WO2014082694A1 - Kupferband zur herstellung von leiterplatten - Google Patents

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WO2014082694A1
WO2014082694A1 PCT/EP2013/003106 EP2013003106W WO2014082694A1 WO 2014082694 A1 WO2014082694 A1 WO 2014082694A1 EP 2013003106 W EP2013003106 W EP 2013003106W WO 2014082694 A1 WO2014082694 A1 WO 2014082694A1
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substrate
copper
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cold gas
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Wolfram Schillinger
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Wieland-Werke Ag
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
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    • H05K2203/1333—Deposition techniques, e.g. coating
    • H05K2203/1344—Spraying small metal particles or droplets of molten metal
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    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/02—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which the conductive material is applied to the surface of the insulating support and is thereafter removed from such areas of the surface which are not intended for current conducting or shielding
    • H05K3/022—Processes for manufacturing precursors of printed circuits, i.e. copper-clad substrates

Definitions

  • the invention relates to a strip-shaped semifinished product made of copper or a copper alloy, which has a coating applied by means of cold spraying on its upper side, wherein the coating is designed so that due to the large roughness of their surface facing away from the band-shaped semi-finished surface a firmly adhering connection of the semifinished product with a plastic plate possible is.
  • the invention further relates to a method for producing such a semifinished product, its use for producing a composite material with a plastic plate, a corresponding composite material and printed circuit boards made therefrom.
  • ED copper foils For the production of printed circuit boards predominantly electrolytically deposited copper strips are used. Such bands are referred to as ED copper foils.
  • This composite material which is an intermediate product, is called prepreg.
  • the high roughness of the ED copper foil is decisive for the adhesion of the copper foil to the plastic plate.
  • the plastic digs into the rough surface of the copper foil.
  • printed conductors are worked out of the copper side of the prepreg. Further processing steps follow until the completion of the printed circuit boards.
  • copper tapes are usually used with a thickness of 0.1 mm to 2.5 mm.
  • copper tapes For high current applications and applications with heat dissipation through the traces, it is preferred to use copper tapes with a thickness of 0.5 mm to 2.5 mm.
  • ED copper foils are more expensive than rolled copper strips in this thickness range due to their production. However, they are still used because the adhesion of the plastic to the relatively smooth surface of rolled copper strips is not sufficient. Try that
  • EP 0 484 533 B1 discloses that coatings can be applied to metallic workpieces by means of cold gas spraying.
  • cold gas spraying the spray particles are accelerated to high speed in a comparatively cold carrier gas in a Laval nozzle.
  • the coating is formed with the impact of the particles on the workpiece, the particles forming a dense and adherent layer upon impact.
  • the plastic deformation and the resulting local heat release ensure very good cohesion and adhesion of the sprayed layer on the workpiece.
  • DE 103 46 836 B4 describes a method for producing a rocket engine distributor with a copper support.
  • Metallpulverteilchen be accelerated in a spray nozzle with a main gas flow such that they are plastically deformed when hitting the workpiece.
  • One pass can be applied per pass in the range of 0.05 to 0.8 mm.
  • By repeated spraying is a total order of 5 to 8 cm reached.
  • This massive copper overlay is used for active cooling of the distribution device.
  • DE 199 18 758 B4 describes a method for producing a corrosion protection layer.
  • body parts are irradiated with supersonic accelerated zinc or tin particles. It is mentioned as advantageous that relatively smooth surfaces are achieved by such a deposition process.
  • DE 100 45 783 A1 describes a method for producing workpieces which serve to conduct electrical current and are coated with a predominantly metallic material.
  • the metallic layers, which are produced by flame spraying or cold gas spraying, belong in particular to the family of brazing alloys and differ in their
  • the invention has for its object to provide improved semi-finished products for the production of printed circuit boards, a method for producing such semi-finished products, improved composite materials as an intermediate in the production of printed circuit boards and improved printed circuit boards.
  • the invention is related to a semifinished product by the features of
  • Claim 1 relating to a method for producing a semifinished product by the features of claim 9, relating to the use of such a semifinished product for producing a composite material by the features of claim 15, with respect to a composite material by the features of claim 16 and with respect to printed circuit boards produced therefrom by the
  • the invention includes a band-shaped semi-finished product made of copper or a copper alloy, which consists of a substrate of thickness si, and at least one of the thickness S2 applied by means of cold gas spraying on the upper side of the substrate.
  • the substrate has on its upper side in the uncoated state, an average roughness R z i.
  • the coating On its surface remote from the substrate, the coating has an average roughness depth R Z 2 which is greater than the average roughness depth R z i of the upper side of the substrate in the uncoated state.
  • the invention is based on the consideration that for the production of printed circuit boards thin strips or plates made of copper or copper alloys Plastic sheets made of fiber-reinforced epoxy resin at temperatures of approx.
  • the adhesive strength is with a
  • Peel test (Peel test) and must be at least 0.8 N / mm.
  • the material of the plastic plate passes into a plastic state, flows into the unevenness of the strip surface and fills the cavities. The more pronounced the roughness of the strip surface is, the more the material of the plastic sheet claws in the strip surface.
