DE3520258C2

DE3520258C2 -

Info

Publication number: DE3520258C2
Application number: DE19853520258
Authority: DE
Inventors: Burke Huntington N.Y. Us Leon
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Advanced Interconnection Technology Inc
Priority date: 1984-06-25
Filing date: 1985-06-04
Publication date: 1989-01-26
Also published as: GB8514162D0; AU4398685A; FR2566612B1; FR2566612A1; DE3520258A1; ES8608770A1; EP0168602A1; JPS6113690A; ES544354A0; GB2161325B; GB2161325A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Verfahren sind grundsätzlich bekannt ("Handbuch der Leiterplattentechnik", G. Herrmann, Eugen Leuze Verlag, Saulgau, 1982, S. 300/301).

Hierbei wird eine geeignete vorbereitete Trägerplatte mit einer Haftvermittlerschicht versehen. Die Leiterzüge aus isoliertem Draht werden in einem vorgegebenen Muster, das bestimmte Punkte verbindet, vorzugsweise mit hoher Leiterzugdichte auf der Unterlage aufgebracht. Die Aufbringung erfolgt mittels einer Multiwire- NC-Drahtverlegemaschine nach vorgebbarem Computer-Pro gramm.

Nach einem bekannten Verfahren (DE-AS 21 11 396) werden die Leiterzüge durch gleichzeitiges Einwirken von Ultraschall und Druck in dem Augenblick, in dem der Draht mit der Haftvermittlerschicht während der Drahtschreibung in Kontakt kommt, mit dieser fest verbunden. Hierfür werden isolierte Drahtabschnitte in die Haftvermittlerschicht gepreßt, also teilweise eingebettet. Anschließend wird die Drahtschaltung mit einem harzimprägnierten Glasgewebe "Prepreg" bedeckt, und dieses unter Wärmebeaufschlagung und Druck auflaminiert. Mehr schicht-Schaltungen können durch Aufbringen weiterer Drahtschaltungsebenen auf der ersten Schichtanordnung hergestellt werden. Das Laminieren kann bei Temperaturen von 175°C und einem Druck von 2,4 MPa durchgeführt werden.

Um die Leiterzüge aus den innen liegenden Leiterzugebenen mit Anschlußstellen auf der Oberfläche zu verbinden, werden an vorgegebenen Punkten Löcher gebohrt. Die so freigelegten Enden der durchtrennten Leiterzüge bilden einen Teil der Lochwandungen, die nach bekannten Methoden durchmetallisiert werden. Bei geringsten Verschiebungen einzelner Drahtabschnitte innerhalb der Schichtanordnung besteht die Gefahr, daß Löcher durch nicht für den betreffenden Kontakt vorgesehene Drahtleiter gebohrt werden und somit Kurzschlüsse entstehen. Andererseits kann es vorkommen, daß der Drahtleiter nicht oder nur unvollständig angeschnitten wird, wodurch entweder gar keine oder nur eine ungenügende Verbindung zustande kommt.

Besonders während des Laminiervorgangs verschiebt sich der Draht teilweise erheblich, was insbesondere auf eine Instabilität des Haftvermittlers zurückgeführt wird. Auch kann die Bindung zwischen Haftvermittler und Prepreg instabil sein. Haftvermittlerschichten, die zum Schrumpfen neigen, verursachen weitere Drahtver schiebungen.

Das Problem der Drahtleiterverschiebung hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen, weil größere Leiterzugdichten mit geringeren Draht- und Lochdurchmessern bei immer größer werdenden Trägerplatten gefordert werden. Um hier wenigstens teilweise Abhilfe zu schaffen, wurde ein Verfahren entwickelt (US-PS 44 27 478), nach dem zunächst die Trägerplatte mit einer photosensitiven Haftvermittlerschicht versehen, dann die Leiterzüge aufgebracht und anschließend mit UV bestrahlt wird, so daß die photosensitive Schicht vernetzt und die Leiterzüge freigelegt werden. Allerdings findet die Vernetzung nur in den Bereichen statt, die von den UV-Strahlen erreicht werden. Ein Teil der Strahlung wird durch die Drahtschaltung abgeschirmt, die darunter liegenden nicht bestrahlten Bezirke bleiben unvernetzt. Nachteilig ist bei dem Verfahren auch, daß die Drahtleiter an Kreuzungspunkten nicht ausreichend fixiert sind, da sie dort nicht in die Haftvermittlerschicht eingebettet sind.

