DE3152603T

DE3152603T - Mehrschicht-Leiterplatte

Info

Publication number: DE3152603T
Application number: DE19813152603
Authority: DE
Inventors: Takao Tokyo Ito; Keiji Atsugi Kanagawa Kurata; Kenji Yokohama Kanagawa Ohsawa; Masayuki Ohsawa
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1980-12-08
Filing date: 1981-12-08
Publication date: 1983-02-10
Also published as: WO1982002138A1; EP0067231A1; NL8120453A; KR880000673Y1; GB2104297A; GB2104297B; EP0067231A4; US4528064A; KR830002498U; JPS5797970U

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrschicht-Leiterplatte mit einem elektrisch isolierenden Substrat.

Das in Fig. 1A und 1B der anliegenden Zeichnung dargestellte Beispiel einer Mehrschicht-Leiterplatte 9 besteht aus einer steifen Leiterplatte 3 in Form eines ein erstes Leiterbahnmuster 2 aus Kupferfolie tragenden dicken isolierenden Substrats 1 aus mit Phenolharz, Epoxyharz o.dgl. imprägniertem Papier und einer mittels einer isolierenden Klebeschicht 7 wie z.B.

ο einem Epoxyharzkleber auf die Leiterbahnseite der Leiterplatte fest auflaminierten flexiblen Leiterplatte 6 in Form eines ein zweites Leiterbahnmuster 5 aus Kupferfolie tragenden Kunstharzfilms 4 aus Polyamidharz, Polyesterharz oder dergleichen. Die Leiterbahnmuster 2 und 5 sind an gewünschter Stelle durch leiten.de Brücken 8 verbunden, und ein elektrisches Element 10 ist über eine Lötverbindung 11/12 mit dieser Leiterplatte 9 verbunden.

Diese herkömmliche Mehrschicht-Leiterplatte hat diverse Nachteile: Wegen des relativ großen Abstands zwischen den Leiterbahnmustern 2 und 5 sind die Verbindungen über die leitenden Brücken unzuverlässig; es ist keine gleichzeitige Herstellung von Lötverbindungen 11/12 zwischen Bauelementen 10 und den beiden Leiterbahnmustern 2 und 5 möglich; und da Durchgangslöcher in der flexiblen Leiterplatte kaum kleiner als 1mm im Durchmesser sein dürfen, ist eine Miniaturisierung oder hohe Qualität nicht erzielbar. Om bei der Herstellung des oberen Leiterbahnmusters durch Wegätzen von nicht mit einer Schutzmasse 13 bedeckten Stellen der Kupferfolie (siehe Fig. 2) Erosionsstellen 15 auf

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im Bereich von Durchgangslöchern 14 liegenden Stellen des unteren Leiterbahnmusters 2 zu verhindern, müssen Durchgangslöcher 14 zuvor mit Schutzmasse gefüllt werden. Dadurch wird der Fertigungsprozeß besonders aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dem Stand der Technik anhaftenden Mängel und Nachteile durch Schaffung einer neuartigen Mehrschicht-Leiterplatte zu vermeiden.

Die erfindungsgemHße Lösung der gestellten Aufqabe .1st kurz gefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Grundgedanke der Erfindung geht dahin, auf einer Oberfläche eines isolierenden Substrats ein erstes Leiterbahnmuster anzuordnen, darüber unter Zwischenfügung einer Isolierschicht ein zweites Leiterbahnmuster auszubilden, zwischen einem Durchbruch des oberen zweiten Leiterbahnmusters und einem direkt darunter befindlichen Anschlußabschnitt des unteren ersten Leiterbahnmusters einen Durchbruch anzuordnen und durch Einführen eines leitenden Materials in diesen Durchbruch eine leitende Brückenverbindung zwischen beiden Leiterbahnmustern herzustellen.

Vorzugsweise wird die auf die Isolierschicht aufgebrachte leitfähige Metallschicht, aus der das obere zweite Leiterbahnmuster gebildet ist, durch Anwendung von Preßdruck und Wärme integral auflaminiert. Dadurch wird eine Reduzierung des Abstands zwischen den beiden übereinanderliegenden Leiterbahnmustern auf etwa 5pm bis 20im erreicht ^un<^ außerdem durch Einsenkung der Ränder des Durchbruchs im zweiten Leiterbahnmuster der Leitungswiderstand zwischen den beiden Leiterbahnen reduziert und eine sehr zuverlässige elektrische Verbindung geschaffen.

