DE3525416C2

DE3525416C2 -

Info

Publication number: DE3525416C2
Application number: DE3525416A
Authority: DE
Inventors: James Joseph Dipl.-Chem. Massapequa Park N.Y. Us Arachtingi
Original assignee: Kollmorgen Technologies Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1984-07-18
Filing date: 1985-07-12
Publication date: 1989-11-02
Also published as: EP0177686A3; GB2162696B; GB2162696A; EP0177686B1; GB8517942D0; JPS6177395A; EP0177686A2; IL75795A0; US4601916A; IL75795A; DE3525416A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metallkern-Leiterplatten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Zur Isolierung der einzelnen Leiterzüge weisen Metallkern-Leiterplatten für gedruckte Schaltungen eine isolierende Schicht auf. Die Vorteile derartiger Metallkernplatten im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Isolierstoff-Trägerplatten sind beträchtlich und reichen von einem wesentlich besseren Temperaturausgleich, der Abschirmung der Grundplatte, hoher Dimensionsstabilität und praktisch keinem Verwerfen bis zu hoher Strukturstabilität.

Metallkernplatten sind in der Vergangenheit bereits verwendet worden. Das Verfahren zu ihrer Herstellung kann wie folgt beschrieben werden:
Zunächst werden Löcher mit einem größeren als dem Enddurchmesser der fertigen Platten gebohrt, wobei als Trägerplatte beispielsweise eine Aluminiumplatte dient, auf die beidseitig ein kupferkaschiertes Epoxyprepreg auflaminiert wird. Während des Laminiervorgangs werden die Löcher mit dem Überschuß des Prepreg-Imprägnierharzes gefüllt. Anschließend werden die Löcher zur gewünschten Größe aufgebohrt und die Schaltung nach bekannten Verfahren einschließlich der Lochwandmetallisierung hergestellt.

Soll das mit einer Lochwandmetallisierung versehene Loch im Endprodukt einen Durchmesser von beispielsweise 1 mm haben, so muß zunächst in den Harzpfropfen ein Loch mit einem Durchmesser von 1,15 mm gebohrt werden, damit auf der Lochwand ein Kupferbelag von mindestens 0,05 mm abgeschieden werden kann. Außerdem muß der auf der Lochwand verbleibende Epoxyring eine Stärke von mindestens 0,25 mm haben, um sicher zu gehen, daß beim Aufbohren nicht der gesamte Pfropfen herausgerissen wird. Außerdem muß für den Fall von bei den beiden Bohrvorgängen möglicherweise auftretenden Registrierfehlern ein gewisser Spielraum von etwa 0,08 bis 0,13 mm vorgesehen werden. Daraus ergibt sich, daß bei einem Lochdurchmesser von 1 mm im Endprodukt zunächst Löcher mit einem Durchmesser zwischen 1,73 und 1,78 mm gebohrt werden müssen. Beträgt der Abstand der Lochzentren voneinander 2,54 mm, so verbleibt ein Zwischenraum von 0,76 bis 0,81 mm. Ein kleinerer Lochabstand kann nicht gewählt werden, da das erste Loch einen wesentlich größeren Durchmesser aufweisen muß als das Loch im fertigen Produkt, so daß eine höhere Packungsdichte sehr schwierig zu realisieren ist.

Die Epoxyharzpfropfen in den Löchern können auch hergestellt werden, indem auf die Metallträgerplatte einseitig ein kupferkaschiertes, epoxyimprägniertes Gewebe (Prepreg) laminiert wird. Das Epoxydharz dringt in die Löcher ein und bildet so die Pfropfen. Anschließend wird auf die andere Seite der Platte ein kupferkaschierte, epoxydharzgetränkte Folie (Prepreg) auflaminiert. Es handelt sich hierbei um ein sogenanntes Zweischritt-Laminierverfahren, während es bei gleichzeitigem Laminieren beider Seiten leicht zu Lufteinschlüssen in den Löchern kommen kann. Beim aufeinanderfolgenden Laminieren kann die Luft entweichen und es bilden sich einheitliche Pfropfen aus.

Die Nachteile des Zweischritt-Laminierverfahrens sind geringe Fabrikationsausbeuten sowie die durch die Verwendung von "Prepregs" mit hochflüssigen Harzen und die Einhaltung doppelter Toleranzgrenzen beim zweifachen Bohren und Laminieren bedingten höheren Produktionskosten, die um bis zum Siebenfachen über den Kosten für einfaches Laminieren und Bohren liegen können. Deshalb hat sich dieses Herstellverfahren für Metallkernplatten nicht allgemein durchsetzen können. Es wird nur angewendet, wenn eine gleichmäßige Temperaturverteilung erforderlich ist, wie beispielsweise im Flugzeugbau, wo die bekannten Kühlsysteme zu viel Raum einnehmen und ihr Wirkungsgrad nicht ausreichend ist.

Beim Herstellen großer Mengen Metallkernplatten wird als Trägermaterial Stahl mit einer Dicke von 0,5 bis 1 mm verwendet. Löcher für die Durchkontaktierung werden in die Stahlplatten gestanzt und anschließend werden die Oberflächen der Platten und die Lochinnenwände im Wirbelsinterverfahren mit einer isolierenden Schicht aus Epoxyharz in Pulverform versehen. Bei Aufschmelzen des Epoxyharzpulvers auf die Stahlunterlage mit gleichzeitigem Aushärten der Epoxyschicht wird das Epoxyharz leicht flüssig, so daß die Harzschicht am oberen und unteren Lochrand dünner wird, während in der Lochmitte ein dicker Harzring entsteht. Um eine ausreichende Schichtdicke am oberen und unteren Lochrand zu erzielen, muß die Epoxyschicht auf der Oberfläche und im Lochzentrum eine Dicke von mindestens 0,35 mm aufweisen. Es müssen also Löcher von 2 mm Durchmesser in einem Abstand von 2,54 mm gebohrt werden, um 1 mm große Standard-Löcher für "Dual-in-Line"-Schaltungen zu erzielen. Da in diesem Fall nur 0,5 mm Stahlplatte zwischen den Lochrändern verbleiben, ist die Oberfläche zwischen den Löchern nicht mehr plan, wodurch das exakte Aufdrucken des Schaltbildes erschwert wird. Das Wirbelsinterverfahren ist daher für die Herstellung von Metallkern-Schaltungen mit hoher Leiterzugdichte ungeeignet.

