NL8700833A - Werkwijze voor het vervaardigen van een gedrukte bedradingspaneel. - Google Patents

Description

r k % .. v «i PHN 12.081 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken.

"Werkwijze voor het vervaardigen van een gedrukte bedradingspaneel".

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een gedrukte bedradingspaneel, waarbij op een elek trisch isolerend substraat patroonmatig een metaalkiemen bevattend mate riaal wordt aangebracht, welke metaalkiemen katalytisch werken op de vor 5 ming van een metaal in een stroomloos metalliseringsbad, waarna in een stroomloos metalliseringsbad een geleidende metaallaag wordt afgezet in het gewenste patroon.

In het Amerikaans octrooischrift US 4504529 is een werk wijze beschreven waarbij op xerografische wijze een diêlektrisch 10 poeder patroonmatig op een substraat wordt aangebracht en wordt gesensi tiseerd met een metaalverbinding om een stroomloze metallisering in het gewenste patroon mogelijk te maken. Een dergelijke xerografische werk wijze is vooral geschikt voor het aanbrengen van geleidende patronen op vlakke substraten.

15 De uitvinding beoogt een werkwijze te verschaffen, waar mee op eenvoudige wijze ook op niet-vlakke substraten gedrukte bedra dingspatronen kunnen worden vervaardigd. De uitvinding beoogt daarbij een werkwijze te verschaffen waarmee zeer smalle geleidende sporen kun nen worden vervaardigd, bijvoorbeeld met een breedte van minder dan 100 20 pm. De uitvinding beoogt tevens een geheel additief metalliseringsproces te verschaffen dat aan de gestelde voorwaarden voldoet.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan door een werkwijze zoals in de aanhef is beschreven, welke werkwijze verder is gekenmerkt, doordat het metaalkiemen bevattende materiaal een bekie 25 mingsvloeistof is welke in de vorm van druppels wordt aangebracht door middel van een spuitkop welke in het gewenste patroon ten opzichte van het substraat wordt verplaatst.

Met de uitdrukking metaalkiemen worden hier zowel metalli sche kiemen aangeduid als ook kiemen welke een metallische verbinding 30 bevatten. Dergelijke kiemen kunnen op bekende wijze worden gesensibili seerd voor het stroomloos metalliseren. Het metaalpatroon zal in het algemeen tot doel hebben om elektrische verbindingen te verschaffen, f r ΡΗΝ 12.081 2 maar kan daarnaast voor identificatiedoeleinden benut worden, bijvoor beeld in de vorm van alfanumerieke karakters.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding worden de druppels gevormd door pulsen van een piëzo 5 elektrisch element. Daarbij bedraagt de viscositeit van de bekiemings vloeistof bij voorkeur 0.5 tot 100 mPa.s.

Een inrichting met een beweegbare pièzoelektrische spuitkop is bijvoorbeeld bekend voor toepassingen in inktstraalafdruk eenheden. In het Amerikaanse octrooischrift US 4560584 is een soort 10 gelijke inrichting beschreven, welke wordt toegepast voor het aanbrengen van soldeerafschermlak op een gedrukte bedradingspaneel.

Om een sterke hechting te verkrijgen tussen het substraat en de patroonmatige metaallaag is het doelmatig dat de bekiemingsvloei stof een bindmiddel omvat, bijvoorbeeld door een op zich bekende lijm 15 toe te passen. Daarbij kan het noodzakelijk zijn om het oppervlak van de lijmlaag aan te etsen om de metaalkiemen toegankelijk te maken voor het stroomloze metalliseringsbad.

In een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding bestaan de metaalkiemen uit een organische metaalverbin 20 ding, bij voorkeur een organische metaalcomplexverbinding. Het is op zich bekend om dergelijke verbindingen voor dit doel toe te passen, zie bijvoorbeeld de gepubliceerde Europese octrooiaanvrage EP 166327, waarin een werkwijze wordt beschreven volgens welke een substraat volledig wordt bedekt met een metaallaag in een stroomloos metalliseringsbad, 25 waarna in een subtractief proces een geleiderpatroon wordt vervaardigd. In de genoemde Europese octrooiaanvrage worden ook middelen beschreven om dergelijke verbindingen te sensibiliseren.