  • the surfaces of rolled strips of copper or copper alloys are very smooth, so that it is not possible to achieve a sufficiently high adhesion to plastic plates. Experiments have shown that by means of cold gas spraying coatings can be applied to substrates which have a high roughness on the surface facing away from the substrate.
  • the average roughness depth R Z 2 of the coating applied by cold gas spraying is significantly greater than the average roughness depth R z i of the originally uncoated surface of the substrate lying beneath the coating.
  • the coating can be applied over the entire surface of the substrate.
  • the thus coated, band-shaped semi-finished product can then be pressed over the entire surface with a plastic plate. From such a composite material, it is possible to work out conductor tracks from the strip material in subsequent work steps by selective etching.
  • the coating can be applied selectively, ie only at certain locations on the substrate. Out of that way coated strip-shaped semifinished product can then be first printed conductor tracks or conductor areas, which are then pressed together with a plastic plate acting as a carrier. Alternatively, it is possible to first compress the selectively coated substrate with a plastic plate and then to punch according to the selective coating conductor tracks or conductor areas of the composite material.
  • the coating can be material equal to the substrate.
  • Substrate and coating then form a material unit with substantially homogeneous properties, wherein the coating primarily assumes the function of increasing the roughness of the material surface.
  • copper materials with a purity of at least 99.95% are often used.
  • the remaining ingredients are phosphorus added for deoxidation and unavoidable impurities that have no intended effect.
  • copper alloys with additions of tin, nickel, magnesium, chromium, silver, iron, titanium or silicon are used. Even with such alloys, it may be advantageous to use substrate and coating of the same material. However, it is not excluded that substrate and coating can be different materials.
  • the substrate may be a rolled strip of copper or a copper alloy.
  • Such bands are in large dimension and
  • the ratio of the thickness Si of the substrate to the thickness s 2 of the coating can be 3: 1 to 250: 1.
  • the band-shaped semi-finished product according to the invention consists to a large extent of substrate.
  • Coating should contribute only a small portion of the total volume, since the starting material for the coating is specifically more expensive than the material of the substrate.
  • copper tapes are used with thicknesses in the range of 0.1 to 2.5 mm.
  • powders having a particle diameter of between 25 and 45 ⁇ m are preferably used in the application according to the invention. Since the particles are plastically deformed on impact with the substrate, single-layer layers with a thickness s 2 in the range between 10 and 35 ⁇ m can be produced. By multiple coating multilayer coatings and thus greater layer thicknesses can be achieved.
  • the thickness Si of the substrate is less than three times the thickness s 2 of the coating, then the semifinished product becomes relatively expensive.
  • the case that the thickness Si of the substrate is more than 250 times greater than the thickness s 2 of the coating is technically possible, but practically hardly relevant, since it can only occur for very thick interconnects.
  • the average roughness depth R z2 of the coating can be at least 10 ⁇ m. If the average roughness R z2 is less than 10 pm. the adhesive strength to the plastic is not sufficient.
  • the average roughness depth R z2 of the coating can be at least 30% and at most 100% of the thickness s 2 of the coating. Ideally, the average roughness R z2 is the
  • Roughness is then achieved with a minimum of material cost for the coating.
  • the original surface of the substrate is visible in some places between the particles of the coating. At these points, the depth of the largest profile valley is measured.
  • Coatings whose roughness R z2 is less than 30% of their thickness s 2 are not efficient because much material that does not contribute to the increase in roughness is applied.
  • the invention also includes coatings that are applied only very locally to the substrate.
  • the sprayed-on particles can be island-like be distributed to the substrate. Between the particles, contiguous areas may remain in which the original surface of the substrate is visible. It will be understood by those skilled in the art that such an embodiment is included in the invention, even if no coating is applied to the substrate in the sense of a coherent layer.
  • the core of the invention is the functionalization of the substrate by means of cold gas spraying, so that a sufficiently firmly adhering composite material between the substrate and a plastic plate can be produced. The less material that is sprayed on, the cheaper the manufactured product.
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing a strip-shaped semifinished product made of copper or a copper alloy, in which a coating is applied to a strip-shaped substrate whose top surface to be coated has an average roughness R z i by means of cold gas spraying.
  • the coating is applied in such a way that the surface of the coating facing away from the substrate has an average roughness depth R Z 2 which is greater than the average roughness depth R z i of the original, uncoated top side of the substrate.
  • the coating applied by cold gas spraying coating can be applied over the entire surface of the substrate.
  • the thus coated, band-shaped semi-finished product can then be pressed over the entire surface with a plastic plate. From such a composite material can in subsequent
  • Working steps are made by selective etching conductor tracks from the strip material.
  • the coating applied by cold gas spraying may be applied selectively, ie only at certain locations on the substrate. From the strip-shaped semi-finished product coated in this way, it is then possible first to punch printed conductors or conductor regions, which are subsequently punched together one acting as a carrier plastic plate be pressed. Alternatively, it is possible to first press the selectively coated semifinished product with a plastic plate and then to punch according to the selective coating conductor tracks or conductor areas of the composite material. In a method with selective coating, it may be expedient, before applying the coating, for example by punching, to introduce recesses for guiding and / or positioning the strip-shaped semifinished product into the strip-shaped substrate.