Die Verwendung von elektrophoretisch abgeschiedenen Polymeren als Grundierung für Autoteile und andere Vorrichtungen ist weit verbreitet. Die JP-OS 27 647/1980 schlägt ein Verfahren vor, bei dem Metallplatten für gedruckte Schaltungen mit elektrophoretisch abgeschiedenen Schichten isoliert werden, die jedoch während des Aushärtens anfangen zu fließen, wodurch am oberen und unteren Lochrand eine dünne und im Lochzentrum eine dicke Schicht entsteht, wie oben beschrieben. Deshalb hat auch das Verfahren nach der JP-OS 27 647/1980 keine Einführung in die Praxis finden können.

Die DE-OS 28 11 150 beschreibt die Herstellung von Lochinnenwand-Oberflächen von Metallträgern, bei der die Lochwandungen des Metallträgers durch Ätzen erweitert wurden und anschließend durch eine elektrophoretisch aufgebrachte Kunststoffschicht bedeckt wurden. Aus der US-PS 43 21 290 ist bekannt, Kanten eines beschichteten Metallträgers mit einer Isolierstoffschicht nach einem elektrophoretischen Verfahren abzudecken.

In der Praxis hat es sich aber herausgestellt, daß die üblichen Harzmischungen zum elektrophoretischen Aufbringen auf die Innenwände von Löchern, wie sie für gedruckte Schaltungen üblich sind, ungeeignet sind. Trotz großen finanziellen und technischen Aufwandes zahlreicher Hersteller war es bisher nicht möglich, dieses Verfahren in die Produktion einzuführen. So waren weder das Haftvermögen der auf den Harzschichten in den Löchern abgeschiedenen Kupferschichten noch die Isolierwerte ausreichend.

In der DE-OS 29 33 251 ist ein Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Films auf einem stromleitenden Substrat für gedruckte Schaltungen offenbart, bei dem das stromleitende Substrat und eine entgegengesetzt geschaltete Elektrode in ein eine Beschichtungsmasse enthaltendes Bad eingetaucht werden, die auf dem Substrat abgeschieden wird. Die Beschichtungsmasse besteht dabei aus einem pigmententhaltenden feinteiligen synthetischen Harzpulver und einem mit Wasser verdünnbaren kationischen Harz. Als Pigment wird Titanoxid, Ruß und Siliziumdioxid verwendet. Inwieweit die so hergestellte Isolierschicht für eine gute Metallisierung insbesondere auch von Lochinnenwandungen und für eine gute Haftfestigkeit der abzuscheidenden Metallschicht geeignet ist, ist nicht offenbart.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Metallkern-Leiterplatten zu schaffen, bei dem durch Aufbringen einer Isolierschicht sowohl auf der Metalloberfläche als auch an den Lochinnenwandungen von Durchgangslöchern einerseits eine gute Isolierung gewährleistet wird und andererseits eine Oberfläche zur Verfügung gestellt wird, die eine gute Metallisierung ermöglicht und eine gute Haftfestigkeit der abzuscheidenden Metallschicht sicherstellt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Haftfestigkeit einer Metallschicht auf der elektrophoretisch auf der Lochinnenwand abgeschiedenen Harzschicht wird wesentlich verbessert, wenn dem Harzgemisch ein Füllstoff in fein verteilter Form zugegeben wird, und die Schicht nach dem Aushärten einem Verfahren zur Haftverbesserung unterzogen wird, wodurch die Füllstoffpartikel an der Oberfläche freigelegt werden und sich die abgeschiedene Metallschicht auf der rauhen Oberfläche verankern kann.

Nach dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird eine Metallplatte beidseitig mit einer Isolierstoffschicht überzogen und so eine Metallkern-Trägerplatte hergestellt. Falls gewünscht, kann auf die Isolierstoffoberfläche eine Kupferfolie auflaminiert werden. Entsprechend dem gewünschten Schaltungsmuster wird die Platte an bestimmten Punkten mit Löchern zur Herstellung von Verbindungen zwischen den einzelnen Schaltungsebenen versehen. Die freiliegenden Metalloberflächen der Lochinnenwände werden geätzt, so daß die Isolierstoffschichten am oberen und unteren Lochrand Überhänge bilden. Die Platte wird dann in eine Harzlösung getaucht und auf den geätzten Bereichen der Lochinnenwände elektrophoretisch eine Harzschicht abgeschieden.

Die Harzlösung enthält fein verteilt einen festen Füllstoff in einer Menge zwischen 1 und 25 Gew.-% der gehärteten Harzschicht, und vorzugsweise zwischen 3 und 10 Gew.-%; in jedem Fall aber in ausreichender Menge, um eine gute Haftfestigkeit der nachfolgend aufzubringenden Metallschicht zu gewährleisten, aber nicht so viel, daß die mechanischen oder isolierenden Eigenschaften der Harzschicht nachteilig beeinflußt werden. Der Füllstoff muß dem Harzgemisch angepaßt sein. So kommen für saure, kationische Harzlösungen Karbonate nicht in Frage; Kalziumkarbonat ist nur für anionische Harzlösungen ein geeigneter Füllstoff. Der Anteil an Salzen und anderen Verunreinigungen sollte in jedem Fall so gering wie möglich gehalten werden. Der Füllstoff wird gleichzeitig mit dem Harz auf den Lochinnenwänden niedergeschlagen.

