DE1765341B1

DE1765341B1 - Verfahren zur herstellung einer mehrlagigen gedruckten schaltung

Info

Publication number: DE1765341B1
Application number: DE19681765341
Authority: DE
Inventors: Meyers Steven Charles
Original assignee: Control Data Corp
Current assignee: Control Data Corp
Priority date: 1967-06-26
Filing date: 1968-05-02
Publication date: 1972-02-03
Also published as: FR1568439A; GB1187916A; US3496072A; NL6804270A; NL161649B; NL161649C

Description

3 4

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu- den Verfahrensschritte zur Isolierung, der nach deni gründe, die wirtschaftliche Herstellung von mehr- Verfahrensschritt gemäß F i g. 8 hergestellten Verlagigen gedruckten Schaltungsanordnungen nicht nur bindung zwischen den Einzellagen,,
durch Erhöhung der Herstellungsgeschwindigkeit, Fig. 10 eine schematische Darstellung der Versondern auch durch Verkleinerung der zur Herstel- 5 fahrensschritte zur Bildung mehrerer miteinander lung der die einzelnen Lagen durchsetzenden leit- verbundener Lagen gemäß der abgewandelten Ausfähigen Verbindungen erforderlichen Metallmenge zu führungsform der Erfindung und
verbessern. Fig. 11 eine schematische Darstellung einer voll-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- ständigen mehrlagigen gedruckten Scjialtungsanord-

löst, daß die von der Grundschicht getragene, durch io nung mit gemäß der abgewandelten Ausführungs-

Ätzbehandlung unter Verwendung einer photoemp- form der Erfindung hergestellten Verbindungen zwi-

findlichen Maske ausgebildete leitfähige Schicht in an sehen den Einzellagen.

sich bekannter Weise von einer zweiten Maske be- F i g. 1 veranschaulicht eine Anordnung, aus der deckt und die zweite Maske in einem Muster ent- die erste der verschiedenen Lagen einer gedruckten wickelt wird, daß auf die leitfähige Schicht an den 15 Schaltungsanordnung hergestellt wird. Diese Anorddurch das Entwickeln auf der zweiten Maske freige- nung besteht aus einer Grundschicht 1 aus Isoliergebenen Stellen unter Ausbildung des Ansatzes leit- material, auf der eine Schicht 2 aus leitfähigem Matefähiges Material aufgalvanisiert wird und daß nach rial, wie Kupfer, befestigt ist, welche ihrerseits von Entfernen der zweiten Maske auf die soweit ausge- einer Maske 3 bedeckt ist, die ein selektives Entferbildete Schichtanordnung unter Freilassung der obe- 20 nen der leitfähigen Schicht 2 unter Zurücklassung ren Fläche des Ansatzes eine weitere Isolierschicht eines gedruckten Schaltungsschemas auf der Grundaufgebracht wird. schicht 1 ermöglicht. Bei der dargestellten Ausfüh-

Das erfindungsgemäß angewandte Elektroformver- rungsform besteht die Maske 3 aus einem herkömmfahren zur Herstellung von mehrlagigen gedruckten liehen photoempfindlichen Material, das selektiv in Schaltungsanordnungen vermag die Nachteile der 25 einem der herzustellenden gedruckten Schaltung entherkömmlichen Verfahren durch verbessertes Fest- sprechenden Schema belichtet wird. Solche photolegen der Verbindungsstellen zwischen den Einzel- empfindlichen Materialien reagieren derart auf Licht, lagen und der verbesserten Vereinigung der Einzel- daß die unbelichteten Bereiche mit einem herkömmlagen auszuschalten, wodurch höhere Verbindungs- liehen Entwickler entfernt werden können. Nach dem dichte und höhere Herstellungsgeschwindigkeit ge- 30 Aufbringen des Entwicklers und nach einem folgenwährleistet werden. Außerdem ermöglicht das erfin- den Ätzvorgang ist auf der Grundschicht eine gedungsgemäße Verfahren die Festlegung des Anfangs- druckte Schaltung ausgebildet, wie dies in Fig. 2 und Endpunkts der leitfähigen Verbindungen inner- dargestellt ist.

