DE3151262A1

DE3151262A1 - "mehrere schichten aufweisendes, auf einem substrat haftend befestigtes leitermuster und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3151262A1
Application number: DE19813151262
Authority: DE
Inventors: Charles William Schenectady N.Y. Eichelberger; Robert John Clifton Park N.Y. Wojnarowski
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-12-29
Filing date: 1981-12-24
Publication date: 1982-07-29
Also published as: JPS57134998A; MX151202A; GB2090476B; GB2090476A; US4416914A

Description

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Beschreibung

Mehrere Schichten aufweisendes, auf einem Substrat haftend befestigtes Leitermuster und Verfahren zu

seiner Herstellung

Es sind viele Typen von elektronischen Vorrichtungen bekannt, in welchen mehrere elektrische Komponenten durch Leiter miteinander verbunden sind» Die verbindenden Leiter werden in einer großen Vielzahl von Verfahren hergestellt,, wie beispiels-

bzw.
weise als geglühte /gesinterte Dickfilmleiter-Systeme, polymere Leiter und Schaltkreisplatten» In dem MaSe₁₇ wie der Aufbau derartiger Einrichtungen (wie Schaltkreisplatten und dergleichen) immer komplexer wird,, steigt auch der Bedarf an sich kreuzenden bzw«, einander überschneidenden leitenden Schichten, als auch die Notwendigkeit, Verbindungen von Schicht zu Schicht durchzuführen»

bzw.
Bei geglühten /gesinterten Dickfilmleiter-Systemen wird eine Mischung eines leitenden Metallpulvers, eines Bindemittels aus Glas oder Keramik und eines geeigneten Trägers auf ein Substrat mittels Siebdruck aufgebracht» Das Leitermuster auf dem Substrat wird dann bei einer relativ hohen Temperatur, typischerweise zwischen 650° und 90O⁰C, gebrannt bzw« gesintert. Wenn die Temperatur bis zur Brenntemperatur ansteigt,

wird der Träger verdampft, wobei das Metall und das Bindemittel zurückbleiben. Bei der Brenntemperatur erfolgt ein Sintern des Metalls mit dem Bindemittel in größerem oder kleinerem Ausmaß, wodurch eine Haftung zwischen dem ausgebildeten Metallfilm und dem Substrat geschaffen wird.

bzw.

Geglühte /gesinterte Dickfilmleiter haben bisher typischerweise Edelmetalle, wie Gold, Silber, Platin und Palladium, verwendet. In den letzten Jahren sind die Kosten dieser Edelmetalle gestiegen und man hat neue Leitersysteme unter Verwendung von Kupfer, Nickel und Aluminium für eine technische Verwendung verfügbar gemacht. Die Kosten der Edelmetall-Systeme sind dort ein Hinderungsgrund, wo man ein Leitersystem mit niedrigen Kosten wünscht. Die neueren Metallsysteme sind wegen der zur Verhinderung einer Oxidation des Metalles während des Brennverfahrens erforderlichen SpezialChemie nicht signifikant billiger. Darüber hinaus sind diese Systeme bei Verwendung des herkömmlichen Zinn/Blei-Lots sehr schwierig zu löten und die während der Herstellung erforderlichen hohen Brenntemperaturen schließen die Verwendung von billigen Substrat-Materialien aus. Einige der Nickelsysteme können bei Temperaturen gerade unterhalb des Schmelzpunktes des Glases auf Natronkalkglas aufgebrannt werden, jedoch ist die erhaltene Leitfähigkeit des Leiters relativ niedrig.

Es wurden Dickfilmleiter-Anordnungen hergestellt, in welchen eine Schicht des Leiters gedruckt und anschließend gesintert wurde, gefolgt von einer Schicht eines dielektrischen Materials, das Spalten oder Löcher zur Herstellung von Verbindungen mit der ersten Schicht der Leiter, die gebrannt wird, enthält, und es wird eine zweite Leiterschicht derart aufgebracht, daß sie die Löcher überdeckt und ein Kontakt zwischen den ersten und zweiten Leiterschichten hergestellt wird. Die zweite Leiter-

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Schicht wird zur Schaffung einer Verbindung zwischen der ersten und zweiten Leiterschicht durch die Löcher, falls gewünscht, gesintert. Diese Arbeitsweise ist jedoch unerwünscht, weil sie sowohl kostspielig ist und auch eine Anzahl von komplizierten Verfahrensstufen erfordert.

Der Ausdruck "polymerer Leiter" ist im vorliegenden Fall eine falsche Bezeichnung, da das Polymere tatsächlich kein Leiter ist. Anstelle dessen ist das Polymere in erheblichem Umfang mit einem leitenden Metall beladen und auf ein Substrat durch ein Sieb aufgebracht. Der Vorteil dieses Systems besteht darin, daß das Polymere entweder katalytisch oder thermisch bei Temperaturen gehärtet werden kann, die im Bereich von Raumtemperatur bis etwa 125°C liegen. Als Ergebnis dieses sogenannten "Kaltverfahrens" ist es möglich, sehr billige Substrate, wie Filme von Mylar® (Polyäthylenterephthalat) zu verwenden. Der Mechanismus, durch welchen Leitfähigkeit erzielt wird, wird durch den Kontakt zwischen den einzelnen Metallteilchen uneingeschränkt erreicht. Es wurde gefunden, daß die einzigen Metalle, die in das Polymere eingearbeitet werden können und eine an-"nehmbare Leitfähigkeit liefern, die Edelmetalle, wie Gold und Silber, sind. Alle anderen üblichen leitenden Metalle oxidieren im Verlaufe der Zeit und die Leitfähigkeit zwischen den Teilchen wird verringert. Silber wurde in überwiegendem Ausmaß für Polymer-Leitersysterne eingesetzt, jedoch sind die Silbersysteme im allgemeinen nicht lötbar, weil das Silber durch „das Blei/Zinn-Lot ausgelaugt wird. Wenn der Preis von Silber bei etwa $ 10 bis $11 pro 28,4 g ($ 10 bis $ 11 pro ounce) liegt, sind diese Leitersysteme mit anderen Systemen konkurrenzfähig, wenn sie auf sehr billigen Substraten, wie dünnen Mylar-Filmen, eingesetzt werden. Wenn jedoch der Preis des Silbers höher liegt, sind diese Systeme für Schaltkreisplatten nicht mehr konkurrenzfähig.

Eine.Anordnung von mehreren Schichten mit Leiter-zu-Leiter-Kontakt wird mit Polymer-Leitern in der gleichen Weise wie mit den Dickfilmleitern erhalten, mit der Ausnahme, daß das Polymere gehärtet wird, bevor man den Film sintert. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß ein Brennen der Leiter und des Dielektrikums bei hoher Temperatur nicht erforderlich ist, jedoch tritt als Problem bei diesem Typ einer mehrschichtigen Schaltung die Silbermigration auf. Das Silber in den oberen und unteren Flächen neigt dazu, durch das Dielek trikum zu wandern, wodurch eine unerwünschte Verbindung zwischen den zwei Leiterschichten hergestellt wird. Dieses Verfahren wird durch die Anwesenheit von Feuchtigkeit und Wärme, und durch die Anwendung von hohen Feldstärken beschleunigt. Dieses ungewöhnliche Phänomen ist besonders tückisch, weil die ursprünglichen Qualitätskontrolluntersuchungen bestanden werden und das durch Feldeinwirkungen bedingte Versagen später auftritt. Es können Leiter, in die Gold oder Palladiumsilber eingearbeitet worden ist, zur Eliminierung des Problems eingesetzt werden, jedoch ist eine derartige Lösung für das Verfahren aus ökonomischen Gründen nicht tragbar.