Die isolierende Lochwandbeschichtung wird durch Hitze aufgeschmolzen und ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird die Oberfläche nach bekannten Verfahren hydrophil und mikroporös gemacht und anschließend mit einer Metallschicht versehen. Die beidseitig aufgebrachte Schaltung wird an bestimmten Punkten durch die Löcher mit den metallisierten Wandungen verbunden. Das Herstellen des Schaltungsmusters kann gleichzeitig mit der Lochwand-Metallisierung oder im Anschluß daran erfolgen.

Der Metallträger hat üblicherweise Plattenform und weist je nach Anwendung unterschiedliche Stärken auf. Soll die fertige Platte eine gewisse Biegsamkeit haben, kann das Metall eine Stärke von nur 0,1 mm aufweisen. Bei schweren Bauteilen, wie z. B. Transformatoren, können Metallplatten bis zu 3 mm Stärke oder mehr verwendet werden. Im allgemeinen liegt die bevorzugte Plattendicke zwischen 0,5 bis 1,3 mm.

Die Auswahl des Metalls richtet sich ebenfalls nach den Anwendungsbereichen. Aus Kostengründen wird häufig Stahl bevorzugt. Spielt das Gewicht eine Rolle, werden Platten aus Aluminium vorgezogen, das auch ein besserer Wärmeleiter ist und sich leichter bearbeiten läßt als Stahl. In manchen Fällen muß die Trägerplatte den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben wie keramische Schaltungen. Dann werden besondere Legierungen verwendet, wie beispielsweise einen Eisen/Nickel-Legierung mit 36% Nickel oder mit 42% Nickel.

Die elektrophoretisch abgeschiedene Harzschicht muß gute isolierende Eigenschaften und ausreichende Wärmestabilität aufweisen, um den Temperaturen beim Löten standzuhalten. Die Löttemperatur liegt im allgemeinen bei 288°C, kann aber bei manuellem Löten bis auf 425°C ansteigen, allerdings nur für kürzeste Zeitintervalle während des Kontaktes mit dem Lötkolben. Zusätzlich zu den guten isolierenden und thermischen Eigenschaften muß das Harzgemisch eine polare Oberfläche bilden, auf der Metallschichten festhaftend abgeschieden werden können.

Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich wärmeaushärtbare Harze, die beispielsweise aus den folgenden Gruppen ausgewählt werden können: Akryle, Alkyde, Epoxide, Epoxyakrylate, Polyester, Polyamidimide, Polyimide und Gemische davon. Es wird angenommen, daß sich für das Verfahren nach der Erfindung auch die folgenden thermoplastischen Harze eignen: Akrylate, Polysulfone, Polyätherätherketone, oder andere Thermoplaste und Gemische der genannten Harze.

Zu den für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Schichten, die elektrophoretisch abgeschieden werden, gehören autophoretisch abscheidbare. In der Autophorese erfolgt die Abscheidung chemisch durch Niederschlag aus einem Harzgemisch, das ein synthetisches Polymer enthält. Ein solches Harzgemisch enthält beispielsweise ein synthetisches Polymer, ein Fluorid und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Wasserstoffsuperoxid. Das Fluorid und das Oxidationsmittel oxidieren beispielsweise das Eisen der metallischen Unterlage zu Fe⁺⁺⁺-Ionen, die mit der Harzemulsion reagieren und eine Destabilisierung und damit die Abscheidung einer Harzschicht auf der Stahlunterlage bewirken. Nach dem Abscheiden wird die Harzschicht ausgehärtet.

Verfahren zur Haftverbesserung bestehen in der Regel aus einer chemischen oder aus einer Kombination von chemischer und elektrischer Behandlung. Derartige Verfahren gehören zum Stand der Technik. Zum Verbessern der Haftfestigkeit werden oxidierende Lösungen wie Permanganat-, Chromsäure-, Chromschwefelsäure- sowie Phosphorsäure-Lösungen verwendet. Eine Verbesserung der Haftfestigkeit kann ebenfalls durch Gasentladung erzielt werden, wobei das das Plasma enthaltende Gas je nach dem verwendeten Harz ausgewählt wird.

Es wurde festgestellt, daß es nicht möglich ist, nach dem bekannten Stand der Technik elektrophoretisch abgeschiedene Harzschichten einer geeigneten Behandlung zur Verbesserung der Haftfestigkeit zu unterziehen. Nach der Behandlung mit einem weniger aggressiven Verfahren zur Haftverbesserung weisen elektrophoretisch abgeschiedene, ausgehärtete Harzschichten keine ausreichende Haftfestigkeit für auf ihnen abzuscheidende Metallschichten auf. Auf der anderen Seite sind die Harzschichten so dünn, daß intensivere Behandlungen die Bindung des Harzes zur Metallschicht oder aber die Harzschicht selbst zerstören würde. Es stellte sich heraus, daß elektrophoretisch abgeschiedene Harzschichten von unter 12 µm für die erfolgreiche Behandlung zur Verbesserung der Haftfestigkeit zu dünn sind.

