SE440844B - Sett och anordning for tillverkning av tryckta kretsar - Google Patents

Description

a) trycka ett skikt av elektriskt ledande tryckfärg, innehållande ett härdbart fenolharts, elektriskt ledande metall- pulver och en oxidreducerande syrakatalysator på ytan ifråga i ett på förhand bestämt kretsmönster med relativt låg elektrisk ledningsförmåga, b) applicera och bädda in ett skikt av elektriskt ledan- *de metallpartiklar över och i skiktet av tryckfärg, innan det- ta härdas, c) härda färgskiktet och d) trycka och legera ett skikt av elektriskt ledande lod över metallpartikelskiktet samt tillföra tillräckligt med värme därtill för att legera lodet till metallpartikelskiktet för att bilda ett lödbart kretsmönster med relativt hög elektrisk led- ningsförmåga.

På de bifogade ritningarna visar fig. 1 ett flödesdia- gram illustrerande stegen för att framställa tryckta kretsar enligt uppfinningen, fig. 2 en perspektivvy av ett representativt kort, som användes för att tillverka en tryckt krets enligt uppfinningen, fig. 3 en perspektivvy visande en trâdduk att användas vid tryckning av en krets på kortet, fig. 4 en vy i sektion i sidoprojektion visande den fö- redragna tekniken för att anbringa den ledande färgen på kor- tet, fig. 5 en perspektivvy illustrerande ett kort tryckt med den ledande färgen, fig. 6 en perspektivvy visande kortet som.bepudras med ledande pulver, fig. 7 en vy i sektion i sidoprojektion visande en press- anordning enligt uppfinningen, fig. 8 en perspektivvy som visar en trâdduk att använ- aas för tryckning av ett loaskyaasskikfi på kørtet, fig. 9 en tvärsektionsvy i detalj i förstorad skala vi- sande en del av en tryckkrets tillverkad enligt uppfinningen och fig. 10 visar slutligen en vy liknande fig. 9 men en modifiering därav. 43»- 5 5 Enligt föreliggande uppfinning tryckes en elektriskt ledande krets på en uppbärande yta, såsom ett kort 10, medelst att tillföra kortet kretsmaterialier. Kortet 10 kan tillver- kas av något av olika material lämpliga för tryckta kretskort.

Kort av detta slag måste vara elektriskt isolerande och är allmänt relativt tunna och styva ehuru för vissa tillämp- ningar kan man använda böjliga uppbärande ytor. För detta ändamål kan man använda kort av fenolhartser, fiberglaslami- nat, impregnerade papperskort eller liknande. Idealt bör kor- tet vara istånd att motstå värme från lödningsoperationer, uppvisa elektriska isoleringsegenskaper liksom även motstånds- förmåga mot fysiska stötar och vibrationer. I vilket fall som helst formas kortet 10 först till önskad form och vid den vi- sade utföringsformen är kortets form allmänt rektangulär och format med ett par tungor 12 och 14 i ett stycke i en kant medelst vilka kortet kan pluggas in i ett chassi på vanligt sätt. Denna form utgör endast ett exempel eftersom många oli- ka former användes med och utan tungor. Om ett stort antal kort skall framställas kan ett antal kretsar tryckas på en stor skiva eller ark och därefter skäras till enskilda kort.

Kortet formas med ett antal små hål 16 genom vilka ledningar- na för kretskomponenterna föres efter det att kretsen tryckts och till vilken komponenterna kommer att lödas. Det släta kor- tet 10 rengöras från början medelst ett lämpligt lösningsme- del såsom isopropanol eller metyletylketon.

Med rengjort kort 10 lägges en silk screenduk 18 över kortet 10 såsom antydes i fig. 5 och 4. Trådduken 18 uppbär det önskade kretsmönstret och i praktiken tillverkas tràdduken av rostfritt stål med en maskstorlek av 160 - 180 mesh (.....amfl som befunnits ge särskilt tillfredsställande resultat. Mönstret på tràdduken 18 är öppet vid 20, där kretsen skall tryckas på kortet och är massiv i de områden där ingen tryckning skall äga rum. Med trådduken 18 i operativt läge över kortet 10 an- bringas en ledande färg 22 genom duken 18 på kortets 10 yta, varvid färgen passerar genom de öppna dukområdena 20 pà duken, så att kretsmönstret överföras på kortet såsom antydes i fig. 5.

