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Verfahren zur Herstellung von verstärkten Durchführungslöchern in gedruckten Schaltungen
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Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 4 die Isolierplatte mit abziehbarer Schicht ; Fig. 5 ein Durchführungsloch ; Fig. 6 ein Durchführungsloch mit abziehbarer Schicht ; Fig. 7 ein leitend gemachtes Loch nach Entfernung der abziehbaren Schicht ; Fig. 8 die Umgebung eines plattierten Loches ; Fig. 9 die Anordnung nach Fig. 8 nach dem Auftrag des Lotes ; Fig. 10 die Anordnung nach Fig. 9 nach dem Entfernen des Schaltungsnegativs ; Fig. 11 die fertige Schaltplatte.
Die nach diesem Verfahren hergestellte Montageplatte mit gedruckter Schaltung benutzt eine mit Metallfolie verkleidete Platte als Ausgangsmaterial. Bei der Bildung von Platten mit gedruckter Schaltung aus diesem Material ergeben sich bestimmte Probleme, die mit dem Material selbst zusammenhängen.
Diese Probleme gehen aus der nachstehenden Beschreibung des Plattenmaterials hervor.
Der auf diesem Gebiet verwendete Ausdruck "mit Metallfolie verkleidete Platte" bezeichnet ein Isolierausgangsmaterial, auf dessen eine oder auf dessen beide Seiten eine Folie, gewöhnlich Kupfer, aufgeklebt ist. Silber ist zu vermeiden, da es unter gewissen Bedingungen in die nähere Umgebung abwandert. Prinzipiell kann jeder passende nichtleitende Stoff als Ausgangsmaterial verwendet werden ; sei- ne Auswahl erfolgt nach z. E. dielektrisdlen Eigenschaften, Gewicht, Dicke, Steifheit, Abriebfestigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Hitze, Feuchtigkeit oder Chemikalien und Preis. Als Grundmaterial.. steht eine Vielzahl von geeigneten Stoffen zur Verfügung, und von diesen ist bisher Hartpapier am meisten verwendet worden und leicht erhältlich.
Die Klebemittel zum Befestigen der Metallfolie auf dem Isoliermaterial haben unterschiedliche Haftfähigkeit ; obwohl zwar die Klebkraft ausreicht, um eine nicht allzu lange Leitung zuverlässig auf der Oberfläche des Grundmaterials festzuhalten, treten Ablösungen häufig auf, wenn andere elektrische Teile, wie Widerstände und Kondensatoren, an den Leitungen befestigt werden. Bei hohen Temperaturen, wie sie beim Tauchlöten auftreten, gibt das Klebemittel Gas ab, welches eine Blase unter der Leitung erzeugt und die Leitung von der Grundplatte ablöst. Die nachteiligen Wirkungen der Blasenbildung und der geringen Haftfähigkeit werden nach dem erfindungsgemässen Verfahren stark verringert.
Die auf das Grundmaterial aufgeklebte Metallfolie hat verschiedene Dicken zwischen etwa 0,01 und 0,25 mm ; die Folie besteht meist aus Kupfer. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist die Stärke der verwendeten Folie für dieDauerhaftigkeit des Überzuges nicht kritisch. Fig. 1 zeigt nun einen Querschnitt
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platte 1 mit einer der gewünschten Tragfähigkeit angepassten Stärke. Auf beide Flächen dieser Platte 1 ist die Kupferfolie 2 mit einem Klebmittel 3 befestigt. Sie kann beliebig dick sein, da sie keinen Beitrag zur Leitfähigkeit der Schaltverbindungen zu liefern braucht ; sie soll nur für die noch genauer zu beschreibenden Galvanisierungsmassnahmen gleichförmige elektrische Bedingungen schaffen.
Der erste Schritt des Verfahrens besteht in der Reinigung der Kupferfläche von Schmutz und Fett.
Durch diese könnten spätere Schritte des Verfahrens gestört werden. Die Flächen werden zuerst mit pulverisiertem Bimsstein leicht geschliffen und dann mit fliessendemWasser gespült, um das Schleifmittel zu entfernen. Es können aber auch Sandstrahlung und chemische Entfettung angewendet werden.