Durch den Ätzvorgang der metallischen Lochinnenwände weisen diese gewisse Unebenheiten oder kleine metallische Vorsprünge auf, so daß die elektrophoretisch aufgebrachte Harzschicht von 18 bis 30 µm oft nicht ausreichend ist. Die Harzmasse beginnt beim Aushärten zu fließen, so daß die Vorsprünge und/oder Unebenheiten nur mit einer sehr dünnen Harzschicht überzogen sind und bei der nachfolgenden Behandlung zur Haftverbesserung vollkommen freigelegt werden. Das führt zu Kurzschlüssen zwischen dem Kernmetall und der nachfolgend aufgebrachten Lochwandmetallisierung. Es ist deshalb vorteilhaft, wenn die Harzschicht vor dem Aushärten eine Dicke von mindestens 30 µm, vorzugsweise von 35 µm oder mehr aufweist.

Nach den bisher beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik konnte keine geeignete Lochwandmetallisierung erzielt werden. Wegen der mangelhaften Haftfestigkeit des für die stromlose Metallabscheidung erforderlichen Katalysators entstanden löchrige und ungleichmäßige Lochwandmetallisierungen, oder diese neigten wegen mangelhafter Haftfestigkeit zum Abblättern.

Überraschenderweise konnte festgestellt werden, daß durch Zugabe bestimmter, fein verteilter fester Füllstoffe zu der elektrophoretisch aufzubringenden Harzmasse die haftfeste Abscheidung von Metallniederschlägen auf der Harzschicht möglich ist.

Es wurde auch festgestellt, daß, obwohl Verfahren zur Haftverbesserung bei Harzsystemen ohne Füllstoff hydrophile Oberflächen erzeugen, eine ausreichende Haftfestigkeit nicht erzielt werden konnte. Es wird angenommen, daß bei der Behandlung zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Harzschichten, die Füllstoffe enthalten, diese freigelegt werden und so eine mikroporöse, hydrophile Oberfläche entsteht, auf der wesentlich bessere Haftfestigkeiten des abzuscheidenden Metalles erzielt werden.

Die für das Verfahren nach der Erfindung geeigneten Füllstoffe müssen die folgenden Eigeschaften aufweisen: 1) sie müssen in der Harzmischung suspendieren; 2) sie müssen zusammen mit der Harzmasse elektrophoretisch abgeschieden werden; 3) sie müssen für die nachfolgenden Behandlungsschritte geeignet sein; und 4) sie müssen zur Verstärkung des Harzgemisches beitragen. Darüber hinaus müssen sie gute Isoliereigenschaften aufweisen bzw. nur in so geringen Mengen zugesetzt werden, daß sie die isolierenden Eigenschaften des Harzgemisches nicht negativ beeinflussen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird der Füllstoffgehalt so gewählt, daß der Volumenwiderstand der mit dem Harzgemisch erzeugten Schicht größer ist als zur Isolierung des Metallkernes gegen die aufgebrachte Lochwandmetallisierung erforderlich, und möglichst den hierfür notwendigen Wert übersteigt; er sollte über 10⁴ Megohm-cm und vorzugsweise über 10⁵ Megohm-cm liegen.

Als Füllstoffe eignen sich beispielsweise Tone wie Kaolin, Magnesiumaluminiumsilikate, Montmorillonite und ähnliche modifizierte Tone wie Aminbentonite; anorganische Füllstoffe und Verstärkungsmittel wie Bariumsulfat, Zinkoxid, und Titandioxid. Weiterhin sind Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Silikate wie Talkum, Aluminiumsilikat, und Erden wie Panaminterde mit einem Gehalt an Silizium von 21 bis 35%, an Aluminium von 15 bis 28%, an Kalzium von 2 bis 3%, an Eisen von 1 bis 3%, an Magnesium, Natrium, Kalium, Lithium, Strontium und Kupfer von weniger als 2% brauchbar.

Die Füllstoffe werden in fein verteilter Form zugesetzt und haben eine Korngröße von 5 µm oder weniger; weniger als 0,5% dürfen auf einem Sieb mit der Maschenweite von 44 µm zurückbleiben. Noch besser für das Verfahren nach der Erfindung eignen sich Füllstoffe mit einer Partikelgröße von unter 1 µm, wobei weniger als 0,1% auf einem 44 µm Sieb zurückbleiben dürfen.

Die Haftfestigkeit der auf der ausgehärteten und haftverbesserten Lochwandschicht abgeschiedenen Metallschicht wird im sogenannten "tape"-Test ermittelt; beispielsweise beträgt die Abreißfestigkeit mindestens 0,1 N/mm. Bei einem so guten Wert sind Lufteinschlüsse zwischen der elektrophoretisch abgeschiedenen Harzschicht und der Metallschicht ausgeschlossen. Die dielektrische Durchschlagsspannung der erfindungsgemäßen Schichten beträgt mindestens 1000 V, vorzugsweise 2500 V und noch besser mehr als 5000 V.

Um die Dicke der elektrophoretisch abgeschiedenen Harzschicht zu erhöhen, kann die Temperatur der Harzlösung erhöht werden, der Lösung eine größere Menge eines geeigneten Lösungsmittels zugegeben werden, eine höhere Abscheidungsspannung angelegt oder die Spannung während des Abscheidungsvorganges erhöht werden; auch eine Kombination der genannten Verfahren kann zum Erzielen größerer Schichtdicken angewendet werden. Nach dem Aushärten soll die Schichtdicke mindestens 0,025 mm, vorzugsweise 0,035 bis 0,12 mm betragen. Als besonders geeignet hat sich eine Schichtdicke von 0,055 mm, gemessen nach dem Aushärten und vor der Behandlung zur Haftverbesserung, erwiesen. Ist die elektrophoretisch abgeschiedene Schicht zu dick, besteht die Gefahr, daß sie während des Ausheizens zu fließen beginnt, was eine ungleichmäßige Dicke der Lochwandbeschichtung zur Folge hat.

