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Verfahren zum Bilden von elektrisch-
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leitenden Bahnen auf einem Substrat Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Bilden elektrisch-leitender Bahnen gemäß einer vorbestimmten Geometrie auf Flächen
eines Substrats.
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Substrate mit darauf und darin befindlichen elektrischleitenden Mustern
sind bekannt. Beispiele dafür sind gedruckte Schaltungskarten mit elektrisch-leitenden
Mustern, die auf deren Oberfläche mittels bekannter Verfahren entweder in einem
additiven Vorgang oder einem subtraktivem Vorgang unter Entfernen von Teilen eines
vorhandenen Leiters gebildet werden, wobei das gewünschte Leitermuster Ubrigbleibt.
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Bei dem Substrat gemäß US-PS 3,438,127 werden die additiven und subtraktiven
Vorgänge zum Aufbringen eines Leitermusters kombiniert, wobei ein mit Nuten versehenes
Substrat in einer Form hergestellt wird, die Erhöhungen für die Bildung der Nuten
in dem gegossenen Substrat aufweist, welche ein elektrisch-leitendes Muster definieren.
Elektrisch-leitendes Material wird dann in die Nuten auf dem Substrat eingebracht.
Nichtelektrisches Ablagern und Galvanisieren werden als bevorzugte Verfahren angegeben
mit denen das leitende Material in die Nuten eingebracht wird.
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Die in der vorgenannten US-Patentschrift beschriebenen Ablagerungsverfahren
erfordern viele Verarbeitungsschrit-
te, die zur Unwirtschaftlichkeit
führen sowie zu einer Verschwendung an Produktionsmaterial. Wird beispielsweise
die gesamte Fläche des Substrats mit einer Schicht versehen, dann muß das elektrisch-leitende
Material an denjenigen Stellen außerhalb der Nuten abgeschliffen oder anderweitig
mechanisch entfernt werden. Hierbei geht abgelagertes elektrisch-leitendes Material
verloren. Bei anderen Verfahren ist es erforderlich, daß das Substrat sorgfältig
mit Wachs oder anderen eine Ablagerung verhindernden Stoffen behandelt wird, um
die für die Ablagerung bestimmten Stellen festzulegen. Hierbei ist nicht nur ein
zusätzlicher Schritt, nämlich das Aufbringen des Wachses oder anderen geeigneten
Stoffs auf dem Substrat erforderlich, sondern das Wachs muß später außerdem entfernt
werden und kann im allgemeinen nicht wirtschaftlich wieder verwendet werden. Auch
sind die zuvor beschriebenen Verfahren nicht ohne weiteres für eine automatische
kontinuierliche Herstellung von Substraten mit elektrisch-leitenden Bahnen darauf
geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wesentlich vereinfachtes
Verfahren zum Herstellen von elektrischleitenden Bahnen auf einem Substrat anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst, durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in
den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Substrat angegeben, das
Nuten aufweist, welche die Geometrie der zu bildenden elektrisch-leitenden Bahnen
definieren. Das Substrat wird dann mit bekannten Verfahren, etwa denjenigen gemäß
US-PS 3,438,127 behandelt, damit das Substrat elektrisch-leitendes Material aufnimmt.
In der vorliegen-
den Beschreibung wird Galvanisieren als Aufbringungsverfahren
angegeben, obwohl jedes andere Verfahren, mit dem elektrisch-leitendes Material
auf allen freiliegenden Flächen des Substrats im wesentlichen gleichförmig abgelagert
wird, ebenso gut Verwendung finden kann, beispielsweise nicht-elektrisches Ablagern.