Die Arbeitsweisen, die zur Herstellung von Schaltkreisplatten verwendet werden, können in additive und subtraktive Verfahren eingeteilt werden. Bei beiden ist der Ausgangspunkt ein Substrat, das in weitem Umfang von Phenolharzen bis zu mit Glas gefüllten Epoxyharzen variieren kann, an das eine Kupferfolie gebunden ist. In dem additiven vorbereitenden System ist die Kupferfolie sehr dünn, gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 5,08 lim (200 Mikroinch). Ein Abdecklack wird dann in einem solchen Muster aufgebracht, daß das Kupfer nur dort freigelegt ist, wo die Leiter gewünscht werden, und die Platte wird dann zur Herstellung von Kupferleitern von etwa " 25,4 ym (1 mil) Dicke galvanisiert. Das aufgebrachte Abdeck-

mittel wird abgezogen und das Kupfer geätzt. In den Bereichen, wo der Leiter nicht gewünscht wird, ist das Kupfer nur etwa 5,08 pm (200 Mikroinch) dick_ff so daß das Ätzen dieses Kupfer rasch entfernt, während es einen 25,4 ym (1 mil) dicken Leiter zurückläßt. In dem subtraktion Verfahren liegt die Ausgangsdicke der Kupferfolie gewöhnlich im Bereich zwischen 25,4 und 50,8 ym (1 und 2 mil). Ein Ätzabdeckmittel wird aufgebracht, wo immer die Leiter gewünscht werden, die Platte wird geätzt und das Abdeckmittel dann entfernt» Das Abdeckmittel verhindert das Ätzen an den Stellen, wo die Leiter gewünscht wer- ' den, wobei Leiterbahnen zurückbleiben.

Sowohl das additive, als auch das subtraktive Schaltkreisplattenverfahren erfordert die Aufbringung einer Kupferfolie über dem gesamten Substrat, die Abscheidung und Entfernung eines Abdeckmittels, das Ätzen der Schaltkreisplatte, das Bohren -von Löchern für die Einführung von Komponenten, und in einem Fall die zusätzliche Stufe des- Galvanisieren. Ein Vorteil dieser Arbeitsweise besteht jedoch darin, daß die erhaltenen Schaltkreisplatten relativ leicht gelötet werden können.

Ein anderer Vorteil der Schaltkreisplatten-Technologie besteht darin, daß galvanisierte Durchgangslöcher hergestellt werden können. Dieses Verfahren macht gewöhnlich mehrere zusätzliche Stufen zu dem additiven Herstellungsverfahren notwendig. Es werden Löcher in das Substrat gebohrt? bevor der Abdecklack auf dem gesamten Bereich aufgebracht wird, mit Ausnahme der Stellen, wo die Leiter gewünscht werden. Die Platte wird dann in einem Zinn(II)-chlorid-Sensibilisator eingeweicht, der einen Überzug über die freigelegten Teile des Substrates ausbildet, nämlich, innerhalb der Löcher,, Die Platte wird dann nacheinander in ein Bad von Palladiumchlorid, Säure zur Auflösung des Zinnchlorids und ein stromloses Kupferbad eingetaucht.

Die letzte Stufe, d.h. das Eintauchen in ein stromloses Kupferbad, scheidet einen sehr dünnen Film von Kupfer im Innern des aktivierten Lochs ab. Dieses "stromlose Kupfer" wird durch eine katalytische Reaktion, bei welcher der Katalysator Kupfer ist, abgeschieden, derart, daß eine kontinuierliche Abscheidungsreaktion erfolgen kann. Typischerweise können Dicken in der Größenordnung von 609,8 bis 1270 nm (24 bis 50 Mikroinch) in einer halben Stunde erzielt werden. Zu diesem Zeitpunkt ist ein dünner Kupferfilm an den Innenkanten der Löcher haftend befestigt. Das nachfolgende Galvanisieren wird die Dicke des Kupfers innerhalb der Löcher, als auch entlang aller Leiterbahnen aufbauen. Zu diesem Zeitpunkt weichen die verschiedenen angewandten Verfahren voneinander ab. Beim einfachsten Verfahren wird lediglich der Abdecklack abgezogen und dann geätzt, wobei das viel dünnere Kupfer beseitigt wird, wo die Leiterbahnen nicht gewünscht werden. Bei komplexeren Verfahren wird das Galvanisieren von Zinn/Blei-Lot bewerkstelligt, welches zu einem Zinn/Blei-Lot an der Innenseite des Lochs und längs der Leiterbahnen führt, gefolgt von Ätzen mit Chromsäure, welche das Zinn/Blei-Lot nicht angreift, so daß das Lot als ein Ätzabdecklack wirkt.

Die signifikantesten Nachteile der Schaltkreisplatten-Technologie bestehen darin, daß eine wesentliche Anzahl von Verfahrensstufen notwendig sind, und dies erfordert wiederum einen erheblichen Aufwand an damit verbundenen Einrichtungen. Außerdem ist die Auswahl des Substrat-Materials auf ein solches beschränkt, das für Schaltkreisplatten verfügbar ist. Die Anzahl der Verfahrensstufen und der technischen Einrichtungen führen zu relativ hohen Verfahrenskosten und die Beschränkung der Substrat-Materialien eliminiert die Gelegenheit, ein dekoratives oder strukturelles Teil, das in der Einrichtung benötigt wird, als Substrat einzusetzen. Typische Gesamt-

kosten für hergestellte Schaltkreisplatten liegen im Bereich von $ 0,005 bis $ 0,02 pro cm ($ 0,03 bis $ 0,15 pro inch ) je nach der Qualität der Platte und je nachdem ob die Platte einseitig oder doppelseitig ist. Mit Metall überzogene Durchgangslöcher erfordern eine große Anzahl von Verfahrensstufen und die Verwendung von kostspieligen Materialien. Die mehrschichtigen Schaltkreisplatten liegen derzeit in einem Kostenbereich von $ 0,02 bis über $ 0,16 pro cm ($ 0,10 bis über $ 1,00 pro inch ), in Abhängigkeit von der Anzahl der Schichten und der Plattenqualitätsfaktoren, wobei alle diese Kosten für elektronische Einrichtungen für den Verbraucher nicht annehmbar sind.

Ein anderes Problem bei Mehrschichtschaltungen, wo das dielektrische Material mittels einer Drucktechnik, wie Siebdruck, aufgebracht wird, besteht darin, daß die Viskosität des dielektrischen Materials zwischen 25 bis 200 Pa.s (25 kcP und 200 kcP) liegen muß, um ein derartiges Aufbringen während der Erzielung einer geeigneten Dicke zur Realisierung der gewünschten Isolationsfähigkeit zu ermöglichen. Bei derartigen Viskositäten werden Applikator-Markierungen, wie Siebmarkierungen, und kleine Nadellöcher ausgebildet? welche Kurzschlüsse zwischen den Leiterschichten oder mit dem Substrat ermöglichen, wenn es ein Leiter, wie beispielsweise aus Stahl, ist. Dieses Problem ist mit der Tatsache verknüpft, daß Siebdrucktinten, insbesondere diejenigen, die einen Füllstoff enthalten, thixotrop sind. Unter der Scherwirkung der Aufbringung mittels Sieb wird die Viskosität der Tinte herabgesetzt, so daß sie leicht fließt, jedoch sind, sobald sie einmal an Ort und Stelle ist, keine Scherkräfte mehr vorhanden, wodurch die Unvollkommenheiten in dem beibehaltenen Dielektrikum bewirkt werden. Bisher war es das übliche Verfahren zur Verbesserung der Durchschlagfestigkeit das Dielektrikum zweimal zu bedruk-

ken und zu härten/brennen, wobei verschiedenartige Wege zum Bedrucken angewandt wurden. Obwohl die gewünschten Ergebnisse erhalten wurden, war dies mit zusätzlichen Arbeiten und Kosten verbunden. '

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden mehrschichtige Schaltungen durch Aufbringen einer gewünschten Leiteranordnung auf ein Substrat und anschließendes Aufbringen eines dielektrischen Materials über ausgewählte Bereiche des Leiters hergestellt. Unvollkommenheiten in der Dielektrikum-Oberfläche können im wesentlichen durch eine Wärmebehandlung eliminiert werden. Eine zweite Leiterschicht kann derart aufgebracht werden, daß sie die erste leitende Schicht berührt, durch Aufbringen einer Tinte, welche ein feinzerteiltes Metallpulver und ein härtbares Polymeres enthält, so daß sie den ersten Leiter an zumindest einem Punkt berührt, Härten des Polymeren und Bewirken einer verstärkenden Austauschreaktion unter Verwendung eines Metallsalzes, in welchem das Metall edler ist als das pulverige Material und das Oberflächenmetall des ersten Leiters.

