DE69605056T2

DE69605056T2 - Lötstopmaske zur herstellung gedruckter schaltungen

Info

Publication number: DE69605056T2
Application number: DE69605056T
Authority: DE
Inventors: James Paulus
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1995-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: EP0867106B1; TW358322B; US5626774A; JP2000501892A; EP0867106A2; MX9804234A; WO1997022235A2; KR19990072084A; AU1413497A; WO1997022235A3; CA2239031A1; DE69605056D1; KR100437069B1

Description

Lötstoppmaske zur Herstellung gedruckter Schaltungen

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Herstellung gedruckter Schaltungen, die in vielen elektronischen Anwendungen benutzt werden. Spezieller betrifft die Erfindung eine verbesserte Lötstoppmaske für solche Schaltungsplatinen, welche Epoxyharze oder andere Materialien mit überlegener physikalischer und elektrischer Leistung verwenden. Die Lötstoppmaske wird durch eine neue Methode aufgebracht, die eine beschichtete Kupferfolie verwendet.
Eine Lötstoppmaske (auch als "Lötresist" bezeichnet) ist als ein Überzug definiert, der verwendet wird, um bestimmte Bereiche einer gedruckten Schaltung während des Lötens von Verbindungen zu der Schaltungsplatine zu schützen (maskieren). Die Funktionen eines Lötresists sind in Printed Circuits Handbook, Clyde F. Coombs jr., Herausgeber, 3. Auflage, McGraw-Hill, 1988 zusammengefaßt. Da die Lötstoppmaske das meiste der anderen Oberflächen der Schaltungsplatine bedeckt, dient sie dazu, die Schaltung zu schützen und eine elektrische Isolierung zu liefern. Da viel von der gedruckten Schaltung bedeckt wird, wird nur ein kleiner Bereich der Schaltung dem Lötmittel ausgesetzt. Daher wird weniger Lötmittel verwendet, und die Möglichkeit einer Lötmittelüberbrückung über den Schaltungslinien mit anderen Merkmalen wird reduziert. Auch die Überführung von Verunreinigungen in den Lötmittelbehälter aus der Schaltungsplatine wird minimiert. Schließlich vermindert die Lötstoppmaske dendritisches Wachstum der Kupferelemente auf der Schaltungsplatine.
Die vorliegende Erfindung ist auf verbesserte permanente Lötstoppmasken gerichtet, die bei der Verwendung auf der Schaltungsplatine verbleiben. Im Gegensatz dazu werden zweitweilige Lötstoppmasken aufgebracht und später während des Herstellungsverfahrens für die gedruckte Schaltung entfernt. Zwei allgemeine Typen von permanenten Lötstoppmasken sind bekannt - flüssige und Trockenfilmtypen. Trockenfilme werden auf der Schaltungsplatine aufgelegt, und, obwohl ihre Leistung in vielerlei Hinsicht gegenüber Filmen, die in flüssiger Form aufgebracht werden, besser ist, sind sie teurer und können, da sie feste Filme sind, keinen vollständigen Kontakt mit den Kupferschaltungsmerkmalen und dem darunterliegenden isolierenden Substrat (z. B. glasverstärktem Epoxyharz) erzielen. Als Flüssigkeiten, wie durch Siebdruck usw., aufgebrachte Resiste erzeugen einen vollständigen Kontakt mit den Schaltungsmerkmalen und der Platine, doch sie können Löcher eher füllen als bedecken, und sie sind nicht in der Lage, genau zwischen den Schaltungsmerkmalen, die dem Lötmittel ausgesetzt werden sollen, zu unterscheiden. Allgemein liefern flüssige Filme keine gleichmäßige Dicke, und folglich ist der elektrische Widerstand auch nicht so gleichmäßig wie erwünscht wäre.