  • the recesses may be in the form of round holes, oblong holes, slots or similar shapes. In these recesses parts of the device, with which the method is performed, engage, lead the band-shaped substrate in the coating region of the device and to position there for the selective coating.
  • a coating identical to the substrate material is applied by the cold gas spraying.
  • Substrate and coating then form a material unit with essentially homogeneous properties, wherein the coating primarily assumes the function of increasing the roughness of the material surface.
  • an over-rolling of the coating can take place after the coating of the substrate. The rolling over is carried out so that the peaks of the roughness profile of the
  • Another aspect of the invention includes the use of a band-shaped semi-finished product made of copper or a copper alloy for the production of material connected.
  • the composite materials consist at least of a plastic plate, a metal plate made of copper or a copper alloy and an intermediate layer which is located between the metal plate and the plastic plate.
  • the intermediate layer is applied to the metal plate by means of cold gas spraying.
  • plastic plate hereby includes rigid and flexible
  • the composite material can be plate-shaped, rigid or flexible.
  • the intermediate layer is made of the same material as the metal plate. Such composites are an intermediate in the production of printed circuit boards.
  • Another aspect of the invention includes a composite material, which consists of at least one plastic plate, a metal plate made of copper or a copper alloy and an intermediate layer which is located between the metal plate and the plastic plate.
  • the intermediate layer is applied to the metal plate by means of cold gas spraying.
  • plastic plate hereby includes rigid and flexible plastic plates, laminates and composites of several layers of plastic layers.
  • the composite material can be plate-shaped, rigid or flexible.
  • the intermediate layer is made of the same material as the metal plate.
  • Another aspect of the invention includes a printed circuit board which consists of at least one plastic carrier and thereon conductor tracks of copper or a copper alloy.
  • the strip conductors are made out of a semifinished product which is connected in a planar manner to the plastic carrier.
  • an intermediate layer which is applied by means of cold gas spraying on the semi-finished product, from which the conductor tracks are worked out.
  • the intermediate layer of the same material as the conductor tracks.
  • Fig. 1 shows a greatly enlarged view of one with copper particles
  • Fig. 2 shows a greatly enlarged view of another with cold-sprayed copper particles surface
  • FIG. 1 shows a
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a scanning electron micrograph of the surface. The image section shows an area of about 570 ⁇ times 360 ⁇ .
  • the sprayed particles are partially island-like distributed on the substrate, in part, they form Agglonrierate of a few particles. Between the particles remain contiguous areas in which the original surface 2 of the substrate is visible. Although no coating in the sense of a coherent layer was applied to the substrate in this embodiment, such an embodiment is included in the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein bandförmiges Halbzeug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, welches aus einem Substrat der Dicke s1, und aus mindestens einer mittels Kaltgasspritzens auf der Oberseite des Substrats aufgebrachten Beschichtung der Dicke s2 besteht. Das Substrat weist auf seiner Oberseite im unbeschichteten Zustand eine gemittelte Rautiefe Rz1 auf. Die Beschichtung weist auf ihrer vom Substrat abgewandten Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz2 auf, welche größer als die gemittelte Rautiefe Rz1 der Oberseite des Substrats im unbeschichteten Zustand ist.

Description

Beschreibung
Kupferband zur Herstellung von Leiterplatten
Die Erfindung betrifft ein bandförmiges Halbzeug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, welches auf seiner Oberseite eine mittels Kaltgasspritzens aufgebrachte Beschichtung aufweist, wobei die Beschichtung so gestaltet ist, dass aufgrund der großen Rauheit ihrer vom bandförmigen Halbzeug abgewandten Oberfläche eine festhaftende Verbindung des Halbzeugs mit einer Kunststoffplatte möglich ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbzeugs, dessen Verwendung zur Herstellung eines Werkstoffverbunds mit einer Kunststoffplatte, einen entsprechenden Werkstoffverbund sowie daraus hergestellte Leiterplatten.
Zur Herstellung von Leiterplatten werden überwiegend elektrolytisch abgeschiedene Kupferbänder verwendet. Solche Bänder werden als ED-Kupferfolien bezeichnet. Die Seite einer ED-Kupferfolie, die beim Aufwachsen auf die Trommel dem Elektrolyten zugewandt ist, zeichnet sich durch eine große Rauheit aus. Die Rauheit hat ihre Ursache in der verfahrensbedingten, dendritischen Struktur der aufgewachsenen Kristalle. Bei der Herstellung von Leiterplatten wird die ED-Kupferfolie auf ihrer rauen Seite mit einer Kunststoffplatte aus faserverstärktem
Epoxidharz bei ca. 180 °C verpresst. Diesen Werkstoffverbund, der ein Zwischen- produkt darstellt, nennt man Prepreg. Die große Rauheit der ED-Kupferfolie ist maßgeblich für die Haftfestigkeit der Kupferfolie mit der Kunststoffplatte. Beim Verpressen verkrallt sich der Kunststoff in der rauen Oberfläche der Kupferfolie. Mittels bekannter Verfahren werden aus der Kupferseite des Prepregs Leiterbahnen herausgearbeitet. Weitere Bearbeitungsschritte schließen sich bis zur Fertigstellung der Leiterplatten an.