Figur 1 ist eine Draufsicht einer mehrschichtigen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Figur 1;

Figur 3 ist eine Grundrißansicht eines Dielektrikum-Musters gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 4 ist eine Grundrißansicht des Dielektrikum-Musters der Figur 3 nach Behandlung zur Entfernung von Unvollkommenheiten; und

Figur 5 ist ein Querschnitt des Dielektrikum-Musters der Figur 4.

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Die erste Stufe in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt die Einrichtung eines gewünschten leitenden Musters auf einem Substrat. Das Muster kann auf einem gewählten Substrat, wie Glas/Epoxy-Preßlingen und dergleichen, laminiert mit leitender Folie, durch herkömmliche Druckschaltungsarbeitsweisen aufgebracht werden? die Folie wird dann mit der gewünschten Anordnung unter Verwendung herkömmlicher Maskierungs- und Ätztechniken als Muster versehen. Wahlweise kann das gewünschte leitende Muster mittels eines Metall enthaltenden gehärteten Polymeren hergestellt werden, das einer verstärkenden Austauschreaktion unterworfen worden ist.

Das Verstärkungsreaktionsverfahren ist ins- -

besondere für die Verwendung von Siebdrucktechniken zur Einführung des Leitermusters auf den Substraten angepaßt, obwohl die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist. Es können auch andere Typen der Druck- und Äufbringungstechniken angewandt werden, die ohne irgendeine Einschränkung Anilinklotzdruck, Schablonen-·, Zylindertief- und Offsetdruck einschließen.

Das Substrat, auf welchem die leitenden Muster ausgebildet werden, ist nicht eingeschränkt und es ist ein beliebiger __ Isolator, auf welchem die Metalltinte haftend aufgebracht werden kann, verwendbar. Daher können die üblichen Substrate für gedruckte Schaltungen verwendet werden,, als auch glasgefüllte Polyester,, Phenolharz-Platten, Polystyrol und dergleichen. Von besonderem Interesse als Substrat für eine Verwen-

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dung in der vorliegenden Erfindung ist Glas und Stahl, welcher mit einem Isolator, wie Porzellan oder Epoxyharz, bedeckt ist. Die letztgenannten Materialien werden in vielen Konstruktionen oftmals als strukturelle oder dekorative Elemente eingesetzt und das direkte Aufbringen elektronischer Elemente darauf bietet Vorteile hinsichtlich der Leichtigkeit der Herstellung, der wesentlichen strukturellen Teile und der Kosten.

Die in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Metalltinten sind eine Kombination einer Zubereitung eines feinen metallischen Pulvers mit einem Polymeren, dessen Viskosität und Fließeigenschaften durch das Inkorporieren eines Lösungsmittels gesteuert werden. Das Metall kann ein beliebiges Metall sein, das in der Tinte und in dem gehärteten Polymeren stabil ist, das in feinzerteilter Form erhalten werden kann und das in der Aktivitätsreihe der Metalle über dem in der verstärkenden Austauschreaktion verwendeten Metall steht. Wegen seiner Verfügbarkeit und seiner niedrigen Kosten ist das bevorzugte Metall Eisen. Das Metallpulver hat im allgemeinen eine Teilchengröße von kleiner als etwa 50 μπι (50 Mikron), vorzugsweise 3 bis etwa 25 um (3 bis etwa 25 Mikron), und besonders bevorzugt etwa 15 bis 25 ym (15 bis 25 Mikron). Wenn die Tinte mittels Siebdruck abgeschieden wird, müssen die Metallteilehen eine solche Größe haben, daß sie durch das Sieb hindurchgehen.

Die in der Tinte, eingesetzten Polymeren sind irgendein härtbares Material oder eine Mischung derartiger Materialien, die ein gewisses Ausmaß an Adhäsion zu dem verwendeten Substrat und zu dem darin dispergierten feinzerteilten Metallpulver aufweisen. Typische Polymere, die verwendet werden können, umfassen die Homopolymeren und Copolymeren von äthylenisch ungesättigten, aliphatischen, alicyclischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen, wie Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten,

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Äthylen-Propylen-Copolymere, Copolymere von Äthylen oder Propylen mit anderen Olefinen, Polybutadien, Polyisopren, Polystyrol und Polymere von Penten, Hexen, Hepten, Bicyclo-[2.2.1]2-heptan, Methylstyrol, und dergleichen. Andere Polymere, die verwendet werden können, umfassen Polyinden, PoIy-. mere von Acrylatestern und Polymere von Methacrylatestern, Acrylat- und Methacrylatharze, wie Äthylacrylat, n-Butylmethacrylat, Isobutylmethacrylat, Äthylmethacrylat und Me thyI-methacrylat; Alkydharze; Cellulosederivate, wie Celluloseacetat, Celluloseacetat-butyrat, Cellulosenitrat, Äthylcellulose, Hydroxyäthylcellulose, Methylcellulose und Natriumcarboxymethylcellulose; Epoxyharze; Kohlenwasserstoffharze aus Erdöl; Isobutylenharze; Isocyanatharze (Polyurethane); Melaminharze, wie Melamin-formaldehyd und Melamin-harnstoffformaldehyd; Oleoresine; Polyamidpolymere, wie Polyamide und Polyamid-epoxy-polyester; Polyesterharze, wie die ungesättigten Polyester von zweibasischen Säuren und Dihydroxyverbindungen; Polyester-Elastomere und Resorcinharze, wie Resorcin-formaldehyd, Resorcin-furfural, Resorcin-phenolformaldehyd und Resorcin-harnstoff; Kautschuke, wie Naturkautschuk, Regeneratkautschuk, chlorierter Kautschuk, Butadien-styrol-Kautschuk und Butylkautschuk, Neoprenkautschuk, Polysulfide, Vinylacetat und Vinylalkohol-acetat-Copolymere, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polyvinylpyrrolidon und Polyvinylidenchlorid, Polycarbonate, Pfropfcopolymere von Polymeren aus ungesättigten Kohlenwasserstoffen und aus ungesättigten Monomeren, wie Pfropfcopolymere von Polybutadien, Styrol und Acrylnitril, üblicherweise als ABS-Harze bezeichnet, Polyamide und dergleichen.

Die Polymeren und Tinten der vorliegenden Erfindung können

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verschiedene andere Materialien enthalten, wie beispielsweise Füllstoffe, z.B. Glasfasern, Glaspulver, Glasperlen, Asbest, Mineralfüllstoffe, Holzmehl und andere pflanzliche Füllstoffe, Farbstoffe, Pigmente, Wachse, Stabilisatoren, Gleitmittel, härtende Katalysatoren, wie Peroxide, Photosensibilisatoren und Amine, Polymerisationsinhibitoren, Adhäsionspromotoren, Netzmittel und dergleichen. Es wird bevorzugt, obwohl dies nicht wesentlich ist, Polymere zu verwenden, die beim Härten ein wesentliches Ausmaß an volumetrischer Schrumpfung aufweisen.

^, Die Mengen an feinzerteiltem Metall und an Polymerem sind so eingestellt, daß das Metall etwa 60 bis 80 Volumprozent der Mischung nach dem Härten ausmacht. Vorzugsweise macht das . Metall etwa 70 Volumprozent aus. Es ist erwünscht, daß die Oberfläche der gehärteten Tinte eine signifikante Menge der Metallteilchen enthält, um die nachfolgende verstärkende Austauschreaktion zu erleichtern.

