DE3045280C2

DE3045280C2 - Verfahren zur Bildung von elektrischen Leiterbahnen auf einem isolierenden Substrat

Info

Publication number: DE3045280C2
Application number: DE3045280T
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Kadoma Osaka Honda; Shunichi Nakayama; Masami Takagi
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1979-05-24
Filing date: 1980-03-13
Publication date: 1985-03-07
Also published as: US4358349A; WO1980002632A1; DE3045280T1; JPS55156388A; JPS646555B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von elektrischen Leiterbahnen auf einem isolierenden Substrat, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der US-PS 27 28 693 bekannt. Bei diesem Verfahren wird auf dem Substrat zunächst eine Haftschicht und darauf eine dünne Grundschicht aus leitendem Metall aufgebracht. Auf dieser metallischen Grundschicht wird dann eine Maske durch Belichtung und Entwicklung einer Photoresistschicht gebildet. Die öffnungen dieser Maske entsprechen den herzustellenden elektrischen Leiterbahnen. Die Leiterbahnen werden dann durch die öffnungen der Maske hindurch aufplattiert. Anschließend wird die Maske entfernt, und diejenigen Teile der s Grundschicht werden fortgeätzt, welche keine aufplattierten Leiterbahnen tragen. Nach Beseitigung der metallischen Grundschicht zwischen den Leiterbahnen sind diese nicht mehr elektrisch miteinander verbunden. Oft sollen bestimmte Teile der so gebildeten elektri sehen Leiterbahnen beschichtet werden, z. B. mit einem Kontaktmaterial oder einem Lötmetall. Zu diesem Zweck wurde in der DE-OS 18 17 480 bereits in Betracht gezogen, auf die bereits fertigen Leiterbahnen Masken aufzulegen, die Ausschnitte aufweisen, an de nen ein Lötmetall deponiert werden solL Wegen der erwarteten Schwierigkeiten, insbesondere der Notwendigkeit, daß diese Masken mit der Trägerplatte genauestens abschließen müssen, um ein Kriechen des Lötmetalls zwischen der Maske und dem Träger zu verhin- dem, wurde dieser Vorschlag aber zugunsten einer selektiven Beschichtung der betreffenden Leiterbahnstellen mi. keramischem Material aufgegeben. Das aufgebrachte keramische Material muß aber anschließend mechanisch wieder entfernt werden, wodurch das Ver fahren erheblich erschwert und verteuert wird. Ein an derer Vorschlag (DE-GM 17 63 458) besteht darin, die gesamte Fläche der Leiterbahnplatte mit Ausnahme der zu beschichtenden Kontaktflächen mit einem Schutzlack abzudecken. Dieser Schutzlack muß anschließend

jo wieder entfernt werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs angegebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß auch zum selektiven Aufplattieren einer Metallschicht auf bestimmten Teilen der sehr leinen Leiterbahnen die wirtschaftlich überlegene Methode des Aufplattierens durch eine Maske hindurch angewendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, um sehr kleine Leiterplatten herzustellen, bei denen die Abstände zwischen den Leiterbahnen nur etwa 0,1 mm betragen können. Die Herstellung von Leiterbahnen unter Anwendung von Masken ist besonders wirtschaftlich, weil Material und Arbeitsgänge eingespart werden. Es wurde aber bisher in der Technik nicht für möglich gehalten, bei derart feinen und dicht nebeneinanderliegenden Leiterbahnen eine selektive Beschichtung derselben durch eine Maske hindurch vorzunehmen. Es bestand die Befürchtung, daß die Maske nicht mit ausreichend hoher Präzision auf die Leiterbahnen aufgelegt werden konnte, um eine Beschichtung des Substrats zwischen den Leiterbahnen, d. h. Kurzschlüsse zwischen denselben, zu verhindern.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch ein Übergriff des aufplattierten Metalls auf Bereiche zwischen den Leiterbahnen sicher dadurch vermieden, daß die erste Maske noch aufgelegt bleibt und die Bereiche zwischen den Leiterbahnen vollständig abdeckt,

ho wobei die Aussparungen der ersten Maske durch die aufplatticrlcn Leiterbahnen teilweise ausgefüllt sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Untcransprüchen angegeben. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun un-

b5 ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. I einen Querschnitt eines Substrats aus Isoliermaterial mit einer aufgebrachten metallischen Grund-

schicht;

