DE2848118A1

DE2848118A1 - Leiterplatte fuer eine gedruckte schaltung

Info

Publication number: DE2848118A1
Application number: DE19782848118
Authority: DE
Inventors: Donald Charles Mccarthy; Martin Rayl
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-11-14
Filing date: 1978-11-06
Publication date: 1979-05-17
Also published as: US4174531A; GB2030006A; JPS5478462A; GB2030006B

Description

Dr.-lng. Reimar König ■ Dipl.-'ng. Kl aus Bergen Ceoilienallee 7S 4 Düsseldorf 3O Telefon 45ΞΟΟΒ Patentanwälte

3. November 1978 32 573 B

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Leiterplatte für eine gedruckte Schaltung"

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte für eine gedruckte Schaltung mit einem Leiterbahnennetz auf einem elektrisch isolierenden Substrat, mit Lotmaterial an bestimmten Bereichen des Leiterbahnennetzes sowie mit an bestimmten Bereichen des Leiterbahnennetzes und der Substratoberfläche aufliegendem Lotschutzmaterial, wobei Bauelemente über Leiteranschlüsse mit Hilfe des Lots an den Leiterbahnen befestigt sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen der Leiterplatte. Ähnlich wie bei gedruckten Schaltungen spricht man auch von "gedruckten" Leiterplatten oder auch -karten.

Auf aus einem isolierenden Substrat mit aufgebrachtem Leiterbahnnetz bestehenden Leiterplatten für gedruckte Schaltungen können sich bei Gebrauch in elektrischen Vorrichtungen leicht Lichtbogen-Kriechpfade ausbilden. Die Liclitbogen-Kriechpfadbildung ist ein Prozeß, bei dem Kohlenstoffpfade zwischen den Elektroden an der Oberfläche der jeweiligen Leiterplatte durch elektrische Entladung entstehen. Die Kriechpfade sind zufällig orientiert, ihre Dichte steigt jedoch mit anhaltenden Entladungen. Wenn eine ununterbrochene Kriechspur aus Kohlenstoff zwischen den Elektroden entstanden ist, kann die Oberflächenleit-

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- zr-

fähigkeit groß genug werden, um Strom abzuleiten bzw. zu ziehen und elektrische Störungen und Ausfälle zu verursachen bzw. in seltenen Fällen auch zum Zünden zu führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte der genannten Art zu schaffen, die einen erhöhten Widerstand gegen das Bilden von Lichtbogen-Kriechpfaden aufweist. Es ist dabei wichtig, daß die Leiterplatte auf einfache Weise und wirtschaftlich herzustellen und ohne Beschädigung zu löten ist. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch eine das Substrat, das Leiterbahnennetz, das Lot und das Lotschutzmaterial bedeckende polymere Akrylharζschicht mit der wiederkehrenden Gruppe:

R-,

(
R,

C=O

I
0

I
C - R_r

worin jeweils unabhängig in den einzelnen Gruppen

fU, R. und bedeutet.

χ eine ganze Zahl von 0 bis 15 und IL, Rp, fU, R.

R₁- ebenfalls unabhängig H, CEU oder

Durch die Erfindung wird erreicht, daß das Entstehen von Lichtbogen-Kriechpfaden durch das Aufbringen der erfindungsgemäßen Akrylharzschicht ganz entscheidend herabgesetzt wird. Die erfindungsgemäße Beschichtung

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kann auch auf einfache und wirtschaftliche Weise auf die Leiterplatte aufgebracht werden, und es ist bei Bedarf möglich, die Leiterplatte umzulöten und die Akrylharzschicht zu reparieren. Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der folgenden Beschreibung angegeben.