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de werkwijze vol gens de uitvinding wordt de op het substraat aangebrachte bekiemings 30 vloeistof bestraald door middel van een lichtgeleider, bijvoorbeeld een optische glasvezel. De lichtgeleider is bij voorkeur in een vaste posi tie ten opzichte van de spuitkop geplaatst, bijvoorbeeld daaraan beves tigd. Door de toevoer van warmte kan de hechting met het substraat wor den verbeterd, door de toevoer van licht kunnen in bepaalde gevallen de 35 kiemen worden geactiveerd.

Voor toepassingen in niet-vlakke substraten, waarbij een soldeerproces bijvoorbeeld door laserlassen kan zijn vervangen en waar £ 'V c. f ·- :: -ξ r 5 PHN 12.081 3 bij voor of na het aanbrengen van het geleiderpatroon het substraat aan diverse vormgevingsprocessen kan worden onderworpen, is het doelmatig dat als substraataateriaal een thermoplastische kunststof wordt gekozen welke bestand is tegen een temperatuur van ten minste 180°c. Geschikte 5 substraatmaterialen voor de aangegeven doeleinden zijn bijvoorbeeld polyiaide, polyetheriaide, polyethersulfon, polysulfon en polyvinylideen sulfide, al dan niet met versterkende materialen zoals glasvezels.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding, waarbij een goede hechting tussen het substraat 10 en de geleidende metaallaag wordt verkregen, wordt het substraat voor het aanbrengen van de bekiemingsvloeistof op chemische wijze opgeruwd, bijvoorbeeld door de oppervlaktelaag te laten zwellen in een oplos aiddel.

In een alternatieve uitvoeringsvorm van de werkwijze 15 volgens de uitvinding wordt het substraat voor het aanbrengen van de bekiemingsvloeistof onderworpen aan een bestralingsbehandeling om het oppervlak hydrofiel te maken, waardoor de hechting tussen substraat en metaallaag wordt verbeterd. Geschikte op zich bekende bestralings behandelingen zijn een behandeling aet ultraviolet licht in ozon, een 20 plasmabehandeling en een coronabehandeling.

Desgewenst kan de in het stroomloze metalliseringsbad afgezette metaallaag galvanisch worden versterkt. De maatregelen van de verschillende voorkeursuitvoeringsvormen van de werkwijze volgens de uitvinding kunnen ook in combinatie met elkaar worden toegepast.

25 In het Amerikaanse octrooischrift US 4230788 is een werkwijze voor het vervaardigen van gedrukte bedradingspanelen beschre ven, waarbij een lichtgevoelig materiaal op het substraat wordt aange bracht, waarna door belichting via een masker in het gewenste patroon kiemen worden gevormd, welke katalytisch werken op de vorming van een 30 metaal in een stroomloos metalliseringsbad. Door de toepassing van een masker is deze werkwijze niet geschikt gebleken om zeer smalle metaal sporen, bijvoorbeeld met een breedte van ongeveer 100 pm, te vervaar digen.

In het Duitse octrooischrift DE 2319998 is een werkwijze 35 voor het vervaardigen van gedrukte bedradingspanelen beschreven, waarbij vloeibare metaaldruppels bij hoge temperatuur vanuit een beweegbare spuitkop op een substraat worden aangebracht. De bereikte spoorbreedte ii Γ ··, f- -· t / PHN 12.081 4 is niet vermeld, en door de hoge temperatuur van het gesmolten metaal is deze werkwijze minder geschikt om op thermoplastische substraten te wor den toegepast.

üitvoeringsvoorbeelden van de werkwijze volgens de 5 uitvinding worden toegelicht aan de hand van een tekening, waarin Figuur 1 een schematische langsdoorsnede is door een spuitkop met piëzoelektrisch element, geschikt voor toepassing in de werkwijze volgens de uitvinding,

Figuur 2 een schematische dwarsdoorsnede is door een 10 alternatieve spuitkop met piëzoelektrisch element, geschikt voor toepassing in de werkwijze volgens de uitvinding,

Figuur 3 de structuurformule is van de herhalingseenheid van een polyethersulfon, en waarin

Figuur 4 de structuurformule is van de herhalingseenheid 15 van een polyetherimide.