F i g. 2 eine Perspektivansicht einer Maske;

Fig.3 eine Schnittansicht einer zur Durchführung des Verfahrens besonders geeigneten Maske;

F i g. 4a, 4b und 4c Ansichten von Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens;

Fig.5 und 6 schematische Ansichten von weiteren Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens;

F i g. 7 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens;

F i g. 8 eine Perspektivansicht einer weiteren bei dem Verfahren angewendeten Maske;

F i g. 9a einen Querschnitt einer Leiterplatte nach selektivem Plattieren bestimmter Leiterbahnteile durch die zweite Maske hindurch, und zwar vor Entfernung is der metallischen Grundschicht;

Fig.9b einen Querschnitt derselben Leiterplatte nach Entfernung der metallischen Grundschicht;

F i g. 10 eine Perspektivansicht der in F i g. 9b gezeigten, fertigen Leiterplatte; und

F i g. 11 eine vergrößerte Teilansicht einer nach dem Verfahren hergestellten Leiterplatte.

Wie in F i g. 1 gezeigt ist, ist die äußerst dünne Grundschicht 2 aus Kupfer einer Dicke von 0,1 — 1 μίτι im wesentlichen auf der gesamten Oberfläche auf einer Seite eines isolierenden Substrates 1 gebildet, und zwar durch nichtelektrolytische Plattierung; nach Abschluß dieses ersten Verfahrensschrittes wird eine erste Maske 4 dicht auf diese Grundschicht 2 aufgesetzt und bedeckt praktisch ihre gesamte Oberfläche. Die in F i g. 2 gezeigte Maske 4 ist eine Isolierfolie wie z. B. eine Polyesterfolie, die mit ausgestanzten Löchern 3 versehen sein kann, welche durch Ausstanzen in Form des Musters der Teile, an denen die elektrischen Leiterbahnen gebildet werden sollen, hergestellt werden; oder es handelt sich um ein dünnes, plattenförmiges Keramikteil oder um eine Metallplatte, die mit ausgestanzten Löchern 3a verschen ist, oder auch um einen äußerst dünnen Isolierüberzug 5 von z. B. 30 μπι, der wie in F i g. 3 gezeigt auf der Oberfläche gebildet ist. Wesentlich ist, daß ein solches Teil verwendet wird, das leicht dicht auf die Grundschicht 2 aufgefügt werden kann und bei der Elektroplattierung die Bildung einer aufplattierten Schicht auf seiner Oberfläche nicht zuläßt. Da jedoch die Maske dicht auf die Grundschicht aufgefügt werden soll, ist es vorzuziehen, wtnn sie eine dünne Folie aus einem Magnetmetall umfaßt, z. B. aus Permalloy oder Semendur, worin die ausgestanzten Löcher 3a gebildet werden, indem das Muster derjenigen Teile ausgestanzt wird, an denen die elektrischen Leiterbahnen gebildet werden sollen, woraufhin der dünne Isolierüberzug 5 auf der Oberfläche gebildet wird. Die Dicke dieser Maske kann etwa 0,1 —1 mm betragen; wenn die Maske mil elektrischen Leiterbahnen gebildet wird, die einen Abstand von etwa 0,1 mm zwischen den jeweiligen Bahnen aufweisen, so kann sie auch mit geringerer Dicke hergestellt werden, wobei dann eine Ätzung oder Laserbearbeitung durchgeführt wird.