Je nach Art der Harzmischung kann diese entweder anodisch oder kathodisch abgeschieden werden, d. h., die Metallkern-Trägerplatte wird entweder als Anode oder als Kathode gepolt. Beim anaphoretischen Abscheiden besteht die Gefahr, daß Metallionen anodisch vom Metallkern gelöst werden und in die Harzschicht wandern und so deren Isolierungseigenschaften herabsetzen. Aus diesem Grund ist die kathaphoretische Abscheidung vorzuziehen.

Das gedruckte Schaltungsmuster kann auf der Isolierstoffoberfläche nach jedem der bekannten Verfahren aufgebracht werden, also z. B. subtraktiv, additiv oder semi-additiv oder auf andere Weise.

Die Verfahrensschrittfolge zum Herstellen gedruckter Schaltungen nach einem üblichen Verfahren ist nachstehend aufgeführt:

1) Nach dem Abscheiden einer Harzschicht auf den Lochinnenwänden, deren Aushärten und Behandeln zur Haftverbesserung wird die kupferkaschierte Metallkernplatte in einem handelsüblichen Reiniger gereinigt und die Lochwandungen mit einer auf die Metallabscheidung aus stromlos arbeitenden Bädern katalytisch wirkenden Lösung behandelt.
2) Nach dem Spülen wird Kupfer stromlos auf der Plattenoberfläche und auf den Lochinnenwänden abgeschieden. Dann wird auf die Oberfläche eine Negativmaske des gewünschten Schaltbildes aufgedruckt und Kupfer sowie eine Blei/Zinn-Legierung auf allen nicht abgedeckten Bezirken galvanisch abgeschieden. Nach dem Entfernen der Maskenschicht wird die Kupferfolie zwischen den Leiterzügen abgeätzt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen Fig. 1A bis 1E näher erläutert.

Die Fig. 1A bis 1E stellen die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen von gedruckten Schaltungen auf Metallkern-Trägerplatten dar.

Fig. 1A ist ein Querschnitt durch eine Metallkern-Trägerplatte, die beidseitig mit einem harzimprägnierten Gewebe (Prepreg) als innere Schicht und einer Kupferfolie als äußere Schicht versehen ist.

Fig. 1B zeigt den gleichen Querschnitt nach dem Anbringen eines Loches.

Fig. 1C zeigt den Querschnitt wie in Fig. 1B nach dem Ätzen der metallischen Lochinnenwand zum Vergrößern des ursprünglichen Lochdurchmessers.

Fig. 1D zeigt den Querschnitt wie in Fig. 1B und 1C nach dem elektrophoretischen Abscheiden einer Harzschicht auf den Lochinnenwänden.

Fig. 1E zeigt den Querschnitt wie in den Fig. 1B bis 1D nach der Lochwand-Metallisierung.

Für das in den Fig. 1A-1E dargestellte erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der gedruckten Schaltungen wird die Subtraktiv-Technik angewendet.

In Fig. 1A sind auf die Metallträgerplatte (10) beidseitig ein epoxyharzgetränktes Gewebe (12) ("Prepreg") sowie eine Kupferfolie (14) auflaminiert.

In Fig. 1B ist ein Loch (16) durch das Laminat gebohrt.

Fig. 1C zeigt die Lochinnenwand (18), die im Bereich des Metallkernes (10) um etwa 50 bis 100 µm abgeätzt wurde. Die zum Ätzen des Metalles verwendete Lösung sollte die Kupferfolie (14) auf der Oberfläche möglichst nicht angreifen; so wird beispielsweise eine beidseitig mit Kupferfolie beschichtete Aluminiumplatte mit einer Natriumhydroxid-Lösung geätzt. Muß zum Ätzen des Metalles jedoch eine Lösung verwendet werden, die auch die Kupferfolie angreifen kann, so muß diese während des Ätzvorganges mit einer ätzfesten Schicht abgedeckt werden. Als Alternative bietet sich elektrolytisches Ätzen an, bei dem der Metallkern als Anode geschaltet und ein passender Elektrolyt verwendet wird.

Nach dem Abätzen des Metalls (10) im Loch (16) wird die Platte in die erfindungsgemäße Harzlösung eingebracht und mit einer Spannung von zwischen 100 und 300 V auf der Lochinnenwand elektrophoretisch eine Harzschicht abgeschieden. Die Spannung wird nur an den Metallkern (10) gelegt, nicht aber an die Kupferfolie (14) auf der Plattenoberfläche. Dadurch wird Harz ausschließlich auf der Lochwand abgeschieden und die Kupferoberfläche (14) bleibt frei. Nach dem elektrophoretischen Abscheiden wird die Platte gespült, getrocknet und thermisch gehärtet.

In Fig. 1D ist die elektrophoretisch abgeschiedene Schicht (20) nach dem Aufschmelzen oder Aushärten dargestellt. Sie füllt den durch das Ätzen entstandenen Hohlraum aus. Zur Verbesserung der Haftfestigkeit wird die Oberfläche der Harzschicht (20) mikroporös und hydrophil gemacht und anschließend auf der so vorbehandelten Oberfläche nach bekannten Verfahren stromlos Kupfer abgeschieden. Der auf der Lochinnenwand und der Oberfläche der Kupferfolie (14) abgeschiedene Kupferfilm wird anschließend verstärkt. Eine Negativmaske des Schaltungsmusters wird aufgedruckt und auf den freiliegenden Oberflächen sowie den Lochinnenwänden wird galvanisch eine Metallschicht abgeschieden und so das Schaltungsmuster hergestellt.

