DE69005214T2

DE69005214T2 - Polyimidsubstrat mit texturierter Oberfläche und Metallbeschichtung solch eines Substrates.

Info

Publication number: DE69005214T2
Application number: DE69005214T
Authority: DE
Inventors: Nanyakkara L D Somasiri; Thomas A Speckhard
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1989-07-11
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2010-06-20
Also published as: JPH0382750A; DE69005214D1; EP0408205A1; CA2019155A1; KR910002975A; EP0408205B1; US4975327A; MY105735A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft metallisierte Polyimidsubstrate und strebt insbesondere an, die Adhäsion zwischen einem Polyimidsuhstrat und einer Schicht aus Metall (insbesondere Kupfer) zu verbessern, z.B. damit die Metallschicht ohne Gefahr einer Delamination gelötet werden kann.

Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik

Das isolierte Substrat fuhr eine gedruckte Schaltung oder einen großintegrierten Schaltkreis besteht häufig aus Polyimid, weil dieser Werkstoff eine hohe Stabilität bei hohen Temperaturen, eine hohe Chemikalienbestandigkeit und eine vorteilhaft niedrige Dielektrizitätskonstante besitzt. Problematisch ist dagegen die Adhäsion von Metall an dem Polyimidsubstrat, insbesondere bei den beim Löten auftretenden Temperaturen. Die bisherigen Hemuhungen zum Verbessern der Adhäsion sind in erster Linie mit Kupfer durchgefuhrt worden, weil es wirtschaftlich ist und die elektrisch leitfähige Schicht einer gedruckten Schaltung oder eines großintegrierten Schaltkreises stets aus Kupfer besteht.
Eine grobe Anzahl von Patentschriften und anderen Veröffentlichungen befassen sich mit der Verbesserung der Adhäsion zwischen Metall und Polyimidsubstraten. Gemäß der US-PS 4 152 195 (Naehrle u.a.) ist in früheren Bemühungen zum Verbessern der Adhäsion an einer Metallschicht die Oberfläche eines Polyimidsubstrats aufgerauht worden. Zu den dort genannten Verfahren gehoren das aufrauhen durch Kathodenzerstaubung, durch chemischen Angriff und durch elektrische Entladungen in einer Sauerstoffatmosphäre, so daH die Oberfläche teilweise verbrannt wird. In dem Verfahren nach Haehrle wird eine Polyimidvorstufe auf ein Substrat aufgetragen und teilweise gehärtet, dann auf die teilgehärtete Vorstufe eine Deckschicht aus Metall aufgedampft und danach die Vorstufe ausgehartet.
Ruoff u.a. geben in "Improvement of Adhesion of Copper on Polyimide by Heactive Ion-beam Etching", IHM a. Hes. Devel., Hand 32, Nr. 5, (September 1988), auf S. 626 bis 630 an, daß die Adhäsion von Kupfer an Polyimid vor allem durch mechanisches Ineinandergreifen bewirkt wird und daß die Adhäsion zwischen Kupfer und Polyimid einfach dadurch verbessert werden kann, daß die eine oder die andere Oberfläche aufgerauht wird. Dort sind Elektronenmikrogramme von Polyimidfeinfolien gezeigt, auf denen durch eine Haaktion mit Sauerstoff bewirkendes Ionenstrahlätzen eine grasartige Oberflächenstruktur ausgebildet worden ist.
Gemäß der US-PS 3 562 005 (DeAngelo u.a.) wird auf ein isolierendes Substrat ein metallisches Muster aufgetragen. Hei einem aus einer Polyimidfeinfolie bestehenden Substrat "werden zum Verbessern des Stoffschlusses das Substrat und das metallische Muster in einer Atmosphäre erhitzt, in der sich Oxide des Metalls des Musters bilden .... Es hat sich gezeigt, daß durch ein derartiges Erhitzen auf dem metallischen Muster an der Grenzfläche zwischen dem Muster und dem Polyimid ein Metalloxid wächst. Durch dieses Wachsen wird das Oxid in das Polyimid getrieben und dadurch die Festigkeit der Verbindung auf etwa 2,68 kg cm&supmin;¹ erhoht. Dieses Liachsen des Oxids ist möglicherweise darauf zurückzuführen, daß das Polyimid für die die Oxidbildung begünstigende Atmosphäre durchlässig ist" (Spalte 10, Zeilen 16 bis 27).
