SE446348B - Sett att pa en berare elektropletera en tunn kopparfolie till anvendning i tryckta kretsar - Google Patents

Description

7900329-9 lO 15 20 25 2 ställa en enhetlig kopparsubstratbas, och därpå minst ett ytterligare bad och/eller en annan strömtäthet för att åstadkomma den större tjockleksuppbyggnad som behövs och för att nodularisera den yttre kopparytan för att öka bindningsstyrkan mellan folien och substratet, vartill folien bunden eller laminerad. Det vill säga ett flerstegsförfarande för elektroplätering av koppar har krävts för att ge en folie, som uppvisar hög grad av porfrihet och är säkert bindbar till det hartsartade substratet eller, uttryckt med andra ord, har hög "av- skalningsstyrka". "Avskalningsstyrka" är ett konventio- -nellt uttryck som hänför sig till styrkan hos bindningen mellan folien och det hartsartade substratet. En av- Skalningsstyrka av mer än cirka l,25 kp/cm enligt den standardiserade mätmetoden ASTM D/1867 bedöms i all- mänhet som nödvändig för att uppfylla kraven för tryckta lkretsar.

Fastän flerstegsförfarandet är i stånd att åstad- komma en porfri folie med nodulariserad ytteryta, har förfarandet den nackdelen att det erfordrar noggrann kontroll och reglering mellan stegen. Sålunda kräver icke blott varje steg noggrann övervakning, utan man måste också noga koordinera processvariablerna hos varje steg, såsom badsammansättning, strömtäthet i badet, temperatur, etc, med de hos varje annat steg. Om exempel- vis ett två-stegsförfarande används, vid vilket bad- sammansättningen ändras i det andra steget, krävs nog- grann koordinering mellan badsammansättningen och andra variabler i det första steget med den nya badsammansätt- ningen i det andra steget. Dessa kontroll- och koordi- neringskrav.medför inte någon enkel process. Även vid noggrann kontroll av denna flerstegsprocess ger dess komplexitet ofta upphov till tillförlitlighetsproblem.

Dessutom innebär mångfalden av steg att det uppstår be- hov av mera utrymme och utrustning och den motsvarande kostnad som är förknippad därmed. 10 15 20 25 30 35 7900329-9 3 Följaktligen är det ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma ett förbättrat förfarande för elektrolytisk utfällning av koppar på en bärare såsom ett en-stegs kopparelektropläteringsförfarande, som ger en enhetlig, så gott som porfri, ultratunn kopparfolie med en nodulariserad yta för stark vid- häftning till ett epoxihartsimpregnerat glasfiberkrets- kort.

Andra ändamål och fördelar med föreliggande upp- finning kommer att framgå av efterföljande, detaljerade beskrivning, som inbegriper det sätt som anses bäst för genomförande av uppfinningen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN I korthet hänför sig föreliggande uppfinning till ett sätt att på en bärare elektroplätera en tunn, väsentligen porfri kopparfolie med nodulariserad ytter- yta till användning i tryckta kretsar, kännetecknat därav, att bäraren, efter eventuell förbehandling, leds genom ett surt kopparpläteringsbad, som har en förut- bestämd sammansättning och som utöver kopparjoner i en koncentration av 10-70 g/liter innehåller nitratjoner i en koncentration av 3-50 g/liter för nodularisering av foliens yta och fluoridjoner i en koncentration av 0,05-10 g/liter som kärnbildningsmedel, och att badet drives vid en förutbestämd, konstant katodström- täthet av ca 5,4-32,3 A/dmz, varigenom ett enstegsför- farande åstadkommes.

Ytterligare kännetecken hos uppfinningen framgår av de efterföljande patentkraven.

Förfarandet enligt uppfinningen utföres typiskt på ett bärarmaterial, såsom aluminium.

Mera speciellt rengöres aluminiumbäraren, etsas i en frätande lösning, sköljes och förbehandlas sedan med en alkalisk, vattenhaltig alkalimetallzinkatlösning, som innehåller ett eller flera vattenlösliga salter 7900329-9 10 is 20 25 30 4 som väljes bland järn-, kobolt- och nickelsalter. Detta överdrag avlägsnas därefter väsentligen fullständigt genom behandling med syra, vilket ger ett enhetligt, tunt oxidsläppskikt på aluminiumet. Såsom mera full- ständigt förklaras i den amerikanska patentskriften 3 969 199, vilken härmed inbegripes såsom referens, åstadkommer detta släppskikt en aluminiumyta, som är lämpad för enhetlig kopparkärnbildning med hög densitet under den elektrolytiska utfällningen av koppar.