Ein beiden Typen herkömmlicher Lötstoppmasken gemeinsames Problem ist, daß sie allgemein eine niedrige Glasübergangstemperatur (Tg) haben und nicht so robust wie die typischen Epoxyharze sind, welche für Schaltungsplatinen benutzt werden. Auch sind sie oftmals nicht feuerbeständig, so daß in der Schaltungsplatine größere Mengen von feuerbeständigmachenden Mitteln erforderlich sind, um Underwriters' Laboratories-Standards zu genügen. Idealerweise sollten herkömmliche Lötstoppmasken Matrialien durch verschiedene Materialien ersetzt werden, die ein höheres Tg, bessere chemische und thermische Beständigkeit und verbesserte Brennbeständigkeit haben und leichter zu verarbeiten sind. Der Erfinder bemühte sich um und fand eine verbesserte Methode zur Aufbringung einer Lötstoppmaske, was nachfolgend beschrieben ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Nach einen Aspekt ist die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Lötstoppmaske auf der Oberfläche einer Platine für eine gedruckte Schaltung. Ein Kupferfolienbogen mit wenigstens einer Schicht von teilgehärtetem (d. h. B-eingestuftem) hitzehärtbarem Harz, vorzugsweise einem Epoxyharz, wird auf die Schaltung auf der Oberfläche der Platine für die gedruckte Schaltung aufgebracht. Die Harzschicht füllt die Räume zwischen den Schaltungsmerkmalen und hinterläßt eine Schicht von Harz über den Schaltungsmerkmalen, die als die Lötstoppmaske dient. Sodann wird ein Ätzresist auf der Oberfläche der Kupferfolie aufgebracht und bildweise belichtet. Die ungehärteten Bereiche des Ätzresists werden mit Lösungsmitteln entfernt, so daß bestimmte Kupferbereiche über den Stellen, wo später Lötmittelverbindungen hergestellt werden, freigelegt werden. Das freigelegte Kupfer wird weggeätzt und hinterläßt die freigelegte Harzschicht. Jenes Harz wird durch Abschmelztechniken, wie mit Plasma oder Laser, entfernt, um die Kupferschaltungsmerkmale freizulegen, zu welchen eine Lötverbindung hergestellt wird. Der restliche Ätzresist wird mit Ätzalkali entfernt und legt die restliche Kupferfolienschicht frei, welche unter Hinterlassung der Harzschicht als eine Lötstoppmaske weggeätzt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kupferfolie mit vollständig gehärteter (d. h. C-eingestufter) Schicht eines Epoxyharzes nächst der Kupferoberfläche versehen, und die erste Schicht wird mit einer zweiten Schicht eines Epoxyharzes überzogen, die teilweise gehärtet ist (d. h. B-eingestuft). In einer alternativen Ausführungsform hat die Kupferfolie nur eine einzelne Schicht eines Harzes, welches in der Lage ist, die Funktionen beider Schichten von Epoxyharz, wie beschrieben, auszuführen.
Nach einem anderen Aspekt ist die Erfindung eine Lötstoppmaske für eine gedruckte Schaltung, welche auf einer solchen Schaltungsplatine unter Verwendung der obenbeschriebenen Methode abgeschieden wurde.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 bis Fig. 3 erläutern das Verfahren zur Bildung einer Lötstoppmaske nach der Erfindung.
Fig. 1 A und Fig. 1 B erläutern die Aufbringung einer beschichteten Folie auf einer gedruckten Schaltungsplatine.
Fig. 2A und Fig. 2B erläutern die Entfernung ausgewählter Bereiche der Kupferfolie und des Harzes, um die Schaltungselemente freizulegen.
Fig. 3A und Fig. 3B erläutern die Entfernung der restlichen Kupferfolie unter Hinterlassung einer Lötstoppmaske.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Lötstoppmasken sind Materialschichten, die auf einer Oberfläche einer Platine für eine gedruckte Schaltung aufgebracht werden, die aber bestimmte Schaltungsmerkmale freilegen, zu welchen Lötverbindungen hergestellt werden sollen. Wie oben diskutiert, dienen sie dazu, die Schaltung während des Lötens zu schützen, und können permanent an ihrer Stelle bleiben, um die Schaltung während ihrer Verwendung zu schützen. Derzeitige Materialien sind jedoch schlechter für permanente Verwendung, und verbesserte Materialien sind erwünscht. Epoxyharze würden die erwünschten physikalischen und elektrischen Eigenschaften liefern, doch ist ihre Anwendung unpraktisch. Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Aufbringung von Epoxy- oder anderen hitzehärtbaren Harzen als Lötstoppmasken. Sie wird am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.