halb der mehrlagigen Anordnung, wobei der über Nach der Ausbildung dieser ersten gedruckten und unter den Verbindungen befindliche Raum für 35 Schaltungslage wird die in F j g. 2 noch sichtbare weitere elektronische Schaltungen auf der beispiels- Maske 3 aus belichtetem photoempfindlichem Mateweise zu einer Platte vereinigten mehrlagigen Schal- rial entfernt (F i g. 3) und werden die leitfähige tungsanordnung ausgenutzt werden kann. Schicht 2 sowie die freigelegten Bereiche der Grund-

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ver- schicht 1 mit einem Leiter 4, wie Kupfer, bedeckt,

fahrens besteht in der Möglichkeit der Anwendung 40 Dieses Aufbringen des Leiters 4 kann durch GaI-

von Isolationen mit speziellen Eigenschaften zwi- vanisieren, durch Vakuum-Bedampfung oder auf

sehen den Einzellagen einer mehrlagigen gedruckten verschiedenartige andere bekannte Weisen erfolgen.

Schaltungsanordnung, ohne auf das Material einer Dieser Leiter 4, der eine Dicke von etwa 1,25 μ be-

Maske beschränkt zu sein. Darüber hinaus ist wäh- sitzen kann, stellt einen elektrischen Leitungszug für

rend der Herstellung eine Überprüfung der einzelnen 45 einen nachfolgenden Elektroformvorgang dar.

Leitungszüge möglich, so daß bereits während der Das Gebilde gemäß F i g. 3 wird dann erneut mit

Herstellung einwandfreie Qualität der Produkte ge- einer Maske 5 aus einem Material bedeckt, das sich

währleistet werden kann. eng an die Konturen der leitfähigen Schicht 2 an-

Im folgenden sind zwei bevorzugte Ausführungs- paßt und im Schema von einer oder mehreren elek-

formen der Erfindung an Hand der Zeichnungen 50 irischen Verbindungen zwischen den einzelnen Lagen

näher erläutert. Es zeigen der Schaltungsanordnung photoentwickelt werden

F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen der Ver- kann. Die Anpassung an die verbliebene leitfähige

fahrensschritte zur Herstellung der ersten Lage einer Schicht 2 im Muster der gedruckten Schaltung der

mehrlagigen gedruckten Schaltung, betreffenden Lage der Gesamtanordnung stellt hier-

Fig. 3 bis 5 schematische Darstellungen der Ver- 55 bei eine sehr wichtige Überlegung dar, welche die

fahrensschritte zur Ausbildung einer Verbindung zwi- Auswahl des Maskiermaterials bestimmt, da hier-

schen den Einzellagen, durch ein Entfernen der Plattierlösung im nächsten,

F i g. 6 eine schematische Darstellung der in Vor- nachfolgend zu beschreibenden Verfahrensschritt

bereitung auf die Herstellung der zweiten Lage durch- verhindert wird. Das Maskiermaterial kann durch

geführten Verfahrensschritte, 60 Heißwalzen oder Aufpressen auf die leitfähige

F i g. 7 eine schematische Darstellung einer voll- Schicht 2 eng an die Konturen dieser Schicht angeständigen mehrlagigen gedruckten Schaltungsanord- paßt werden. Ein bevorzugtes Maskiermaterial ist nung, ein elektrisch nicht leitfähiges, entwickelbares photo-

F i g. 8 eine schematische Darstellung der Ver- empfindliches Material, beispielsweise eine Lage

fahrensschritte zur Herstellung einer Verbindung 65 eines Photopolymeren, dessen Dicke mindestens so

zwischen den Einzellagen gemäß einer abgewandelten groß ist wie die Höhe der gewünschten Verbindungen

Ausführungsform der Erfindung, und typischerweise etwa 250 μ beträgt. Zur Her-

F i g. 9 eine schematische Darstellung der folgen- stellung des Verbindungsschemas wird die Maske 5

photographisch belichtet und entwickelt, so daß Öffnungen zurückbleiben, welche in Größe und Anordnung den einzelnen gewünschten Verbindungen zwischen den Lagen der Schaltungsanordnung entsprechen. Die hierbei erhaltene Maske 5 verhindert praktisch vollständig einen Durchtritt der Plattierlösung und bildet ein deutliches, klar umrissenes Schema für den nachfolgenden Verfahrensschritt.