Für Leiterplatten werden üblicherweise Kupferbänder mit einer Dicke von 0,1 mm bis 2,5 mm eingesetzt. Für Hochstromanwendungen und Anwendungen mit Wärmeableitung durch die Leiterbahnen werden bevorzugt Kupferbänder mit einer Dicke von 0,5 mm bis 2,5 mm verwendet. ED-Kupferfolien sind in diesem Dickenbereich herstellungsbedingt teurer als gewalzte Kupferbänder. Sie werden jedoch dennoch verwendet, da die Haftung des Kunststoffs auf der relativ glatten Oberfläche von gewalzten Kupferbändern nicht ausreichend ist. Versuche, die
Rauheit von gewalzten Kupferbändern durch mechanisches oder chemisches Bearbeiten der Oberfläche zu erhöhen, führten bislang nicht zu einer ausreichenden Haftfestigkeit des Kunststoffs auf dem Kupferband. Aus EP 0 484 533 B1 ist bekannt, dass mittels Kaltgasspritzens Beschichtungen auf metallische Werkstücke aufgebracht werden können. Beim Kaltgasspritzen werden die Spritzpartikel in einem vergleichsweise kalten Trägergas in einer Laval-Düse auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Die Beschichtung wird mit dem Auftreffen der Partikel auf das Werkstück gebildet, wobei die Partikel beim Aufprall eine dichte und festhaftende Schicht bilden. Die plastische Verformung und die daraus resultierende lokale Wärmefreisetzung sorgen dabei für sehr gute Kohäsion und Haftung der Spritzschicht auf dem Werkstück.
In DE 103 46 836 B4 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Raketentriebwerk- Verteileinrichtung mit einer Kupferauflage beschrieben. Metallpulverteilchen werden in einer Sprühdüse mit einem Hauptgasstrom derart beschleunigt, dass sie beim Auftreffen auf das Werkstück plastisch verformt werden. Pro Durchgang kann eine Schicht mit einer Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,8 mm aufgetragen werden. Durch mehrmaliges Sprühen wird ein Gesamtauftrag von 5 bis 8 cm erreicht. Diese massive Kupferauflage dient zur aktiven Kühlung der Verteileinrichtung.
DE 199 18 758 B4 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung einer Korrosionsschutzschicht. Dabei werden Karosserieteile mit auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigten Zink- oder Zinnpartikeln bestrahlt. Als vorteilhaft wird erwähnt, dass durch ein derartiges Depositionsverfahren relativ glatte Oberflächen erzielt werden.
Der EP 1 398 394 A1 ist zu entnehmen, dass Nickel- oder Kobalt-Superlegie- rungen, die in Gasturbinen verwendet werden, mittels Kaltgasspritzens mit
Legierungen, die Aluminium, Chrom und weitere Elemente enthalten, beschichtet werden können. Bei Schichtdicken zwischen 0,1 und 0,2 mm konnten sehr glatte Oberflächen mit Rauheit kleiner 8 μιτι erreicht werden. DE 197 47 386 A1 beschreibt ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Substratwerkstoffen. Die mit Kaltgasspritzen hergestellten Beschichtungen haften sehr gut auf den verschiedensten Substratwerkstoffen, sie weisen eine geringe Porosität auf und besitzen extrem glatte Spritzoberflächen. Unter anderem wird das Spritzen von Metallpulver auf Kunststoff erwähnt. Aus der resultierenden glatten Spritzoberfläche erhält der Fachmann jedoch keinen Hinweis darauf, dass eine gespritzte Metalloberfläche nachträglich mit einer Kunststoffplatte verpresst werden kann, so dass ein für Leiterplatten geeigneter Werkstoffverbund entsteht.
In DE 100 45 783 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen von Werkstücken beschrieben, welche der Leitung von elektrischem Strom dienen und mit einem überwiegend metallischem Material beschichtet sind. Die metallischen Schichten, die durch Flammspritzen oder Kaltgasspritzen erzeugt werden, gehören insbesondere der Familie der Hartlote an und unterscheiden sich in ihrer
Zusammensetzung vom Werkstoff des Substrats. Für einen nachfolgenden Lötprozess spielt die Rauheit der aufgespritzten Schicht nur eine untergeordnete Rolle, so dass der Fachmann aus dieser Schrift keinen Hinweis darauf erhält, derartige Beschichtungen aufzutragen, um die Haftfestigkeit zwischen einem metallischen Leiter und einer Kunststoffplatte zu verbessern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Halbzeuge zur Herstellung von Leiterplatten, ein Verfahren zur Herstellung solcher Halbzeuge, verbesserte Werkstoffverbunde als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Leiterplatten sowie verbesserte Leiterplatten anzugeben. Die Erfindung wird bezüglich eines Halbzeugs durch die Merkmale des
Anspruchs 1 , bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbzeugs durch die Merkmale des Anspruchs 9, bezüglich der Verwendung eines derartigen Halbzeugs zur Herstellung eines Werkstoffverbunds durch die Merkmale des Anspruchs 15, bezüglich eines Werkstoffverbunds durch die Merkmale des Anspruchs 16 und bezüglich daraus hergestellten Leiterplatten durch die
Merkmale des Anspruchs 17 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen
Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt ein bandförmiges Halbzeug aus Kupfer oder einer Kupfer- legierung ein, welches aus einem Substrat der Dicke s-i, und aus mindestens einer mittels Kaltgasspritzens auf der Oberseite des Substrats aufgebrachten Beschichtung der Dicke S2 besteht. Das Substrat weist auf seiner Oberseite im unbeschichteten Zustand eine gemittelte Rautiefe Rzi auf. Die Beschichtung weist auf ihrer vom Substrat abgewandten Oberfläche eine gemittelte Rautiefe RZ2 auf, welche größer als die gemittelte Rautiefe Rzi der Oberseite des Substrats im unbeschichteten Zustand ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Herstellung von Leiterplatten dünne Bänder oder Platten aus Kupfer oder Kupferlegierungen mit Kunststoffplatten aus faserverstärktem Epoxidharz bei Temperaturen von ca.