In der EPA 86300070.9 (Veröffentlichung 0 187 706, Ho u.a.) wird die Adhäsion zwischen einem organischen Substrat und Metall verbessert, indem das Substrat erhitzt wird und dann Metallatome auf dem erhitzten Substrat abgeschieden werden, bis sich auf dem Substrat mindestens einige geschlossene Schichten von Metallatomen gebildet haben. Wenn das organische Substrat ein Polyimid und das Metall Kupfer ist, wird eine gute Adhäsion bei 250ºC erzielt, weil "es sich gezeigt hat, das sich die maximale Kupfermenge in der Nähe der Oberfläche des Polyimids befindet", während bei 300ºC "das Kupfer nur in die Tiefe des Polyimids diffundiert und wenige Hunderte von Ångström von der Grenzfläche entfernt seine Konzentration nicht mehr zum Erzielen einer guten Adhäsion genügt" (S. 11).
In der US-PS 4 806 395 (Walsh) wird eine Anzahl von bekannten Verfahren zum Verbessern der Adhäsion von Metall an Polyimidsubstraten besprochen. In einem dieser Verfahren wird auf eine Polyimidfeinfolie zunächst eine Chromschicht aufgesputtert, die dann mit einer aufgesputterten Kupferschicht bedeckt wird. auf diese Weise kann man zwar eine ausgezeichnete Adhäsion erzielen, doch ist das Sputtern insbesondere in einem kontinuierlichen Verfahren aufwendig, und wenn der so erhaltene Schichtstoff für gedruckte Schaltungen verwendet werden soll, kann es schwierig sein, die Unterschicht aus Chrom zusammen mit der Kupferschicht wegzuätzen.
Nach dem Bespechen des Standes der Technik wird in der Patentschrift Walsh festgestellt: Vor der vorliegenden Erfindung stand fuhr das Überziehen von Polyimidfeinfolien mit elektrisch leitfähigen Schichten kein technisch bewährtes Verfahren zur Verfugung, mit dem ohne Verwendung eines Klebstoffes für die allgemeine Verwendung in Elektronikschaltungen befriedigende Eigenschaften erzielt wurden (Spalte 4, Zl. 23 bis 27). Gemäß der Patentschrift Walsh wird eine Polyimidfeinfolie auf mindestens einer Oberfläche mit einer alkalischen Lösung behandelt und dadurch eine texturierte hydrophile Fläche gebildet, die "nicht wie bei anderen Texturierverfahren durch Grübchen, sondern durch Höcker gekennzeichnet ist" (Spalte 5, Zl. 12 bis 14). Die texturierte Oberfläche "kann zur Schaffung einer katalytisch wirksamen Fläche zum nichtelektrischen Abscheiden von Nickel oder Kobalt mit kolloidem Palladium kontaktiert werden" (Spalte 5, Zl. 33 bis 35), worauf dann Kupfer elektrolytisch abgeschieden wird. Das texturierte Polyimid kann auch als Substrat für die Herstellung von mit klebstoffmetallplattierten Schichtstoffen verwendet werden.
In der Patentschrift Walsh wird festgestellt: "Kupfer und Palladium sind als erste Metallschichten nicht zweckmäßig, weil sie den Abbau des Polyimids katalysieren und infolge der Hitzeempfindlichkeit des erhaltenen Schichtstoffes zu niedrigen Schälfestigkeitswerten nach dem Erhitzen auf die Lötarbeitstemperatur fuhren" (Spalte 10, Zl. 340-34).
Die US-PS 4 725 504 (Knudsen u.a.) gibt im wesentlichen dieselbe Lehre wie die Patentschrift Walsh. Dies gilt auch fuhr die europäische Patentanmeldung 88301570.3 (Veroffentlichung 312, Walsh).
Die US-PS 3 981 691 (Cuneo) betrifft die Verwendung einer Chromschicht zum Verbessern der Adhäsion einer Kupferschicht an einer Polyimidschicht und lehrt, daß zwischen der Polyimid- und der Kupferschicht eine bessere Adhäsion erzielt wird, wenn die Chromschicht einen beträchtlichen Prozentsatz an Sauerstoffatomen enthält.
Gemäß der US-PS 4 710 403 (Krause u.a.) wird zum Verbessern der Adhäsion von Metall an einem Polymer, wie Polyimid, eine Oberfläche des Polymers mit einer reduzierend wirkenden Losung behandelt, so daß auf der Oberfläche eine negative Ladung verbleibt, und die Oberfläche dann mit einer oxidierend wirkenden Losung behandelt, die reduzierbare Metallionen, wie Kupferionen, enthält, so daß auf der Oberfläche entweder eine dünne Schicht oder Teilchen des genannten Metalls zuruckbleiben. Wenn eine Kupferschicht gebildet wird, ist deren verbesserte Adhäsion "an dem Polymer darauf zurückzuführen, daß die sofortige Diffusion der Metall-Komplexverbindung knapp einwärts von der Oberfläche des Polymers, an der die Reduktion stattfindet, zu einer mechanischen Verankerung des Metalls fuhrt. Auf dieser Diffusionszone wird das Metall unter Bildung der dicken leitfähigen Kupferschicht aufgebaut" (Spalte 7, Zl. 13 bis 19).