F i g. 4 veranschaulicht die entwickelte maskierte Anordnung, welche anschließend einem Galvanisiervorgang unterworfen wird. Wie erwähnt, dient der galvanisch aufgebrachte Leiter 4 als elektrischer Strompfad und ermöglicht die Ausbildung einer Verbindung 6 aus leitfähigem Material, wie Kupfer, durch Aufgalvanisierung. Dieses Verfahren wird angewandt, weil es die Ausbildung einer metallurgischen Verbindung zwischen mehreren Lagen in jeder beliebigen Dicke gestattet. Durch die durch den Galvanisiervorgang erzielte Ablagerung und die Genauigkeit, mit welcher die Maske 5 entwickelt werden kann, lassen sich die Verbindungen 6 zwischen den Lagen mit guter gegenseitiger Trennung herstellen, wobei die auf diese Weise ausgebildeten Verbindungen geradlinige Wände besitzen, einen weiten Dimensionsbereich umfassen und ausgezeichnete innermetallische Bindungen gewährleisten.

Nach dem Formen der Verbindungen 6 werden die Maske 5 und der hierbei freigelegte, galvanisch aufgebrachte Leiter 4 entfernt und werden die verbleibenden freiliegenden Abschnitte der Schicht 2 aus leitfähigem Material im Muster der gedruckten Schaltung der ersten Lage sowie die Verbindungen 6 gemäß Fig. 5 mit einer Schicht aus Isoliermaterial, wie Glasfaser-Epoxyharz, abgedeckt. Das Entfernen der Maske 5 zugunsten eines besseren Isolators stellt einen wichtigen Verfahrensschritt dar, da das Isoliermaterial der Schicht 7 verschiedene Aufgaben zu erfüllen vermag. Beispielsweise verstärken die in der Glasfaser-Epoxyharzmasse enthaltenen Fasern die endgültige Schaltungsanordnung sowohl mechanisch als auch elektrisch. Für den Fall, daß die fertige Schaltungsanordnung höheren Spannungen ausgesetzt werden soll, empfiehlt sich die Verwendung eines Isoliermaterials hoher Durchschlagfestigkeit, oder wenn die fertige Schaltungsanordnung ungünstigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden soll, sollten Isoliermaterialien ausgewählt werden, die unter den betreffenden Bedingungen ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften beibehalten. Da dies bei den bekannten photoempfindlichen Masken nicht möglich ist, wird die zur Bildung der Verbindungen zwischen den Einzellagen benutzte Maske 5 zugunsten eines besseren Isoliermaterials entfernt. Nachdem die Schaltungslage auf diese Weise isoliert worden ist, wird die Oberseite des Gebildes gemäß F i g. 5 mit einem Sandstrahl bearbeitet, um zu gewährleisten, daß die Oberseite der ausgebildeten Verbindungen 6 freigelegt wird und einen einwandfreien Kontakt mit der nächsten Lage der gedruckten Schaltungsanordnung herstellt, und um die Dicke der Anordnung genau festzulegen.

F i g. 6 zeigt, wie eine leitfähige Schicht 2 für die zweite Lage der gedruckten Schaltungsanordnung ausgebildet wird. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung erfolgt dies durch Überziehen der Oberseite des Gebildes gemäß Fig. 5 mit einer dünnen Schicht 8 eines galvanisch aufgebrachten Leiters, der wie im Fall des Leiters 4 als elektrische Leitung für einen nachfolgenden Galvanisierprozeß dient, bei welchem weiteres leitfähiges Material auf die Schichte aufplattiert wird. Der Galvanisierprozeß wird deshalb in diesem Verfahrensschritt angewandt, weil damit eine metallurgische Bindung geliefert wird. Es können jedoch auch andere Verfahren zur Herstellung der leitfähigen Schichte für die zweite Lage der gedruckten Schaltungsanordnung angewandt werden, die dann auf die in Verbindung mit den

ίο Fig. 1 und 2 beschriebene Weise hergestellt wird. Sodann wird auf die im Zusammenhang mit den Fig. 3 bis 5 beschriebene Weise eine zweite Verbindung 6' zu einer dritten Lage der Schaltungsanordnung hergestellt. Die auf diese Weise erhaltene fertige mehrlagige gedruckte Schaltungsanordnung ist in Fig. 7 veranschaulicht.