Färgen 22 är i enlighet med föreliggande uppfinning ett metallbemängt hartssystem och färgen innefattar en fenolba- serad harts bemängd med ledande metallpulver, företrädesvis . afniezsßfs-s 4 kopparpulver med en kornstorlek av 525 mesh (0,044 mm). Fär- gen innefattar även en syra, som verkar som katalysator vid härdning av färgen, liksom även tjänar att avlägsna eventuel- la oxíder som kan förekomma tillsammans med kopparn. Färgen kan anbringas på kortet för hand, ehuru för produktionsända- mål applikation.med trådduk har befunnits ge de mest till- fredsställande resultaten eftersom man därmed erhåller en ren, skarp bild och som är relativt billig. I fig. 4 kan en appli- kator 24 användas för att sprida färgen 22 över duken, så att bilden passerar genom duken till kortet. Såsom visas i fig. 5 visar det tryckta kortet 10 en kretsbild sammansatt av kretssegment 26 svarande mot kretskonstruktionen på tråd- duken 18, där varje kretssegment tryckts med färgen 22.

Under det att färgen i kretssegmenten 26 som tryckts på kortet fortfarande är våta, täcks kretssegmenten med ett ledande metallpulver 28 såsom t.ex. genom bepudring och för detta ändamål har man funnit att kopparpulver med en korn- storlek av 525 mesh (0,044 mm) har befunnits ge tillfreds- ställande resultat. Pulvret 28 bör pudras över kretsmönstret inom några få minuter efter tryckningsoperationen och bör företrädesvis utföras inom 5 minuter. En överskottsmängd pul- ver bör tillsättas för att säkerställa att färgen helt täcks av pulvret, även fastän överskottspulver kan förekomma på kortets yta. När kortet bepudras fullt med kopparpulver, får det passera en valspress 50 visad i fig. 7, som pressar kop- parpulvret 28 intimt in i färgen på kretssegmenten 26.

Pressen 10 innefattar ett flertal valsar 52 anordna- de i par, där varje par uppvisar ökande durometerhårdhet från den ena änden till den andra. Det första valsparet kan t.ex. ha en durometerhårdhet av kanske 45, under det att nästa par kan ha en hårdhet av 50, följt av ett par med hårdhet 55 och ett slutpar med en hårdhet av 60. Valsarna är monterade i en styv ram 54, med de understa valsarna drivna av ett gemensamt drivsystem för att föra fram kortet från vänster till höger såsom sett i fig. 7. De övre valsarna är individuellt juster- bara medelst skruvar 56 belastade av fjädrar 58, som anbringar tryck på den övre uppsättningen valsar. När sålunda kortet 10 matas in i öppningen mellan det första valsparet, kommer kop- parpulvret att pressas ned i färgen och trycket ökar gradvis allt eftersom kortet matas genom pressen. Pressningsoperatio- nen alstrar en intim kontakt mellan pulvret och färgen och när NMS 43-5 5 kortet passerat en gång genom pressen avlägsnas överskotts- kopparpulver och kortet kan passera pressen igen. Genom att anbringa överskottskopparpulver vid den första bepudringen täckes hela den tryckta kretsen av pulvret och detta säker- ställer att något av fämnn1ej tages1kp och överföras till pres~ sens valsar. Slutresultatet är att den pressade kretsbilden förblir tydlig och ren. Vidare förefinnes ett förhållande mellan hartsens ytspänning och det tryck som anbringas av valsarna. Genom att anbringa progressivt tryck på kortet fram- ställes en enhetlig yta utan att distordera bilden.