Dann wird ein Schutzüberzug aufgebracht ; die herzustellenden Leitungsteile werden dabei freigelassen. Das Schutzmittelmuster kann nach einem der bekannten Verfahren aufgebracht werden. Beispiele sind das Lichtdruck-, Offsetdruck-und Seidensiebdruckverfahren. Das als Schutzüberzug. verwendete Material richtet sich nach dem Aufbringverfahren, aber im allgemeinen braucht das Schutzmittel nur nichtleitend zu sein und sich nicht abzulösen, wenn es etwa eine Stunde lang in einem galvanischen Bad liegt. Die Anforderungen an den Überzug sind also geringer als bei einem Ätzverfahren. Nach Wunsch kann der Schutzüberzug auch erst später innerhalb des Verfahrens aufgebracht : verden.
Fig. 2 zeigt ein Stück einer mit Folie überzogenen Platte mit aufgebrachtem Schutzüberzug 4 auf der ganzen Folienoberfläche mit Ausnahme der Teile, die als Leitung 5 und als leitende Verbindung 6 (Querverbindung) an einem Ende der Leitung dienen sollen. Die Metallfolie auf der Plattenunterseite ist mit Ausnahme der Teile, die als Leitungen und Anschlüsse dienen sollen, ebenfalls abgedeckt. Es versteht sich, dass jedem für eine Querverbindung ausgesparten Teil der Folie einer Plattenseite ein entsprechender Teil auf der andern Seite entsprechen muss. In Fig. 2 und 3 gehören Teil 7 auf der Unterseite der Platte und Teil 6 auf der Oberseite zusammen.
Nun wird eine abziehbare Schicht 9 (Fig. 4) auf beiden Seiten der Platte sowohl über dem Schutz- überzug als auch über der freien Folie aufgebracht ; sie muss ohne Beschädigung des Schutzüberzuges leicht entfernbar sein. Solche Stoffe sind handelsüblich. Ein Beispiel ist Polyvinylchlorid, gelöst in MethylIsobutylketon.
Nach Aufbringung der abziehbaren Schicht wird an jeder für eine Querverbindung vorgesehenen Stelle ein Loch 10 durch die Platte gebohrt oder gestanzt. Dieses dient später als Anschluss für äusserlich aufgesetzte Bestandteile als Verbindung zwischen einem Leitungsmuster auf der einen Seite der Platte und
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einem Leitungsmuster auf der andern Seite und als Mittel gegen die Ablösung einer Leitung von der
Grundplatte. Der Durchmesser des durch alle bisher gebildeten Schichten reichenden Loches 10 ist beträchtlich kleiner als die frei gelassenen Folienteile 6 und 7. Der Grund dafür wird noch erklärt. Wie in Fig. 5 angedeutet, ist nur die Manteloberfläche des Loches durch das Ausgangsmaterial 1 und der dem Loch zugekehrte Rand der Folie 2 nicht mit der abziehbaren Schicht 9 bedeckt.
Der nächste Schritt besteht darin, die Wände des Loches mit einem leitenden Überzug zu versehen,
Dies kann auf zwei Arten geschehen : Die erste besteht darin, eine Mischung von Graphit und Alkohol durch Spritzen oder Tauchen aufzubringen, wob-ei darauf zu achten ist, dass die Innenseiten der Löcher vollständig werden. Hiefür eignet sich eine Lösung von 40 Teilen Graphit und 90 Teilen Isopropyl-Alkohol. Auf diesen Überzug wird später ein Metall aufgalvanisiert. Es hat sich gezeigt, dass die Galvanisierung beschleunigt wird durch Zusatz von 10 Teilen feinen Elektrolytkupfer-Pulvers zu der erwähnten Mischung. Beim Verdunsten des Alkohols hinterlässt die Mischung einen leitenden Niederschlag auf der Innenseite des Loches 10 und liefert die elektrische Verbindung zwischen beiden Folienschichten 2.
Der leitende Niederschlag 12 ist in Fig. 6 gezeigt, die einen vergrösserten Querschnitt durch das Loch darstellt.
Die Oberfläche 11 des Loches 10 hatte natürlich Werkzeugspuren, wie sie beim Bohren oder Stanzen entstehen. Die Graphit- oder Graphit-Kupferpulver-Mischung überbrückt aber diese Unebenheiten.