In Figuur 1 is in doorsnede een buisvormige spuitkop weer gegeven, welke een dunwandige glazen buis 10 en een daaromheen aange brachte piêzokeramische buis 13 omvat. De buiten- en binnenzijde van de piêzokeramische buis 13 zijn respectievelijk verbonden met elektri 20 sche aansluitdraden 14 en 15. Een uiteinde van de glazen buis 10 is door middel van een slang 16 verbonden met een niet in de figuur weergegeven voorraadvat waarin zich de bekiemingsvloeistof bevindt. Aan het andere uiteinde van de glazen buis 10 bevindt zich een glazen mondstuk 18 (dia meter van de opening bijvoorbeeld 0.08 mm), waaruit onder invloed van 25 door elektrische spanning in de piêzokeramische buis 13 opgewekte pulsen vloeistofdruppels 19 naar buiten spuiten met een snelheid van ongeveer 2 m/s en een frequentie welke waarden tot 10 kHz kan bedragen. De buisvormige spuitkop is vooral geschikt om te worden toegepast met vloeistoffen welke een viscositeit hebben welke groter is dan 5 mPa.s, 30 bij voorkeur tussen 20 en 30 mPa.s.

In Figuur 2 is in doorsnede een planaire spuitkop weer gegeven, welke een basislichaam 20 omvat, bijvoorbeeld uit staal, dat is voorzien van een drukkamer 21 welke is afgedekt met een membraan 22, bijvoorbeeld eveneens uit staal. Op het membraan 22 is een piëzokera 35 mische schijf 23 bevestigd, welke elektrisch is verbonden met aansluit draden 24 en 25. De drukkamer 21 is door middel van een slang 26 verbon den met een niet in de figuur getoond voorraadvat waarin zich de bekie f ? n : f: ~ \ * \ * * ’ PHN 12.081 5 t ingsvloeistof bevindt. De spuitkop is voorzien van een afdekplaat 27 iet daarin een opening 28 (diameter bijvoorbeeld 0.05 mm) waaruit onder invloed van door elektrische spanning in de piêzokeramische schijf 23 opgewekte pulsen vloeistofdruppels 29 naar buiten spuiten met een snel 5 heid van ongeveer 2 m/s en een frequentie welke waarden tot 10 kHz kan bedragen. Tussen het basislichaam 20 en de afdekplaat 27 bevindt zich een basislichaam 30 uit kunststof, dat is voorzien van een drukkanaal 31, dat de drukkamer 21 en de opening 28 met elkaar verbindt. De pla naire spuitkop is geschikt om te worden toegepast met vloeistoffen welke 10 een viscositeit hebben welke groter is dan 0.1 mPa.s.

Pitvoerincrsvoorbeeld 1.

Als substraatmateriaal voor het te vervaardigen gedrukte bedradingspaneel wordt volgens dit voorbeeld polyethersulfon toegepast.

15 Ander geschikte substraatmaterialen zijn polyetherimide, polyimide, poly sulfon en polyvinyleensulfide. Het substraatmateriaal kan in de vorm van een flexibele folie of een stijve plaat worden toegepast, en desgewenst zijn versterkt met behulp van vulstoffen zoals glasvezels. Het substraat kan ook een niet-vlakke, driedimensionale vorm vertonen.

20 De folie uit polyethersulfon, zie Figuur 3, bijvoorbeeld

O

van het type Victrex 300P, in de handel verkrijgbaar bij de firma ICI, wordt onderworpen aan een bestralingsbehandeling met ultraviolet licht in een ozonatmosfeer om het oppervlak hydrofiel te maken. Voor dit doel kan met goed resultaat ook een plasma- of een coronabehandeling 25 worden toegepast.

Vervolgens wordt het oppervlak van de folie opgeruwd door deze gedurende 5 seconden in een mengsel van 80 gewichts % dimethylfor amide en 20 gewichts % isopropanol te dompelen en vervolgens te spoelen et water en verdund zoutzuur (10 volume %).

30 Met behulp van een buisvormige spuitkop, zie figuur 1, wordt in het gewenste patroon kiemvloeistof op de folie aangebracht, waartoe de spuitkop in een geautomatiseerd proces, bijvoorbeeld door een computer gestuurd, ten opzichte van het oppervlak van de folie wordt ver plaatst. Voor het vervaardigen van een gedrukte bedradingspatroon op een 35 niet-vlak substraat moet de spuitkop in drie onafhankelijke richtingen kunnen worden verplaatst en kan het nodig zijn dat de spuitkop draaibaar is opgesteld om ook de spuitrichting te kunnen wijzigen.