Die US-PS 4 775 556 (Krause u.a.) enthält im wesentlichen dieselbe Lehre wie die US-PS 4 710 403.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung schafft ein leicht durchführbares, wirtschaftliches Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Polyimidsubstrats zum Verbessern der Adhäsion von Metall an dem Polyimid. Es wird angenommen, daß durch die Erfindung eine hohere Adhäsionsfestigkeit direkt zwischen Kupfer und einem Polyimidsubstrat erzielt wird als nach irgendeinem der bekannten Verfahren, mindestens beim Testen nach der Einwirkung von Löttemperaturen. Wenn die Erfindung zum direkten Verbinden von Kupfer mit einem Polyimidsubstrat angewendet wird, ist der so erhaltene Schichtstoff leicht ätzbar. Trotzdem ergibt das Testen überraschenderweise eine geringere Unterätzung in Säurelosungen als bei den bekannten Kupfer-Polyimid-Schichtstoffen.
Kurz gesagt umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren folgende aufeinanderfolgende Schritte:
a) auf mindestens eine Oberfläche eines Polyimidsubstrats wird eine dünne Metallschicht, z.B. aus Kupfer, aufgetragen,
b) das Polyimidsubstrat und das aufgetragene Metall werden an der Luft solange auf einer Temperatur von mindestens 35000 gehalten, daß das Metall auf der Oberfläche Metalloxidhaufen bildet und die Oberfläche texturiert wird, indem Aufrauhungen mit einer durchschnittlichen Höhe und Breite von mindestens 0,05 Mikrometern gebildet werden, während dem Polyimidsubstrat gestattet wird, eine gute Zugfestigkeit und gute Dehnung zu behalten. Durch ein derartiges Texturieren der Polyimidfläche wird die Adhäsion an Metall beträchtlich verbessert. Die Aufrauhungen der texturierten Fläche haben gewöhnlich eine durchschnittliche Hohe von 0,05 bis 0,5 Mikrometer und eine durchschnittliche Breite von 0,05 bis 0,5 Mikrometer. In starker Vergroßerung sieht die texturierte Fläche auf wie eine Schicht von fertiggepufftem Puffmais.
Im Schritt a) wird als "dünne Schicht" eine Metallschicht bezeichnet, die Ober einer breiten Fläche im wesentlichen geschlossen ist, aber praktisch durchsichtig ist und gewähnlich eine Dicke von 5 bis 10 nm hat. Die dünne Metallschicht kann im Schritt a) nach jedem beliebigen Verfahren aufgetragen werden, mit dem diese Dicke erzielt wird.
In der Praxis der Erfindung sind brauchbare dünne Schichten durch Sputtern, durch Tauchuberziehen in einem Suspensionskolloid und durch nichtelektrisches Abscheiden aufgetragen worden. Das zuletztgenannte Verfahren wird bevorzugt, insbesondere wenn es nach der US-PS 4 710 403 durchgeführt wird, die ein wirtschaftliches Uerfahren beschreibt, das für eine kontinuierliche Fertigung geeignet ist und zu einem gleichmäßigen Überzug fuhrt.
Zum Erzielen einer optimalen Wirtschaftlichkeit werden das Polyimidsubstrat und das aufgetragene Metall im Schritt b) vorzugsweise auf eine Temperatur erhitzt, bei der die gewünschte Textur in wenigen Minuten erzielt wird. Bei höheren Temperaturen bzw. dünneren aufgetragenen Schichten können die Erhitzungszeiten kürzer sein. Vorversuche haben ergeben, daß während des Erhitzungsschritts b) die gewünschte Textur der Oberfläche in kürzeren Erhitzungszeiten erzielt werden kann, wenn während des Erhitzens Luft über die Oberfläche geblasen wird. Durch die hiahl des im Schritt a) zum Auftragen des Metalls angewendeten Verfahrens kann ebenfalls die Zeit verändert werden, während derer eine gegebene Temperatur aufrechterhalten werden muß. Beispielsweise wird beim auftragen von Metall aus einem Suspensionskolloid anscheinend ein schnelleres Texturieren bewirkt. Ferner wird mit manchen Metallen die gewünschte Textur schneller erzielt als mit anderen. Z.B. wirkt Palladium schneller als Kupfer.