Ein zweites Verfahren zur Bekleidung der Loch-Innenseiten besteht in der Bildung eines Niederschlages im Vakuum. Nach Überziehen der Lochwände wird jetzt die abziehbare Schicht 9, die alles mit Ausnahme der Lochflächen geschützt hatte, entfernt. Die später als Leiter dienenden Teile der Metallfolie und die leitend überzogenen Lochflächen werden dadurch freigemacht, während der restliche Teil der Folie mit dem Schutzüberzug 4 überzogen bleibt. Das zeigt Fig. 7, in der zu beachten ist, dass beim Entfernen der abziehbaren Schicht der Niederschlag 12 jetzt nur die Lochfläche 11 bedeckt.
Als nächstes werden die Lochoberflächen und die freien Teile der Metallfolie in einer einzigen galvanischen Operation mit Kupfer überzogen. Die Galvanisierung muss fortgesetzt werden, bis der Metall- überzug auf der Innenseite des Loches eine Dicke von mindestens 0,03 mm erreicht hat, die für die meisten Anwendungsarten der Schaltung ausreicht. Für grössere geforderte Leitfähigkeit können grössere Dicken erzeugt werden. Durch die genannte Dicke werden drei wichtige Vorteile erreicht, die aus Fig. 8 ersichtlich sind. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, wird infolge der Dicke des Überzuges 13 der Vorsprung 14, wo der galvanische Überzug mit dem Leitungsmuster zusammenstösst, breit genug, um Erschütterungen und Schwingungen zu widerstehen. Im Betrieb werden an die Montageplatte mit gedruckter Schaltung häufig äussere Schaltelemente angeschlossen.
Deren Anschlussdrähte 15, in Fig. 8 strichpunktiert gezeichnet, werden in das galvanisierte Loch eingeführt. Dabei werden im Betrieb die Erschütterung und Schwingung der schaltelemente über den Anschlussdraht auf das Loch übertragen, und die Beanspruchung konzentriert sich infolge der Hebelwirkung mit stark vergrösserten Werten an den Vorsprüngen 14. Ein weiterer Vorteil des stark plattierten Loches ist seine höhere Wärmeleitfähigkeit, die zuverlässigere Tauchlötung unter weniger genau kontrollierten Bedingungen ermöglicht.
Hier muss erwähnt werden, dass die aufgezählten Schritte alle zur Erzeugung dieser stark plattierten Löcher beigetragen haben, da durch die bisher beschriebene Technik die Plattierung zu einem Zeitpunkt der Herstellung erfolgt, wenn die volle Leitfähigkeit der ganzen Folie noch erhalten ist und alle zu galvanisierenden Teile elektrisch zusammenhängen. Es sind keine Überbrückungen zu getrennten Teilen des Leitungsmusters nötig, und alle Teile des Musters haben das gleiche Potential, wodurch die Gleichmässigkeit der Lochplattierung gewährleistet wird.
Ein Arbeitsbeispiel für die Plattierung einer Schaltplatte von 50 mm Breite und 150 mm Länge mit beidseitiger Kupferfolie verläuft etwa so : Die galvanische Lösung ist Kupferfluoborat ; es wird eine Stromdichte von 3 Amp/dm2verwendet. Die Galvanisierungszeit für die Plattierung der Löcher mit einer Dicke von 0,025 mm beträgt etwa 30 Minuten. Die Werte sollen als Anhaltspunkt dienen.
Der nächste Schritt des Verfahrens besteht im galvanischen Aufbringen von Lot auf das Leitungsmuster und in die Löcher. Da der Schutzüberzug noch unverletzt ist, kann sich das Lot nur auf dem Leitungsmuster und in den Löchern absetzen. Geeignete galvanische Bäder sind bekannt. Bei gleicher Stromdichte und Zeit wie beim Kupferbad entsteht ein Lotüberzug von etwa 0,025 mm Dicke.
Dieser Lotüberzug über der. Kupferschicht soll die Tauchlötung erleichtern, wenn später Schaltteile angeschlossen werden ; er widersteht den korrodierenden Wirkungen der atmosphärischen Bedingungen, denen die Montageplatte mit gedruckter Schaltung im Betrieb ausgesetzt ist, und ausserdem greift die Säure bei einem später beschriebenen Ätzvorgang die Lotschicht nicht so schnell an wie die nackte Metallfolie. Fig. 9 zeigt ein plattiertes Loch und eine plattierte Leitung mit Lot auf dem Kupferüberzug. Das Lot 16 liegt über dem Kupferüberzug 13 innerhalb des Loches 10 und auf den Leitungsteilen 5 und 8.