Då pressningsoperationen är fullbordad härdas färgen.

I praktiken kan den tryckta kretsen ges en preliminär härd- ning vid ?0°C till 90°C under en tid av 10 till 15 minuter een en eiuthärdning vid 125% under 1 eller 2 timmer. Hare- ningen kan utföras medelst olika medel, såsom en ugn med tvângscirkulation av luft eller användning av infraröda lam- por t.ex. Då färgen härdats helt och hållet, binder kretsseg- menten 26 tätt till kortet 10 och kopparpulvret 28 har blivit en ingående del av kretssegmenten 26. Eventuellt löst eller överskottskopparpulver 28 avlägsnas med vakuum eller något annat lämpligt medel.

Nästa steg i tillverkningen av den tryckta kretsen är att anbringa en lodpasta över samma kretssegment 26, som be- pudrats med kopparpulver och som nu härdats. En tràdduk kan användas för detta ändamål liknande tràdduken 18 som användes för att anbringa tryckfärgen på kortet i första steget, med undantag av att en grövre tràdduk användes såsom med en mask- storlek av 90 - 100 mesh (...... - 0,149 mm) med nagot större bild för att säkerställa full täckning av kretsen. Lodpastan som användes här utgöres företrädesvis av en komposition av en bly-tennlegering med antimon i pulverform i ett flussmedel och ett bindemedel, varvid metallpulvren förblir suspenderade i pastan. Två lödpastor som befunnits ge tillfredsställande resultat innefattar ett 60/40 lod med 1 % etylenglykol, som säljes av Bow Solder Products Co., Inc. Den andra lödpastan är en 60/40-pasta framställd av Electronic Fusion Devices, Inc. och som har beteckningen 2057. Pastan har en krämaktig konsi- stens och trycks pà kretsen på samma sätt som antydes i fig. 5 och 4 med användning av tràdduk och applikator såsom visas.

Flussmedlet i lodet bör företrädesvis vara mycket aktivt och 6 bör utgöras av en stark oorganisk syra. En föredragen lodpast- komposition innefattar i viktprocent zinkklorid 3 - 6 %, för- legerat bly-tenn-antimon 80 % och ett bindemedel utgörande resten. var iedpesten en gång anbringas-e bila-er den ett lea- skikt 40 överst på kretssegmenten 26. När en gång lodet på- 'förts legeras lodet med underliggande färg och kopparpulver genom uppvärmning av kretsen till lodets smältpunkt, typiskt i temperaturområdet 525°C till 550°C, beroende på den sär- skilda lodkompositionen. Uppvärmningen kan genomföras medelst olika medel, såsom infraröda lampor i förening med ett sig rörande band uppbärande kortet med en hastighet av ca 3 m/min.

I vilket fall som helst uppvärmes lodet till sin smältpunkt som bringar det att legera sig med färgen och kopparpulvret och bilda en ledande tryckt krets på kortet. Anbringandet av lodet på den underliggande färgen och kopparpulvret ökar väsentligt kretsens ledningsförmåga och tjänar till att förena lodet tätt till kortet.

När en gång legeringsoperationen fullbordats kan ett mönster av lodskyddsskikt 42 anbringas selektivt över den tryckta kretsen och kortet. Lodskyddsskiktet utgöres av ett dielektriskt material, som tjänar till att isolera de delar av kortet, som ej skall exponeras för några som helst kontakter, ledningar, etc. som efteråt kommer att anbringas på kortet.

Lodskyddsskiktet kan representativt utgöras av ett epoxi- imaterial och tjänar till att förhindra lod från en vàglod- maskin att vidhäfta andra delar av kretsen, då man löder de- lar till kortet. Lodskyddsskiktet kan anbringas medelst silk screen-tekniker, som redan beskrivits med användning av en trådduk 44 med ett mönster som man önskar framträda på krets- kortet. Normalt skiljer sig lodskyddsskiktet från det i krets- kortet så tillvida som vissa delar av kretsen skall täckas under det att andra ej skall täckas.