In der Tintenformulierung wird ein Lösungsmittel eingesetzt, um die Viskosität und die Fließeigenschaften für den gewünschten Druck-Typ einzustellen. Im allgemeinen sollte das Lösungsmittel in einer Menge verwendet werden, die ausreicht, daß die Tinte eine Viskosität von 15 bis 200 Pa.s (15 000 bis *"*' 200 000 cP) bei Raumtemperatur, und vorzugsweise etwa 50 bis 150 Pa.s (50 000 bis 150 000 cP) hat. Geeignete Lösungsmittel oder Verdünnungsmittel können aliphatisch oder aromatisch sein und gewöhnlich bis zu etwa 30 Kohlenstoffatome enthalten. Sie umfassen die Kohlenwasserstoffe, Äther und Thioäther, Carbonylverbindungen, wie Ester und Ketone, Stickstoff enthaltende Verbindungen, wie Amide, Amine, Nitrile und Nitroverbindungen, Alkohole, Phenole, Mercaptane und Halogen enthaltende Verbindungen. Beispiele schließen ein: Alkohole, wie

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Methanol, Äthanol, Propanol, Benzylalkohol, Cyclohexanol, Äthylenglykol, Glycerin und dergleichen, aromatische Materialien, wie Benzol, Toluol, Xylol, Äthylbenzol, Naphthalin, Tetralin und dergleichen, Äther, wie Methyläther, Äthyläther, Propyläther, Methyl-tert.-butyläther, und dergleichen, Alkane, wie Methan, Äthan, Propan und dergleichen, Dimethylsulfoxid, Butylformiat, Methylacetat, Äthylacetat, Formamid, Dimethylformamid, Acetamid, Aceton, Nitrobenzol, Monochlorbenzol, Acetophenon, Tetrahydrofuran, Chloroform, Kohlenstofftetrachlorid, Trichloräthylen, Äthylbromid, Phenol, Mercaptophenol, und dergleichen. Weiterhin können, falls man dies wünscht, reaktive Lösungsmittel oder Verdünnungsmittel, wie Triallylisocyanurat, verwendet werden. Es wird bevorzugt, ein Lösungsmittel zu verwenden, das bei Raumtemperatur relativ nichtflüchtig ist, so daß die Viskosität und das Fließen der Tinte während des Aufbringens auf das Substrat geeignet ist und das bei der Härtungstemperatur des Polymeren oder bei anderen Temperaturen über der Aufbringungstemperatur hochflüchtig ist. Die Carbitolreihen der Lösungsmittel, und insbesondere Butylcarbitol (DiäthylengZykolmonobutylather) wurden als besonders geeignet befunden.

Die Tinte wird auf das Substrat aufgebracht, um die gewünschten Leitermuster darauf zu erzielen. Beispielsweise kann eine übliche Technologie zum Aufbringen einer Druckschaltung verwendet werden. Es kann irgendeine Temperatur angewandt werden, die keine vorzeitige Härtung der Tinte bewirkt, und bei welcher die Viskosität und die Fließeigenschaften der Tinte im Hinblick auf die angewandte Aufbringungstechnik geeignet ist. Es wird bevorzugt, obwohl es nicht erforderlich ist, zumindest einen Teil des Lösungsmittels nach dem Aufbringen der Tinte auf das Substrat und vor dem Härten, verdampfen zu lassen. Der Vorgang der Verdampfung legt zusätzliches Metallpul-

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ver frei und erhöht das Verhältnis von Metallpulver zu PoIymerem, um so ein Gleichgewicht zwischen ausreichendem Metall zur Schaffung einer Basis für den darauf herzustellenden leitenden Film und zu wenig Polymerem, um als Bindemittel zum Festhalten der Metallteilchen zu wirken, zu erzielen. Vorzugsweise wird das Trocknen für einen Zeitraum von 0,1 bis Stunde, besonders bevorzugt etwa 0,25 bis 0,5 Stunden, bei einer Temperatur von etwa 70° bis 150⁰C, besonders bevorzugt bei etwa 110° bis 130⁰C₇ bewirkt.

In der nächsten Stufe des vorliegenden Verfahrens wird das ^ Tinten-Polymere mit Hilfe des am meisten geeigneten Verfahrens gehärtet oder polymerisiert. Wenn man einen Autokatalysator zugesetzt hatte, wird das Polymere von selbst ohne zusätzliche Initiierung härten. Im Falle von Ultraviolettlicht-Initiatoren kann man die Substrate, welche das Leitermuster tragen, unter einer Ultraviolettquelle hoher Intensität hindurchführen, welche die Initiatoren veranlaßt, die Härtungsreaktion zu starten. Es ist derzeit bevorzugt, ein thermisches Härtungssystem zu verwenden, welches aktiviert wird, indem man Temperaturen von etwa 140° bis 200⁰C, vorzugsweise von etwa 150° bis 180⁰C während eines Zeitraums von 0,1 bis 1 Stunde, vorzugsweise 0,15 bis 0,5 Stunden, aussetzt. Als Ergebnis dieser Stufe wird ein eng verdichte- ***·' tes Metallpulver erhalten, das durch das gehärtete Polymere an das Substrat gebunden ist. Wegen des hohen Prozentsatzes an Metall und Schrumpfung des gewählten Polymeren, kann das so erhaltene leitende Muster irgendeine Leitfähigkeit infolge des physikalischen Kontaktes zwischen· den Metallteilchen aufweisen. In der bevorzugten Ausfuhrungsform dieser Erfindung ist diese Leitfähigkeit in der Größenordnung von etwa 30 kS pro Quadrat für eine 25,4 um (1 mil) dicke Abscheidung. Der Widerstand wird in hohem Maße variabel sein und erheblich ansteigen, wenn das System oxidierenden Bedingungen während

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irgendeines "Zeitraums unterworfen wird, da sich ein Oxid zwischen den Teilcheri aufbaut und die Leitfähigkeit herabsetzt.

In manchen Fällen kann es erwünscht sein, das Polymere nur partiell zu härten. Beispielsweise kann es bei Gelegenheit erwünscht sein, die Komponenten durch Einführen der Zuleitungen derselben in die Polymer-Tinte zu montieren. In solchen Fällen kann es erwünscht sein, das Polymere partiell zu härten oder nur zu gelieren, in "Situationen, wo das verwendete Polymere gelierfähig ist, um einen Klebstoff für den Zuführungsdraht zu schaffen.

Das mit der Tinte skizzierte Substrat wird einer verstärkenden Austauschreaktion unterworfen, in welcher irgendwelches Metall des Pulvers durch ein Metall ersetzt wird, das weiter unten in der Aktivitätsreine steht, d.h. das edler ist. Diese Stufe nutzt das bekannte chemische Verhalten der Metalle aus, d.h. daß irgendein Metall irgendein nachfolgendes, weniger aktives Metall aus einer wässerigen Lösung von einem seiner Salze verdrängen wird. Jedoch wurde gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß, während das Pulvermetall in die Lösung von der Oberfläche und etwas unterhalb der Oberfläche des Polymeren eintritt, das Abscheiden des edleren Metalles bis zu einem großen Ausmaß auf der Oberfläche stattfindet. Daher wird eine zusätzliche Menge an edlerem Metall an der Oberfläche abgeschieden, als diejenige, die ein 1:1-Austausch mit dem Pulvermetall an der Oberfläche hervorbringen würde. Das zusätzliche Metall aus der Lösung überzieht die ursprünglichen Teilchen und die Teilchen des Austauschmetalls, die an das Substrat durch das Polymere-haftend gebunden sind, um alle Metallteilchen an der Oberfläche zu verbinden und so einen benachbarten Film von leitendem Metall über dem gedruckten Leitermuster auszubilden. Es wurde festgestellt, daß einige hundertmal 25,4 nm

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(mehrere hundert Mikroinch) Leitermaterial aus einer Lösung: in einem Zeitraum von 5 Minuten aufgebaut werden kann.