τ #

V

ΡΗΝ 12.081 6

De bekiemingsvloeistof welke volgens dit voorbeeld wordt toegepast, bevat 4.5 gram palladium(II)chloride, 100 gram tin(II)chlo ride en 500 ml zoutzuur (36 %) per liter water. Aan deze vloeistof is 50 volume % ethyleenglycol toegevoegd om de viscositeit enigszins te verho 5 gen. Een andere geschikte bekiemingsvloeistof, welke dezelfde componen ten bevat, is MetexR activator 9070M, in de handel verkrijgbaar bij de firma MacDermid.

De folie wordt behandeld met een 10 gewichts % oplossing van formaldehyde in loog (1 N NaOH), waardoor de kiemen geactiveerd wor 10 den. Vervolgens wordt in 30 minuten een laag koper met een dikte van 2 ijm afgezet in een stroomloos verkoperbad met de volgende samenstelling: 0.3 M koper(II)nitraat, 0.05 M van het tetranatriumzout van ethyleendi aminetetraazijnzuur, 0.05 M natriumhydroxyde en 0.06 M formaldehyde.

Voor dit doel kan bijvoorbeeld ook het koperbad Metex1* 9027, in de 15 handel verkrijgbaar bij de firma MacDermid, worden toegepast.

Voor het verkrijgen van een goede hechting wordt de folie gedurende 2 uur bij een temperatuur van 100°C gedroogd. Vervolgens wor den de geleidersporen versterkt in een galvanisch proces, bijvoorbeeld met koper tot een laagdikte van 30 pm. In de plaats van koper, of aanvul 20 lend daarop, kan desgewenst ook nikkel worden aangebracht, zowel galva nisch als stroomloos. Een toplaag uit nikkel is bijzonder geschikt wan neer elektrische componenten door middel van laserlassen moeten worden bevestigd, wat bijvoorbeeld bij een niet-vlak substraat het geval kan zijn. Omdat polyethersulfon transparant is, is het mogelijk om de las 25 plaats door het substraat heen te bestralen.

Pitvoeringsvoorbeeld 2.

Een folie uit polyetherimide met 20 gewichts % glas

O

vezels, zie Figuur 4, bijvoorbeeld van het type UItem 2200, m de 30 handel verkrijgbaar bij de firma General Electric Company, wordt onder worpen aan een coronabehandeling om het oppervlak hydrofiel te maken. In de plaats van een coronabehandeling kan ook een behandeling met een oxi derend zuur, bijvoorbeeld een mengsel van salpeterzuur en fluorwaterstof zuur, voor dat doel worden toegepast.

35 Vervolgens wordt het oppervlak van de folie opgeruwd door deze gedurende 10 seconden in dichloormethaan te dompelen en vervolgens te spoelen met water en verdund zoutzuur (10 volume %).

1 . ’· i' Λ PHN 12.081 7

Met behulp van een plenaire spuitkop, zie Figuur 2, wordt in het gewenste patroon kiemvloeistof op de folie aangebracht, zie voor beeld 1. De bekiemingsvloeistof welke volgens dit voorbeeld wordt toege past, is een zuurvrije, colloidale koperoplossing welke 1 tot 2 gram 5 koper per liter bevat. Een geschikte bekiemingsvloeistof van dit type is RonacatR Catalyst M, in de handel verkrijgbaar bij de firma Leo Ronal.

De folie wordt behandeld met een 10 gewichts % oplossing van formaldehyde in loog, waardoor de kiemen geactiveerd worden. Vervol gens wordt een laag koper met een dikte van 30 pm afgezet in een stroom 10 loos verkoperbad, bijvoorbeeld in RonadepR 100, in de handel verkrijg baar bij de firma Deo Ronal.

Vervolgens wordt de folie gedroogd, zoals aangegeven in het voorbeeld 1. Desgewenst kan op bekende wijze op de koperlaag nog een nikkel- of tinlaag worden afgezet ter bescherming. Ook ander metalen, 15 zoals goud, kunnen worden toegepast.

Uitvoerinqsvoorbeeld 3.

Een folie uit ongevuld polysulfon, bijvoorbeeld van het type UdelR 1700, in de handel verkrijgbaar bij de firma Union Carbide, 20 wordt onderworpen aan een coronabehandeling om het oppervlak hydrofiel te maken.

Met behulp van een buisvormige spuitkop, zie voorbeeld 1, wordt in het gewenste patroon kiemvloeistof op de folie aangebracht. De kiemvloeistof bestaat volgens dit voorbeeld uit een colloidaal mengsel 25 van tin en palladium, waaraan als bindmiddel 5 gewichts % van een acry laathars is toegevoegd. Andere geschikte bindmiddelen zijn bijvoorbeeld acetaat-butyraatharsen, celluloseacetaat, polyester en materialen met dezelfde samenstelling als het thermoplastische subtraat.