In der US-Patentanmeldung No. 2 54 132 wird ein Verfahren zum Herstellen von drahtgeschriebenen Schaltungen für mikroelektronische Chip-Träger beschrieben, die mit vollständig planen Oberflächen ausgestattet sein müssen. Hierfür wird über der Drahtschaltung eine relativ dicke, plane und wärmeaushärtbare Harzschicht aufgebracht, die sich bei Zimmertemperatur oder bei Temperaturen unter 100°C egalisiert und setzt. Die so erhaltene plane Oberfläche wird für die Montage von Bauteilen verwendet.

Dieses Verfahren ist aufwendig und für das Auflaminieren von Prepregs nicht geeignet.

Die Abdeckschicht über einem Leiterzugnetzwerk auf der Basisplatte in flüssiger bzw. leicht verformbarer, filmartiger Form aufzubringen, ist aus der DE-OS 32 11 025 bekannt. Für das gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen in Multi weise-Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Technik des Aufbringens unter Verwendung einer Haftvermittlerschicht so weiter zu entwickeln, daß die Drahtleiterzüge weder beim Auflaminieren des Prepregs noch bei den nachfolgenden Verfahrensschritten aus ihrer ursprünglichen Lage verschoben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bei einem solchen Vorgehen wird die wärmehärtbare Polymermasse bei den ausgewählten Temperaturen auch bei Anwendung von Druck nicht verformt. Jede Drahtbewegung während der nachfolgenden Verfahrensschritte wird wirksam verhindert, wie auch jede Beschädigung der Drahtleiter während der folgenden Fertigstellung der Leiterplatte. Die Polymermasse bildet so eine harte kratzfeste Schicht. Mit dem vorliegenden Verfahren wird die gestellte Aufgabe kostensparend gelöst, ohne daß besondere Vorrichtungen erforderlich wären und ohne besondere Unterweisung des Personals.

Die für den Überzug geforderten Eigenschaften sind:

- er soll beim Aushärten keine Dimensionsänderungen aufweisen, zumindest nicht in Längsrichtung;
- die erforderlichen Aushärtetemperaturen und -zeiten sollen so bemessen werden, daß sich die Haftvermittlerschicht weder verformt noch zersetzt;
- er soll auf der Oberfläche der Haftvermittlerschicht und auf der Oberfläche der Drahtleiter fest haften;
- nach dem teilweisen oder völligen Aushärten soll seine Oberfläche so beschaffen sein, daß eine feste, zuverlässige Bindung mit einer nachträglich aufgebrachten weiteren Schicht eingegangen wird. Die zum Überziehen der Drahtschaltung verwendete Polymermasse enthält vorzugsweise ein vernetzbares Polymer, wie Epoxid, Akryl, Polyimid und ähnliche. Soll die Schicht auf Epoxidbasis aufgebaut werden, so enthält es vorzugsweise weiterhin einen Härterzusatz, vorzugsweise eine Mischung aus Diamin, tertiärem Amin und Gummi, oder ein aromatisches Diamin, ein Tri-dimethylaminophenol und einen Carboxy-terminierten Butylnitril- (CBTN)-Gummi. Vorteilhaft sollte auch ein Glättungsmittel enthalten sein, das als Blasenentferner oder Entgaser wirkt. Bei einer Mischung auf Epoxidbasis sollte das Glättungsmittel vorzugsweise eine geschäumte Kieselerde kleiner Partikelgröße sein.