Wenn im Schritt a) Kupfer in einer Dicke im Rerefch von 5 bis 10 nm aufgetragen worden ist, konnte im Schritt b) eine gewünschte Textur gewohnlich in folgenden Zeiten erzielt werden:
bei 400ºC in 20 bis 40 min,
bei 430ºC in 5 bis 15 min,
bei 450ºC in 2 bis 7 min,
bei 470ºC in 1 bis 3 min,
bei 500ºC in 20 bis 40 s,
bei 540ºC in 7 bis 14 s.
Wenn eine gegebene Temperatur beträchtlich länger als vorstehend angegeben aufrechterhalten wird, besteht eine Gefahr, daß die Masse des Polyimidsubstrats geschädigt wird und dadurch seine Zugfestigkeit und Dehnung vermindert werden. Bei kürzeren als den vorstehend angegebenen Zeiten haben die in der Oberfläche gebildeten Aufrauhungen häufig eine durchschnittliche Hähe oder Breite unter 0,05 Mikrometer.
Zum Erzeugen eines metallisierten Substrats aus dem texturierten Polyimidsubstrat werden nach dem Schritt b) des vorstehend erläuterten Verfahrens folgende aufeinanderfolgende Schritte durchgeführt:
c) auf die genannte texturierte Oberfläche wird eine elektrisch leitfähige Unterschicht aus einem elektrisch leitfähigen Metall aufgetragen, und
d) zum Erzeugen eines metallisierten Polyimidsubstrats wird auf die Unterschicht ein elektrisch leitfähiges Metall elektrolytisch aufgetragen.
Nach dem Schritt d) wird vorzugsweise getrocknet, z.B. 30 bis 90 min bei 100 bis 150ºC.
Die im Schritt c) aufgetragene Unterschicht aus Metall beträgt vorzugsweise mindestens 60 nm, damit im Schritt d) eine einheitliche Schicht elektrolytisch aufgetragen werden kann. Dicken beträchtlich über 200 nm können unwirtschaftlich sein.
Die aus elektrisch leitfähigem Metall bestehende Unterschicht wird im Schritt c) vorzugsweise aufgesputtert oder vorzugsweise nichtelektrisch aufgetragen, und zwar aus den vorstehend im Zusammenhang mit dem Schritt a) genannten Gründen vorzugsweise nach der Lehre der US-PS 14 710 1403 (Krause). Gemäß der Patentschrift Krause wird als Reduktionsmittel Vanadium(II)EDTA&supmin;² bevorzugt. Wenn jedoch in dem neuen Verfahren im Schritt b) Natriumborhvdrid verwendet wird, hat das neue metallisierte Polyimidsubstrat bei 85ºC und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% eine geringere Neigung zur Delamination.
Man kann in jedem der Schritte c) und d) jedes beliebige elektrisch leitende leitfähige Metall verwenden, doch wird fur beide Schritte Kupfer bevorzugt. Es ist wirtschaftlich und mat eine hohe elektrische Leitfähigkeit, und die Verwender von gedruckten Schaltkreisen und von hochintegrierten Schaltungen sind mit Kupfer vertraut. DasÄtzen wird vereinfacht, wenn in beiden Schritten dasselbe Metall verwendet wird.
Die Gesamtdicke des in den Schritten c) und d) aufgetragenen, elektrisch leitfähigen Metalls kann im Bereich von 1 bis 40 Mikrometern liegen und beträgt für gedruckte Schaltungen gewöhnlich mindestens 20 Mikrometer. Im Schritt d) kann elektrisch leitfähiges Metall jedoch nur in einer Gesamtdicke von etwa 1 bis 5 Mikrometern aufgebaut werden, damit ein Basismaterial geschaffen wird, das für eine Verarbeitung im Semiadditiv-Verfahren geeignet ist.
In den Schritten a) und b) texturierte Polyimidsubstrate können auch für andere Zwecke als zum Metallisieren in den Schritten c) und d) verwendet werden. Beispielsweise haben die texturierten Oberflächen der neuen Polyimidsubstrate eine bessere Adhäsion außer an Metallen auch an anderen Werkstoffen, wie Klebstoffen. Zum Beispiel sind verschiedene Haftklebebänder mit ihren Klebstoffen an Stücke aus den neuen Polyimidsubstraten geklebt worden, und ihre 90º-Schälfestigkeit ist im Vergleich mit Polyimidsubstraten getestet worden, die nicht texturiert, aber sonst identisch waren. In allen Fällen wurde durch das in den Schritten a) und b) erfolgte Texturieren die 90º-Schälfestigkeit um mindestens 20% und manchmal um bis zu 100% erhöht.

