer Leiterplatte ein, die ein anderes Profil aufweisen.

Ausführungsbeispiel·

Als ein anschauliches Beispiel einer bevorzugten Ausführungeform der vorliegenden Erfindung wurde eine aus General Electric's Genal. das ist ein gesättigtes phenolhaltiges Material, hergestellte Trägerplatte so geformt, daß sie dem gewünschten Schaltplan entsprach, so daß die Leiterbahnen in der Oberfläche eingelassen und die zugehörigen Löcher in gewünschter Form und Größe vorgesehen waren.

Die Trägerplatte wurde dann mit einem Aluminiumoxid der Korngröße 24O bei einem Druck von 2,8l kp/cm gesandstrahlt, um eine Oberflächenstruktur von annähernd 0,635/x"· zu erreichen. Anschließend wurde die Trägerplatte zwecks Entfernung von Staub und Fetten mit Trichlorethylen entfettet und luftgetrocknet.

Die Trägerplatte wurde danach durch Eintauchen für ca. 5 Minuten in eine 15 bis 2O#ige Lösung aus Enthone's PC 453 bei ungefähr 65°C gereinigt. Nach einminütiger Spülung in Wasser wurde sie vollständig getrocknet.

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Anschließend wurde die Trägerplatte für ungefähr 5 Minuten in eine 33 C betragende Lösung eingetaucht, die ungefähr 6l# Dimethylformamid und ungefähr 39% Äthylenglycol enthält. Es folgte eine «inminütige Spülung in Wasser.

Als nächstes wurde die Trägerplatte für ungefähr k Minuten in eine ca. 30 C aufweisende Lösung aus k0% Methyläthylketon und ungefähr 6o% Trichloräthylen getaucht und nachfolgend 1 Minute in Wasser gespült.

Nach dem Eintauchen der Trägerplatte in eine ca. 75 C betragende Lösung aus ca. 50% Schwefelsäure, ca. 7% Chromtrioxid (l molar) und ca. kj% destilliertem Wasser folgt wiederum ein einminütiges Spülen in Wasser. Im Anschluß daran wurde die Platte für ungefähr 5 Minuten in eine 35°C aufweisende wässrige Spüllösung eingetaucht, die Natriumkarbonat (5 molar) enthielt, und schließlich wieder 1 Minute in Wasser gespült.

Als nächstes wurde die Trägerplatte chemisch aktiviert und zwar wie folgt:

1.) Fünfminütiges Eintauchen in Mac Dermid's PA-3 bei 22°C,

2.) einminütiges Spülen in Wasser,

3·) zweiminütiges Eintauchen in Cataprep bei einer Temperatur zwischen 43°C bis 49°C,

k.) fünfminütiges Eintauchen in Cataprep kk bei 43°C bis 49°C,

5.) einminütiges Spülen in Wasser,

6.) zweiminütiges Eintauchen in Shipley's Accelerator bei ungefähr 22°C,

7·) einminütiges Spülen in Wasser, und

8.) dreirainütiges Aufheizen bei ca. 100 C bis kurz vor Erweichung.

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Die aktivierte Trägerplatte wurde dann mit einer Schutzschicht versehen, die auf die erhabenen Flächenteile aufgetragen wurde, während die tieferliegenden Flächenbereiche freiblieben.

Danach wurde die Trägerplatte reaktiviert, indem sie für ungefähr 15 Minuten in Mac Dermid's 9071 bei ca. 22°C eingetaucht wurde, dem wiederum ein einminiitiges Spülen in Wasser folgte. Es erfolgte ein weiteres Eintauchen für ca. 15 Minuten in Mac Dermid's Electroless Nickel 9JkO bei ca. 32°C sowie ein weiteres einminütiges Spülen in Wasser. Die Platte wurde dann durch Eintauchen in Mac Dermid's 90^2 kupferbeschichtet bis die gewünschte Schichtdicke erreicht war.

Schließlich wurden die freiliegenden Kupferflächen durch Eintauchen in eine heiße alkalische Lösung gereinigt, die Platte in kaltem Wasser gespült, in ein schwach überschwefelsaures Ammoniakbad getaucht, in Wasser gespült, in eine 10%ige Schwefelsäure-Lösung getaucht, in kaltem Wasser gespült und getrocknet. Danach wurde eine Schutzschicht aus einem wasserhaltigen Schutzlack aufgetragen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Leiterplatte mit einer geformten Trägerplatte aus dielektrischem Material, in deren Oberfläche wenigstens einseitig das gewünschte Leiterbild ausgespart ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesparten Flächen (12; 15, l6) einen leitenden Metallüberzug aufweisen, der fest mit dem Untergrund der ausgesparten Flächen verbunden ist.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (ll) geformte Durchgangslöcher (13* l4) aufweist, die zumindest teilweise mit dem leitenden Metall ausgefüllt sind.

3. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus Nickel und Kupfer besteht.

4. Leiterplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Durchgangslöcher (13» 14) von einer Aussparung (15« l6) in der Oberfläche der Trägerplatte umgeben ist, in die sich das Metall aus den Durchgangslöchern erstreckt und einen Anschluß bildet.

5. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einer aus dielektrischem Material geformten Trägerplatte, in deren Oberfläche das gewünschte Leiterbild ausgespart wird, das von erhaben liegenden Flächenteilen begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erhabenen Flächenteile (17, 18, 19) mit einer Schutzmaske (20, 2l) versehen wird und die Trägerplatte (ll) stromlos mit einem leitenden Metall beschichtet wird, wodurch sich das leitende Metall in dem Leiterbild ablagert und die Leiterbahnen bildet.

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ORIGINAL INSPECTED

6. Verfahren nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, daß vor Auftragen der Schutzmaske die Oberfläche der Leiterplatte (ll) aufgerauht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrauhung durch Sandbestrahlung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrauhung auf chemischem Wege erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrauhung durch Sandbestrahlung und auf chemischem Wege erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Trägerplatte (ll) chemisch aktiviert wird, bevor die Schutzmaske aufgetragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Aktivierung der Oberfläche der Trägerplatte (ll) nach ihrer Aufrauhung und vor dem Auftragen der Schutzmaske erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf Teile der Leiterbahnen eine Lötschutzmaske aufgetragen wird und die übrigen Leiterbahnen gereinigt und beschichtet werden.

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