Das Überzugmaterial enthält vorzugsweise ein Epoxidharz ein flüssiges Akrylpolymer, einen Katalysator für die stromlose Metallabscheidung, geschäumte Kieselerde und als Härterzusatz ein Amin.

Noch bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn das Überzugmaterial Phenolnovolack, hochviskosen Akrylpolymer, ein einen Palladiumkatalysator enthaltendes Epoxidharz, sowie Dimethylformamid, geschäumte Kieselerde und einen Härter aus aromatischen Diaminen, Gummi und einer kleinen Menge Tridimethylaminophenol enthält.

Eine andere vorteilhafte Überzugmischung enthält 30 Gew.-% bis-Phenol A Epoxyakrylat-Harz, 12 Gew.-% Phenoxyäthylakrylat, 12 Gew.-% Butylenglykoldimethylakrylat, 40 Gew.-% feinkörniges Talkum und Aluminiumhydrat, und Spuren von feinkörniger geschäumter Kieselerde, Polyäthylen, Benzoäther, Dimethylaminopropylmethakryloamid und Glättungsmittel. Diese Mischung kann ebenfalls durch UV-Bestrahlung gehärtet werden.

Eine besonders geeignete wärmeaushärtbare Überzugmischung kann festes Epoxy-Novolack-Harz mit einer Funktionalität zwischen 4 und 5 enthalten, sowie Diäthylglykoläthyläther, ein Epoxy-Novolack-Harz, Tonerde, kleine Mengen geschäumter Kieselerde und ein Glättungsmittel sowie einen Härter, mit einem hohen Prozentsatz eines aromatischen Diamins, und kleine Mengen eines endkarboxylierten Butadien- Gummis sowie Epoxidharz.

Eine weitere vorteilhafte Überzugmischung enthält einen hohen Prozentsatz eines Polyimidharzes und kleine Mengen von geschäumter Kieselerde und Mineralölen als Glätter.

Zum Einstellen der Viskosität der Überzugmischung können dieser Lösungsmittel zugesetzt werden. Die Viskosität selbst hängt vom Aufbringverfahren des Überzugmaterials ab.

Die Trägerplatte kann aus thermoplastischem oder wärmehärtbarem Harz, keramischem Material, oder aus einer mit Kunststoff beschichteten Metallplatte bestehen. Die Trägerplatte wird mit einer bekannten, in die Technik eingeführten Haftvermittlerschicht überzogen. Besteht die Trägerplatte aus einem Kunststoff auf Epoxidharz-Basis, sollte auch der Haftvermittler aus einer auf Epoxidharz-Basis aufgebauten Mischung bestehen. Anschließend werden die Leiterzüge im vorgebenen Muster aufgebracht oder geschrieben. Das Leiterzugmaterial besteht aus einem Metallkern, der mit einer Isolierschicht umgeben ist, und kann mit einem leitenden oder nichtleitenden Überzug versehen werden. Das erfindungsgemäße Überzugmaterial wird vorzugsweise im Siebdruckverfahren aufgebracht, so daß eine einheitliche, dünne Überzugsschicht entsteht. Für das Aufbringen ist das Überzugsmaterial vorzugsweise thixotrop.

Das Aufbringen des Überzuges kann auch nach anderen, bekannten Verfahren erfolgen: Beim Tauchverfahren wird die mit den Leiterzügen versehene Trägerplatte in das relativ freifließende Überzugmaterial getaucht. Ein anderes geeignetes Verfahren ist das Vorhanggießverfahren; aber auch das Auf bringen mit einer Rakel oder einer Walze ist möglich. Die Schichtdicke des Überzuges kann in weiten Grenzen variieren. Überraschend wurde festgestellt, daß bereits ein dünner Überzug ausreicht, um die Drahtleiter ebenso zu fixieren wie mit einem dicken Überzug. Die Schichtdicke des trockenen Überzugs kann zwischen 12,5 und 125 µm liegen. Dünne Überzüge sind kostensparend und einfacher auf zubringen.