Das behandelte Substrat wird dann in bekannter Weise in ein Galvanisierungsbad getaucht,
so daß das oder die abzulagernden Ionen in Lösung auf den freiliegenden Flächen
des Substrats abgelagert werden. Diese Ablagerung wird fortgesetzt, bis die Dicke
der abgelagerten Schicht etwa der halben Breite oder mehr der Nuten entspricht,
in denen die Ablagerung erfolgen soll. Da die Ablagerung in den Nuten fast dreimal
so rasch vor sich geht als auf den anderen ebenen Flächen, und zwar deshalb, weil
in der Nut drei freiliegende Flächen vorhanden sind, füllen sich die Nuten rascher,
als die Ablagerung auf der Oberfläche des Substrats vor sich geht, und schließlich
erscheint die Oberfläche des Substrats als fast ebener leitender Bereich. Nun wird
die elektrisch-leitende Schicht von dem Substrat durch ein Verfahren entfernt, das
die Schicht gleichförmig von der Schichtoberfläche in Richtung zum Substrat entfernt.
Im speziellen Fall der Galvanisierung wird das Substrat einer Spannung mit einer
Polarität umgekehrt zu der Spannung ausgesetzt, die während des Galvanisierungsvorgangs
angewendet wurde, wodurch das elektrisch-leitende abgelagerte Material von der Oberfläche
des Substrats in gleichförmiger Weise entfernt wird, bis das ganze leitende Material
von allen Oberflächen mit Ausnahme der Nuten entfernt ist. Ein zweites Verfahren
zum Entfernen der elektrisch-leitenden Schicht in praktisch gleichförmiger Weise
von der Schichtoberfläche in Richtung zum Substrat besteht darin, die Oberfläche
der Schicht mit einem Ätzmittel zu behandeln, daß das oder die Schicht bildende(n)
Metall(e) oder das leitende
Material auflöst. Es ergibt sich dann
ein Substrat, das mit elektrisch-leitenden Bahnen in allen Nuten versehen ist und
das praktisch kein elektrisch-leitendes Material auf anderen Teilen mehr aufweist.
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Es zeigt sich, daß das- zuvor erläuterte Verfahren in kontinuierlicher
Weise für Schaltungen mit unterschiedlichen Mustern angewandt werden kann, da Substrate
für eine bekannte Zeitdauer in ein Galvanisierungsbad eingebracht werden können,
wie sie experimentell zum Aufbau der gewünschten Dicke der elektrisch-leitenden
Schicht festgestellt wird. Hiernach werden die Substrate aus dem Bad genommen und
in ein Entgal vani si erungsbad für eine vorbestimmte Zeitdauer eingesetzt, um die
gesamte elektrisch-leitende Schicht mit Ausnahme derjenigen in den Nuten zu entfernen,
wobei diese Zeit wiederum experimentell bestimmt wird. Nach dem Herausnehmen aus
dem Entgalvanisierungsbad werden die Substrate gewaschen und es ergeben sich fertige
Substrate mit elektrischleitenden Bahnen von vorbestimmter Geometrie. Falls erwünscht,
kann eine weitere Behandlung des Substrats erfolgen.
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Das Substrat wird vorzugsweise aus keramischem Material entweder im
grünen oder gebrannten Zustand gebildet, obgleich deutlich sein sollte, daß Substrate
aus anderen Stoffen in gleicher Weise anwendbar sind, etwa Substrate aus Kunststoff
und dgl. Falls das Substrat im grünen Zustand verwendet wird, kann es von einer
Art sein, wie sie in den US-Patentschriften 2,939,199, 4,197,118 oder 4,305,756
beschrieben ist, oder es können andere Verfahren dieser Art angewandt werden. Ein
derartig grünes Substrat mit elektrisch-leitenden Bahnen darauf, kann dann weiter
verarbeitet werden, beispielsweise durch Einsetzen in eine Gußform und Aufbringen
von weiterem
Material mit einem Verfahren wie es beispielsweise
in der US-PS 4,374,457 beschrieben ist.
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Das elektrisch-leitende Material, das auf dem die Nuten aufweisenden
Substrat abgelagert wird, kann ein beliebig elektrisch-leitender Stoff in elementarer
Form oder in Form einer Legierung sein, der auf dem behandelten Substrat haftet.
Derartige Stoffe sind allgemein bekannt.