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Da ferner durch die Laminierung der Abstand zwischen beiden Leiterbahnmustern verkürzt worden ist, kann vor dem Ätzen des zweiten Leiterbahnmusters aufgetragene Schutzmasse auch den Durchbruch füllen, der Ätzvorgang wird sicherer beherrscht. Ferner kann bei einer Tauchlötung zum Befestigen elektrischer Bauteile gleichzeitig die leitende Brückenverbindung in dem Durchbruch hergestellt werden.

Der Durchbruch in dem oberen Leiterbahnmuster kann auch durch chemisches Ätzen sehr klein (etwa 0,4mm φ) hergestellt werden, so daß eine sehr feine Gestaltung der Schaltungsanordnung möglich ist.

Durch Verwendung von Gallium als leitendes Material für die Brückenverbindung kann ferner eine weit zuverlässigere elektrische Verbindung und Hochfrequenzfestigkeit als bei herkömmliehen Materialien wie z.B. silberhaltigen Lacken, bei denen Kontraktionen und andere Nachteile auftreten können, erzielt werden.

Die Dicke der Isolierschicht zwischen den beiden Leiterbahnmustern kann aus Isolierharz und Kleber in gewünschter Dicke hergestellt werden.

Pie erfin.dungsgemäße Mehrsch.icht-Leiterpla.tte kann mit hoher Qualität preiswert hergestellt werden.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachstehend unter Bezug auf eine Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B und Fig. 2 die eingangs erläuterten Schnittdarstellungen zur Herstellung und zu den Mängeln einer herkömmlichen Mehrschicht-Leiterplatte,

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Fig. 3 eine Perspektivdarstellung einer zur Herstellung erfindungsgemäßer Mehrschicht-Leiterplatten verwendbaren Walzvorrichtung,

Fig. 4A bis 4G Schnittdarstellungen aufeinanderfolgender Her-Stellphasen eines Ausführungsbeispiels einer erfindungs-

gemäßen Mehrschicht-Leiterplatte,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung mit wesentlichen Einzelheiten der Erfindung,

Fig. 6A bis 6E und Fig. 7A bis 7E Perspektivansichten aufeinanderfolgender Herstellungsschritte von zwei anderen

Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Fig. 8 einen Ausschnitt aus einem anderen AusfUhrungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9A und 9B Perspektivdarstellungen von Verbindungsstellen, Fig. 10, 11 und 12 Teilschnitte weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung, und

Fig. 13 eine Querschnittsdarstellung zu einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das in Fig. 4A bis 4F in aufeinanderfolgenden Produktionsschritten und in Fig. 4G fertig dargestellte Ausführungsbeispiel einer er/findungsgemäßen Mehrschicht-Leiterplatte 35 wird unter Verwendung einer Walzvorrichtung gemäß Fig. 3 hergestellt. Zuerst wird gemäß Fig. 4A durch Wegätzen der 15μΐη bis 35μΐη dicken Kupferbeschichtung 22 auf einem 0,8 bis 1,6mm dicken isolierenden Substra.t 21 aus beispielsweise mit Phenolharz oder Epoxyharz imprägniertem Papier eine sog. "steife" Leiterplatte 24 mit einem ersten Leiterbahnmuster 23 hergestellt. Diese Leiterplatte 24 wird gemäß Fig. 4B unter Freilassung einer Anschlußfläche 23a in einem Druckverfahren mit einer 10 bis 100μΐη, vorzugsweise 20 bis 70μπι dicken Isolierschicht 25 aus einem unter UV-Lichtbestrahlung ausgehärteten Epoxyacrylatharz, Spiroacetatharz, Urethanacrylatharz o.dgl. beschichtet. Ein lösungsmittelfreies Kunstharz, das nicht zur Bildung feinster Durchlässe neigt, kann als dicke

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Schicht aufgetragen werden. Bei einer aus einer Epoxyacrylat-Harzart gebildeten Isolierschicht 25 ist jedoch eine Oberflächenbehandlung wie Sandstrahlen mit Eisenpulvern Siebweite 325, Bürsten mit Sandpapier, Oberflächen-Aufrauhen mittels Corona- oder Plasmaentladung und zusätzlich ein Ätzen mit Methylenchlorid, Trichloräthylen, Zellosolvent o.dgl. zu empfehlen. Alternativ kann die Isolierschicht 25 an Stelle von UV-härtendem Harz auch durch eine Lackschicht aus Polybutadienharz, Epoxyharz, Epoxymelaminharz o.dgl. gebildet werden.