Wenn alle Verbindungen der ersten Schaltungslage elektrischen Kontakt miteinander haben, kann auch ein abgewandeltes Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen gedruckten Schaltungsanordnung der in F i g. 7 dargestellten Art angewandt werden. Bei diesem in den Fig. 8 bis 11 veranschaulichten Verfahren muß kein aufgalvanisierter elektrischer Leiter 8 für jede folgende Schicht oder Lage vorgesehen werden, vielmehr wird in diesem Fall nur einmal eine dünne Schicht eines aufgalvanisierten Leiters 9 auf die Isoliergrundschicht 1 aufgebracht und wird nach dem in Verbindung mit Fig. 4 beschriebenen Verfahren ein Schema für die elektrischen Verbindungen 6 festgelegt. Daraufhin wird nur die Maske 5 entfernt, und es werden die freigelegten Bereiche gemäß Fig. 9 mit einer wirksameren Isoliermaterialschicht7 ausgefüllt. Daraufhin wird eine mit dem Verbindungsschema verbundene leitfähige Schicht 2 auf die im Zusammenhang mit F i g. 6 beschriebene Weise aufgebaut. In dieser leitfähigen Schicht 2 wird eine gedruckte Schaltung ausgebildet und unter Benutzung des aufgalvanisierten Leiters 9 ein weiteres Verbindungsschema 6' festgelegt. Für das Elektroformen der Verbindungen ist keine zusätzliche, auf die gedruckte Schaltung galvanisch aufgetragene Schicht nach Art der Schicht 4 in F i g. 3 erforderlich. Die vorbeschriebenen Verfahrensschritte werden so lange wiederholt, bis die gewünschte Anzahl von Schichten hergestellt worden ist. Daraufhin wird gemäß F i g. 10 eine die freiliegenden Bereiche der obersten Lage der Schaltungsanordnung bedeckende Isoliermaterialschicht 1' aufgebracht und werden die Isoliergrundschicht 1 und der galvanisch aufgetragene Leiter 9 durch Sandstrahlen bis auf die Höhe der Unterseite der zuerst ausgebildeten Schichtverbindungen 6 abgetragen, wodurch die Enden dieser Verbindungen freigelegt werden. Bei diesem abgewandelten Verfahren entspricht die zuletzt hergestellte Lage der nach dem im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 7 beschriebenen Verfahren hergestellten ersten Schaltungslage, während die erste nach dem abgewandelten Verfahren hergestellte Lage der obersten Lage gemäß Fig. 7 entspricht, d. h., die Schaltungsanordnung ist sozusagen kopfstehend aufgebaut worden. Das Endprodukt ist in Fig. 11 veranschaulicht.

Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß beide vorstehend beschriebenen Verfahren bei Anwendung entsprechender Galvanisier- und Sandstrahlschritte auch für die Herstellung mehrlagiger gedruckter Schaltungsanordnungen mit elektrischen Verbindungen 6 angewandt werden können, die an beiden Seiten der Anordnung freiliegen.

Obgleich bei den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung für die Herstellung der gedruckten Schaltungsanordnung ein Ätzvorgang angegeben ist, können selbstverständlich auch andere herkömmliche Verfahren zur Ausbildung der leitfähigen Schichten 2 angewandt werden. Tatsächlich könnte selbst ein Galvanisierprozeß entsprechend dem Verfahrensschritt gemäß F i g. 4 angewandt werden, bei welchem eine Verbindung 6 durch selektive Maskierung einer Beschichtung aus einem galvanisch aufgebrachten Leiter und Aufplattieren auf den Leiter entsprechend der Maskenkonfiguration hergestellt wurde.