Nach dem Aufbringen der wärmeaushärtbaren Schicht ruht die Platte für 5 Minuten bei Raumtemperatur zum Entgasen. Die Aushärtebedingungen, wie Temperatur und Zeit, hängen von der Zusammensetzung des Überzugmaterials sowie von der Art des Auftragens ab. Die folgenden Daten sind keine festen Parameter, sondern eignen sich für bestimmte Überzugmaterialien, wie sie im nachstehenden Beispiel beschrieben sind.

Die mit dem Überzug versehene Platte wird in einem Ofen für 5 Minuten bei einer Temperatur zwischen 40 und 70°C teilweise ausgehärtet, um die Oberfläche gründlich zu benetzen und eventuell noch vorhandene Blasen zu zerstören. Gleichzeitig verliert das Überzugsmaterial seine thixotropen Eigenschaften, senkt und glättet sich. Dann wird die Platte bei einer Temperatur von 110 bis 130°C für 10 bis 20 Minuten weiter ausgehärtet. Die Entgasung des Überzugmaterials wird sowohl durch die zugefügten "Entgasungsmittel" als auch durch den Verbleib in einem Niedrig-Temperatur-Ofen gefördert. Zu einem späteren Zeitpunkt kann die Platte für 30 Minuten bei einer Temperatur von 165°C ausgeheizt werden, um die Haftvermittlerschicht vollkommen auszuhärten, oder die völlige Aushärtung der Haftvermittlerschicht erfolgt in einem späteren Verfahrensschritt.

Die Platte kann nun beliebig weiterbehandelt werden, ohne daß Drahtverschiebungen zu befürchten sind. Zunächst kann ein "Prepreg" auflaminiert werden und, falls erforderlich, dieser für eine Stunde bei einer Temperatur von 175°C völlig ausgehärtet werden.

Wird kein Prepreg aufgebracht, so muß vor weiteren Verfahrensschritten der Überzug vollkommen ausgehärtet wer den.

Im folgenden Beispiel werden die Vorteile der Erfindung veranschaulicht.

Beispiel

Auf einer beidseitig kupferkaschierten Trägerplatte wurde im Druck- und Ätzverfahren das gewünschte Stromzuführungs- und Erdleitungsmuster hergestellt. Auf der Kupferoberfläche der so hergestellten Platte wurde eine schwarze Oxidschicht hergestellt und diese dann im Tauchverfahren mit Kunstharz überzogen, für eine Stunde getrocknet und ausgeheizt. Die Oberfläche wurde dann gebürstet und mit einem Überzug aus Äthylenglykolbutyläther, Epoxidharz, einem akrylhaltigen Glättungsmittel, einem Palladiumkatalysator, einem wäßrigen Benetzer, geschäumter Kieselerde, einem Härter, der ein aromatisches Diamin, einen endkarboxylierten (CTBN) Butylnitril-Gummi und Tridimethylaminophenol enthält, im Siebdruck-Verfahren versehen. Nach dem Ausheizen wurde dann ein ähnlich zusammengesetzter Überzug aus Butylcellosolve, Epoxidharz, einem akrylhaltigen Glättungsmittel, einem Palladiumkatalysator, einem wäßrigen Benetzer, geschäumter Kieselerde und CTBN-Gummi ebenfalls im Siebdruckverfahren aufgebracht, die Platte erneut ausgeheizt und die Oberfläche gebürstet.

Dann wurde eine 0,025 mm dicke Haftvermittlerschicht der folgenden Zusammensetzung aufgebracht: 20,8% Alkylphenolharz, Epoxidharz, chlorosulfoniertes Polyäthylen, wärmeaushärtbares Epoxy-Novolack-Phenolharz sowie Spuren von Zirkonsilikat, Palladiumkatalysator, geschäumter Kieselerde, Akrylpolymer, Pigment und Cellosolveazetat. Ein anschließend aufgebrachtes Glasfasergewebe wurde mit einer weiteren Haftvermittlerschicht von 0,05 mm Dicke abgedeckt. Die soweit hergestellte Schalttafel wurde bei einer Temperatur von 120°C und einem Druck von 5,7 MPa für 6 Minuten verpreßt und anschließend unter Beibehaltung des Druckes für 6 Minuten abgekühlt.