Lodskyddsskiktet kan även tjäna som en isolator mel- lan på varandra följande skikt av kretsar, som kan byggas upp på en yta av kortet såsom antydes i fig. 10. Olika kretsar kan anbringas ovanpå ett lodskyddsskiktsubstrat med användan- de av samma tekniker såsom vid anbringande av den första kret- sen direkt på konst. I praktiken när ett multipelt kretsmönster skall byggas upp på en sida av kortet i på varandra följande skikt, bör lodpasteskiktet 40 på kretsen närmast kortet ha en 34121234 3- 5 högre smältpunkt än de följande lodpasteskikten på de yttre kretsarna, så att det understa lodskiktet ej kommer att på nytt bli flytande eller smälta då de yttersta kretsarna le- geras.

I fig. 10 visas ett kort, med två kretsskikt upp- byggda på varandra. Den första kretsen innefattar ett krets- segment 26, som pudraæ med kopparpulver, härdats och lege- rats med ett skikt av lodpasta 40 och där kretsen sedan täckts med ett lodskyddsskikt 42. Tryckt ovanpå lodskydds- skiktet 42 finns ytterligare ett kretssegment 26' med le- dande färg på vilket en bepudring av kopparpulver skett och på vilket ett skikt 40' av lodpasta legerats med färgen och pulvret. De olika på varandra lagda tryckta kretsarna kan korsa varandra, eller byggas upp i vilket antal skikt som kan erfordras för den särskilda kretsen. Med användning av liknande tekniker kan sättet användas för att reparera van- liga tryckta kretskort eller för att utföra ändringsorder pà sådana kort.

Den ledande färg som användes vid sättet utgöres av en härdbar harts, som är bemängd med elektriskt ledande me- tallpulver. En föredragen komposition är ett tvåkomponent- system sammansatt av en fenolbaserad (resorcinol) harts be- mängd med kopparpulver till vilken man sätter en katalysator såsom vattenfri isopropanol eller fosforsyra. Den vattenfria isopropanolen bör vara ren och företrädesvis vara åtminstone 99 % ren. Pâ liknande sätt bör fosforsyran vara av reagens- kvalitet. Den vattenfria isopropanolen verkar ej endast som en katalysator utan tjänar även som en partiell förtunnare, för att åstadkomma viskositetsreglering i färgen. Under det att fosforsyra föredrages kan andra oorganiska syror använ- das med fördel. Syran tjänar ej endast som en katalysator utan avlägsnar även eventuella oxider som kan förekomma i kopparpulvret. Eftersom oxiderna förhindrar ledningsförmåga är det önskvärt att eliminera varje oxid som kan vara när- varande.

Den ledande färgen enligt den föredragna utförings- formen iordningställes genom att först uppvärma fenolhartset (resorcinol) till 15000 till dess att polymerísationsgraden fortskridit till ett stadium, där hartset har en knäckliknan- de konsistens. Hartsets viskositet kan justeras genom att an- Gåfiflâåeeflï-E-:E vända vattenfri isopropanol. Därefter tillsättes kopparpulvret och detta bör företrädesvis vara av en kornstorlek av 525 mesh (0,044 mm) obehandlat kopparpulver av kvalitet 200 RL. Till- räckligt med kopparpulver tillsättes för att uppnå 70 - 75 % inblandning räknat på vikt. Till exempel för 100 g total vikt färg skulle 25 g utgöras av harts under det att 75 g repre- senterar kopparpulvret. Om materialet ej skulle användas ome- delbart bör det leg-fee 'i ett kylskåp vid omkring 4°c för ett förhindra vidare polymerisering. Då materialet skall användas för tryckning bringas det först upp till rumstemperatur och 1 kata1ysatorn.tillsättes och företrädesvis utgör katalysatorn 6 viktprocent av materialet. Den föredragna katalysatorbland- ningen innehåller 5 % fosforsyra och 5 % isopropanol. Andra material som användes vid sättet kan innefatta vattenfri iso- propanol att användas som ett förtunningsmedel, såsom tidigare angetts och även som ett rengöringsmedel för trycktråddukarna efter behov. För detta ändamål har ett rengöringsmedel utgöran- de en blandning av isopropanol och metyletylketon i lika pro- portioner befunnits vara tillfredsställande.