Die mit der Isolierschicht 25 überzogene gedruckte Leiterplatte 24 wird dann gemäß Fig. 4C mittels einer Klebemittelschicht 26 aus warmhärtendem Epoxy-Acrylharz, Epoxy-Nitrilharz o.dgl., einem zwischen 80° bis 22O⁰C erweichenden Thermoplast wie Polyamid, Äthylvinyl-Acetat o.dgl., einem mittels Elektronenstrahl aushärtbaren Kunstharz wie Epoxy-Acrylat o.dgl. mit einer etwa 15um bis 35μΐη dicken Kupferfolie 27 überzogen und diese Kupferfolie dann gemäß Fig. 4D mittels der in Fig. 3 dargestellten Walzvorrichtung 28 wirtschaftlich angewalzt bzw. anlaminiert. Ein die zu behandelnden Roh-Leiterplatten 24 (Fig. 4A) tragendes Förderband 29 wird zwischen einem Paar z.B. 165°C warmer Silicongummiwalzen und einem Paar ebenfalls etwa 165⁰C warmer mit Edelstahl oder Chrom überzogener Metallwalzen 31 in Fig. 3 von links nach rechts hindurchbewegt. Bei einer Position X₁ erfolgt die Fertigstellung des in Fig. 4B gezeigten Zwischenzustands, in Position X_ haben die Rohlinge den Zustand von Fig. 4C erreicht, und in Position X, nach Passieren der Metallwalzen 31 sind die Rohlinge gemäß Fig. 4D laminiert bzw. flachgewalzt.

Danach wird gemäß Fig. 4E oberhalb vorgesehener Anschlußflächen 23a des unteren Leiterbahnmusters 23 örtlich begrenzt die obere 0 Kupferfolie 27 weggeätzt, genau darunter die Klebemittelschicht 26 entfernt und so eine Grube 32 gebildet. Dann wird durch ge-

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zieltes Wegätzen von weiteren Teilen der Kupferfolie 27 ein zweites Leiterbahnmuster 33 geformt. Erfindungsgemäß ist der höhenversetzte Abstand zwischen den beiden Leiterbahnmustern 23 und 33 so kurz, daß aufgedruckte Schutzmasse (Resist) 13 auch die Grube 32 füllt und das darunterliegende Leiterbahnmuster 23 wirksam vor Ätzmittel geschützt wird.

Nachdem die Grube 32 von Schutzmasse 13 befreit und innerhalb der Grübe eine leitfähige Brücke 34 z.B. in Form einer Galliumlegierung, einer Lötstelle, einer eingeflammten Silberpaste (Plasma- oder Lichtbogenflamme) oder einer Lötbeschichtung mit einem niedrigschmelzenden Metall wie Cu, Zn oder Sn als Verbindung zwischen dem unteren und oberen Leiterbahnmuster 23 und 33 hergestellt wurde, ist die gewünschte Mehrschicht-Leiterplatte 35 nach Fig. 4G fertig.

Zur Herstellung der Galliumlegierung wird aus Gallium Ga und einem geeigneten metallischen Element- oder Legierungspulver eine eutektische Legierung in Pastenform mit unter einer sog. Raumtemperatur von 3O⁰C liegendem Schmelzpunkt gebildet, die mit der Zeit aushärtet. Als Zusatzmetalle für das Eutektikum 0 mit Ga, sind allein oder in einer Gruppe Indium In, Zinn Sn, Zink Zn, Wismuth Bi und vorzugsweise In und/oder Sn o. dgl. geeignet. Als mit Ga zu legierende Metallpulver sind Nickel Ni, Kobalt Co, Gold Au, Kupfer Cu allein oder legiert, z.B. eine NiCu-Legierung, Co-Legierung, CoSn-Legierung, CuSn-Legierung mit >40 Gew.% Cu, eine CuZn-Legierung mit >> 60 Gew.% Cu,

. ■'. eine CuBe-Legierung mit > 98 Gew.% Cu o. dgl. geeignet. Legierungsbestandteile wie Sn, Zn, Be sollen die Oxidation von Cu in, der betreffenden Metallpulverlegierung verhüten, deren Korngrößen zwischen 0,5 und 500μΐη, vorzugsweise zwischen 1μπ\ und 100u.m liegen sollten. Durch die Verwendung von Gallium-Legierungen wird das Problem der Silber-Migration bei silberhaltigen Lacken vermieden, so da,ß erfindungsgemäß sehr dichte

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und hochwertige gedruckte Schaltungen produziert werden können.