Leiterbahnennetze auf elektrisch isolierenden Substraten können nach zwei verschiedenen Methoden hergestellt werden. Bei der ersten Methode wird von einem mit einer leitenden Schicht gleichmäßig bedeckten isolierenden Substrat ausgegangen und in die leitende Schicht das gewünschte Leiterbahnenmuster geätzt. Geeignet leitend beschichtete Platten werden von den Firmen General Electric Company, Coshocton, Ohio und NVF Co. Kennett Square, Pa., USA unter den Bezeichnungen FR-2, FR-3, FR-4 und XXXPC vertrieben. Bei den Platten handelt es sich um Kupferschichten auf isolierenden Materialien, wie Phenolpapier oder Epoxydglas. Vor dem Ätzen wird entweder ein positiver oder negativer Photolack auf die laminierte Metallschicht aufgebracht. Ein geeigneter positiver Photolack ist dasvon der Firma Dupont Company, Wilmington, Delaware, USA unter dem Warenzeichen Riston vertriebene Produkt. Mit Hilfe von üblichen lithographischen Methoden kann in die Photolackschicht ein Netzverkmuster eingezeichnet werden, das Teile der leitenden Schicht freilegt. Mit Hilfe einer geeigneten Ätzlösung, z.B. wässrigem Ferrichlorid, lassen sich die freigelegten Teile der leitenden Schicht entfernen und auf diese Weise das Leiterbahnenmuster aus den nicht freigelegten Teilen der leitenden Schicht bilden. Der verbliebene Photolack kann durch Behandeln mit einem organischen Lösungsmittel, z.B. Trichloräthylen, entfernt werden.

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Bei dem zweiten Verfahren zum Herstellen der bedruckten Leiterplatte wird ein keine leitende Schicht aufweisendes isolierendes Substrat zunächst mit einer Photolackschicht bedeckt. Alsdann wird mit Hilfe üblicher lithographischer Verfahren das gewünschte Leitermuster in die Photolackschicht eingezeichnet und dabei Bereiche des isolierenden Substrats freigelegt. Die Substratoberfläche wird nun, z.B. stromlos, verkupfert, um das leitende Netzwerk herzustellen. Eine geeignete Lösung zum stromlosen Verkupfern wird von der Firma Ethone Company, West Haven, Connecticut, USA unter der Bezeichnung Cu 400 vertrieben. Der verbleibende Photolack wird danach weggelöst bzw. abgetragen, derart, daß ein aus Kupfer bestehendes Netzwerk bzw. Leiterbahnennetz auf dem isolierenden Substrat verbleibt.

Zum Anschließen elektrischer Komponenten an das leitende Netzwerk können Löcher, z.B. durch Stanzen oder Bohren, in der gedruckten Leiterplatte hergestellt werden. Die elektrischen Komponenten werden dadurch mit dem Leiterbahnennetz verbunden, daß man die elektrischen Anschlüsse der Komponenten in die Löcher steckt und mit den Leiterbahnen verlötet. Beim industriellen Herstellen werden die gedruckten Leiterplatten beim Löten auf Transportbändern befestigt. Die nicht zu verlötenden Bereiche der gedruckten Leiterplatte werden mit einem Lotschutzmaterial, z.B. Epoxy-Polyesteramid beschichtet. Die gedruckte Leiterplatte wird dann einem Lot-Schmelzbad zugeführt, in dem eine solche Wellenbewegung der Schmelze erregt wird, daß die Wellen die gedruckte Leiterplatte berühren. Dieses Beschichtungsverfahren wird auch als "Wellenbespülung" bezeichnet. Das geschmolzene Lot haftet dabei nur auf den Bereichen der gedruckten Leiterplatte, welche nicht mit Lotschutzmaterial bedeckt sind. Nach dem Beschichten der gedruckten Leiterplatte mit Lot, wird die Platte vom Lotbad entfernt. Das an der Platte an-

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.?■

haftende Lot kann dann abkühlen und erhärten.

Unabhängig davon, auf welche Weise die Leiterplatte bis zu diesem Stadium hergestellt worden ist, wird erfindungsgemäß nun auf die so vorbereitete gedruckte Leiterplatte ein Akrylharz aufgetragen. Das Akrylharz soll dabei das Polymer der oben angegebenen Formel sein.

Ein geeignetes Akrylharz ist ein Copolymer aus Methylmethakrylat und Butylmethakrylat mit folgenden, wiederkehrenden Gruppen:

CH τ

I ³

C=O

CH.,

C

C = O

Erfindungsgemäß besonders geeignete Akrylharze haben einen Glas-Umwandlungspunkt (Tg) zwischen etwa 30⁰C und etwa 80⁰C, vorzugsweise zwischen etwa 35°C und etwa 50⁰C. Akrylharze im't Umwandlungspunkten über etwa 80⁰C haben sich als zu spröde erwiesen, während Akrylharze mit Umwandlungspunkten unterhalb von etwa 35 C in der Regel zu klebrig für die Anwendung bei gedruckten Leiterplatten sind.