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Ein bevorzugtes Material wäre eine Nickel-Eisen-Legierung mit 58 %
Eisen und 42 % Nickel. Eine derartige Legierung wird deshalb bevorzugt, weil sie
im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, wie Aluminiumoxid,
das als bevorzugtes keramisches Substratmaterial verwendet wird. Die Ablagerung
einer derartigen Legierung erfolgt in allgemein bekannter Weise mittels eines Galvanisierungsbades,
bei dem das Verhältnis der Eisenmenge zur Nickelmenge 58:42 ist. Andere Legierungen
können auf die gleiche Weise bei entsprechenden Metallverhältnissen in dem Bad abgelagert
werden.
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Die Nuten können in unterschiedlichen Richtungen verlaufen, so daß
das elektrisch-leitende Material in den Nuten besser haftet.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teils eines
Substrats, auf dem ein elektrisch-leitendes Material abzulagern ist, Fig. 2 eine
vergrößerte Darstellung einer der Nuten 3
gemäß Fig. 1 nach teilweisem
Bilden der leitenden Schicht darin, Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Nut
3 der Fig. 1, nach dem die leitende Schicht auf dem Substrat eine Dicke erreicht
hat, die annähernd der Hälfte oder mehr der Dicke oder Breite der Nut 3 entspricht,
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht der Vertiefung 5 der Fig.
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1 auf der elektrisch-leitendes Material abgelagert wurde, Fig. 5
einen Schnitt durch das Substrat der Fig. 1 nach vollständiger Bildung der Schicht
aus elektrischleitendem Material darauf, Fig. 6 eine Darstellung gleich derjenigen
der Fig. 5 nach Entfernen von elektrisch-leitendem Material von allen Teilen des
Substrats mit Ausnahme der Nut 3, Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Teil eines Substrats
mit einem darin gebildeten elektrisch-leitenden Muster, das sich in unterschiedlichen
Richtungen längs der Nut erstreckt, Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 der
Fig. 7 und Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 der Fig. 7.
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Figur 1 zeigt gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Teil
eines Substrats von der Art, wie es in der US-PS 4,374,457 beschrieben ist. Das
Substrat ist dabei vorzugsweise aus Keramik, bevorzugt aus Aluminiumoxid, obgleich
auch andere keramische Substratmaterialien etwa
Berylliumoxid und
dgl. und andere Arten von Substratmaterialien, etwa Kunststoff und dgl. in bekannter
Weise Verwendung finden können. Alle derartigen Substratmaterialien werden als Teil
dieser Offenbarung angesehen. Das Substrat 1 besitzt eine obere ebene Fläche 7,
in der Nuten 3 zum Aufnehmen elektrisch-leitenden Materials und eine Vertiefung
5 zum Aufnehmen eines Halbleiterbausteins oder dgl. ausgebildet sind. Die Geometrie
des zu bildenden elektrischen Leitermusters wird bestimmt durch die Form der Nuten
3 in der Oberfläche des Substrats. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere
das Verfahren zum Bilden der elektrisch-leitenden Bahnen innerhalb der Nuten 3.
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Figur 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer der Nuten 3 der Figur
1. Gezeigt ist auch elektrisch-leitendes Material 9, das gerade auf der Oberfläche
des Substrats 1 gebildet wird. Die in diesem Zusammenhang verwendeten Verfahren
sind dazu geeignet, elektrisch-leitendes Material 9 praktisch gleichförmig auf allen
freiliegenden Oberflächen des Substrats 1 abzulagern. Jedes Verfahren, das diese
Eigenschaft besitzt, kann verwendet werden. Ein typisches Verfahren ist das Galvanisieren
oder Elektroplatieren oder andere bekannte Techniken. Aus Figur 2 ist ersichtlich,
daß der Aufbau des elektrisch-leitenden Materials innerhalb der Nuten 3 etwa dreimal
so rasch erfolgt wie der Aufbau auf der ebenen Fläche 7 (Fig. 1).
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Der Grund dafür besteht darin, daß dieser Aufbau praktisch gleichförmig
auf allen freiliegenden Oberflächen erfolgt und sich in den Nuten 3 drei freiliegende
Oberflächen befinden. Somit wird der Aufbau gemäß den leitenden Bahnen wie in Fig.