Ausführliche Beschreibung

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden folgende Polyimide texturiert:
1) Poly(4,4'-oxydiphenylenpyromellitimid), das Reaktionsprodukt von Pyromellitindianhydrid und 4,4'-Diaminodiphenylether, das unter der Bezeichnung "Kapton" von E.I. DuPont erhältlich ist und das auch von Manegafuchi Chemical Industries Co., Ltd., Japan, erhältlich ist und unter der Bezeichnung "Apical" von Allied-Signal Corp., Morristnwn, Na, erhältlich ist;
2) das unter der Bezeichnung "Upilex " von Ube Chemical Industries, Japan, erhältliche Reaktionsprodukt von 3,3'-,4,4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid und 4,4'-Dimindiphenylether;
das unter der Bezeichnung "Apical NPI" erhältliche Reaktionsprodukt von PvromellitinsäuredianhVdrid und einer Kombination von 4,4'-Diaminodiphenylether und para- Phenylendiamin;
4) das unter der Bezeichnung "Novax" von Mitsubishi Chemical erhältliche Reaktionsprodukt von Pyromellitinsäureanhydrid und einer Kombination von 4,4'-Diaminodiphenylether und 3,3'-Dimethylbenzidin.
Das Texturieren kann leichter bewirkt werden, wenn die Polyimide der vorgenannten Gruppe 1) verwendet werden. Mit höheren Temperaturen und längeren Erhitzungszeiten werden gewöhnlich größere Aufrauhungen erzielt.
Nach dem Schritt b) sind in dem Polyimidsubstrat gewöhnlich diskrete Metalloxidhaufen teilweise oder vollständig eingebettet, aber so nahe bei dessen Oberflächen, daß sie durch auflösen in einer Säure leicht entfernt werden können. Dies ist u.U. nicht notwendig, weil das nach den Schritten c) und d) erhaltene metallisierte Polyimidsubstrat gewohnlich mit und ohne Entfernen der Oxidhaufen ungefähr die gleiche Integrität hat. Durch das Entfernen der Oxidhaufen wird das aussehen der unter Vergrößerung betrachteten texturierten Oberfläche vor dem Schritt c) nicht beträchtlich verändert.
Wenn im Schritt c) die Unterschicht aus dem elektrisch leitenden Metall nichtelektrlsch aufgetragen wird, können dadurch die Oxidhaufen wenigstens teilweise zu dem Metall reduziert werden, insbesondere wenn das im Schritt c) aufgetragene Metall dasselbe ist wie das der 0xidhaufen.