Die Akrylharze können mit Hilfe üblicher Methoden, z.B. durch Aufstreichen, Tauchen, Sprühen oder durch Wellen-

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bespülung auf die Leiterplatten aufgebracht werden. In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird ein Methylmethakrylat-Butylmethakrylat-Copolymer in Form einer Emulsion auf die Leiterplatte aufgetragen. Die Emulsion soll dabei zweckmäßig etwa 30 bis 35% Feststoffe enthalten, und das Copolymer soll ein durchschnittliches Molekulargewicht von mehr als etwa einer Million und einen Glas-Umwandlungspunkt von etwa 40⁰C aufweisen. Eine in dieser Hinsicht geeignete Emulsion wird unter der Bezeichnung A-601 von der Firma Polyvinyl Chemical Industries, Wilmington, Massachusetts, USA vertrieben. Die Beschichtung erfolgt in diesem Fall durch Eintauchen der gedruckten Leiterplatte in die Emulsion. Nach dem Herausnehmen der Leiterplatte aus der Emulsion wird die aufgebrachte Schicht durch Trocknen gehärtet. Das kann z.B. durch Trocknen an Luft für etwa 15 Minuten und/oder durch Glühen während etwa 30 Sekunden erfolgen. Die hergestellten Schichtdicken sollen zwischen etwa 10 und etwa 25 Mikrometern liegen.

Anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand von Versuchsergebnissen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.

Die beiliegende Figur zeigt schematisch einen Querschnitt einer beispielhaften, gedruckten Leiterplatte. Auf ein elektrisch isolierendes Substrat 12 ist eine Leiterbahnenschicht 12 aufgebracht bzw aufkaschiert. Die elektrischen Leiter 14 von elektrischen Bauelementen 16 sind in Löcher 18 eingeführt. Auf dem Substrat 12 und auf der Leiterbahnenschicht 10 liegt eine Lotschutzschicht 20, die entweder nur auf der die Leiterbahnenschicht 10 aufweisenden Seite oder auf beiden Seiten - d.h. auch auf der Substratseite mit den elektrischen Bauelementen 16 -

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vorgesehen sein kann. Wenn auch die die elektrischen Bauelemente 16 tragende Seite des Substrats 12 mit.einer Lotschutzschicht bedeckt ist, wird der Widerstand gegen das Ausbilden von Lichtbogen-Kriechpfaden der Platte erhöht. Mit Hilfe von Lotschichten 22 sind die elektrischen Anschlüsse 14 der Bauelemente 16 mit der Leiterbahnenschicht 10 verbunden.

Obenauf befindet sich die erfindungsgemäße Akrylharzschicht 24, durch die der Widerstand der gedruckten Leiterplatte gegen das Ausbilden von Lichtbogen-Kriechpfaden stark vergrößert wird.

Der genannte Lichtbogen-Kriechwiderstand kann bei den erfindungsgemäß beschichteten, gedruckten Leiterplatten oder auch bei anderen Materialien nach folgendem Verfahren bestimmt werden:

Das zu untersuchende Material wird auf ein isolierendes Substrat aufgebracht. Zwei schneidenförmige Platinelektroden von 5 mm Breite und 4 mm Abstand werden mit einer Kraft von 100 Gramm auf das zu untersuchende Material gesetzt. Die beiden Elektroden werden mit einer niederfrequenten, festen Wechselspannung in der Größenordnung von 100 bis 1000 Volt beaufschlagt. Zwischen die Elektroden wird ein Ionenkontaminat in Form einer Elektrolytlösung eingebracht, indem alle 30 Sekunden ein Tropfen auf das zu untersuchende Material geträufelt wird. Eine hierzu geeignete elektrolythyische Lösung enthält 0,1 Gew.% NII.Cl in destilliertem Wasser. Eine Störung tritt auf, wenn ein Strom von einem Ampere zwischen den Elektroden fließt. Die Spannung, bei der diese Störung nach 50 Tropfen eintritt, wird als "Vergleichs-Kriechpfad-Index"-Spannung oder abgekürzt als CTI-Spannung vezeichnet. Im allgemeinen

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ist es erwünscht, daß gedruckte Leiterplatten CTI-Spannungen von mehr als 800 Volt, vorzugsweise .mehr als 900 Volt, aufweisen.