180 °C verpresst werden. Hierbei muss eine ausreichende Haftfestigkeit zwischen den beiden Elementen erreicht werden. Die Haftfestigkeit wird mit einem
Schältest (Peel-Test) ermittelt und muss mindestens 0,8 N/mm betragen. Beim Verpressen geht das Material der Kunststoff platte in einen plastischen Zustand über, fließt in die Unebenheiten der Bandoberfläche und füllt die Hohlräume aus. Je ausgeprägter die Rauheit der Bandoberfläche ist, desto stärker verkrallt sich das Material der Kunststoffplatte in der Bandoberfläche. Die Oberflächen von gewalzten Bändern aus Kupfer oder Kupferlegierungen sind sehr glatt, so dass es nicht möglich ist, eine hinreichend große Haftfestigkeit auf Kunststoffplatten zu erzielen. Versuche haben gezeigt, dass mittels Kaltgasspritzens auf Substrate Beschichtungen aufgebracht werden können, die auf der vom Substrat abgewandten Oberfläche eine große Rauheit aufweisen. Wählt man als Maß für die Rauheit die gemittelte Rautiefe Rz, dann ist die gemittelte Rautiefe RZ2 der durch Kaltgasspritzen aufgetragenen Beschichtung deutlich größer als die gemittelte Rautiefe Rzi der unter der Beschichtung liegenden, ursprünglich unbeschichteten Oberfläche des Substrats. Durch Kaltgasspritzen kann also ein bandförmiges Halbzeug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung so beschichtet werden, dass seine Oberfläche für das Verpressen mit einer Kunststoff platte ausreichend rau ist. Der Begriff Kunststoff platte umfasst hierbei starre und flexible Kunststoff- platten, Laminate und Verbünde aus mehreren Lagen von Kunststoffschichten.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Beschichtung vollflächig auf dem Substrat aufgebracht sein. Das so beschichtete, bandförmige Halbzeug kann dann vollflächig mit einer Kunststoffplatte verpresst werden. Aus einem solchen Werkstoffverbund können in nachfolgenden Arbeitsschritten durch selektives Ätzen Leiterbahnen aus dem Bandmaterial herausgearbeitet werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Beschichtung selektiv, d.h. nur an bestimmten Stellen auf dem Substrat aufgebracht sein. Aus dem so beschichteten, bandförmigen Halbzeug können dann zunächst Leiterbahnen oder Leiterbereiche gestanzt werden, die anschließend mit einer als Träger wirkenden Kunststoffplatte verpresst werden. Alternativ ist es möglich, das selektiv beschichtete Substrat zuerst mit einer Kunststoffplatte zu verpressen und dann entsprechend der selektiven Beschichtung Leiterbahnen oder Leiterbereiche aus den Werkstoffverbund zu stanzen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Beschichtung werkstoffgleich zum Substrat sein. Substrat und Beschichtung bilden dann eine Werkstoffeinheit mit im Wesentlichen homogenen Eigenschaften, wobei die Beschichtung primär die Funktion übernimmt, die Rauheit der Werkstoffoberfläche zu erhöhen. Für elektrische Leitungen werden vielfach Kupferwerkstoffe mit einer Reinheit von mindestens 99,95 % eingesetzt. Die restlichen Bestandteile sind Phosphor, der zur Desoxidation zugesetzt wird, und unvermeidbare Verunreinigungen, die keine beabsichtigte Wirkung haben. In Anwendungen, in denen die elektrisch leitenden Bauteile besonderen mechanischen Anforderungen genügen müssen, werden oft Kupferlegierungen mit Zusätzen von Zinn, Nickel, Magnesium, Chrom, Silber, Eisen, Titan oder Silizium verwendet. Auch bei solchen Legierungen kann es vorteilhaft sein, Substrat und Beschichtung aus dem gleichen Werkstoff zu verwenden. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass Substrat und Beschichtung unterschiedliche Werkstoffe sein können.
Vorteilhafterweise kann das Substrat ein gewalztes Band aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sein. Solche Bänder sind in großer Abmessungs- und
Werkstoffauswahl in hoher Qualität und zu günstigen Kosten herstellbar.