Die Zeichnungen

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen besser verständlich. In diesen zeigt
Figur 1 einen Mikrotomschnitt eines erfindungsgemäßen Polyimidsubstrats und
Figur 2 eine unter einem Winkel von 60º zu der texturierten Oberfläche aufgenommene Mikrophotographie eines erfindungsgemäßen Polyimidsubstrats.
Zum Herstellen des in Figur 1 gezeigten Mikrotomschnitts wurde eine Epoixdharzschicht auf die texturierte Fläche aufgetragen und gehärtet. In dem Mikrotomschnitt ist das Polyimid unten und das hellfarbene Epoxidharz oben angeordnet. Nachstehend werden die Figuren 1 und 2 in den Beispielen 1 bzw. 20 besprochen.

Testen

90º-Schälfestigkeit

Zum Testen eines Schichtstoffs aus Metall und Polyimid wird an der metallisierten Oberfläche ein 1,5 mm breites Abdeckband angebracht und das Metall zum Ätzen in wäßrige 10M Eisen(III)chloridlösung getaucht, wiederholt mit entgastem destilliertem Wasser gespült und mindestens 4 Stunden bei 250ºC und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% getrocknet. Die 90º-Schälfestigkeit des verbleibenden Metallstreifens wird mit einer Zugprüfmaschine (Instron) nach dem Pröfverfahren 650-2.4.9, Verfahren A, von IPO (Institute of Printed Circuitry) gemessen.

90º-Schälfestigkeit nach dem Erhitzen auf 280 oder 325ºC

Einige Prüfkorper werden nach dem Ätzen zunächst eine Stunde bei 125ºC getrocknet und dann in einen Ofen eingebracht, in dem die Temperatur mit etwa 15ºC/min von Zimmertemperatur auf die Testendtemperatur von 280 oder 325ºC erhöht wird. Danach werden die Prüflinge sofort entfernt und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60% auf 20ºC abkühlen gelassen. Einige von ihnen wurden an demselben Tag getestet und andere nach einer Lagerung bei gewöhnlicher Zimmertemperatur.

90º-Schälfestigkeit nach einem Wärmeschock

Nach dem Ätzen werden einige Prüfkörper dem Test nach dem Solder Float Test Method 650.2.14.9, Verfahren C, der IPC unterworden.