Den förbehandlade aluminiumbäraren matas sedan ned i ett kopparsulfatbad, som innehåller nitrater och 7 fluoridjoner, som är lösliga i lösningen, såsom natrium- fluorid, kalciumfluorid, kaliumfluorid eller ammonium- fluorid. Badet drivs vid en konstant, förutbestämd ström- täthet, varvid badets sammansättning förblir oförändrad.

Förekomsten av nitraterna i badet hjälper till att gynna nodulariseringen för att ge den önskade avskalnings- styrkan. Förekomsten av fluoridjonen ökar i hög grad den ursprungliga kopparkärnbildningen och är i detta avse- ende väsentligt överlägsen effekten av enbart zinkatför- behandlingen. Eftersom metallatomerna av koppar inte utfälls som en kontinuerlig film, utan istället börjar .vid "gynnade ställen" och sprider sig i sidled tills en kontinuerlig film bildas, är det mycket önskvärt att från början skapa ett stort antal kärnbildningscentra.

Detta är speciellt viktigt vid plätering av tunna filmer för att åstadkomma en folie med hög grad av porfrihet.

En ultratunn kopparfolie bildas på bäraren efter en- stegsförfarandet.ochdenna folie är porfri och har en nodulariserad yta för kraftig vidhäftning till ett tryckt kretskort. 10 15 20 25 30 35 '7900529-9 Ett kopparpläteringsbad, som är användbart vid genom- förandet av föreliggande uppfinning, bildas allmänt genom att blanda en sur pläteringslösning, som innehåller kopparjoner, nitratjoner för nodularisering av ytterytan av den pläterade kopparen och ett kärnbildningsmedel för ökning av kärnbildningen. Pläteringslösningens tempe- ratur är typiskt 22-50°C. Om man använder sig av detta bad och driver det vid en katodisk strömtäthet med ett konstant, förutbestämt värde, âstadkommes ett förfarande för enstegsplätering av ultratunn kopparfolie, som är porfri och har en nodulariserad yta för god vidhäftning vid användning i tryckta kretsar, såsom skall förklaras mera utförligt nedan.

Mera speciellt bildas ett kopparpläteringsbad, som medger enstegsplätering, genom blandning av en sur pläteringslösning, som företrädesvis har ett pH-värde av mindre än 2 och som innehåller kopparjoner i en koncentra- tion av 10-70 g/liter, nitratjoner i en koncentration av 3-SO g/liter och fluoridjoner i en koncentration av 0,25-lO g/liter. Pläteringslösningens temperatur är typiskt från 22°c till 5o°c.

I enlighet med uppfinningen göres elektropläteringen av kopparn för att skapa en porfriultratunnkopparfolie med nodulariserad yta i en pläteringslösning, vars sam- mansättning inte ändras och som kan drivas vid en kato- disk strömtätbet med ett konstant förutbestämt värde.

Detta innebär att, till skillnad från tidigare kända för- faranden, pläteringslösningens sammansättning och/eller strömtäthetsnivå inte behöver ändras för att åstadkomma den så gott som porfria, ultratunna kopparfolien med en nodulariserad ytteryta.

En särskild tillämpning av sättet enligt uppfinningen är plätering och nodularisering av en mycket tunn koppar- folie av “tryckt krets-kvalitet", d v s kopparfolie med ,.V,__~_. _ ,._ lO” 15 20 25 30 35 7900529-9 6 en tjocklek av 5-18 pm eller t o m mindre. Dylik folie avsätts ofta på en temporär bärare, såsom aluminium, t ex aluminiumfolie och avlägsnas till slut från bäraren sedan kopparfolien har bundits till ett permanent sub- strat vid tillverkningen av ett tryckt kretskort. Andra typiska temporära bärare är koppar, järn och nickel.

Kopparfolien behöver vara så gott som porfri även vid dessa mycket tunna tjocklekar och ha en acceptabel avskalningsstyrka vid laminering till ett hartartat sub- strat vid tillverkningen av tryckta kretskort. Enstegs- metoden för kopparplätering enligt föreliggande uppfin- ning möjliggör tillverkning av ett material, som är porfritt och har acceptabel avskalningsstyrka när det är laminerat.

För sin effektivitet förlitar sig sättet enligt föreliggande uppfinning på införlivning av nitratjoner och ett kärnbildningsmedel för ökning av kärnbildningen i en sur kopparpläteringslösning, och därefter katodisk elektroplätering av kopparfolien. Både pläteringslös- ningens sammansättning och katodströmtätheten förblir :oförändrade under elektropläteringen medan en ihuvudsak porfri folie med noduler på ytan framställs.

I allmänhet innehåller pläteringslösningen koppar- sulfat eller kopparfluoborat, t ex kopparsulfatpenta- hydrat, svavelsyra, ett lösligt nitratsalt, såsom koppar- nitrat och ett lösligt fluoridsalt, såsom natriumfluorid.