Die Fig. 1A und 1B erläutern die Aufbringung einer Kupferfolie 24, die mit hitzehärtbarem Harz (nachfolgend als das bevorzugte Epoxyharz bezeichnet) beschichtet ist, auf der Oberfläche einer typischen vierschichtigen Platine für eine gedruckte Schaltung 10 (PCB). Die Herstellung des PCB begann mit dem Ätzen von Schaltungen 12 auf beiden Seiten eines mit Glasgewebe verstärkten Epoxyharzes 14, das auf die Außenschichten von Kupferfolie auflaminiert ist. Diese inneren Schaltungen werden mit einem zweiten Satz von Schaltungen 18 durch verdeckte Leitungen 16 verbunden gezeigt.
Der zweite Satz von Schaltungen 18 wurde aus einer glasfaserverstärkten Epoxyharzschicht 20 mit einer Kupferfolienschicht auf einer Fläche geätzt. Die glasfaserverstärkte Harzschicht dient dazu, die beiden Schaltungsschichten zu isolieren und voneinander zu trennen, und gleichzeitig auch als ein Klebstoff zwischen ihnen. Eine elektrische Verbindung 22 durch die vierschichtige PCB zwischen den beiden Außenschichten ist auch gezeigt. In den Figuren ist die Kupferfolie 24 mit zwei Epoxyharzschichten 26 und 28 beschichtet gezeigt, eine bevorzugte Konstruktion für die Erfindung, welche in weiteren Einzelheiten beschrieben werden wird. Die innere Schicht 26 ist vorzugsweise im wesentlichen vollständig gehärtet (C-eingestuft), so daß sie als eine gleichmäßige Schutzschicht auf der Schaltungsplatine dient, nachdem das Kupfer entfernt wurde. Die Außenschicht 28 ist teilweise gehärtet (B-eingestuft), so daß sie frei bleibt, um um die erhabenen Schaltungsmerkmale zu fließen und als ein Klebstoff zu dienen. Wenn alternativ eine einzelne Harzschicht verwendet wird, muß sie beiden Funktionen dienen. In jedem Fall werden die beschichtete Kupferfolie und die vierschichtige Schaltungsplatine von Fig. 1A unter Verwendung von Hitze und Druck laminiert und ergeben das in Fig. 1B gezeigte Laminat. Typischerweise werden mit Epoxyharzen etwa 150 bis 180 ºC und 100 bis 400 psig (689 bis 2758 kPa Überdruck) benötigt.
Die Lötstoppmaske ist eine Schicht 26. Es ist jedoch erforderlich, die erwünschten Schaltungsmerkmale freizulegen, wo Lötverbindung hergestellt wird, und die restliche Kupferfolie muß entfernt werden. Zugang zu dem Schaltungsmerkmal erhält man durch Wegätzen des Kupfers an der erwünschten Stelle, wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist. Die Oberfläche der Kupferfolie 24 ist mit einer Ätzresistschicht 30 bedeckt. Typische Materialien sind bildweise belichtbare Klebstoffilme, die durch eine Laminierstufe mit einer Quetschwalze aufgebracht werden. Der Ätzresist 30 wird unter Verwendung einer Maske lichtgehärtet, welche nur Zugang zu dem Bereich erlaubt, um unbelichtet zu bleiben, wie in Fig. 2A gezeigt ist. So wird, wenn unbelichteter (ungehärteter) Ätzresist in Kontakt mit einem geeigneten Lösungsmittel, wie Natriumcarbonatlösung, gebracht wird, die darunterliegende Epoxyharzschicht 26 freigelegt, während die restliche Kupferschicht 24 durch den gehärteten Bereich des Ätzresists 30 geschützt wird.
Das darunterliegende Epoxyharz 26 kann nun mit Hilfe von Plasmaabschmelzen entfernt werden, wie in Fig. 3A gezeigt wird, obwohl auch andere Methoden, wie mit UV- Laser oder IR-Laser, möglich sind. An diesem Punkt in dem Verfahren wurden die Schaltungsmerkmale 32A und 32B, die gelötet werden, freigelegt. Es verbleibt, den gehärteten Ätzresist 30 (nicht in Fig. 3A gezeigt) und die restliche Kupferfolie 24 zu entfernen. Zunächst wird der Ätzresist mit geeigneten Lösungsmitteln, wie Kaliumhydroxidlösungen, wie in Fig. 3A gezeigt, entfernt. Sodann kann das freigelegte Kupfer 24 durch Ätzen entfernt werden, was die voll gehärtete Epoxyharzschicht als eine permanente Lötstoppmaske auf der Oberfläche der PCB hinterläßt, wie in Fig. 3B gezeigt ist. In dieser Ätzstufe kann das freigelegte Schaltungsmerkmal gegen die Ätzlösung durch einen temporären Überzug, welcher später entfernt wird, geschützt werden.