Wenn die Maske aus Magnetmaterial gebildet ist, wie in F i g. 4a gezeigt ist, so wird das Isoliersubstrat 1 über t>o die Maske so gelegt, daß die Grundschicht 2 sich auf der Seite der Maske 4 befindet. Auf die Oberseite der Maske 4, die in der Ausnehmung 39a eines Sockels 39 angeordnet ist, wird ein Elektromagnet 10 in diesem Zustand in Richtung P auf das isolierende Substrat 1 abgesenkt. Das Absenken des Elektromagneten 10 hört auf, wenn die eine Anzugskraft ausübende Oberfläche 10a des Elektromagneten !0 in Berührung mit dem isolierenden Substrat 1 ist Dann wird ein Schalter 11 geschlossen, um einen Strom durch die Spulen 10b des Elektromagneten 10 zu schicken, so daß die Maske 4 mit dem dazwischen angeordneten isolierenden Substrat 1 angezogen wird, und dann ist der zweite Verfahrensschritt abgeschlossen. Die Maske 4 wird also eng an die Grundschicht 2 angelegt Die Dicke des isolierenden Substrats 1 hängt zwar auch von der Anzugskraft des Elektromagneten 10 ab, sie kann aber bis zu etwa 2 mm betragen.

Der Elektromagnet 10 ist mit einer Mehrzahl von Eisenkernen 1Od versehen, und Spulen 10b sind auf jedem zweiten Eisenkern 1Od aufgesetzt Die Anzugsoberflächen 10a der Kerne 1Od, auf denen die Spulen 1Od aufgesetzt sind, sind so angeordnet daß sie jeweils dieselbe Polarität aufweisen. In Fig.4b sind alle Eisenkerne durch ein Epoxyharz miteinander so verbunden, daß alle Anzugsoberflächen 10a miteinander fluchten. Die Verteilung der magnetischen Kraftlinien kann gleichmäßig erfolgen, wenn die Eisenkerne 1Od des in F i g. 4b gezeigten Elektromagneten in kleine Teile aufgetrennt werden, wie in F i g. 4c gezeigt ist

In dem nächsten Verfahrensschritt wird eine Metallschicht 15 aus Kupfer auf der Grundschicht 2, über die die Maske 4 gelegt ist, aufplattiert. Während die Maske 4 von einem Dauermagnet angezogen wird, kann sie vollständig in ein Kupferplattierungsbad eingetaucht werden, das z. B. wie folgt definiert ist:

CuSO₄ H₂SO₄

5H₂O

250 g/l 60 g/l.

Wegen des Vorhandenseins der Grundschicht 2 auf dem isolierenden Substrat 1 ist es möglich, die Plattierung auf dieser Schicht 2 in Form der aufplattierten Metallschicht 15 nur an den erforderlichen Leiterbahnstellen vorzunehmen. Da die Grundschicht 2 äußerst dünn ist, ist die Menge des entfernten Metalls dieser Schicht an den Stellen, wo sich keine aufplattierte Metallschicht 15 befindet, sehr gering. Wenn ein Isolierüberzug 5 auf der Oberfläche der Maske 4 gebildet wird, erfolgt auf dieser keine Plattierung bei der Bildung der Metallschicht 15, so daß sie oft wiederverwendet werden kann. Zusätzlich wird der Vorteil erreicht, daß die Maske 4, aus der die erforderlichen Teile zur Bildung der elektrischen Leiterbahnen ausgestanzt sind, wegen ihrer Bildung aus Magnetmaterial leicht von einem Magnet gegen das isolierende Substrat 1 gehalten werden kann und auf diese Weise wirksam in engster Nähe an diesem gehalten wird, wodurch eine präzise Bildung der aufplattierten Metallschicht 15 möglich wird.