Die Fig. 1E zeigt die Platte mit dem fertig metallisierten Loch, wobei die elektrophoretisch abgeschiedene Harzschicht (20) mit einer galvanisch aufgebrachten Kupferschicht (22) und einer ebenfalls galvanisch aufgebrachten Zinn/Blei-Schicht (24) überzogen ist. Die Zinn/Blei-Schicht (24) dient gleichzeitig als Ätzschutzschicht beim Abätzen der Kupferfolie (14) in den nicht von den Leiterzügen bedeckten Bereichen, die nach dem Entfernen der Maskenschicht freiliegen.

Beim Semi-Additiv-Verfahren wird grundsätzlich nach der gleichen Verfahrensschrittfolge vorgegangen mit dem Unterschied, daß die Metallkern-Trägerplatte keine Kupferfolienoberfläche aufweist, sondern eine Harzschicht verwendet wird, deren Oberfläche einer Behandlung zur Haftverbesserung und anschließender stromloser Metallabscheidung unterzogen werden kann. So wird bei der Lochwandmetallisierung gleichzeitig auf der Lochinnenwand und auf der Plattenoberfläche ein Metallfilm stromlos abgeschieden. Beim Volladditiv-Verfahren wird ähnlich vorgegangen.

Beispiel 1

Zu Vergleichszwecken wird je eine Harzschicht mit und ohne Füllstoff elektrophoretisch auf Aluminium-Trägerplatten abgeschieden und anschließend die Haftfestigkeit von auf diesen Harzschichten stromlos abgeschiedenem Metall getestet. Vor dem Aufbringen der Harzschicht wird die Aluminiumplatte entfettet, in einer alkalischen Lösung leicht geätzt, gespült und kurz in eine saure Lösung getaucht.

Zusammensetzung der für die Elektrophorese verwendeten Harzlösung

Die Mischung ohne Füllstoff nach dem Stand der Technik diente als Vergleichslösung. Das Verhältnis von Füllstoff zu Harz in der erfindungsgemäßen Lösung war 1 : 6. Die Harzschichten wurden kataphoretisch in Stahltanks abgeschieden, wobei die Stahltanks als Anode dienten. Die Behandlungsdauer betrug 2 Min. bei 125 V und einer Temperatur von 24,5°C. Nach dem Spülen und Lufttrocknen wurden die Schichten für 40 Min. bei 175°C ausgeheizt.

Die mit den Harzschichten überzogenen Aluminiumplatten wurden für 3 Min. in einer Vorbehandlungslösung bei 45°C behandelt, die die folgende Zusammensetzung hatte:

Chromtrioxid\|20 g
Schwefelsäure	600 ml
Phosphorsäure	100 ml
deionisiertes Wasser	300 ml
Benetzer	2 g

Nach dem Spülen wurden die Platten zur Haftverbesserung mit der folgenden Lösung behandelt:

Chromtrioxid\|900 g/l
Zeit	8 Min.
Temperatur	Raumtemperatur

Nach dem Neutralisieren in Natriummetabisulfit waren die Platten fertig für die stromlose Metallabscheidung. Hierzu wurden die Platten zunächst mit einem handelsüblichen Reiniger für 5 Min. bei 60°C behandelt, für 5 Min. in kaltem Wasser gespült, für 3 Min. bei Raumtemperatur mit einer Zinn(II)chlorid-Natriumchlorid-Lösung behandelt und anschließend für 5 Min. mit einer handelsüblichen Palladium-Zinn-Sensibilisierungslösung behandelt, 5 Min. mit kaltem Wasser gespült, 4 Min. bei Raumtemperatur in eine verdünnte Fluorborsäure-Lösung getaucht, 5 Min. in kaltem Wasser gespült und für 20 Min. bei 50°C in eine Lösung zum stromlosen Abscheiden von Kupfer gebracht, die die folgende Zusammensetzung hatte:

Kupfersulfatpentahydrat\|12,0 g/l
Äthylendiamintetra-2-propanol	15,4 g/l
Alkylphenoxypolyglycidil-phosphatester	0,16 g/l
Natriumcyanid	10,0 mg/l
Kaliumsulfid	1,0 mg/l
2-Merkaptobenzothiazol	0,1 mg/l
Formaldehyd (37%)	3,5 ml/l
Natriumhydroxid	8,4 g/l

Die Platte mit der füllstoffhaltigen Harzschicht wies eine glatte, fehler- und blasenfreie Schicht festhaftenden Kupfers auf. Die Platte ohne Füllstoff in der Harzschicht wies eine blasige, abblätternde Kupferschicht auf.

Beispiel 2

Aluminium-Platten wurden entsprechend Beispiel 1 vorbereitet, wobei der Füllstoffgehalt der Harzlösung, wie nachstehend beschrieben, variiert wurde:

Die weitere Behandlung wurde, wie im Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt und auch die Ergebnisse waren die gleichen wie dort. Alle auf den erfindungsgemäßen Harzschichten abgeschiedenen Kupferbeläge waren einwandfrei, ohne Blasen und wiesen eine gute Haftfestigkeit auf.