In bevorzugter Ausführungsform kann das Verhältnis der Dicke Si des Substrats zur Dicke s2 der Beschichtung 3 : 1 bis 250 : 1 betragen. Das erfindungsgemäße, bandförmige Halbzeug besteht zu seinem größeren Teil aus Substrat. Die
Beschichtung soll nur einen geringen Anteil am Gesamtvolumen beitragen, da das Ausgangsmaterial für die Beschichtung spezifisch teurer ist als das Material des Substrats. Für Leiterplatten werden Kupferbänder mit Dicken im Bereich vom 0,1 bis 2,5 mm verwendet. Beim Kaltgasspritzen werden im erfindungsgemäßen Anwendungsfall bevorzugt Pulver mit Partikeldurchmesser zwischen 25 und 45 μιτι verwendet. Da die Partikel beim Aufprall auf das Substrat plastisch defor- miert werden, können einlagige Schichten mit einer Dicke s2 im Bereich zwischen 10 und 35 pm erzeugt werden. Durch mehrfaches Beschichten können mehrlagige Schichten und damit größere Schichtdicken erreicht werden. Ist die Dicke Si des Substrats kleiner als das Dreifache der Dicke s2 der Beschichtung, dann wird das Halbzeug relativ teuer. Der Fall, dass die Dicke Si des Substrats mehr als 250 mal größer ist als die Dicke s2 der Beschichtung, ist technisch zwar möglich, aber praktisch kaum relevant, da er nur für sehr dicke Leiterbahnen eintreten kann.
In besonders bevorzugter Ausführungsform kann die gemittelte Rautiefe Rz2 der Beschichtung mindestens 10 pm betragen. Ist die gemittelte Rautiefe Rz2 geringer als 10 pm. ist die Haftfestigkeit zum Kunststoff nicht ausreichend.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die gemittelte Rautiefe Rz2 der Beschichtung mindestens 30 % und maximal 100 % der Dicke s2 der Beschichtung betragen. Im Idealfall ist die gemittelte Rautiefe Rz2 der
Beschichtung so groß wie die Dicke s2 der Beschichtung. Die notwendige
Rautiefe wird dann mit einem Minimum an Materialaufwand für die Beschichtung erreicht. In diesem Grenzfall ist an manchen Stellen zwischen den Partikeln der Beschichtung die ursprüngliche Oberfläche des Substrats sichtbar. An diesen Stellen wird die Tiefe des größten Profiltals gemessen. Beschichtungen, deren Rautiefe Rz2 weniger als 30 % ihrer Dicke s2 beträgt, sind nicht effizient, da viel Material, das nicht zur Erhöhung der Rauheit beiträgt, aufgetragen wird.
Die Erfindung schließt auch Beschichtungen mit ein, die nur sehr lokal auf das Substrat aufgebracht sind. Die aufgespritzten Partikel können dabei inselartig auf dem Substrat verteilt sein. Zwischen den Partikeln können zusammenhängende Bereiche bleiben, in denen die ursprüngliche Oberfläche des Substrats sichtbar ist. Dem Fachmann ist einsichtig, dass eine solche Ausführungsform in der Erfindung eingeschlossen ist, auch wenn hierbei keine Beschichtung im Sinne einer zusammenhängenden Schicht auf das Substrat aufgebracht wird. Kern der Erfindung ist das Funktionalisieren des Substrats mittels Kaltgasspritzens, so dass ein ausreichend fest haftender Werkstoffverbund zwischen Substrat und einer Kunststoffplatte hergestellt werden kann. Je weniger Material dabei aufgespritzt wird, desto günstiger ist das hergestellte Produkt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Halbzeugs aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bei dem auf einem bandförmigen Substrat, dessen zu beschichtende Oberseite eine gemittelte Rautiefe Rzi aufweist, mittels Kaltgasspritzens eine Beschichtung aufgebracht wird. Dabei wird die Beschichtung derart aufgebracht, dass die vom Substrat abgewandte Oberfläche der Beschichtung eine gemittelte Rautiefe RZ2 aufweist, die größer als die gemittelte Rautiefe Rzi der ursprünglichen, unbeschichteten Oberseite des Substrats ist.
Vorteilhafterweise kann die durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Beschichtung vollflächig auf dem Substrat aufgebracht werden. Das so beschichtete, bandförmige Halbzeug kann dann vollflächig mit einer Kunststoffplatte verpresst werden. Aus einem solchen Werkstoffverbund können in nachfolgenden
Arbeitsschritten durch selektives Ätzen Leiterbahnen aus dem Bandmaterial herausgearbeitet werden.
Alternativ kann es vorteilhaft sein, dass die durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Beschichtung selektiv, d.h. nur an bestimmten Stellen auf dem Substrat aufgebracht wird. Aus dem so beschichteten, bandförmigen Halbzeug können dann zunächst Leiterbahnen oder Leiterbereiche gestanzt werden, die anschließend mit einer als Träger wirkenden Kunststoff platte verpresst werden. Alternativ ist es möglich, das selektiv beschichtete Halbzeug zuerst mit einer Kunststoffplatte zu verpressen und dann entsprechend der selektiven Beschichtung Leiterbahnen oder Leiterbereiche aus den Werkstoffverbund zu stanzen. Bei einem Verfahren mit selektiver Beschichtung kann es zweckmäßig sein, vor dem Aufbringen der Beschichtung, beispielsweise durch Stanzen, Aussparungen zur Führung und/oder Positionierung des bandförmigen Halbzeugs in das bandförmige Substrat einzubringen. Die Aussparungen können die Form von runden Löchern, Langlöchern, Schlitzen oder ähnliche Formen haben. In diese Aussparungen können Teile der Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt wird, eingreifen, das bandförmige Substrat in den Beschichtungsbereich der Vorrichtung führen und dort für die selektive Beschichtung zu positionieren.