Im nächsten Verfahrensschritt wird eine zweite Maske 19 dicht auf die praktisch gesamte Oberfläche der ersten aufplattierten Schicht 15 und der ersten Maske 4 aufgelegt, wie in F i g. 7 gezeigt ist. Wenn diese zweite Maske 19 aus magnetischem Material ist, auf dem ein Isolierüberzug gebildet ist, wird eine Anzugkraft mittels eines Permanentmagneten oder Elektromagneten 10 ausgeübt. Wie in F i g. 8 gezeigt ist, ist die zweite Maske 19 an den Stellen mit Ausstanzungen versehen, die den Stanzlöchern 20 der ersten Maske 4 entsprechen, so daß in der Maske 19 Stanzlöcher 21 gebildet sind; diese Maske ist aus demselben Material wie die erste Maske 4 und wird an die erste aufplattierte Schicht 15 angezogen. Daraufhin wird eine zweite aufplattierte Schicht 22 auf der ersten aufplattierten Schicht 15 durch die zweite Maske 19 hindurch gebildet. Daraufhin werden die beiden Masken 4, 19 von der ersten aufplattierten Schicht 15 entfernt, und nur die Grandschicht 2, die auf dem

Substrat 1 ohne aufplattierte Schicht 15 gemäß F i g. 9a freiliegt, wird entfernt bzw. durch ein Ätzmittel wie eine Ferrichlorlösung od. dgl. entfernt. Die elektrischen Leiterbahnen sind dann auf dem isolierenden Substrat I gebildet, wobei Teile der ersten aufplattierten Schicht 15 mit der zweiten Schicht 22 überplattiert sind. Bei der Bildung der zweiten aufplattierten Schicht 22 wird eine korrosionsbeständige Schicht z. B. aus Gold, Rhodium od. dgl. geschaffen. Wenn diese leitende Schicht als Schleifkontakt verwendet wird, werden die Kontaktierungszuverlässigkeit und Verschleißfestigkeit zusätzlich zur Korrosionsbeständigkeit verbessert, wobei eine korrosionsbeständige aufplattierte Schicht 22a gemäß Fig. iO selekiiv nur an den Stellen der elektrischen Leiterbahnen gebildet wird, wo die Korrosionsbeständigkeit und Kontaktierungszuverlässigkeit erforderlich sind. Auf diese Weise können die elektrischen Leiterbahnen sehr leicht und mit hoher Produktivität korrosionsbeständig und zuverlässig hinsichtlich der Kontaktierung gemacht werden. Funktionsstörungen an gedruckten Schaltungskarten aufgrund von Korrosion und schlechten Kontakteigenschaften aufgrund von Oxidation sowie Verschwefelung können auf diese Weise verhindert werden, um die Zuverlässigkeit zu verbessern. Die zweite aufplattierte Schicht 22 kann bei geringen Materialkosten aufgebracht werden, da sie nur teilweise vorhanden ist. Zur Herstellung der zweiten aufplattierten Schicht 22 aus Rhodium kann ein Rhodiumsulfatbad verwendet werden, das z. B. mit einer Rhodiumkonzentration von 1 g/l und einer Schwcfelsäurekonzentration von 80 g/l gebildet wird; die Korrosionsbeständigkeit kann weiter verbessert werden, indem ein organischer Dünnschichtüberzug auf der zweiten aufplattierten Schicht 22 gebildet wird. Als Plattierungslösung kann z. B. verwendet werden:

Zinnfluoroborat
Bleifluoroborat
Fluoroborsäure
Formalin (30%)

200 g/l

40 g/l
240 g/I

10 cm³/!

oder aus einem äußerst dünnen Isolierfilm auf einer nichtmagnetischen Metallplatte gebildet ist, so kommen zum dichten Aufeinanderfügen folgende Verfahren in Betracht: Evakuierung, Pressen, sandwichartige Anordnung. Aufbringen eines Klebers auf der Maske, so daß diese auf dem Isoliersubstrat haftet, und dgl. F i g. 5 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Evakuierverfahrens. Das Isolicrsubslrat 1 weist eine Vielzahl von sehr kleinen hindurchführenden Löchern 6 in gleichmäßigen Abständen auf. Eine Anzahl von Saugnäpfen 9 ist an eine Vakuumpumpe 7 angeschlossen, und die Saugnäpfe sind auf der Rückseite la des isolierenden Substrats 1 aufgesetzt. Die Pumpe 7 wird dann in Betrieb genommen, wodurch die Maske 4 durch die äußerst feinen Löcher 6 in dem isolierenden Substrat 1 hindurch angesaugt wird. Die Darstellung in Fig.6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Maske 4 mit einem Schirm 9 aus Seide gekoppelt ist, der gegen die dünne Grundschicht gepreßt wird und dicht an diese angelegt ist. Mit 12 ist ein Rahmen des Schirms aus Seide bezeichnet, und dieser Rahmen 12 ist um eine Welle 13 schwenkbar und wird gegen das isolierende Substrat t gepreßt.