90º-Schälfestigfkeit nach Unterätzung mit Säure

Einige Prüfkörper werden nach dem Ätzen 20 min in eine 50%-ige (V/V) wäßrige Lösung von konzentrierter Salzsäure von 70ºC getaucht, dann mit entionisiertem Wasser gesü.lt, 214 Stunden bei 250E und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% an der Luft getrocknet und danach 1 Stunde bei 125ºC an der Luft getrocknet und vor dem Testen auf 90º- Schälfestigkeit auf Zimmertemperatur abgekühlt.
Wenn in den nachstehenden Beispielen die Feinfolie auf beiden Seiten metallisiert wurde, wurden alle 90º- Schälfestigkeitswerte nach dem Entfernen der Metallschicht von einer Oberfläche bestimmt, wie dies nach dem Testverfahrer des IPC zulässig ist. ßeirn Messen von 90º-Schälfestigkeitswerten ohne vorheriges Entfernen einer Schicht wurden gute Anfangswerte nur erhalten, wenn die Stromdichte zu Beginn des Schritts d) relativ hoch war und z.R. 330 bis 400 A/m² betrug. Ferner war es zum Erzielen guter 90º-Schälfestigkeitswert e nach dem Erhitzen notwendig, das Polyimidsubstrat zwischen den Schritten c) und d) zu trocknen, z.B. 20 min bei 150ºC unter N&sub2;.

BEISPIEL 1

(Texturieren eines Polyimidsubstrats)

Auf jeder Oberfläche eines 5 cm x 8 cm x 75 Mikrometer messenden Stückes aus dem Polyimidsubstrat "Kapton" 300VN wurde nach dem Verfahren des Beispiels 20 der US-PS 4 710 403 (Krause) Kupfer abgeschieden, jedoch in dem nachstehend angegebenen Schritt a), der in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wurde:
a) das Substrat wurde eine Minute in eine wäßrige Reduktionsmittellösung (25 mM, Tetramethylammoniumvanadiumethylendiamintetraacetat, pH-Wert 11) getaucht. Die so erhaltene grüne Schicht wurde mit entgastem entionisiertem Wasser gespült und dann 1, 5 min in eine oxidierend wirkende wäßrige Kuoferionenlösung (10 mM Kupfersulfat und 27 mM Kaliumoxalat) getaucht. Die abgeschiedene dünne Kupferschicht (5 bis 8 nm dick) wurde 1 bis 2 min mit entgastem entionisiertem Wasser gespult und dann 25 min in Luft von 100ºC getrocknet;
b) dann wurde das Polyimidsubstrat 3 min in einem Elektroofen in Luft von 450ºC angeordnet, dann herausgenommen und auf Zimmertemperatur abkühlen gelassen.
Auf diese Weise erhielt das Polyimidsubstrat die in Figur 1 und 2 der Zeichnungen dargestellte, texturierte Oberfläche. Die maximale Höhe der in Figur 1 und 2 der Zeichnungen gezeigten Aufrauhungen der texturierten Fläche beträgt etwa 0,5 Mikrometer, und der maximale Abstand zwischen einander benachbarten Aufrauhungen beträgt etwa 0,5 Mikrometer. Die meisten Aufrauhungen haben nur eine Höhe von etwa 0,05 Mikrometer, und ihr Abstand von benachbarten Aufrauhungen beträgt etwa 0,05 Mikrometer.
Aus der Figur 1 geht ferner hervor, daß das im Schritt a) abgeschiedene Kupfer Haufen gebildet hatte, die auf der Oberfläche des Polyimidsubstrats als dunkle Flecken erkennbar sind. Ein von diesen Haufen gebildetes Elektronenbeugungsbild ermöglicht den Schluß, daß das Kupfer vorwiegend aus Kupfer(II)oxid besteht. aus der Fourier-Transformierten des Infrarot- und des Elektronenstrahl-Spektrums geht hervor, daß die texturierte Oberfläche mit der des unbehandelten Polyimids im wesentlichen identisch ist.

BEISPIEL 2

(Herstellung eines metallisierten Polyimidsubstrats)