Vorteilhafterweise wird durch das Kaltgasspritzen eine zum Substratwerkstoff gleiche Beschichtung aufgebracht. Substrat und Beschichtung bilden dann eine Werkstoffeinheit mit im Wesentlichen homogenen Eigenschaften, wobei die Beschichtung primär die Funktion übernimmt, die Rauheit der Werkstoffober- fläche zu erhöhen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann nach dem Beschichten des Substrats ein Überwalzen der Beschichtung erfolgen. Das Überwalzen wird so ausgeführt, dass die Spitzen des Rauheitsprofils der
Beschichtung leicht gestaucht und somit in Lateralrichtung verbreitert werden. Dadurch entstehen in der Beschichtung hinterschnittene Bereiche. In diese Hinterschneidungen fließt beim Verpressen das Material der Kunststoffplatte und bildet dort Zonen mit besonders großer Haftfestigkeit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt die Verwendung eines bandförmigen Halbzeugs aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zur Herstellung von Werkstoff- verbunden ein. Die Werkstoffverbunde bestehen mindestens aus einer Kunststoffplatte, einer Metallplatte aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sowie einer Zwischenschicht, die sich zwischen der Metallplatte und der Kunststoffplatte befindet. Die Zwischenschicht ist mittels Kaltgasspritzens auf die Metallplatte aufgebracht. Der Begriff Kunststoff platte umfasst hierbei starre und flexible
Kunststoffplatten, Laminate und Verbünde aus mehreren Lagen von Kunststoffschichten. Der Werkstoffverbund kann plattenförmig, starr oder flexibel sein. In bevorzugter Ausführungsform ist die Zwischenschicht aus dem gleichen Werkstoff wie die Metallplatte. Derartige Werkstoffverbunde stellen ein Zwischenprodukt bei der Herstellung von Leiterplatten dar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt einen Werkstoffverbund ein, der mindestens aus einer Kunststoffplatte, einer Metallplatte aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sowie einer Zwischenschicht, die sich zwischen der Metallplatte und der Kunststoff platte befindet, besteht. Die Zwischenschicht ist mittels Kalt- gasspritzens auf die Metallplatte aufgebracht. Der Begriff Kunststoff platte umfasst hierbei starre und flexible Kunststoffplatten, Laminate und Verbünde aus mehreren Lagen von Kunststoffschichten. Der Werkstoffverbund kann plattenförmig, starr oder flexibel sein. In bevorzugter Ausführungsform ist die Zwischenschicht aus dem gleichen Werkstoff wie die Metallplatte.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt eine Leiterplatte ein, die mindestens aus einem Kunststoffträger und darauf sich befindenden Leiterbahnen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Die Leiterbahnen sind aus einem flächig mit dem Kunststoffträger verbundenen Halbzeug herausgearbeitet. Zwischen dem Kunststoffträger und den Leiterbahnen befindet sich eine Zwischenschicht, die mittels Kaltgasspritzens auf das Halbzeug, aus dem die Leiterbahnen herausgearbeitet sind, aufgebracht ist. In bevorzugter Ausführungsform ist die Zwischenschicht aus dem gleichen Werkstoff wie die Leiterbahnen. Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele sowie der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine stark vergrößerte Ansicht einer mit Kupferpartikeln
kaltgasgespritzten Oberfläche
Fig. 2 zeigt eine stark vergrößerte Ansicht einer weiteren mit Kupferpartikeln kaltgasgespritzten Oberfläche
Auf ein gewalztes Kupferband wurde mittels Kaltgasspritzens eine einseitige Beschichtung aufgebracht. Als Ausgangsmaterial für die Beschichtung wurde Kupferpulver der Siebstufe kleiner 45 pm verwendet. Figur 1 zeigt eine
schematische Darstellung einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme der Oberfläche. Der Bildausschnitt zeigt eine Fläche von ungefähr 230 pm mal 140 pm. Man erkennt einzelne Partikel 1 des aufgespritzten Pulvers. Die Partikel befinden sich teilweise übereinander geschichtet. Durch mehrlagiges Beschichten konnte eine gemittelte Rautiefe RZ2 von 61 pm bei einer Schichtdicke von 80 pm erreicht werden. Die gemittelte Rautiefe Rz2 beträgt also ungefähr 76 % der Schichtdicke. Dieses Beispiel zeigt, dass mittels Kaltgasspritzen sehr raue
Oberflächen auf bandförmigen Kupferhalbzeugen erzeugt werden können. Aus Kostengründen wird man die Dicke der Beschichtung so wählen, dass die gewünschte Rauheit gerade sicher erreicht wird. Bei Kupferbändern, die zur Herstellung von Leiterplatten verwendet werden, muss die gemittelte Rautiefe RZ2 mindestens 10 pm, bevorzugt mindestens 20 pm betragen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde auf ein gewalztes Kupferband mittels Kaltgasspritzens eine einseitige Beschichtung aufgebracht. Als Ausgangsmaterial für die Beschichtung wurde wiederum Kupferpulver der Siebstufe kleiner 45 pm verwendet. Im Gegensatz zu dem in Figur 1 dargestellten Beispiel wurde in diesem Fall die Beschichtung durch einlagiges Spritzen aufgebracht. Somit wurde pro Flächeneinheit sehr wenig Beschichtungsmaterial aufgetragen. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme der Oberfläche. Der Bildausschnitt zeigt eine Fläche von ungefähr 570 μιτι mal 360 μιτι. Man erkennt einzelne Partikel 1 des aufgespritzten Pulvers. Die aufgespritzten Partikel sind teilweise inselartig einzeln auf dem Substrat verteilt, teilweise bilden sie Agglonrierate von einigen wenigen Partikeln. Zwischen den Partikeln bleiben zusammenhängende Bereiche, in denen die ursprüngliche Oberfläche 2 des Substrats sichtbar ist. Auch wenn in diesem Ausführungsbeispiel keine Beschichtung im Sinne einer zusammenhängenden Schicht auf das Substrat aufgebracht wurde, ist eine solche Ausführungsform in der Erfindung eingeschlossen.