2 gezeigt erfolgen. Wenn die Dicke der Schicht 9 sich einem Drittel bis der Hälfte
der Breite der Nut 3 nähert, zeigt sich, daß die vollständige Nut 3 mit leitendem
Material gefüllt sein wird und die
Oberfläche des Substrats 1 mit
leitendem Material 9 darauf nähert sich einer ebenen Ausbildung, etwa wie in Figur
3 gezeigt.
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Da die Vertiefung 5 eine Breite besitzt, die wesentlich größer ist
als die Dicke der sich ablagernden Schicht 9, ergibt sich an allen Wänden der Vertiefung
4 eine gleichmäßige Ablagerung gemäß Figur 4, möglicherweise mit einer geringfügigen
Rundung an den Ecken 11. Die endgültige Formierung des elektrisch-leitenden Materials
9 ist in Figur 5 gezeigt, gemäß der das Substrat 1 mit elektrisch-leitendem Material
bedeckt ist. Das elektrisch-leitende Material 9 wird dann von allen Flächen des
Substrats mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit in einer Richtung zum Substrat
hin mittels bekannter Verfahren, beispielsweise im Falle der Galvanisierung durch
Umkehren der Polarität des Galvanisierungsstromes entfernt, wodurch das elektrisch-leitende
Material gleichförmig von der Substratoberfläche abgetragen wird.
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Da die Fläche der leitenden Schicht 9 im wesentlichen plan geworden
ist, wie dies zuvor erläutert wurde und in Figur 5 gezeigt ist, wird schließlich
praktisch das ganze elektrisch-leitende Material von allen ebenen Teilen 7 des Substrats
1 abgetragen, während sich in den Nuten 3 und möglicherweise in den Ecken der Vertiefung
5 nach wie vor elektrisch-leitendes Material befindet, das für den letzteren Fall
mit 11 in Figur 6 bezeichnet ist. Das Ganze wird erreicht durch Anordnen des Substrats
gemäß Figur 1 oder, wie in der US-PS 4,374,457 beschrieben, durch Behandeln der
Oberfläche des Substrats in an sich bekannter Weise gemäß der Lehre der US-PS 3,438,127
oder irgendeinem anderen bekannten Verfahren derart, daß sich auf dem Substrat Material
ablagert, etwa im vorliegenden Falle, Galvanisierungsmaterial, worauf das Substrat
für eine ausreichende Zeitdauer in ein Galvanisierungsbad
getaucht
wird, wie es zuvor beschrieben wurde, so daß sich auf der Oberfläche des Substrats
Galvanisierungsmaterial aufbaut, das gleich zumindest etwa einem Drittel bis der
Hälfte der Breite der Nuten 3 ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Polarität des Galvanisierungsbades
umgekehrt und die leitende Schicht 9 wird allmählich abgetragen bis die elektrisch-leitende
Schicht 9 auf den ebenen Flächen 7 des Substrats 1 nicht mehr vorhanden ist, jedoch
in den Nuten 3 verbleibt. Das Substrat wird dann aus dem Galvanisierungsbad genommen
und in gewünschter Weise weiter verarbeitet.
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Eine alternative Verfahrenstechnik besteht darin, die elektrisch-leitende
Schicht mittels Galvanisierung, wie zuvor beschrieben, bis zur gewünschten Dicke
abzulagern, das Substrat mit dem abgelagerten elektrisch-leitenden Material darauf
aus dem Galvanisierungsbad zu nehmen und es in ein zweites Bad zu tauchen, in dem
die Polarität des elektrischen Stromes umgekehrt ist, um eine gewünschte Menge des
elektrisch-leitenden Materials zu entfernen, wie dies zuvor beschrieben wurde. In
beiden Fällen zeigt sich, daß die Verarbeitung in großen Mengen und kontinuierlich
erfolgt.
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Eine alternative Verarbeitung besteht darin, elektrischleitende, an
der Luft trocknende Tinte oder Farbe zu verwenden, wie sie allgemein beim Dickfilmsiebdruck
von Schaltungen in Gebrauch ist. Das gegossene Substrat wird gründlich gereinigt,
so daß die geeignet verdünnte Tinte das Substrat und das Nutenmuster so vollständig
wie möglich benetzt, d.h. mit dem geringstmöglichen Kontaktwinkel mit dem Substrat.