Vor der Behandlung haben Phenolpapier-Platten CTI-Spannungen von etwa 920 Volt. Diese Werte sinken aber auf etwa 125 bis 225 Volt, sobald die Bearbeitung der gedruckten Leiterplatte, z.B. das Aufbringen der Leiterbahnenschicht auf das Phenolpapier Substrat oder das Löten der gedruckten Schaltung, beendet ist. Durch Aufbringen der erfindungsgemäßen Schicht aus Akrylharz auf eine fertiggestellte gedruckte Leiterplatte wird der Lichtbogen-Kriechwiderstand jedoch auf CTI-Spannungen von mehr als 900 Volt erhöht. Überraschenderweise hat sich auch herausgestellt, daß beim Reparieren oder Umlöten erfindungsgemäß beschichteter, gedruckter Leiterplatten der Lichtbogen-Kriechwiderstand nicht herabgesetzt wird.

Anhand der folgenden Beispiele wird die Erfindung noch näher erläutert:

Beispiel 1

Auf eine mit Kupfer beschichtete Phenolpapier-Platte des obengenannten Typs FR-2 wurde der vorgenannte Photolack Riston aufgebracht, in den ein Muster aus zwei 4 mm voneinander entfernten Streifen lithographisch eingezeichnet wurde. Mit Hilfe einer wässrigen Lösung von Ferrichlorid wurde das Muster dann abgeätzt und es entstanden zwei Kupferstreifen. Der restliche Photolack wurde mit Hilfe von Trichloräthylen entfernt.

Daraufhin wurde eine Lotschutzschicht, insbesondere ein Epoxy-Polyesteramid, auf die Teile des Phenol-

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papiers und des Leiterbahnennetzes aufgebracht, welche nicht mit Lot zu bedecken waren. Die Lotschutzschicht hatte eine Dicke von etwa 15 Mikrometern. Die Oberfläche der Phenolpapier-Platte mit dem'darauf befindlichen Leiterbahnennetz aus Kupfer und dem Lotschutzmaterial wurde dann in eine Lotschmelze getaucht. Nach dem Herausnehmen bildete sich durch Abkühlen erhärtetes Lot auf dem nicht mit einer Lotschutzschicht bedeckten Kupfernetz.

Anschließend wurde die Platte mit einem Methylmethakrylat-Butylmethakrylat-Copolymer durch Eintauchen in eine der vorgenannten Emulsionen vom Typ A-601 beschichtet und dann an Luft während einer Zeitdauer von 15 Minuten getrocknet. Die getrocknete Akrylharzschicht war etwa 35 Mikrometer dick. Es wurden dann Platinelektroden auf die Kupferstreifen aufgesetzt. Beim Messen nach dem vorgenannten Verfahren ergab sich eine CTI-Spannung von etwa 1000 Volt.

Beispiel 2

Es wurden zwei Kupferstreifen mit 4 mm Abstand durch Ätzen einer mit Kupfer beschichteten Platte vom vorgenannten FR-2-Typ wie beim Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Die geätzte Platte wurde ohne Lot und ohne Lotschutzschicht mit einem Methylmethakrylat-Butylmethakrylat-Copolymer durch Eintauchen der Platte in die A-601-Emulsion beschichtet. Eine Messung ergab daraufhin CTI-Spannungen von etwa 1000 Volt.

Vergleichsversuch A:

Es wurde eine Platte ebenso wie in Beispiel 2 aber ohne die Akrylharzbeschichtung hergestellt. Es ergaben sich

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CTI-Spannungen von 125 Volt.

Vergleichsversuch B:

Bei diesem Vergleichsversuch und den folgenden Vergleichsversuchen C bis E wurden Platten wie in Beispiel 2 vorbereitet aber anstelle des erfindungsgemäßen Akrylharzes mit anderen Materialien beschichtet.