Bezugszeichenliste
Partikel des Kupferpulvers nach dem Kaltgasspritzen ursprüngliche Oberfläche des Substrats

Claims

Patentansprüche
Bandförmiges Halbzeug aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bestehend aus einem Substrat der Dicke s<\, das auf seiner Oberseite eine gemittelte Rautiefe Rzi aufweist, und aus mindestens einer mittels Kaltgasspritzens auf der Oberseite des Substrats aufgebrachten Beschichtung der Dicke s2, welche auf ihrer vom Substrat abgewandten Oberfläche eine gemittelte Rautiefe RZ2 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte
Rautiefe Rz2 der Beschichtung größer als die gemittelte Rautiefe Rzi der Oberseite des Substrats ist.
Bandförmiges Halbzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung vollflächig auf dem Substrat aufgebracht ist.
Bandförmiges Halbzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung selektiv auf dem Substrat aufgebracht ist.
Bandförmiges Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung werkstoffgleich zum Substrat ist.
Bandförmiges Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein gewalztes Band aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ist.
Bandförmiges Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke Si des Substrats zur Dicke S2 der Beschichtung 3 : 1 bis 250 : 1 beträgt.
7. Bandförmiges Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Rautiefe RZ2 der Beschichtung mindestens 10 m beträgt. 8. Bandförmiges Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die gemittelte Rautiefe Rz2 der Beschichtung mindestens 30 % und maximal 100 % der Dicke s2 der Beschichtung beträgt. 9. Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Halbzeugs aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bei dem auf einem bandförmigen Substrat, dessen zu beschichtende Oberseite eine gemittelte Rautiefe Rzi aufweist, mittels Kaltgasspritzens eine Beschichtung aufgebracht wird, die auf ihrer vom Substrat abgewandten Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz2 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Rautiefe RZ2 der Beschichtung größer als die gemittelte Rautiefe Rzi der Oberseite des Substrats ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch
Kaltgasspritzen aufgebrachte Beschichtung vollflächig auf dem Substrat aufgebracht wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch
Kaltgasspritzen aufgebrachte Beschichtung selektiv auf dem Substrat aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem
Aufbringen der Beschichtung Aussparungen zur Führung und/oder
Positionierung des bandförmigen Halbzeugs in das bandförmige Substrat eingebracht werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Beschichtung werkstoffgleich zum Substrat ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beschichten ein Überwalzen der Beschichtung erfolgt.
15. Verwendung eines bandförmigen Halbzeugs aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung zur Herstellung eines Werkstoffverbunds, der mindestens aus einer Kunststoffplatte, einer Metallplatte aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung sowie einer Zwischenschicht besteht, die sich zwischen der Metallplatte und der Kunststoffplatte befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht mittels Kaltgasspritzens auf die Metallplatte aufgebracht ist.
16. Werkstoffverbund, der mindestens aus einer Kunststoffplatte, einer
Metallplatte aus Kupfer oder einer Kupferlegierung sowie einer
Zwischenschicht besteht, die sich zwischen der Metallplatte und der Kunststoffplatte befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht mittels Kaltgasspritzens auf die Metallplatte aufgebracht ist.
17. Leiterplatte, mindestens bestehend aus einem Kunststoffträger und darauf sich befindenden Leiterbahnen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, welche aus einem flächig mit dem Kunststoffträger verbundenen Halbzeug herausgearbeitet sind, wobei sich zwischen dem Kunststoffträger und den Leiterbahnen eine Zwischenschicht befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht mittels Kaltgasspritzens auf das Halbzeug, aus dem die Leiterbahnen herausgearbeitet sind, aufgebracht ist.
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