Außerdem ist zu beachten, daß sich keineswegs alle Verbindungen 6 zwischen den Einzellagen auf die in Fig. 7 und 11 dargestellte Weise vollständig durch die Schaltungsanordnung hindurchzuerstrecken brauchen, vielmehr kann jedes gewünschte Muster hervorgebracht werden. Beispielsweise kann es in

manchen Fällen wünschenswert sein, daß sich einige Verbindungen durch die gesamte Schaltungsanordnung hindurcherstrecken, so daß sie für Anschlußzwecke oder zum Anbohren zur Aufnahme von Bauteilleitungen u. dgl. freiliegen, während andere Verbindungen lediglich zwischen bestimmten Lagen innerhalb der mehrlagigen Schaltungsanordnung vorgesehen sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß mit ihrer Hilfe eine verschweißbare gedruckte Schaltungsanordnung hergestellt werden kann. Für diesen Zweck wird die letzte, zu einer Oberfläche der Schaltungsanordnung führende Verbindungslage durch Aufgalvanisieren eines leicht verschweißbaren Materials, wie Nickel, an Stelle des herkömmlicherweise für die elektrischen Verbindungen verwendeten Metalls, nämlich Kupfer, ausgebildet. Auf diese Weise wird eine vielseitiger verwendbare Schaltungsanordnung erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

109 586/345

Claims

1 2 die Schichtung anschließend mit einer oder mehreren Patentansprüche· Bohrungen zu versehen, die mit einem leitfähigen p ' Metall ausgefüllt werden, welches die Verbindung zwischen den Einzellagen herstellt. Dieses Verfahren

1. Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen 5 erfordert jedoch ein präzises Bohren und eine äußerst gedruckten Schaltung mit einer Grundschicht aus genaue gegenseitige Ausrichtung der geschichteten Isoliermaterial, auf die eine leitfähige Schicht auf- Lagen. Außerdem ist die Plattierverbindung zwischen gebracht ist, von welcher mindestens ein leitf ähi- den Lagen strukturell schwach und unzuverlässig und ger Ansatz absteht, der in eine zweite Schicht aus macht darüber hinaus die in einem einzigen Arbeitsisoliermaterial eingebettet ist, wobei sich diese io gang erfolgende Verbindung zwischen allen Lagen Anordnung gegebenenfalls mehrfach wiederholt, eine Überprüfung der Schaltung nach der Herstellung dadurch gekennzeichnet, daß die von jeder einzelnen Verbindung zwischen den Lagen under Grundschicht getragene, durch Ätzbehand- möglich. Beim Auftreten eines Fehlers in einer derlung unter Verwendung einer photoempfindlichen artigen Anordnung bildet daher die ganze mehrlagige Maske ausgebildete leitfähige Schicht in an sich 15 Schaltung Ausschuß.