Das Verstärkungsreaktion-Reagens ist eine, vorzugsweise anorganische, und besonders bevorzugt wässerige Lösung eines Metallsalzes. Das Kation des Metallsalzes ist irgendein edleres oder elektropositxveres Metall als das Metall des feinzerteilten Pulvers, d.h. es liegt in der Aktivitätsreihe unterhalb des Pulvermetalls, und das elektrisch leitend ist. Es kann irgendein Anion verwendet werden, das relativ inert ist, d.h. welches das Verfahren nicht in nachteiliger Weise beeinflußt und welches sowohl mit dem Kationmetall als auch mit dem Pulvermetall lösliche Salze bildet. Typische Salze schließen Kupfernitrat, Kupferacetat, Kupferfluoroborat, Kaliumgoldcyanid, Nickelsulfat, Nickelchlorid, Nickelsulfamät, Kaliumsilbercyanid, Silberchlorid, und dergleichen, ein: Das derzeit bevorzugte Metallsalz ist Kupfersulfat. Die Konzentration des Metallsalzes in der Lösung kann im Bereich von 0,1molar bis zur Sättigung liegen, ist jedoch bevorzugt etwa 0,5 bis 2,0molar. Unterhalb etwa 0,5molar sind die Äbscheidungsgeschwindigkeiten übermäßig langsam und andererseits ist auch keine Verbesserung der Geschwindigkeit bei Molaritäten von über 2,0 vorhanden. Besonders bevorzugt wird es, daß die Konzentration des vorhandenen Metallsalzes etwa Imolar ist.

Wenn man Kupfersulfat als verstärkendes Metall verwendet, wird eine Kupferschicht mit neuem nichtoxidierten Kupfer gebildet, die leicht gelötet werden kann. Wenn eine weitere Steigerung gewünscht, oder wenn das Löten der Schaltungen für einen wesentlichen Zeitraum verzögert werden soll, kann das gebildete Leitermuster in eine Zinnplattierungslösung eingetaucht werden, so daß das Zinn irgenwelches Kupfer ersetzen wird. Zinn und Kupfer stehen sehr dicht in der Aktivitätsreihe

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zusammen und die normale Austauschreaktion würde bewirken, daß Kupfer auf dem Zinn abgeschieden wird. Jedoch wird das Zinn durch Zugabe von geeigneten komplexbildenden Ionen das Kupfer ersetzen* Das so gebildete mit abgeschiedenem Zinn versehene Kupfer kann sehr leicht gelötet und für Zeiträume von einem Monat oder darüber stehengelassen werden, wobei trotzdem noch ein gutes Löten erzielt werden kann. Geeignete Zinnplattierungslösungen sind kommerziell für das Plattieren von Kupfer verfügbar, wie beispielsweise Coppertech Electroless Tin Plating Solution ST-210 oder ST-240. Die Verstärkungs-.reaktion kann bei irgendeiner geeigneten Temperatur durchgeführt werden, obwohl "erhöhte Temperaturen im allgemeinen zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bevorzugt werden. So kann irgendeine Temperatur von Raumtemperatur bis zu etwa 100⁰C angewandt werden, obwohl die Temperatur bevorzugt etwa 45° bis 60°C beträgt. Im allgemeinen ist die verstärkende Reaktion in etwa 2 Minuten bis 20 Minuten oder darüber, vorzugsweise in etwa 5 Minuten, beendet.

Die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Einrichtung eines ersten Leitermusters auf dem Substrat, und zwar entweder nach herkömmlichen Arbeitsweisen für gedruckte Schaltungen, oder durch die beschriebene Verstärkungsreaktionstechnik. In der nächsten Stufe des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird ein dielektrisches Material über dem Leiter in denjenigen Bereichen, aufgebracht, in welchen man das Vorhandensein eines solchen Materials wünscht. Es kann ein beliebiges dielektrisches Material, das bereits früher verwendet worden ist, und irgendein beliebiges, bisher verwendetes Verfahren zur Aufbringung desselben angewandt werden. Es wird bevorzugt, eine Siebdrucktechnik zu verwenden und ein härtbares polymeres Material, vorzugsweise ein durch Ultraviolettlicht härtbares Material, als dielek~trisches Material einzusetzen. Demzufolge

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kann irgendeines der als Bindemittel für das oben beschriebene Pulvermetall verwendeten härtbaren Polymeren eingesetzt werden, wenn es in ausreichendem Maße nicht-leitend ist, oder durch Härten, oder durch Zugabe eines geeigneten nicht-leitenden Füllstoffes in ein nicht-leitendes Material umgewandelt werden kann. Zur Erleichterung des Aufbringens hat das dielektrische Material eine Viskosität von etwa 25 bis 200 Pa.s (25 000 bis 200 000 cP) und vorzugsweise 50 bis 100 Pa.s (50 000 bis 100 000 cP) bei Raumtemperatur. Es sind eine Anzahl von durch ültraviolettlicht härtbaren dielektrischen Epoxy-Materialien kommerziell verfügbar, wie beispielsweise Dynacure-Mischbasis GA80M und die durch Ultraviolettlicht härtbaren Epoxyharze der Firma General Electric UV 1001, 1003 und 1007.

Die über dem Leiter abgeschiedene dielektrische Schicht hat gewöhnlich eine fehlerhafte Oberfläche, wobei die Natur der Oberflächenfehler von Aufbringungssystem zu Aufbringungssystem variiert. Wenn das Dielektrikum durch Siebdruck aufgebracht wird, haben die Oberflächenfehler gewöhnlich die Form von Nadellöchern und Siebmarken. Die Oberflächenfehler können im wesentlichen durch Erhöhen der Temperatur eliminiert werden, wodurch die Viskosität des dielektrischen Materials bis zu einem Punkt verringert wird, bei welchem es fließt und selbstausgleichend wird. Die erhöhte Temperatur, bei welcher derartige Effekte beobachtet werden können, variiert von dielektrischem Material zu dielektrischem Material und kann leicht durch einige wenige einfache Versuche bestimmt werden. Hinsichtlich der oben angeführten, durch ültraviolettlicht härtenden dielektrischen Epoxy-Materialien sei bemerkt, daß Temperaturen von etwa 100° bis 150°C als geeignet befunden wurden, um eine Eliminierung von Nadellöchern und Siebmarken, und zusätzlich eine Benetzung der Substrat-Oberfläche durch das

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Dielektrikum zu bewirken. Die verbesserte Benetzung des Substrates verbessert die Haftung zwischen dem dielektrischen Material und dem Substrat.

Wenn man mehrschichtige verbundene Leiter herstellt, ist es erforderlich, Löcher oder Spalten in ausgewählten Bereichen des Leiters in dem darüberliegenden Dielektrikum dort zu belassen, wo die Verbindung hergestellt werden soll. In solchen Fällen würde ein Erhitzen des Dielektrikums dazu führen, daß das dielektrische Material in die Löcher fließt und, falls dies nicht aufhört, die Löcher verschließt. Die Löcher können durch "Einfrieren" des Dielektrikums an einem Punkt, wo die Oberflächenfehler, wie Nadellöcher und Siebmarken, eliminiert worden sind, jedoch vor dem Zeitpunkt, an dem die Löcher übermäßig geschlossen sind, offengehalten werden. Dies wird durch Initiieren der Härtungsreaktion bewerkstelligt, wie beispielsweise dadurch, daß man die Anordnung unter eine Ultraviolett-Härtungslampe mit hoher Intensität bringt. Dieses Verfahren kann durch Placieren der Anordnung auf einem Förderband, das diese zuerst unter Heizelementen und anschließend unter UV-Härtungslampen hoher Intensität transportiert, automatisiert werden. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß irgendein Fluß von dem um das Loch befindlichen Wall und den Kanten erfolgt derart, daß die anschließend darüber aufgebrachten Leiter beim Darüberlegen keine abrupten Änderungen in der Höhe zu überwinden haben. Wenn das Dielektrikum auf dem Leiter aufgebracht wird, sollten die Löcher oder Spalten etwas größer sein, als sie in dem Endprodukt gewünscht werden, weil das eben beschriebene Verfahren dazu führt, daß die Löcher etwas verkleinert werden."'