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Jetzt kann der Schutzüberzug 4 entfernt werden. Die Art und Weise, in der das geschieht, richtet sich nach dem verwendeten Schutzmittel, aber gewöhnlich genügt dessen Auflösung mit einer chemi- schen Lösung. Zur Entfernung eines Überzuges auf Asphaltbasis, der nach dem Seidensiebverfahren auf- gebracht worden ist, genügt ein Bad von zwei bis vier Minuten in Ibluol. Jetzt erscheinen Loch und Lei- tung, wie Fig. 10 zeigt, und die bisher von dem Schutzmittel bedeckten Metallfolienteile 2 sind nun frei.
Der nächste Schritt besteht in der Entfernung der Metallfolie zwischen den Leitungen. Dies geschieht vorzugsweise durch Wegätzen der freien Folie bis zu dem Isoliergrundmaterial herunter. Die Ätzung er- folgt durch Einbringen der Platte in ein Chromsäure-Schwefelsäuregemisch. Die Säurelösung beseitigt das
Kupfer und bildet eine Bleichromatablagerung auf den Leitungsteilen 5. Für eine Tafel der Grösse von
50X150 mm liegt die Ätzzeit am besten zwischen sechs und zehn Minuten. Auch das Ätzverfahren ist nur als Beispiel zu werten.
Als letzter Schritt des Verfahrens werden die Leitungen abgeschliffen, um die Bleichromatablagerun- gen zu beseitigen. Dies kann mit einer Borstenbürste oder einem synthetischen Schwamm und pulveriser- tem Bimsstein erfolgen. Das Bleichromat auf den Leitungen und in den Löchern muss so weit entfernt werden, dass die Tauchlötung nicht beeinträchtigt wird. Ein fertig plattiertes Loch mit Leitung ist in Fig. 11 dargestellt. Die Folienschichten 2 sind dort völlig weggeätzt und geben die Isolierplatte 1 und die Klebmittelschicht überall dort frei, wo die Folie nicht von den Leitungsmustern oder plattierten Löchern bedeckt ist, die aus Kupferschichten 13 und Lot 16 bestehen.
Die nachstehenden Bemerkungen sollen auf die Schwierigkeiten, die das hier beschriebene Verfahren vermeidet, hinweisen. Obwohl die Montageplatte mit gedruckter Schaltung eine mit Metallfolie verkleidete Platte als Ausgangsmaterial hat, vermeidet oder verringert sie die diesem Material eigenen nachtei- ligen Eigenschaften, nämlich geringe oder schwankende Klebfestigkeit und Gasbildung des Klebmittels unter Erhitzung. Dies trifft aus folgenden Gründen zu :
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht die Bildung von stark galvanisierten Querverbindungen, welche ein Ganzes mit dem Schaltungsmuster bilden, gleichzeitig mit der Bildung des Leitungsmusters.
Infolge der geringen und wechselnden Klebfestigkeit neigt das Leitungsmuster dazu, sich von der Isolierplatte überall dort, wo es beansprucht wird, abzulösen. Die Stellen, wo eine solche Ablösung häufiger stattfindet, befinden sich in der Nähe von Anschlüssen anderer Schaltteile und entlang langen Leitungen.
Das stark plattierte Loch, das ein Ganzes mit dem Leitungsmuster dieser Schaltplatte bildet, verbindet das Leitungsmuster mechanisch mit der Isolierplatte überall dort, wo die Konzentration der Beanspruchung wahrscheinlich ist, und da das Loch zusammen mit dem Leitungsmuster gebildet wird, kann es zur Verankerung des Musters in der Isolierplatte dienen. Für seine Verwendung an andern Stellen als an Anschlüssen von Schaltteilen oder durchgehenden Verbindungen von Mustern auf entgegengesetzten Seiten der Platte ist es lediglich erforderlich, darauf zu achten, dass ein nur zur Verankerung verwendetes Loch nicht das Leitungsmuster auf den entgegengesetzten Seiten der Platte trifft. Dies ist nur eine Frage der Anordnung.