Im Anschluß daran wurden auf der so vorbehandelten Unterlage im Drahtschreibeverfahren Leiterzüge aufgebracht, und zwar in einem Prüf-Gittermuster mit horizontal und vertikal verlaufenden Leiterzügen. Die so mit Leiterzügen versehene Platte wurde für 20 Minuten einem Druck von 6,4 MPa bei 120°C ausgesetzt, um die Drähte teilweise in die Haftvermittlerschicht einzubetten und anschließend wurde die Platte für 30 Minuten bei 175°C ausgeheizt. Drahtverschiebungen wurden an 10 verschiedenen Stellen des Prüfgittermusters gemessen.

Ein Überzug aus 14,5% Butylcellosolve, 77% eines Phenol novolack-Epoxidharzes mit einem Epoxid-Äquivalentgew. von 176-191, 2% eines Glättungsmittels, und zwar Acrylpolymer, 1,0% Palladiumkatalysator mit 14,6% Dimethylformamid, 83,7% eines Biphenolharzes und 1,7% Palladiumchlorid, 2% eines Glättungsmittels aus geschäumter Kieselerde kleiner Partikelgröße und 8% CTBN-Gummi wurde anschließend auf die entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren - unter Ausschluß des Laminierschrittes - hergestellten drahtgeschriebenen Schaltungen aufgebracht.

Die drahtgeschriebenen Leiterzüge und die freiliegenden Bezirke der Haftvermittlerschicht wurden im Siebdruckverfahren mit dem Überzugmaterial versehen. Dann lagerten die Schaltungsplatten für 5 Minuten bei Zimmertemperatur, wurden sodann für 5 bis 10 Minuten auf 65°C und anschließend nochmals für 20 Minuten auf 120°C ausgeheizt. In einem weiteren Verfahrensschritt wurden die Trägerplatten nochmals für 30 Minuten auf 165°C ausgeheizt, damit die Haftvermittlerschicht vollständig aushärtet. Zwei Prepreg-Schichten wurden bei einem Druck von 8,5 MPa und einer Temperatur von 120°C für 20 Minuten auflaminiert und schließlich das so hergestellte Laminat nochmals für 1 Stunde bei 165°C ausgeheizt.

Nach dem Laminieren wurde die Drahtverschiebung gemessen. Die Ergebnisse für eine typische Trägerplatte ohne das erfindungsgemäße Verfahren sind in Tabelle I, diejenigen für fünf Trägerplatten A bis E mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in Tabelle II zusammengestellt.

Tabelle I

Drahtverschiebung ohne Polymerüberzug [in mm*]

Tabelle II

Drahtverschiebung mit Polymerüberzug [in mm*]

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen, bei dem

a) die Leiterzüge in Form isolierter Drähte auf eine mit einer polymeren Haftvermittlerschicht versehenen Trägerplatte aufgebracht werden,
b) die Haftvermittlerschicht zumindest teilweise gehärtet wird und
c) harzimprägniertes Glasgewebe (Prepreg) unter Anwendung von Druck und Wärme auflaminiert und ausgehärtet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Härtung der Haftvermittlerschicht eine wärmehärtbare Polymermasse ganzflächig aufgebracht wird, welche für
5 min. bei Temperaturen zwischen 40 bis 70°C, und
10 bis 20 min. bei Temperaturen zwischen 110 bis 139°C
teilweise gehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmehärtbare Polymermasse ein vernetzendes Polymer, ein Härtungsmittel und ein Glättungsmittel enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermasse ein Epoxid-, ein Akryl- oder ein Polyimid-Harz oder eine Mischung von diesen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Härtungsmittel ein Diamin, ein tertiäres Amin und einen Carboxybutylnitril-Gummi enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glättungsmittel geschäumte Kieselerde kleiner Partikelgröße enthält.