Um Anordnungen mit Leitern in mehreren.Schichten zu erhalten, wird eine zweite Abscheidung eines verstärkenden Austauschlei-

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ters durch die oben beschriebenen Verfahren bewirkt. Wenn eine Verbindung zwischen den Schichten gewünscht wird, muß die Metallpulvertinte selbstverständlich so aufgebracht werden, daß zumindest ein Teil derselben im wesentlichen den ersten Leiter an den Spalten oder Löchern in dem Dielektrikum berührt. Mit anderen Worten wird die zweite Leitermuster-Tinte nach unten durchhängen und den ersten Leiter berühren oder·ihm dort, wo die Spalten oder Löcher in dem Dielektrikum vorhanden sind, extrem nahekommen. Während der verstärkenden Austauschreaktion werden die Metallteilchen an der Oberfläche der zweiten Metallpulvertinte durch einen Metallfilm des edleren Metails in Lösung ersetzt werden, und außerdem wird der Metallfilm an der Oberfläche des ersten Leitermusters ebenfalls bis zu irgendeinem Ausmaß ersetzt und eine Schicht des edleren Metalls gebildet werden, so daß eine elektrische Verbindung zwischen den Leitern eingerichtet ist. Es ist daher zu ersehen, daß das Metall oder das Metallsalz.in der zweiten Lösung edler sein muß, als sowohl das Metall in der zweiten Metallpulvertinte und das Metall, welches die Oberfläche in dem ersten Leiter bildet. In der derzeit bevorzugten Ausführungsform ist es erwünscht, die Eisenteilchen in der zweiten Tinte und das Metall in der obersten Schicht des ersten Leiters durch Kupfer aus einer Kupfersulfatlösung zu ersetzen. Als Ergebnis ist es erforderlich, daß die äußerste Oberfläche des ersten Leiters weniger edel als Kupfer ist, entweder durch anfängliche Verwendung eines weniger edlen Metalls, oder durch zusätzliche Anwendung einer anschließenden Beschichtungsstufe, z.B. der oben beschriebenen Zinnabscheidungsstufe. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist ein relativ dicker Film eines Kupferleiters auf sowohl dem oberen und dem unteren Leiter, und eines solchen, der die oberen und unteren Leiter verbindet, wo immer sie sich an einem Spalt oder einem Loch in dem Dielektrikum treffen. Es ist einzusehen, daß, wenn immer auch zusätzliche

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Schichten gewünscht werden, das Verfahren für jede Schicht wiederholt werden kann.

Figur 1 zeigt eine Zweischicht-Schaltung, in welcher die unteren Leiter auf der Y-Achse, und die oberen Leiter entlang der X-Achse liegen. Diese Anordnung wird im Querschnitt in Figur gezeigt. Es sind vier untere Leiter 101, 102, 103 und 104 vorhanden. Die vier oberen Leiter 105, 106, 107 und 108 sind von den unteren Leitern 101, 102/ 103 und 104 durch vier Streifen des dielektrischen Materials 109, 110, 111 und 112 getrennt. In dieser Figur liegen die dielektrischen Streifen 109, 110, 111 und 112 entlang der X-Achse unter den oberen Leitern 105, 106, 107 und 108. Wahlweise hätte man auch über den unteren Leitern 101, 102, 103 und 104 liegende dielektrische Streifen entlang der Y-Achse verwenden, oder es hätte das dielektrische Material die gesamte Oberfläche des Substrats 113, einschließlich der darauf afigebrachten unteren Leiter, überdecken können. Verbindung?löcher 114, 115, 116 und 117 sind in dem Dielektrikum am Schnittpunkt der Leiter 101 und 105, 102 und 106, 103 und 107 bzw. 104 und 108 vorhanden, um einen elektrischen Kontakt dazwischen zu schaffen.

Figur -3 zeigt einen dielektrischen Streifen 301 nach dem Aufbringen auf einenJLeiter, jedoch vor einem Erhitzen oder Härten gemäß der Erfindung. Siebdruckmarken 302 und Nadellöcher 303 sind ersichtlich. Das Dielektrikum 301 enthält zwei Spalte oder Löcher 304 und 305. üas Loch 304 liegt entlang der zentralen Längsachse des dielektrischen Streifens, während das Loch 305 geringfügig von der Achse versetzt ist. Figur 4 zeigt den dielektrischen Streifen der Figur 3 nach den Stufen des Erhitzens und Härtens gemäß der vorliegenden Erfindung. Es sei bemerkt, daß <äie Siebdruckmarken 302 und die Nadellöcher 303 nicht mehr sichtbar sind und auch daß die Löcher 304

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und 305 in ihrer Größe als Ergebnis des Erhitzens geschrumpft sind. Ein Querschnitt des Dielektrikums von Figur 4 wird in Figur 5 gezeigt und es ist eine geringfügige Abschrägung der Lochwandungen und der Kanten des Dielektrikums zu beobachten. Dies ist ein Ergebnis des HerausfHeßens des dielektrischen Materials während des Erhitzens vor dem Härten.

·- äur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung werden anschließend verschiedene Beispiele gegeben/ welche die Erfindung jedoch keinesfalls beschränken sollen. Es sei darauf hingewiesen, daß alle Teile und Prozentangaben auf das Gewicht . bezogen und alle Temperaturen in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen in Celsiusgraden angegeben sind.

Beispiel 1

Es wurde ein billiges Leitersystem durch Drucken von 127 χ 1,27 mm-(5 x 0,05 inch)-Leitermustern unter Verwendung einer halbautomatischen Siebdruckmaschine und von Sieben aus rostfreiem Stahl mit einer lichten Maschenweite von 0,09 mm (165 mesh) auf einem Stahlsubstrat hergestellt. Die Drucktinte enthielt 77 % Eisenpulver, 12 % Polyester (kommerziell verfügbarer GE-Polyester 73517), 1 % tert.-Butylperbenzoat-Katalysator und 11 % Diäthylenglykolmonobutyläther—Lösungsmittel. Die Muster wurden 20 Minuten lang bei 120⁰C getrocknet und anw' schließend 20 Minuten lang durch Brennen bei einer Temperatur von 180⁰C gehärtet. Die Leitfähigkeit der erhaltenen gehärte"-

ten Polymer-Tinte wurde zu etwa 30 kS/Zoll (per Squarz}'füf eine 25,4 ym (1 mil) dicke aufgebrachte Schicht gefunden. Das mit einem Muster versehene Substrat wurde dann in eine wässerige Lösung (133 ml) eingetaucht, die 40 g Kupfersulfat.Pentahydrat· und 7 g Schwefelsäure enthielt, die auf etwa 55°C gehalten wurde. Nach 5 Minuten wurde als Widerstand ein Wert von 0,3 Ω,

2
d.h. 3,0 πιΩ/Zoll (3,0 ΠϊΩ/sq) bestimmt.

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a * e

• 13 -

B e 1 s ρ i e 1 2

Die Leiterwege in dem in Beispiel 1 als Leiter konstruierten Substrat wurden mit UV 1003 (ein kommerziell verfügbares dielektrisches Material), das mit ausreichend Kieselerdemehl zur Herstellung einer thixotropen Paste beladen war, mit Hilfe des Siebdrucks überdruckt. Es waren Nadellöcher, Blasen und Siebmarken zu sehen» Das Substrat wurde dann 30 Sekunden auf eine Laboratoriumsheizplatte, die auf 125°C gehalten wurde, und anschließend 5 Sekunden lang unter einer UV-Härtungslampe placiert. Als Ergebnis wurde eine sehr glatte dielektrische Schicht frei von Nadellöchern und mit verbesserter Benetzung und Haftung an.dem Substrat., als auch mit weniger scharfer Wandungsumgrenzung, erhalten«

B e 1 s ρ i e 1 3

Beispiel 2 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß vor dem Aufbringen des Dielektrikums die Kupferoberfläche des Leiters mit Z.iflßi fturch Eintauchen des Substrats in Coppertech Electroless Tin"Plating Solution ST-210 plattiert wurde, was zu einer Reaktion führte, die insofern selbstbeschränkend war, als nach Abscheidung einer Metallschicht von 1270 nm (50 Mikroinch) Dicke die Rifekktion aufhörte. Das verwendete Dielektrikum war Dynacure-Mischbasis GA80M, das durch ein rostfreies Stahlsieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm (325 mesh) gedruckt wurde.