Beschichtete Kupferfolie

Für die Herstellung von PCBs verwendete Kupferfolie ist typischerweise 35 um dick, obwohl auch dünnere und dickere Folien verwendet werden. Solche Folien werden gewöhnlich durch galvanische Metallabscheidung aus einer Kupferlösung auf einer rotierenden Metalltrommel erzeugt. Die Folie wird von der Trommel entfernt und behandelt, um ihre Oberflächen zu schützen und das Anhaften an Harzsubstraten zu verbessern. Die auf der Kupferfolie aufgebrachte Beschichtung oder Beschichtungen können von verschiedenem Typ sein, doch vorzugsweise werden sie hitzehärtbare Harze, wie Epoxyharze, sein, da sie gute elektrische Eigenschaften und thermische Beständigkeit haben. Im allgemeinen sollten die Überzüge geeigneten Schutz gegen Löten bieten, wie oben diskutiert, und dazu dienen, die fertige PCB in ihrer normalen Arbeit zu schützen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Schicht ein vollständig gehärtetes (C-eingestuftes) Epoxyharz sein, während die zweite Schicht ein teilweise gehärtetes (B-eingestuftes) Epoxyharz sein wird, das in der Lage ist, unter Wärme und Druck zu fließen und die freigelegten Schaltungsmerkmale einzukapseln. Eine einzelne Schicht kann verwendet werden, die in der Lage ist, die Funktionen beider Schichtsysteme zu ergeben.
Epoxyharzformulierungen können unter jenen ausgewählt werden, die auf dem PCB- Gebiet eingesetzt werden, da sie allgemein mit den glasfaserverstärkten Epoxysubstraten verträglich sind, auf welchen die Schaltungsmerkmale gebildet werden. Typischerweise werden Epoxyharze mit Kettenverlängerern, Härtungsmitteln, Katalysatoren, Additiven und Lösungsmitteln vereinigt, um ein Epoxyharz zu erzeugen, welches verwendet werden kann, um Kupferfolie zu beschichten. Je nach dem erforderlichen Härtungsgrad wird die beschichtete Folie auf eine Temperatur von etwa 130 bis 160ºC erhitzt, um die Lösungsmittel auszutreiben und die Epoxidgruppen dazu zu bringen, zu polymerisieren oder zu härten. Dieses Verfahren wird zweimal ausgeführt, wenn zwei Schichten auf der Folie abgeschieden werden sollen, oder stattdessen kann die zweite Schicht teilweise auf einem getrennten Trägerbogen gehärtet und später auf die Kupferfolie auflaminiert werden, welche eine erste Harzbeschichtung ergab.
Stattdessen können auch andere Harze verwendet werden. Vorzugsweise bilden sie hitzehärtbare Filme, wie Polyimid- oder Cyanatesterharze. Eine andere mögliche Variation ist, ein hitzehärtbares Harz für die erste Schicht und eine thermoplastische Zusammensetzung für die zweite Schicht zu verwenden, da diese um die Schaltungsmerkmale fließen und als ein Klebstoff dienen muß.

Claims

1. Verfahren zur Bildung einer Lötstopmaske auf der Oberfläche einer Platine für eine gedruckte Schaltung, bei dem man

a) auf dieser Oberfläche einen Kupferfolienbogen mit einer Schicht von teilgehärtetem hitzehärtbarem Harz auf einer Oberfläche der Folie in solcher Anordnung, daß die Harzschicht zwischen der Kupferfolie und der Schaltungsplatinenoberfläche ist, aufbringt und die gegenüberliegende Seite der Kupferfolie frei läßt,

b) einen Ätzresist auf der freiliegenden Oberfläche der Kupferfolie aufbringt,

c) Bereiche des Ätzresists bildweise belichtet und ungehärtete Bereiche des Ätzresists unter Zurücklassung freigelegter Kupferbereiche entfernt,

d) die in (c) freigelegten Kupferbereiche wegätzt und dabei die Harzschicht von (a) freigelegt läßt,

e) die freigelegte Harzschicht von (d) entfernt, um ein Schaltungsmerkmal, das gelötet werden soll, freizulegen,

f) den gehärteten Ätzresist mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt und

g) die restliche Kupferfolie ätzt und das ungehärtete Harz als eine Lötstoppmaske freilegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das hitzehärtbare Harz ein Epoxyharz ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kupferfolienbogen eine erste Schicht von vollständig gehärtetem hitzehärtbarem Harz, das auf einer Oberfläche der Kupferfolie angeordnet ist, hat und die teilgehärtete hitzehärtbare Harzschicht über dieser ersten Schicht angeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kupferfolienbogen eine erste Schicht eines vollständig gehärteten hitzehärtbaren Harzes, die auf einer Oberfläche der Kupferfolie angeordnet ist, und eine thermoplastische Schicht, die über dieser ersten Schicht angeordnet ist, hat.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kupferfolienbogen eine einzelne Schicht eines teilgehärteten hitzehärtbaren Harzes hat, die auf einer Oberfläche der Kupferfolie angeordnet ist.