Eine Leiterplatte wurde mit dem unter der Bezeichnung NCO RF-2 U-912 von der Firma Polyvinyl Chemical Industries Comp., Wilmington, Mass., USA vertriebenen reinen aliphatischen Urethan beschichtet. Es ergaben sich CTI-Spannungen von 520 Volt.

Vergleichsbeispiel C:

Die vorbereitete Platte wurde mit einem Vinylazetat-Polyvinylchlorid-Copolymer beschichtet. Es ergaben sich CTI-Spannungen von 525 Volt.

Vergleichsbeispiel D:

In diesem Falle wurde die Leiterplatte mit einer Zellulose-Azetat-Butyrat-Verbindung beschichtet. Es ergaben sich CTI-Spannungen von 715 Volt.

Vergleichsbeispiel E:

Es wurde eine Leiterplatte mit einer Epoxy-Verbindung beschichtet. Es ergaben sich CTI-Spannungen von etwa 250 Volt.

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, Mt:

Leerseite

Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

Leiterplatte für eine gedruckte Schaltung mit einem Leiterbahnennetz auf einem elektrisch isolierenden Substrat, mit Lotmaterial an bestimmten Bereichen des Leiterbahnennetzes sowie mit an bestimmten Bereichen des Leiterbahnennetzes und der Substratoberfläche aufliegendem Lotschutzmaterial, wobei Bauelemente über Leiteranschlüsse mit Hilfe des Lots an den Leiterbahnen befestigt sind, gekennzeichnet durch eine das Substrat (12), das Leiterbahnennetz (10), das Lot (22) und das Lutschutzmaterial .(20) bedeckende polymere Akrylharzschicht (24) mit der wiederkehrenden Gruppe:

R, R^

C = O

CH.,

worin jeweils in den einzelnen Gruppen unabhängig voneinander χ eine ganze Zahl zwischen 0 und 15 und R., Rp, R^, R. und R₁- entweder H, CH-, oder CpH₁- ist.

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2. Leiterplatte nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das elektrisch isolierende Substrat (12) eine Phenolpapier Platte ist.
3. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Leiterbahnenschicht (10) eine Kupferschicht ist.
4. Leiterplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Lotschutzschicht (20) aus Epoxy-Polyesteramid besteht.
5. Leiterplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Akrylharz (24) ein Copolymer von Methylmethakrylat und Butylmethakrylat ist.
6. Leiterplatte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Copolymer ein Molekulargewicht von mehr als einer Million besitzt.
7- Leiterplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Glasmumwandlungstem]
80° des Akrylharzes (24)

eine Glasmumwandlungstemperatur von etwa 30° bis etwa
8. Leiterplatte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Glas-Umwandlungstemperatur
etwa 50⁰C des Akrylharzes (24).

eine Glas-Umwandlungstemperatur von etwa 35 C bis
9. Verfahren zum Erhöhen des Lichtbogen-Kriechwiderstandes auf Leiterplatten für gedruckte Schaltungen mit

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einem elektrisch isolierenden Substrat und einem darauf aufgebrachten Leiterbahnennetz, dadurch gekennzeichnet , daß das Leiterbahnennetz (1O) und das Substrat (12) mit einem polymeren Akrylharz (24) mit der wiederkehrenden Gruppe:

C ——" R₂

C
I

C = O

verwendet werden, wobei jeweils unabhängig in den einzelnen Gruppen χ eine ganze Zahl von 0 bis 15 und R^, R„, R^, R, und R,- entweder H, CH, oder CpH,- ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet , daß Löcher (18) in das Substrat (12) eingebracht werden, daß elektrische Leiter (14) von Bauelementen (16) in die Löcher (18) gesteckt werden, daß Lotschutzmaterial (20_)_ auf das leitende Netzwerk (10) und das Substrat (12) aufgebracht wird, daß die elektrischen Leiter (iM mit dem leitenden Netzwerk (1O) verlötet werden und daß das Akrylharz (24) auf das Lotschutzmaterial (20) und das Lot (22) aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß als Akrylharz (24) ein Copolymer aus Methylmethakrylat und Butylmethakrylat verwendet wird.

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