Na te zijn gedroogd wordt de lijmlaag (bindmiddel met 30 metaalkiemen) geopend om de metaalkiemen toegankelijk te maken, bijvoor beeld door aanetsen met een basische oplossing van Mn02. Vervolgens worden de metaalkiemen geactiveerd, bijvoorbeeld met een basische oplos sing van formaldehyde.

Vervolgens wordt bij 50°C in 10 uur een 30 pm dikke 35 koperlaag afgezet, waarna het gedrukte bedradingspaneel wordt gedroogd en desgewenst wordt voorzien van aanvullende metaallagen.

Na mechanische bewerkingen zoals boren en frezen, worden r ' - "r '

f · i V

ΡΗΝ 12.081 8 τ aansluitdraadloze elektrische componenten op het gedrukte bedradings paneel aangebracht. Met behulp van een soldeerpasta worden de componen ten gesoldeerd bij een temperatuur van 215°C, waarna kan worden vast gesteld dat de hechting van de koperlaag op het substraat nog voldoende 5 sterk is.

Uitvoerinasvoorbeeld 4.

Volgens dit voorbeeld wordt gewerkt zoals in voorbeeld 3, met dit verschil, dat in plaats van metallische tin- en palladiumkiemen 10 een organische palladiumverbinding wordt toegepast, bijvoorbeeld 4-cyclo hexeen-1,2-dicarbonzuurimide-palladium(II)chloride. Dergelijke verbindin gen zijn bijvoorbeeld beschreven in de gepubliceerde Europese octrooi aanvrage EP 166327. Na het openen van de lijmlaag wordt de organische palladiumverbinding ontleed onder vorming van metallisch palladium. Een 15 dergelijke reductie kan worden uitgevoerd met een vloeibaar of dampvor mig reductiemiddel, bijvoorbeeld formaldehyde, of onder invloed van be straling met ultraviolet licht.

Met de werkwijze volgens de uitvinding is het mogelijk 20 om in een schoon en eenvoudig proces gedrukte bedradingspanelen te vervaardigen met een hoge mate van betrouwbaarheid. Zeer smalle metaalsporen, bijvoorbeeld tot 70 um, kunnen worden vervaardigd. Omdat daarnaast ook niet-vlakke substraten kunnen worden toegepast, is het mogelijk om een zeer grote pakkingsdichtheid te verkrijgen, waarbij het 25 substraat elektrische en mechanische functies in zich verenigt, en bijvoorbeeld een deel van de omhulling van een apparaat kan vormen.

p. s.T /*, trr 9· - : f* ·> ^ ·* - 4 · · Λ -* V ·

Claims (10)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een gedrukte bedra dingspaneel, waarbij op een elektrisch isolerend substraat patroonmatig een metaalkiemen bevattend materiaal wordt aangebracht, welke metaal kiemen katalytisch werken op de vorming van een metaal in een stroomloos 5 metalliseringsbad, waarna in een stroomloos metalliseringsbad een gelei dende metaallaag wordt afgezet in het gewenste patroon, met het kenmerk, dat het metaalkiemen bevattende materiaal een bekiemingsvloeistof is welke in de vorm van druppels wordt aangebracht door middel van een spuitkop welke in het gewenste patroon ten opzichte van het substraat 10 wordt verplaatst.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de druppels worden gevormd door pulsen van een piêzoelektrisch element.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de viscositeit van de bekiemingsvloeistof 0.5 tot 100 mPa.s bedraagt.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bekiemingsvloeistof een bindmiddel omvat.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de metaalkiemen bestaan uit een organische metaalverbinding, bij voorkeur een organische metaalcomplexverbinding.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de op het substraat aangebrachte bekiemingsvloeistof wordt bestraald door middel van een lichtgeleider.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat als substraatmateriaal een thermoplastische kunststof wordt gekozen welke 25 bestand is tegen een temperatuur van ten minste 180°C.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het substraat voor het aanbrengen van de bekiemingsvloeistof op chemische wijze wordt opgeruwd.

9. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het 30 substraat voor het aanbrengen van de bekiemingsvloeistof wordt onder worpen aan een bestralingsbehandeling om het oppervlak hydrofiel te i maken.

10. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de in het stroomloze metalliseringsbad afgezette metaallaag galvanisch wordt 35 versterkt. P f: ;