Es gibt zwei Möglichkeiten der Herstellung von erfindungsgemäßen walzlaminierten Mehrschicht-Leiterplatten:

Die Grube oder öffnung 32 zur späteren Aufnahme der leitenden Brücke 34 kann entweder als vorfabriziertes Loch 32 in der Kupferfolie schon vorhanden sein (siehe hierzu Fig. 6) oder nach Art von Fig. 4 nachträglich in die fertig auf die Platte 24 auflaminierte Kupferfolie 27 eingearbeitet werden, siehe Fig. 7.

Gemäß Fig. 6A bis 6E wird das erste Leiterbahnmuster 23 unter Aussparung der Anschlußflächen 23a mit der Isolierschicht bedruckt, die Isolierschicht 25 mit der mindestens ein vorgefertigtes Loch 32 enthaltenden Kupferfolie 27 belegt und die Kupferfolie dann mittels Walzvorrichtung fest angewalzt und dabei integriert. Danach wird aus der Kupferfolie das zweite Leiterbahnmuster 33 gebildet und das Loch (Grube) 32 mit der z.B. aus einer Galliumlegierung bestehenden leitenden Brücke als Verbindung zwischen beiden Leiterbahnmustern 23 und 33 gefüllt. Ferner wird ein Durchgangsloch 36 zum Anschließen des elektrischen Bauteils 10 gebildet.

Bei der zweiten Herstellweise gemäß Fig. 7A bis 7E wird das erste Leiterbahnmuster 23 mit Ausnahme der Anschlußfläche 23a mit der Isolierschicht 25 bedruckt, das Ganze mit der Kupferfolie 27 überzogen und diese mittels Walzvorrichtung angewalzt bzw. integriert. Dann werden das zweite Leiterbahnmuster 33 und die Grube durch chemisches Ätzen geformt (wobei die Grube 32 auch separat vorgebohrt werden könnte). Die Klebemittelschicht wird dann im Bereich der Grube 32 durch ein organisches Lösungsmittel entfernt, die jetzt bis zur Anschlußfläche 23a

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reichende Grube 32 mit der leitenden Brücke 34 aus z.B. Ga-Legierung gefüllt und das Durchgangsloch 36 für das Bauteil 10 hergestellt.

Gemäß Fig. 8 ist der Anschlußdraht des Bauteils 10 durch eine Lötstelle 37 mit beiden Leiterbahnmustern 23 und 33 elektrisch verbunden. Fig. 9A zeigt noch einmal eine normale Verbindungsstelle zwischen dem unteren und oberen Leiterbahnmuster 23 und 33, und Fig. 9B eine Abwandlung einer solchen Verbindungsstelle, die zur sicheren Aufnahme des Anschlußdrahtes des Bauteils 10 (siehe Fig. 8) ein Durchgangsloch 38 durch die Leiterplatte 24 aufweist.

Pas in Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine insbesondere für die HF-Signalverarbeitung geeignete Art von Mehrschicht-Leiterplatten. Die Isolierschicht 25 ist mit einer leitenden Abschirmschicht 40 überzogen, die entweder als flammgespritzte Silber- oder Kupferpaste oder als im Vakuum aufgebrachte Al-, Ni- oder Cu-Schicht o.dgl. ausgebildet sein kann. Auf die Abschirmschicht 40 ist wieder eine Isolierschicht 25 aufgedruckt, und ganz oben befindet sich - gut durch die Metallschicht 40 gegen das untere Leiterbahnmuster 23 abgeschirmt - das aus Kupferfolio gebildete obe.ro Leiterbahnm.uster. 33.

Eine Mehjrschicht^Leiterplatte kann erfindungsgemäß auch wie in Fig. 11 gebildet werden, wo ein leitfähiges Substrat 21 beidseitig mit Isolierschichten belegt und darüber auf einer Oberfläche da,s erste Leiterbahnmuster 23 aus Kupferfolie und auf der anderen Oberfläche das zweite Leiterbahnmuster 33 aus Kupferfolie fest aufgetragen ist.

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In Fig. \2 ist ein Zwischenstadium der Herstellung des Ausführungsbeispiels von beispielsweise Fig. 6 oder 7 im Bereich einer Verbindungsstelle zwischen den beiden Leiterbahnmustern 23 und 33 dargestellt. Im Lochbereich ist das Kupfermaterial des oberen Leiterbahnmusters 33 düsenartig bis zum unteren Leiterbahnmuster herabgezogen. Dadurch wird u.a. der übergangswiderstand reduziert.