bekannter Weise von einer zweiten Maske be- Weiterhin ist es bekannt (USA.-Patentschrift deckt und die zweite Maske in einem Muster 3 717989), in einem ersten Ätzvorgang leitfähige entwickelt wird, daß auf die leitfähige Schicht an Verbindungen zwischen den Schichten der gedruckten den durch das Entwickeln der zweiten Maske Schaltungsanordnung herzustellen und in einem zweifreigegebenen Stellen unter Ausbildung des An- ao ten Ätzvorgang die gedruckten Leitungen bzw. Stege satzes leitfähiges Material aufgalvanisiert wird in den einzelnen Lagen auszubilden. Dieses Ätzver- und daß nach Entfernen der zweiten Maske auf fahren unterliegt jedoch mehreren Nachteilen. Beidie soweit ausgebildete Schichtanordnung unter spielsweise werden beim Tiefätzen zur Ausbildung Freilassung der oberen Fläche des Ansatzes eine leitfähiger Verbindungen letztere mit einem sie weitere Isolierschicht aufgebracht wird. 25 schwächenden Hinterschnitt versehen. Durch Kom-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- pensation dieser Hinterschnitte wird die Dichte der kennzeichnet, daß die einen Teil der Isoliermate- auf die Platte aufzubringenden Leitungszüge herabrial-Grundschicht bedeckende leitfähige Schicht gesetzt und erhöht sich die Schwierigkeit der Gemit Ausnahme ihrer die gedruckte Schaltung bil- währleistung annehmbarer Toleranzen im Endprodenden Abschnitte entfernt wird, welche nach 30 dukt. Darüber hinaus ist das Ätzverfahren infolge der dem Entfernen der Maske und vor dem Aufbrin- Vergeudung des geätzten Metalls, der Kosten für das gen der Isoliermaterialschicht freiliegen. Ätzmittel und der niedrigen möglichen Produktions-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geschwindigkeit vergleichsweise kostspielig,
gekennzeichnet, daß auf der freiliegenden Fläche Es wird auch schon ein (nicht druckschriftlich vorder Anordnung eine weitere leitfähige Schicht, 35 veröffentlichtes) Mehrfach-Abschirmverfahren angevorzugsweise als gedruckte Schaltung, ausgebil- wandt, bei welchem ein Isoliermaterial, wie Epoxydet und nach dem für die Ausbildung des ersten harz, im Muster der gewünschten Verbindungen zwi-Ansatzes angewandten Verfahren durch Galvani- sehen den Einzellagen der Anordnung auf eine der sierung mit mindestens einem weiteren Ansatz gedruckten Schaltungen aufgetragen wird. Die Herversehen wird. 40 stellung der leitfähigen Verbindungen erfolgt dann

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge- mittels eines Elektroformverfahrens bzw. durch elekkennzeichnet, daß mindestens einer der zweiten trische Ablagerung. Genauer gesagt, werden diese Ansätze in Verlängerung eines ersten Ansatzes Verbindungen in Öffnungen ausgebildet, die entdurch die Schichtanordnung hindurch ausgebildet sprechend dem gewünschten Verbindungsschema im wird. 45 Isoliermaterial vorgesehen worden sind. Die Nach-

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch teile bzw. Einschränkungen dieses Verfahrens liegen gekennzeichnet, daß die weitere leitfähige Schicht in der Schwierigkeit der Festlegung der Öffnungen aus einem verschweißbaren Material hergestellt infolge des Abschirmverfahrens und dem nicht mögwird, liehen Entfernen der Isoliermaske. Diese Maskierun-

50 gen sind ihrerseits für gewöhnlich Nachteilen bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften, wie ther-

misches oder elektrisches Isoliervermögen oder mechanische Festigkeit, unterworfen.

Schließlich ist es auch noch bekannt (französische 55 Patentschrift 1378158), in die aus Isoliermaterial be-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- stehende Grundschicht Ausnehmungen einzuätzen, lung einer mehrlagigen gedruckten Schaltung mit welche durch ein anschließend eingebrachtes leitfähieiner Grundschicht aus Isoliermaterial, auf die eine ges Material elektrisch leitfähige Verbindungen zwileitfähige Schicht aufgebracht ist, von welcher min- sehen den verschiedenen Schichten bilden. Andestens ein leitfähiger Ansatz absteht, der in einer 60 schließend wird durch einen weiteren Ätzvorgang zweite Schicht aus Isoliermaterial eingebettet ist, wo- eine weitere, über der Grundschicht liegende Schicht bei sich diese Anordnung gegebenenfalls mehrfach derart ausgebildet, daß elektrische Verbindungsstege wiederholt. zwischen den Schichten ausgeprägt werden. Bei die-

Zur Herstellung derartiger Schaltungen ist es be- sem bekannten Verfahren werden somit verschiedene kannt, (Veröffentlichung des Institute of Printed 65 Schichten zur Bildung freier Kanäle abgebaut und Circuits, Evanston, Illinois, 1964) mehrere flächige anschließend wieder mit leitfähigem Material aufge-Schaltungsanordnungen unter gegenseitiger Isolie- füllt. Dieses Verfahren ist umständlich und zeitrung schichtenweise aufeinander aufzubringen und raubend.