Die Tinte oder Farbe wird auf das Substrat durch Sprühen oder Eintauchen aufgetragen,
so daß ein Farbfilm die Oberfläche bedeckt und die Nuten ausfüllt. Auch hier wird
infolge des Benetzungsprinzips
die Nutenstruktur ausgefüllt, so
daß sich im wesentlichen das gleiche Ergebnis ergibt, wie es durch Galvanisierung
erreicht wurde und in Figur 5 gezeigt ist. Überschüssige Farbe kann durch Eintauchen,
Sprühen oder Dampfreinigen in einem Lösungsmittel erfolgen, was dann zu dem Aufbau
nach Figur 6 führt.
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Falls die Nuten eine erhebliche Tiefe haben, gelangt der Strom nur
schwer zu den untersten Teilen der Nuten; auch kann sich dabei die Galvanisierungslösung
in diesen Bereichen rasch erschöpfen. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, das
Bad in Bewegung zu halten, um die Baderschöpfung zu minimieren und einen maximalen
Strom zu allen Flächen des Substrats fließen zu lassen.
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Während das bevorzugte Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit der
Ablagerung von elektrisch-leitendem Material auf den Außenflächen des Substrats
beschrieben wurde, ist zu erkennen, daß ein derartiges elektrisch-leitendes Material
auf allen Flächen abgelagert wird, die von dem Galvanisierungsbad und dem Galvanisierungsstrom
erreicht werden. Somit können auch Nuten oder Öffnungen mit elektrisch-leitendem
Material an ihren Oberflächen versehen werden, die sich in das Innere des Substrats
erstrecken, und die auch bis zu einer Oberfläche des Substrats reichen und damit
in der Lage sind, mit der Galvanisierungslösung und dem Galvanisierungsstrom in
derartigen inneren Bereichen in Kontakt zu kommen. Auf diese Weise können elektrisch-leitende
Bahnen in einem einzigen Verfahrensschritt auch in den inneren Bereichen des Substrats
gebildet werden.
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Das voranstehend beschriebene Verfahren zum Bilden elektrisch-leitender
Muster in einem Substrat gestattet nicht nur die Herstellung von Mustern, die chemisch
mit
dem Substrat eng verbunden sind, sondern die auch mechanisch
daran befestigt sind. Dies verringert weiterhin die Möglichkeit auf ein Minimum,
daß das Muster von dem Substrat abgezogen wird. Die mechanische Befestigung wird
erreicht durch Ausbildung der Nuten 3 der Figur 1 in einer Weise, daß der Querschnitt
der Nut sich senkrecht zur Nutenachse ändert. So zeigt beispielsweise die Figur
7 eine Nut 33, die in Form von Versetzungen auf der Oberfläche 35 erscheint. Die
Versetzung 37 ist in größerer Einzelheit in Figur 8 gezeigt und besitzt einen Querschnitt
in der Form eines Parallelogramms mit Seitenwänden, die sich schräg nach rechts
oben erstrecken. Die Versetzung 39 ist in größerer Einzelheit in Figur 9 gezeigt
und besitzt einen Querschnitt ebenfalls in der Form eines Parallelogramms, wobei
jedoch die Seitenwände schräg nach links oben verlaufen.
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Es wird deutlich, daß ein durchgehender Leiter, der in der Nut 33
gemäß dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, in der Nut eingesperrt
ist, da er aus dieser aufgrund der erläuterten Geometrie nicht herausziehbar ist.
Es ist auch ersichtlich, daß auch andere geometrische Formen als das Parallelogramm
verwendet werden können, solange die Geometrie die zuvor erwähnte Einsperrwirkung
erzielt.
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Obwohl die Erfindung bezüglich spezieller bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, sind viele Variationen und Modifikationen für den Fachmann unmittelbar
zu erkennen. Die beigefügten Patentansprüche sollen somit so breit wie möglich,
unter Berücksichtigung des Standes der Technik ausgelegt werden, daß sie alle diese
Variationen und Modifikationen einschließen.