Beispiel 3

Die Vorbereitung der Trägerplatten, die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen füllstoffhaltigen Harzmischungen und die elektrophoretische Abscheidung erfolgten wie in Beispiel 1; es wurden nur andere Verfahren zum Verbessern der Haftfestigkeit untersucht. Anstelle der ersten, sauren Vorbehandlungs-Lösung aus Beispiel 1 wurden die folgenden Lösungen verwendet:

1) Phosphorsäure
50 ml/l
Benetzer (anionisches Fluorocarbon)	2 g/l
Zeit	1-15 Min.
Temperatur	25°C
2) Schwefelsäure	10% Lösung
Zeit	1-15 Min.
Temperatur	25-45°C
3) Schwefelsäure	600 ml
Phosphorsäure	100 ml
deionisiertes Wasser	300 ml
Benetzer (anionisches Fluorocarbon)	1-2 g
Zeit	15 Sek.-15 Min.
Temperatur	25-55°C

Mit Ausnahme der Lösung 2) folgte den Vorbehandlungen ein Spülschritt in fließendem Wasser, bevor die Platten in die oxidierende Lösung zur Verbesserung der Haftfestigkeit eingebracht wurden. Anstelle der oxidierenden Lösung aus Beispiel 1 wurde die folgende Lösung verwendet:

Chromtrioxid\|400 g
Phosphorsäure	50 ml
Schwefelsäure	100 ml
deionisiertes Wasser	700 ml
Benetzer (anionisches Fluorocarbon)	2 g
Temperatur	25-65°C
Zeit	2-20 Min.

Die Ergebnisse waren wieder sehr zufriedenstellend. Vergleichsversuche mit Platten mit einer füllstofffreien Harzschicht zeigten wieder blasige und abblätternde Kupferniederschläge.

Beispiel 4

Eine Metallkern-Trägerplatte wurde wie folgt hergestellt: auf eine Aluminiumplatte von 1 mm Stärke wurde beidseitig zunächst 0,2 mm Epoxi-Prepreg und darauf eine Kupferfolie auflaminiert. Die Trägerplatte wurde mit Löchern versehen und die freiliegenden Aluminiumoberflächen in den Löchern so weit weggeätzt, bis der Lochdurchmesser um 25 bis 35 µm vergrößert und ein zurückspringender Lochwandbereich (18, Fig. 1C) ausgebildet war. Als Ätzlösung diente eine wäßrige 15%ige Natriumhydroxid-Lösung. Der Bereich 18 der Lochinnenwand wurde elektrophoretisch mit der Harzmischung nach Beispiel 1 ausgefüllt. Die Platte wurde gespült und bei 175°C für 30 Min. im Ofen ausgehärtet. Alle Lochwandoberflächen waren mit einer porenfreien Harzschicht bedeckt.

Die so vorbereiteten Platten wurden der Behandlung zur Haftverbesserung entsprechend Beispiel 3 unterzogen, wobei zunächst die Lösung 3) aus Beispiel 3 bei 45°C und anschließend die oxidierende Lösung aus Beispiel 1 verwendet wurden. Dann wurde auf den Oberflächen stromlos Kupfer entsprechend Beispiel 1 abgeschieden. Eine dem Schaltungsmuster entsprechende Abdeckmaske wurde aufgebracht und auf den freiliegenden Bezirken der Kupferfolie und auf den Lochwänden Kupfer zum Aufbau der Leiterzüge in einer Stärke von 25 µm galvanisch abgeschieden. Darüber wurde eine 7 µm dicke Zinn/Blei-Schicht aufgebracht, die Abdeckmaske entfernt und das freiliegende Kupfer zwischen den Leiterzügen weggeätzt, wobei der Zinn/Blei-Überzug als Schutzschicht diente.

Die fertige Schaltungsplatte wurde durch Kontakt mit einer Lötzinn-Mischung von 288°C getestet. Weder Blasenbildung noch ein Ablösen der Leiterzüge oder der Lochwandmetallisierung konnten festgestellt werden. Der Widerstand zwischen den Leiterzügen und dem Aluminiumkern betrug mehr als 10¹⁰ Ohm.

Von einigen der Löcher der fertigen Platte wurden Metallschliffbilder hergestellt und diese untersucht. Die Kupferschicht auf den Lochwänden war vollständig, einheitlich, ohne Blasen und haftete gleichmäßig gut auf der elektrophoretisch abgeschiedenen Harzschicht nach der Erfindung. Das Verfahren wurde mit der Harzmischung entsprechend dem Stand der Technik, also ohne Füllstoff, wie in Beispiel 1 beschrieben, wiederholt. Der auf den Lochwänden abgeschiedene Kupferbelag zeigte Blasen und beim oben beschriebenen Löttest bei 288°C für 10 Sek. trennte sich die Kupferschicht von der auf der Lochwand abgeschiedenen Harzschicht ab.

Beispiel 5

Aus zwei Ausgangslösungen wurde eine elektrophoretische Harzlösung hergestellt:

Lösung I:
deionisiertes Wasser	7500 ml
Phosphorsäure	15,25 ml
Milchsäure	41,50 ml
Harz 5276A®	1188 g
Harz 5268®	92,70 g
Lösung II: @	deionisiertes Wasser	100 ml
Milchsäure	2,8 ml
Harz 5268®	24,2 g
Surfonyl Antischaummittel	0,8 g
Nr. 10 Ton	53,0 g
Äthylenglykolmonohexyläther	25,0 ml

Die elektrophoretische, füllstoffhaltige Harzlösung wurde durch Mischen beider Lösungen I und II und Verdünnen mit einem Liter deionisiertem Wasser hergestellt.

Auf eine Aluminiumplatte wurden beidseitig Epoxy-Prepregs auflaminiert und mit einer Haftvermittlerschicht aus Butadien-Akrylnitril-Gummi und Phenolharz bedeckt; die Harzschicht wurde ausgehärtet und mit der folgenden Lösung zur Haftverbesserung für 15 Min. bei 40°C behandelt:

Chromtrioxid\|40 g/l
Schwefelsäure	300 ml/l
Natriumfluorid	30 ml/l

Nach dem Neutralisieren in einer Natriummetabisulfit-Lösung wurde die Oberfläche der Haftvermittlerschicht für die Abscheidung aus stromlosen Verkupferungsbädern katalysiert und Kupfer stromlos abgeschieden.