Die Wirkung der Gasbildung durch das die Folie mit der Isolierplatte verbindende Klebmittel bei dessen Erwärmung wird stark verringert durch die Dicke der Plattierung in dem Loch und des auf die Oberfläche aufgalvanisierten Lotes. Diese drei Punkte tragen alle dazu bei, die Tauchlötung von Schaltteilen mit einem grösseren Prozentsatz zuverlässiger Verbindungen zu gestatten, und heisse Stellen in dem Muster werden vermieden. Wenn eine Schaltplatte mit daran angebrachten Schaltteilen in ein Lötbad gebracht wird, muss von dem Bad genügend Wärme zu deren Anschlüssen gebracht werden, um alle Anschlüsse auf die Temperatur des geschmolzenen Lotes zu erwärmen.
Wenn die Querverbindungen durch die Isolierplatte hindurch die Wärme weniger gut leiten als andere Teile des Musters, entstehen unerwünschte "heisse Stellen" während der Behandlung im Lötbad dort, wo das Muster die Wärme gut absorbiert, und das Klebmittel unter diesen Stellen wird der Wirkung der Wärme solange ausgesetzt, wie die übrigen Stellen zum Erreichen derselben Temperatur brauchen. Bei dieser langen Wärmebehandlung bildet das Klebmittel häufig ein Gas, das eine Blase unter der Leitung entstehen lässt und diese ablöst. Eine lange Erhitzung ist auch oft unvermeidlich, wenn das Leitungsmuster nicht vor dem Tauchlöten verzinnt wird, weil wegen der Oberflächenverunreinigung die Wärmeübertragung nicht gleichmässig ist.
Deshalb ist manchmal ein Flussmittel erforderlich, jedoch haben diese Mittel schädliche elektrische Eigenschaften, und es sind weitere Verfahrensschritte für die Aufbringung und Beseitigung nötig. Da das Leitungsmuster bereits verzinnt ist, braucht die Wärmeübertragung von dem flüssigen Lötbad nur zu dem aufgalvanisierten Lot zu erfolgen, ohne das ganze Leitungsmuster zu erhitzen. Bei diesem Verfahren absorbiert tatsächlich das stark plattierte Loch mehr Wärme in einer gegebenen Zeit als das leitende Muster, so dass eine örtlich gesteuerte "heisse Stelle" dort auftritt, wo eine Lötverbindung erwünscht ist und wo sich wenig Klebmittel
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Mit diesen örtlich gesteuerten "heissen Stellen" dient die gedruckte Schaltungsplatte selbst als Wärmeisolator und schützt schlecht leitende Bauelemente, so dass diese nun nach dembeschriebenen Verfahren tauchgelötet werden können. Die Verwendung von Flussmittel wird vermieden.
Neben der schon erwähnten Wiederstandsfähigkeitder Anordnung gegen Erschütterungen ist ein weiterer Vorteil die durch die starke Verankerung gegebene Möglichkeit, defekte Bauelemente mittels Lötkolben gefahrlos auszuwechseln. Poren in der Schutzschicht verursachen keine Schwächung des Leitungsmusters, sondern allenfalls die Galvanisierung der Folie, die beim späteren Ätzen wegfällt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von verstärkten Durchführungs- und bzw. oder Befestigungslöchern in gedruckt-en-Schaltungen, bei denen ein isolierendes Negativmuster der herzustellenden Schaltung beidseits einer mit Metallfolie, ausgenommen Silberfolie, bekleideten Isolierplatte aufgebracht und die freibleibende Folie galvanisch verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass über das ungelochte Negativmuster ein die ganze folienbelegte Isolierplatte bedeckender, abziehbarer Film aufgebracht wird, dann die gewünschten Löcher durch Film und Platte hergestellt und die Lochwände mit einem Graphit-AlkoholGemisch oder einer aufgedampften Metall-, vorzugsweise Kupferschicht, bekleidet werden,
worauf nach dem Entfernen des abziehbaren Films die freiliegende Folie und die Lochwände nacheinander mit zwei verschiedenen Metallen plattiert und schliesslich Negativmuster und nicht plattierte Folie in an sich bekannter Weise entfernt werden.