Einige geringe weitere Additive, die einen Glanz bewirken.

Wenn die oben angegebene Zusammensetzung verwendet wird, kann die zweite aufplattierte Schicht 22 als Lötmittelschicht aufgebracht werden, die selektiv nur an den Stellen der elektrischen Leiterbahnen gebildet ist, an denen gelötet werden soll, so daß die Lötmittelschicht nicht an unnötigen Teilen vorhanden sein muß. Auf diese Weise kann das elektrische Leiterbahnsystem wirtschaftlich und bei hoher Produktivität lötbar gemacht werden, und Verbindungspunkte an den Anschlußenden von elektronischen Bauteilen können leicht auf gedruckten Schaltungen aufgelötet werden, selbst wenn die elektrischen Leiterbahnen kompliziert und empfindlich sind. Wenn die zweite aufplattierte Schicht 22 bzw. 22b aus demselben Metall wie die erste ausplattierte Schicht 15 bzw. aus Kupfer gebildet ist, so befindet sich auf der ersten aufplattierten Schicht 15 t>o stellenweise eine verdickte Kupferschicht 22b, wie in I" i g. 11 gezeigt ist, wobei diese dicker aufplattiertcn Kupferschichtbereiche 22b nur an den Stellen vorhanden sind, wo hohe Ströme fließen.

Es wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem die Maske 4 dicht auf die Grundschicht 2 aufgefügt wird.

Wenn die Maske 4 aus einem isolierenden Material Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Pa tent ansprüche:

1. Verfahren zur Bildung von elektrischen Leiterbahnen auf einem isolierenden Substrat, bei dem auf dem Substrat eine dünne Grundschicht aus leitendem Metall aufpiattiert wird, auf diese Grundschicht eine Maske eng anliegend aufgesetzt wird, deren öffnungen den herzustellenden elektrischen Leiterbahnen entsprechen, die Leiterbahnen durch die öffnungen der Maske hindurch aufplattiert werden und anschließend die Maske und diejenigen Teile der Grundschicht entfernt werden, welche keine aufplattierten Leiterbahnen tragen, dadurch gekennzeichnet, daß auf diese erst2 Maske und die aufpljttierten Leiterbahnen eine zweite Maske eng anliegend aufgesetzt wird, deren Aussparungen nur bestimmte Teile der Aussparungen der ersten Maske freilassen, die besonderen Teilen der herzustellenden Leiterbahnen entsprechen, anschließend durch die zweite Maske hindurch eine zusätzliche Metallschicht aufplattiert wird und schließlich beide Masken entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht elektrolytisches Metallplattierungsverfahren zur Bildung der aufplattiertcn Grundschicht aus Metall Anwendung findet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske einen Matallwerkstoff umfaßt, auf dessen Oberfläche ein Isolierüberzug gebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallwerkstoff ein magnetisches Material ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierüherzug aus Polyparaxylylol ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite aufplattierte Metallschicht aus einem korrosionsbeständigen bzw. gute Kontakteigenschaften aufweisenden Metall ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Metallschicht eine Lötmittelschicht ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Metallschicht aus demselben Metall wie die Leiterbahnen gebildet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat aus einem flexiblen Film bzw. einer flexiblen Folie oder Bahn gebildet ist.

10. Verfahren nach Anspruch!), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Masken zylindrisch ausgebildet ist.