Lodpastan kan omfatta en komposition 60/40 av bly och fieflmed en tillsats av 1 % etylenglykol. Lodet kan tillverkas i ett flertal olika föreningar beroende på den önskade smält- punkten. Lodpastan bör ha en konsistens så att den kan passera genom en rostfri stålduk av angiven maskstorlek.

Under det att uppfinningen beskrivits med särskild hänvisning till de visade utföringsformerna är det uppenbart med flera olika modifieringar för fackmannen inom tekniken.

Olika områden, temperaturer, tider och andra parametrar som som ! exempel har beskrivits i anslutning till den föredragna utfö- ringsformen, uteahmer ej att variationer kan företagas med tillfredsställande resultat. ïryckfärgens böjlighet kan t.ex. regleras genom att justera förhållandet mellan epoxidelen och fenolerna. I stället för kopparpulver kan även andra ledande metaller, såsom silver, aluminium, etc. användas. ¿ Vidare kan i stället för att anbringa kopparpulvret L genom manuell bepudring det anbringas genom vibratormatare över ett sig rörande transportband, elektrostatiskt eller medelst andra lämpliga anordningar. Likaledes kan lodskiktet anbringas genom våglödningstekniker eller liknande i stället för tryckning med en trådduk, i vilket fall lodet skulle 9 legera sig omedelbart med kopparpulverskiktet utan något sär- skilt uppvärmningssteg. En vidare modifiering kan föreizagas genom att använda en ren hartsfärg utan metallfyllnad i vil- ket fall all ledningsförmåga skulle härledas från pulver-_ _ __ ochi lodskikten.

Claims (7)

10 15 20 25k 50 35' -H0 Ü i U i 10 Eatentkrav l

1. sätt att tillverka en elektriskt 1edandÉ'krÉts på en di- S elektrisk yta, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar åtgärderna att 7 (a) trycka ett skikt av elektriskt ledande tryckfärg, innehål- lande ett härdbart fenolharts, elektriskt ledande metallpulver och en okidreducerandeisyrakatalysator på ytan ifråga i ett på förhand bestämt kretsmönster med relativt låg elektrisk led- ningsförmåga, I g (b) applicera och bädda in ett skikt av elektriskt ledande metallpartiklar över och i skiktet av tryckfärg innan detta härdas, (c) härda färgskiktet och S (d) trycka och legera ett skikt av elektriskt ledande lod över metallpartikelskiktet samt tillföra tillräckligt med värme därtill för att legera lodet till metallpartikelskiktet för att bilda ett lödbart kretsmönster med relativt hög elekt- risk ledningsförmåga.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a te av att det innefattar applicering av ett dielektriskt skikt_selektivt -över lodskiktet.

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n'a t .av att metall- partiklarna inpressas i färgskiktet innan detta härdas.

4. H. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e-c k n a t av att par- tiklarna inpressas i färgskiktet genom att trycket progres- sivt ökas.

5. Sätt enligt krav 2,'k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar åtgärderna att bilda en andra elektriskt ledande krets över det dielektriska skiktet genom applieering av en andra elektriskt ledande tryckfärg på det dielektriska skiktet i ett på förhand bestämt mönster, att applicera ett andra skikt av elektriskt ledande metallpartiklar på det andra färgskiktet, _ att härda detta andra färgskikt, att applicera ett andra skikt av elektriskt ledande lod över det_andra metallpartikel- skiktet och att uppvärma den andra kretsšg tillräckligt för I , ensam æ-s att smälta det andra lodskiktet.

6. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att lod- skiktet appliceras genom våglödníng.

7. Sätt enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att smält- punkten för det första lodskiktet är högre än smältpunkten för det andra lodskiktet.