Pas in Fig. 13 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mehrschicht-Leiterplatte hat als Besonderheit Durchaus, gangslöcher 50. Pas isolierende Substrat 21/52*Tnit geeignetem Kunstharz wie Phenol- oder Epoxyharz imprägniertem Papier oder Glasfasergewebe und einer Picke von 0,8 bis 1,6mm ist auf jeder Hauptoberflache mit je einem ersten Leiterbahnmuster 23A bzw. 23B beschichtet, und die beiden Leiterbahnmuster sind über eine leitfähige Auskleidung der Wand des Purchbruchs 50 elektrisch verbunden. Auf eine das erste Leiterbahnmuster 23A überdeckende Isolierschicht 25 (der Durchbruch 50 bleibt frei) aus Polybutadien-, Epoxy-, Epoxymelaminharz o.dgl. ist mittels einer Klebeschicht 26 eine Kupferfolie aufgebracht, aus der das zweite 0 Leiterbahnmuster 33 geformt wird. Ein Purchbruch in dem Leiterbahnmuster 33 wird mit einer Brücke 34 zum elektrischen Verbinden der beiden Leiterbahnmuster 23A und 33 gefüllt. Diese Beschichtungsweise wird noch zweimal wiederholt und dabei dritte und vierte Leiterbahnmuster 53 und 54 in Mehrschichtanordnung gebildet. Durch die Ubereinanderanordnung dünner Laminat-Schichten in einem problemlosen Herstellverfahren ist eine sehr zuverlässige preiswerte Mehrschicht-Leiterplatte mit hoher Packungsdichte herstellbar, die nicht zu Bildverwischungen o.dgl. führt. Puren Verwendung von Gallium statt Silber in den Brücken werden geringe Widerstandswerte und gute HF-Eigenschaften erzielbar, das Problem der Silbermigration aber vermieden.

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Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 13 können die Leiterbahnen auf den gegenüberliegenden Seiten des steifen Substrats 21/52 für HF-Kreise und andere Leiterbahnmuster wie z.B. 33 als Signalleitungen ausgenutzt werden. Die Metall-Auskleidung 51 in dem Durchgangsloch 50 kann aus Silber, einer Galliumlegierung o.dgl. gebildet sein.

Falls die Isolierschicht 25 klebfähig ist, kann auf eine besondere Klebeschicht verzichtet werden.

Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER
PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
Dipl.-Chem. Dr.
N, ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister
S Artur-Ladebeck-Strasse^

D-8OOO MÖNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

Case: S81P277PCT Mü/Gdt/b
6. August 1982

SONY CORPORATION
7-35 Kitashinagawa 6-chome, Shinagawa-ku, Tokyo, Japan

Mehrschicht-Leiterplatte

Priorität: 8. Dezember 1980, Japan, Ser. No. 175739/1980

PATENTANSPRÜCHE

1.) Mehrschicht-Leiterplatte mit einem elektrisch isolierenden Substrat,
dadurch gekennzeichnet, daß

- auf einer Oberfläche des isolierenden Substrats (21/24) ein vorgebbares erstes Leiterbahnmuster (23) angeordnet und unter Aussparung mindestens eines Anschlußabschnitts (23a) des ersten Leiterbahnmusters mit einer elektrisch isolierenden Harzschicht (25) überzogen,

- die Harzschicht (25) mit einer leitfähigen Schicht (27) überdeckt und daraus ein zweites Leiterbahnmuster (33) gebildet,

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- im Bereich des Anschlußabschnitts (23a) ein Durchbruch (32) durch die leitfähige Schicht (27) hergestellt und dabei den Anschlußabschnitt des ersten Leiterbahnmusters (23) freigelegt und

- durch Einsetzen eines leitfähigen Materials (34) in den Durchbruch (32) eine leitfähige Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Leiterbahnmuster hergestellt
werden.

2. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (27) unter Anwendung von Preßdruck und Wärme auflaminiert ist.

3. Mehrschicht-Leiterplatte nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den übereinander angeordneten Leiterbahnmustern (23, 33) durch das Laminieren auf etwa 5μΐη bis 20μπι reduziert ist.

4. Mehrschicht-Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchbruch (32) einen Durchmesser von etwa 0,4mm hat.

5. Mehrschicht-Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch, gekennzeichnet, daß oberhalb des ersten Leiterbahnmusters (23; 23A) mindestens zwei übereinanderliegende und durch je eine isolierende Harzschicht (25) getrennte, gegebenenfalls durch Brücken aus leitendem Material (34) elektrisch verbundene Leiterbahnmuster (33, 53 ...) angeordnet sind (Fig. 13).