Sättet enligt uppfinningen kan utföras med en sam- mansättning hoskopparpläteringsbadet som faller inom vida gränser och driftsbetingelserna kan likaledes väljas inom ett vidsträckt område såsom anges i tabel- lerna l och 2. Det skall emellertid noteras att när väl badets sammansättning och katodströmtätheten bestämts, kan elektropläteringen av kopparfolie utföras i ett enda steg utan att variera badsammansättningen eller ström- tätheten. I 10 15 20 25 30 35 7900329-9 7 TABELL l Andelar Användbart Föredraget område område Beståndsdelar (3/1) (g/1) Koppar (som kopparsulfat eller koppar- fluoborat) 10 _ 70 30 _ 45 Svavelsyra eller fluoborsyra 25 ' 200 45 _ 65 Nitrat (som kopparnitrat, amoniumnitrat, kaliumnítrat, natriumnítrat eller 3 - 50 l5 - 30 salpetersyra) Fluorid (såsom natríumfluorid, kalciumfluoríd, kalíumfluorid, ammoniumfluorid, 0,05-l0 0,25-2 litíumfluorid eller fluorvätesyra) TABELL 2 Vídsträckt Föredraget Betingelser område område Kataascramcäche: (A/amz) 5,4 - 32,3 6,5 - 21,5 Tid (S) 10 ~ 400 100 - 250 Temperatur (OC) 22 - 50 24 - 28 Anod koppar koppar Koncentrationen av koppar-, nitrat- och fluoridjoner i lösningen, graden av omröring i lösningarna, lösning- arnas temperatur och behandlingstiden, bidrar alla till att upprätta kritiska minimum- och kritiska maximum- strömtätheter. Så t ex tenderar en höjning av temperaturen hos en given lösning eller omröring av lösningen att höja den kritiska minimumströmtätheten. Sänkning av koppar-, nitrat- eller fluoridjonkoncentrationen i en pläterings- lösning sänker den kritiska maximumströmtätheten.

För att uppfinningen skall förstås bättre ges nedan- stående belysande exempel.

EXEMPEL l Ett kontinuerligt, cirka 50 pm tjockt band av kommer- 7900329-9 10 15 20 25 30 35 8 siellt tillgängligtaluminium, såsom Aluminum Association' of America beteckning ll0O eller 3003, leddes först genom en frätande etslösning.

Den använda etslösningen innehöll cirkal,5-2,5vikt%. natriumhydroxid i blandning med natriumglukonat (ett sek- vesteringsmedel för att tillåta aluminium att bli kvar i lösning vid relativt hög koncentration) och ett vät- medel, såsom natriumlaurylsulfat. Etslösningen hölls vid rumstemperatur vid en linjär foliehastighet av 0,6 m/min, vilket gav 2 min kontakttid med etsmedlet.

Materialbandet leddes därefter genom en kranvatten- sköljning vid rumstemperatur så snabbt som möjligt för att avbryta fortsatt reaktion. Därefter fördes bandet genom ett zinkatbad. Det använda badet innehöll 50 g/l natriumhydroxid i blandning med 5 g/l zinkoxid, 1 g/l ferriklorid, l g/l nickelklorid, 1 g/l natriumnitrat och 50 g/l Rochelle-salt. Badet drevs vid rumstemperatur och gbandets uppehâllstid i badet var 20 s. Bandet sköljdes därefter i kranvatten och leddes sedan genom ett 2,5 vikt/vol% salpetersyrabad med en uppehållstid i lös- ' ningen av l min. Efter syrabadet sköljdes bandet åter, varvid kvarlämnades ett kemiskt rent släppskikt på alu- miniumytan för att medge avskalningsbarhet mellan folien .och aluminiumet.

Till slut fördes bandet genom kopparelektropläte- ringsbadet, som innehöll 50 g/l svavelsyra i blandning med 40 g/l koppar, som kopparsulfat, 25 g/l ammonium- nitrat och 2 g/l natriumfluorid. Badet drevs vid rums- temperatur vid en katodströmtäthet av 10,8 A/dmz och en uppenåiietia 1 lösningen i iso s gav en 0,18 mm tjock folie.

EXEMPEL 2 Exempel l upprepades, bortsett att de 2 g natrium- fluorid per liter i kopparelektropläteringsbadet ersattes med 2-g/1 kaiiumfiueria. ' ' I EXEMPEL 3 Exempel l upprepades, bortsett från att de 50 g 10- 15 20 25 30 35 .79ÛÛ329-9 0 9 svavelsyra per liter ersattes med 50 g/l fluorborsyra, och att de 40 g koppar i form av kopparsulfat per liter ersattes med 40 g/l koppar i form av kopparfluoborat i kopparelektropläteringsbadet.