Die hergestellten Leiter- und Isolator-Muster waren die in Figur 1 unter der Bezeichnung 101 bis 104 bzw. 109 bis 112 gezeigten/ einschließlich der Durchgangslöcher oder Spalten in dem Isolator-Material, die mit den Bezugsziffern 114 bis 117 bezeichnet sind. Dann wurde ein zweiter Satz von Leitern in der in Figur 1 als 105 bis 108 bezeichneten Konfiguration nach dem oben in Beispiel 1 angegebenen Verfahren hergestellt. Es wurde festgestellt, daß die erhaltenen Leiter gelötet wer-

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den konnten, die Verbindungen betriebssicher waren und das Dielektrikum Spannungen von über 1000 Volt widerstehen konnte. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Anordnung in eine Dreileiterschicht-Mehrschichtschaltung überführt werden kann, wenn man ein Loch oder einen Spalt bohrt oder sonstwie in dem Isolator, welcher das Stahlsubstrat bedeckt, vorsieht, so daß eine elektrische Verbindung zwischen den ersten Leitern und dem Substrat bewerkstelligt wird.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wird eine mehrschichtige Schaltkreisplatte hergestellt. Eine 56,8 g (2 oz) kupferüberzogene Schaltkreisplatte wurde mit Laminar AX-Photolack, verfügbar über die Firma Dynachem Co., beschichtet. Die Platte wurde 1 Minute lang mit einer Tisch-Vakuumbogenlampe bestrahlt. Der Photolack wurde im Dynachem KB1-Entwickler 2 Minuten lang entwickelt. Die P-latte mit-dem Photolack^Muster wurde dann in.-einem Eisen(III)-chlorid-Sprühätzer 3 Minuten lang zum Ätzen des gewünschten Kupfermusters placiert. Die Platte wurde dann für die Leitungszuführungen der Bauteile gebohrt. Dann wurde die Platte in Coppertech Electroless Tin Plating Solution ST-210 eingetaucht, wodurch man eine dünne Schicht [1270 nm (50 Mikroinch)] von Zinn, das als Schicht auf dem Kupferleitermuster aufgebracht worden war, erhielt.

Dann wurde ein Dynachem GA80M ÜV-Mischbasis-Dielektrikum durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm (325 mesh) gedruckt, mit Löchern, wo eine Verbindung zu dem unteren Leiter gewünscht wurde. Das Dielektrikum wurde 5 Sekunden lang unter UV-Licht hoher Intensität gehärtet.

Ein zweites Leitermuster wurde dann unter Verwendung der gleichen Leitermuster-Tinte, wie in Beispiel 1 beschrieben, ge-

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O 15 I ZuZ

-Λ-

druckt. Nach einem Trocknen von 20 Minuten Dauer bei 120°C .und einem Härten während eines Zeitraums von 20 Minuten bei 18Ö°C wurde die Schaltkreisplatte in die in Beispiel 1 beschriebene. Kupfersulfat-Lösung eingetaucht. Das Ergebnis war eine mehrschichtige Schaltung, bestehend aus einer unteren, mittels herkömmlicher Druckischaltungstechniken gebildeten Leiterschicht und einer oberen, durch verstärkenden Austausch gebildete Leiterschicht mit einer, die zwei Leiterschichten trennenden dielektrischen Schicht. Außerdem waren Verbindungen mit hoher Leitfähigkeit zwischen den zwei Leiterschichten vorgesehen, wo immer die Verbindungslöcher in dem Dielektrikum

auftraten.

Beispiel5

In diesem Beispiel wird eine weitere Leiterschicht zu einer herkömmlichen doppelseitigen Schaltkreisplatte mit plattierten Durchgangslöchern zugefügt. Zunächst wurde eine doppelseitige Schaltkreisplatte mit plattierten Durchgangslöchern nach dem folgenden Verfahren bearbeitet: Es wurden Löcher in ein doppelseitiges, mife—Kupfer [3,5 g (1/8 Oz)] beschichtetes G-10-Laminat gebohrt. Dann wurde die Platte gesäubert, mit Bimsstein abgeschliffen und gespült. Anschließend wurde 5 Minuten lang in Dynachem PTH150 eingetaucht, gespült, 3 Minuten lang in Kupfermikroätzmittel eingetaucht, 1 Minute lang in H-SO.-Lösung eingetaucht, 1 Minute lang gespült, anschliessend 3 Minuten lang in ChlorwasserstoffSäure-Lösung eingetaucht, gespült und die Platte durch 5 Minuten langes Eintauchen in Dynaplate Activator 180 aktiviert. Dann wurde 2 Minuten lang gespült, 6 Minuten lang in Dynaplate Conditioner eingetaucht und 10 bis 15 Minuten lang in Dynaplate 240 eingetaucht. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Platte gespült, gescheuert und in eine 10%ige H-SO^-Lösung eingetaucht. Nach Aufbringen von Dynachem Laminar AX-Photolack wurde die Platte

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exponiert und entwickelt- - ' ^: '■

Es folgten zwei Plattierungsstufen; zuerst.ein 30 Minuten langes Bad in Kupfersulfat-Kupferplattierungs-Lösung bei

2 2

15,5 mA/cm (100 mA/inch ); und anschließend 15 Minuten lang

in Kepro PhSnög-Fluoroborsäure-Lot-Plattierungsbad bei 31 mÄ/ -■- ο ' 2 ~ .

cm (200 mA/inch·)· Zu diesem Zeitpunkt wurde der Photoladc""' abgezogen ind die Platte in Shipley Etchant CR-10-Chromschwefelsäure-Ä-zmittel geätzt. Das Ergebnis war zu diesem Zeitpunkt eine lotpl.ittierte, doppelseitige Schaltkreisplatte.

Anschließet d wurde eine Schicht aus 2 Teilen thermisch-härtender Epojcy-Lotmaske auf- die Platte mittels Siebdruck aufgebracht und gehärtet- Die Lotmaske wirkte als eine Maske für anschließende Lötoperationen, als auch als überlappendes Dielektrikum für die dritte Leiterschicht. Es waren in dem Dielektrikum Löcher sowohl'für das Löten der Bauteile und für das Verbinden mit der unteren Loiterschicht vorhanden.

Als nächstes wurde ein Leitermu^ter durch' Sieben aufgebracht und gemäß Beispiel 1 gehärtet. Die Platte wurde in eine Lösung von Kupfersulfat, wie in Beispiel' ΐ beschrieben, eingetaucht. Am Schluß wurde die- Platte in ein Bad zürn stromlosen Abscheiden von. Lot von Dynachem ST-210 eingetaucht. Das Ergebnis war eirie '*** dreischichtige Schaltkreisplatte mit Durchgangs löchern mit einer in der richtigen Lage angebrachten Lotmaske, die für das Montieren dor Bauteile und ein einschließendes elektrisches oder mittels Schwingungen durchgeführtes Verlöten bereit war.

Beispiel 6

Ein 76,2 χ 127 mm (3 χ 5 inch)-Stahlsubstrat wurde in Oakite bei 90°C 2 Minuten lang gereinigt: und gespült. Das Substrat wurde dann mit einem dielektrischen Muster mit Hilfe eines Sie-

bes mit einer lichten Maschenweite von 0,044 mm (325 mesh) unter Verwendung von Dynachem GA80M-Mischbasis bedruckt. Das gedruckte dielektrische Muster wurde 5 Sekunden lang unter UV-Licht hoher Intensität gehärtet. Das dielektrische Muster war so angeordnet, daß Löcher vorgesehen waren, die eine Verbindung von nachfolgenden Leiterschichten zu dem Substrat ermöglichten. Danrr wurden die Stufen des Beispiels 3 durchgeführt, wodurch man eine isolierte Stahlsubstrat-Mehrschicht-Schaltkreisplatte erhielt. 1000 Volt Durchschlagspannung zum Stahl und zwischen den Leiterschichten wurden erreicht. Ausserdem wurde eine gute Leitfähigkeit zwischen den Schichten erzielt.