Dann wurden Löcher gebohrt und die Lochwandbereiche aus Aluminium mit einer 20%igen Natriumhydroxid-Lösung bei 35°C für 20 Min. zurückgeätzt. Nach dem Spülen (8 Min.), Eintauchen in eine 15%ige Salzsäure-Lösung (1 Min.), erneutem Spülen (1 Min.) wurde die Platte in die einen Füllstoff enthaltende elektrophoretisch abscheidbare Harzlösung gebracht. Auf den Aluminiumoberflächen der Lochinnenwände wurde kataphoretisch eine Harzschicht abgeschieden bei 24°C mit langsam ansteigenden Spannungswerten wie folgt:

0-30 Sek.\|0-100 V
30 Sek.-2,5 Min.	100 V
2,5 Min.-4,5 Min.	125 V
4,5 Min.-12,5 Min.	150 V

Nach dem elektrophoretischen Aufbringen der Harzschicht auf die Lochinnenwand wurde die Platte gespült, im Luftstrom getrocknet und die Harzschicht bei 175°C für 1 Stunde ausgehärtet.

Die Oberfläche der Harzschicht wurde dann zur Verbesserung der Haftfestigkeit zunächst für 5 Min. in eine Mischung der Phosphor- und Schwefelsäure-Lösungen aus Beispiel 3 getaucht, und anschließend für 5 Min. in die oxidierende Lösung aus Beispiel 3. Die ausgehärtete Harzschicht auf den Lochwänden war 0,04 bis 0,045 mm dick.

Ein Schaltbild wurde nach dem Semi-Additiv-Verfahren auf der Platte hergestellt. Die Haftfestigkeit der Kupferschicht auf der Lochwand war völlig zufriedenstellend.

Beispiel 6

Wie in Beispiel 5 beschrieben, wurden aus zwei Lösungen elektrophoretisch abscheidbare Harzlösungen hergestellt, wobei die zweite Lösung aus den folgenden Zusammensetzungen ausgewählt wurde:

A. deionisiertes Wasser\|100,0 ml
Milchsäure	2,8 ml
Harz 5268®	24,2 g
Antischaummittel Surfonyl	0,8 g
Nr. 20 Ton (wasserhaltiges Aluminiumsilikat; Partikelgröße 0,75 µm)	53,0 g
Äthylenglykolmonohexyläther	25,0 ml
B. deionisiertes Wasser	100,0 ml
Milchsäure	2,8 ml
Harz 5268®	24,2 g
Antischaummittel Surfonyl	0,8 g
Nr. 40 Ton (wasserhaltiges Aluminiumsilikat; Partikelgröße 4,5 µm)	53,0 g
Äthylenglykolmonohexyläther	25,0 ml
C. deionisiertes Wasser	100,0 ml
Milchsäure	2,8 ml
Harz 5268®	24,2 g
Antischaummittel Surfonyl	0,8 g
amorphes Silikathydrat	53,0 g
Äthylenglykolmonohexyläther	25,0 ml
D. deionisiertes Wasser	100,0 ml
Milchsäure	2,8 ml
Harz 5268®	24,2 g
Antischaummittel Surfonyl	0,8 g
Zirkoniumsilikat	53,0 g
Äthylenglykolmonohexyläther	25,0 ml
E. deionisiertes Wasser	100,0 ml
Milchsäure	2,8 ml
Harz 5268®	24,2 g
Antischaummittel Surfonyl	0,8 g
Talkum (feiner Partikelgröße)	53,0 g
Äthylenglykolmonohexyläther	25,0 ml
F. deionisiertes Wasser	100,0 ml
Milchsäure	2,8 ml
Harz 5268®	24,2 g
Antischaummittel Surfonyl	0,8 g
Ruß	16,0 g
Nr. 10 Ton (wasserhaltiges Aluminiumsilikat)	37,0 g
Äthylenglykolmonohexyläther	25,0 ml

Jede der Lösungen A bis F wurde mit der ersten Lösung nach Beispiel 5 (Lösung I) gemischt und mit deionisiertem Wasser verdünnt und zum Herstellen der elektrophoretisch abgeschiedenen Harzschichten verwendet.

Prüfplatten wurden hergestellt und die Harzschichten auf den Lochinnenwänden abgeschieden und sodann einer Behandlung zur Haftverbesserung, entsprechend Beispiel 5, unterzogen. Dann wurde entsprechend Beispiel 1 stromlos Kupfer auf den Lochinnenwänden abgeschieden; der Kupferbelag wies eine glatte, fehlerfreie Oberfläche auf, die fest in der elektrophoretisch aufgebrachten Schicht verankert war.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Metallkern-Leiterplatten durch
- - Aufbringen einer oder mehrerer Isolierschichten auf die Metallträgerplatte
- - Elektrophoretisches Abscheiden einer isolierenden Kunststoffschicht in der Lochinnenwand und Härten der Schicht
- - Aufbringen einer Metallschicht auf der Lochinnenwand sowie von Leiterzügen auf der Oberfläche mittels an sich bekannter Verfahren,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der bei der elektrophoretischen Abscheidung verwendete Elektrotauchlack aus an sich bekannten Harzlösungen besteht, denen 3-10 Gew.-% (bezogen auf die gehärtete Kunststoffschicht) Füllstoff aus der Gruppe der Tone, Silizium, Aluminiumoxide, Silikate, Bariumsulfat, Zinkoxid und Titandioxid mit einer Teilchengröße von weniger als 1 µm zugesetzt werden, und
- - die abgeschiedene Kunststoffschicht mindestens eine Dicke von 25 µm, vorzugsweise 35 bis 120 µm, aufweist, und nach dem Aushärten einer an sich bekannten Behandlung zur Haftverbesserung unterzogen wird.