EXEMPEL 4 Exempel l upprepades, bortsett från att koppar- elektropläteringsbadet innehöll 60 g/l svavelsyra i blandning med 35 g/l koppar i form av kopparsulfat, 20 g/l kopparnitrat och 2 g/l natriumfluorid. Badet drevs vid rumstemperatur vid en katodströmtäthet av 8,6 A/dmz och en uppehâllstid i lösningen.av 240 s gav en 0,18 mm tjock folie.

EXEMPEL 5 Exempel 4 upprepades, bortsett från att katodström- tätheten av 8,6 A/dmz och uppehållstiden i lösningen av 230 s för kopparelektropläteringsbadet ersattes med en katoaströmtäthet av 6,5 A/amz under zoo s för en ø,1s mm tjock folie.

EXEMPEL 6 Ett kontinuerligt, cirka 50 pm tjockt band av kom- ^mersiellt tillgängt nickel rengjordes kemiskt och för- sågs med ett släppskikt, såsom är känt inom tekniken, t ex såsom beskrivs i Electroformig av Peter Spiro, Robert Draper Ltd, 1967, sid 83-87.

Bandet fördes sedan genom kopparelektropläterings- badet, som innehöll 50 g/l svavelsyra i blandning med 45 g/l koppar i form av kopparsulfat, 25 g/l kalium- nitrat och 1,5 g/l kaliumfluorid. Badets drevs vid rums- temperatur vid en katodströmtäthet av 10,8 A/dmz; Uppe- hållstiden i lösningen varierades för att ge folier av olika tjocklek på nickeln.

EXEMPEL 7 Exempel 6 upprepades, bortsett från att nickelbärar- bandet ersattes med ett kommersiellt tillgängligt koppar- band, som på inom tekniken känt sätt försågs med ett släppskikt§ Enligt samtliga exemplen ovan åstadkoms porfri kop- parfolie, som är lätt mekaniskt avdragbar från en bärare 10 7900329-9 10 a och som har god.avskalningsstyrka när den är laminerad, såsom vid tryckta krets-tillämpningar. Kopparpläteringen utföres i ett enstegs pläteringsförfarande, som kan drivas vid en enda strömtäthet. Pläteringsförfarandet åstadkommer olika fördelaktiga resultat, som tidigare inte har kunnat uppnås.

Med hänsyn till ovanstående inses det att ändamâlen med uppfinningen uppnås liksom andra fördelaktiga resul- tat. _ Eftersom olika variationer kan göras i de ovan be- skrivna metoderna utan att man därför avviker från upp- finningens ram, är den ovan givna beskrivningen att anses som belysande och ej begränsande.

Claims (7)

1. 0 15 20 30 7900329-9 ll PATENTKRAV l. Sätt att nå en bärare elektroplätera en tunn, väsentliqën porfri kopparfolie med nodulariserad ytter- yta till användninq i tryckta kretsar, n a t leds qenom ett surt kopparpläterinqsbad, som har en förutbestämd sammansättning och som utöver kopparjoner i en koncentration av 10-70 q/liter innehåller nitrat- joner i en koncentration av 3-50 q/liter för nodulari- serinq av foliens Vta och fluoridjoner i en koncentra- tion av 0,05-l0 q/liter som kärnbildninqsmedel, och att badet drives vid en förutbestämd, konstant katod- strömtäthet av ca 5,4-32,3 A/dmz, varigenom ett enstegs- förfarande åstadkommas.

2. Sätt enliqt kravet l, k ä n n e t e c k n a t därav, att bäraren förbehandlas qenom att förses med ett släppskikt för att medqe avskalninqsbarhet mellan kopparfolien och bäraren.

3. Sätt enliqt kravet l, därav, att den sura pläteringslösninqen bildas av en syra, som väljes bland svavelsyra och fluoborsyra, som k ä n n e t e c k n a t ger ett DH-värde av mindre än 2.

4. Sätt enliqt kravet 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att fluoridjonkoncentrationen åstadkommas av en föreninq, som välies bland natriumfluorid, kalcium- fluorid, kaliumfluorid, ammoniumfluorid, litiumfluorid och fluorvätesyra.

5. Sätt enliqt kravet 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att badet hålles vid en enda, förutbestämd tempe- ratur mellan ZZOC och SOOC.

6. Sätt enligt kravet 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att bärarmaterialet väljes bland aluminium, nickel, järn och koppar. 7

7. Sätt enliqt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t därav, att bäraren utqöres k ä n n e t e c k - därav, att bäraren, efter eventuell förbehandlinq, 7900329-9 12 av ett kontinuerligt band av aluminiummaterial, som innan det ieds genom kopparnläterinqsbadet förbehandlas genom eLsninq, sköljning i vatten, behandlinq i zinkat- bad; sköljning i àatten, behandlinq i ett salpetersyra- ' bad, och sköljninq i vatten.