Es sei darauf hingewiesen, daß in den erfindungsgemäßen Verfahren und Produkten zahlreiche Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, die noch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. Die verschiedenartigen, vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurden lediglich zur weiteren Erläuterung der Erfindung besprochen, sollen diese jedoch nicht beschränken-.

Leers ei te

Claims

Patentansprüche

Λ J Mehrere Schichten aufweisendes, auf einem Substrat haftend befestigtes Leitermuster, dadurch gekennzeichnet, daß es ein erstes Leitermuster (101, 102, 103, 104), eine Schicht aus dielektrischem Material (109, 110, 111, 112), die zumindest einen Teil des ersten Leitermusters bedeckt, und ein zweites Leitermuster (105, 106, 107, 108), einschließend ein gehärtetes erstes Polymeres, anhaftend an zumindest einem Teil der dielektrischen Schicht und des ersten Leitermusters, und enthaltend eine feinzerteilte erste MetallZubereitung und ein zweites Metall darin, und eine angrenzende Schicht des zweiten Metalls auf dem ersten Polymeren, worin das zweite Metall in der Äktivitätsreihe der Metalle unterhalb des ersten Metalls steht, umfaßt.

2 ο Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des dielektrischen Materials (109, 110, 111, 112, 301) im wesentlichen frei von Oberflächenfehlern ist-

3. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Leitermuster ein gehärtetes zweites Polymeres, enthaltend eine feinzerteilte dritte Metallzubereitung und ein viertes

mm

Metall darin, und eine angrenzende Schicht des vierten Metalls auf dem gehärteten zweiten Polymeren umfaßt, wobei ■ das zweite gehärtete Polymere im wesentlichen mit der innersten Schicht des zweiten elektrischen Leiters an einem Punkt in Kontakt steht, der nicht durch die Schicht aus dielektrischem Material bedeckt wird, wobei das vierte Metall in der Aktivitätsreihe der Metalle unter dem dritten Metall und über dem Metall der ersten Schicht steht, und wobei die angrenzende Schicht des vierten Metalls ebenfalls in elektrischem Kontakt mit der angrenzenden Schicht des zweiten Metalls steht.

4. Elektrischer Leiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner eine an der angrenzenden Schicht des zweiten Metalls angeordnete äußerste Schicht, die eine angrenzende Schicht eines fünften Metalls ist, enthält.

5. Elektrischer Leiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte Metall und das zweite Metall Kupfer sind.

6. Elektrischer Leiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fünfte Metall Zinn ist

w und worin das erste Metall und das dritte Metall Eisen enthalten.

7. Elektrischer Leiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein gehärtetes Epoxyharz ist. ,

8. Elektrischer Leiter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dielek-

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♦ ·Λ·* β ο Q _α „ _α g.

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trische Material ein durch Ultraviolettlicht gehärtetes Epoxyharz ist.

9 ο Elektrischer Leiter nach Anspruch 8? dadurch gekennzeichnet,, daß das erste und das zweite Polymere Polyester sind.

ΙΟ» Elektrischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Leitermuster ein in eine Ebene eines dritten Metalls geätztes und an einer Oberfläche des Substrats haftendes gedrucktes Schaltungsmuster ist.

11 ο Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters in gewünschten Bereichen eines Substrats, dadurch gekennzeichnet, daß man eine erste Leiteranordnung auf dem Substrat vorsieht, ein dielektrisches Material auf ausgewählte Bereiche des Substrats und der ersten Leiteranordnung aufbringt, eine gewünschte Anordnung auf das Substrat mit einer Tinte, enthaltend ein feinzerteiltes erstes Metallpulver, härtbares Polymeres und Lösungsmittel, aufbringt, das härtbare Polymere zumindest teilweise härtet, und das erhaltene aufgebaute Substrat mit einer ersten Lösung, die ein Salz eines zweiten Metalls enthält, in welcher das zweite Metall edler als das erste Metall des Pulvers ist und das Anion des Salzes sowohl mit dem zweiten Metall als auch mit dem ersten Metall lösliche Salze bildet, zur Erzielung einer benachbarten Schicht des zweiten Metalls, die auf dem Polymeren gebildet werden soll, in Berührung bringt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man ferner das aufgebrachte dielektrische Material in ausreichendem Maße erhitzt, um ein Fließen desselben zum Ausgleichen der Dicke des dielektrischen Materials und zur Eliminierung von Oberflächenfehlern darin zu bewirken«

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein durch Ultraviolettlicht härtbares Material ist und daß es zur im wesentlichen vollständigen Eliminierung der Oberflächenfehler erhitzt und anschließend durch Belichten mit Ultraviolettlicht gehärtet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß man ferner die erste Leiteranordnung dadurch vorsieht, daß man eine zweite Tinte, enthaltend ein feinzerteiltes drittes Metallpulver, ein zweites härtbares Polymeres und ein zweites Lösungsmittel, auf das Substrat aufbringt, wobei die zweite Tinte so angeordnet ist, daß sie im wesentlichen mit inneren elektrisch leitenden Schicht des ersten Leiters, welcher das erste gehärtete Polymere und die angrenzende Schicht des zweiten Metalls enthält, an zumindest einem Punkt, wo dielektrisches Material nicht vorhanden ist, in Kontakt steht, die zweite Tinte zumindest partiell härtet, und das erhaltene aufgebaute Substrat mit einer zweiten Lösung, enthaltend ein zweites Salz eines vierten Metalls, in welchem das vierte Metall edler als das dritte Metall und das Metall der innersten Schicht der Leiteranordnung ist, und das Anion desselben lösliche Salze sowohl mit dem dritten, als auch mit dem vierten Metall bildet, in Kontakt bringt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die innerste Schicht eine angrenzende Schicht eines ersten Metalls und auf der angrenzenden Schicht des zweiten Metalls niedergeschlagen ist.

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16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und dritten Metalle

β= £ —

Eisen, die zweiten und vierten Metalle Kupfer enthalten und das fünfte Metall Zinn ist, und die Zinnschicht durch stromloses Plattieren eingeführt wird»

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein durch Ultraviolettlicht härtbares Epoxyharz mit einer Viskosität von etwa 25 bis 200 Pa₀S (25 000 bis 200 000 cP) ist.

18„ Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxyharz eine Viskosität von 50 bis 100 Pa.s (50 000 bis 100 000 cP) aufweist und das vierte Metall Kupfer ist„

19 ο Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und dritte Metall Eisen enthält, das erste und zweite Polymere Polyester sind, und die Polyester zumindest teilweise durch Erhitzen auf Temperaturen im Bereich von etwa 140° b.is 200°C, härtbar sind.

20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein durch Ultraviolettlicht härtbares Epoxyharz ist, das zur Eliminierung von im wesentlichen allen Oberflächenfehlern eine ausreichend lange Zeit auf Temperaturen von etwa 100° bis 150 C erhitzt und dann durch Belichten mit Ultraviolettlicht gehärtet wird»

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material so aufgebracht wird, daß es an Punkten, wo Zwischenschicht-Verbindungen gewünscht werden, Spalten darin hinterläßt.

\°L. 1 ν.:": 1 ³¹?1262

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22. Verfahren nach Anspruch 21,dadurch gekennzeichnet, daß die Spalten größer dimensioniert sind, als die Größe der in dem Endartikel gewünschten Zwischenschicht-Verbindungen.

23. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Metall eine Mischung von Blei und Zinn umfaßt.

24. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Metall eine Mischung aus Nickel und Zink umfaßt.