c) In einer Stickstoffatmosphäre wurde das im Beispiel 1 erhaltene texturierte Polyimidsubstrat 45 s in eine wäßrige Reduktionsmittellösung (25 mM Tetramethylammoniumvanadiumethylendiamintetraacetat, pH-Wert 11) getaucht, 2 min mit entgastem und entionisiertem Wasser gespült und dann eine Minute in eine oxidierend wirkende, wäßrige Kupferionenlösung (10 mM Kupfersulfat und 27 mM Kalimoxalat) getaucht. Das abgeschiedene Kupfer (4 nm dick) wurde mit entgastem, entionisiertem Wasser gespült. Dann wurde das Polyimidsubstrat 2 min in eine handelsübliche Lösung zum nichtelektrischen Plattieren ("Cuposit" CP-28, erhältlich von Shipley Chemical Co. Inc.) getaucht, wodurch Kupfer in einer Dicke von 100 nm nichtelektrisch abgeschieden wurde. Dann wurde mit entgastem entionisiertem Wasser gespült und getrocknet.
d) Puffer nichtelektrisch auf das Polyimidsubstrat aufgetragenen Kupferschicht wurde in einem üblichen sauren Kupferplattierungsbad mit einer Stromdichte von etwa 175 A/m² in 75 min eine etwa 25 Mikrometer dicke Kupferschicht elektrolytisch abgeschieden. Dann wurde 5 min mit entionisiertem entgastem Wasser gespült und 214 Stunden an der Luft bei 25ºC und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% und eine Stunde bei 125ºC getrocknet.
In Tests des im Beispiel 2 hergestellten metallisierten Polyimidsubstrats wurden folgende Ergebnisse erhalten: 90º-Schälfestigkeit, anfänglich 90º-Schälfestigkeit nach dem Erhitzen auf nach Tag nach Tagen 90º-Schälfestigkeit nach Wärmeschock 90º-Schälfestigkeit nach Unterätzung mit Säure

BEISPIELE 3 bis 13

Metallisierte Polyimidsubstrate wurden wie im Beispiel 2 aus einem texturierten Polyimidsubstrat hergestellt, das wie im Beispiel 1 hergestellt worden war, jedoch unter Anwendung von anderen Temperaturen und anderen Zeiten, die in der Tabelle I angegeben sind. Das Beispiel 14 ist eine Wiederholung des Beispiels 2. TABELLE I Zeit (min) anfänglich Nach 280ºC (ohne Wartezeit) Nach 280ºC nach 2 Tagen Wartezeit
Dei der mikroskopischen Untersuchung der in den Heispielen 3, 4, 5, 8, 10 und 11 hergestellten Polyimidsubstrate nach dem Wärmebehandlungsschritt b) wurden Mikrophotographien erhalten, die mit der Figur 2 der Zeichnungen im wesentlichen flbereinstimmten. Bei den Substraten der Beispiele 7, 12 und 13 waren die Aufrauhungen kleiner.

BEISPIEL 10-C (Kontrollbeispiel)

Ein metallisiertes Polyimidsubstrat wurde wie im Beispiel 10 hergestellt, mit dem Unterschied, daR im Schritt b) in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt wurde. Infolgedessen betrug die 90º-Schälfestigkeit anfänglich 25 N/dm und nach einem Erhitzen auf 280ºC und einer Wartezeit von
0 Tag 10 N/dm
1 Tag 15 N/dm
3 Tagen 0 N/dm

BEISPIELE 114 bis 19

Metallisierte Polyimidsubstrate wurden wie im Beispiel 2 aus die im Beispiel 1 hergestellten texturierten Polyimidsubstraten hergestellt, jedoch mit den in der Tabelle 11 angegebenen, anderen Dicken der im Schritt a) abgeschiedenen, dünnen Kupferschicht. In der Tabelle II sind ferner Testergebnisse angegeben. Das Beispiel 17 ist eine Wiederholung des Beispiele 2. TABELLE 11 90º-Schälfestigkeit (N/dm) Reduktionszeit (sek) Dicke des Kupfers (nm) anfänglich nach 280º (ohne Wartezeit) nach 280º (nach 2 Tagen Wartezeit)

BEISPIEL 20

Das im Beispiel 1 hergestellte und wärmebehandelte texturierte Polyimidsubstrat wurde nach dem Schritt b) 10 min in eine 50%-ige (V/V) wäßrige konzentrierte Salpetersäurelösung getaucht und dann mit entgastem entionisiertem Wasser gespült, so daß die Kupferoxidhaufen aufgelöst wurden. Figur 2 zeigt die Oberfläche des Polyimidsubstrats nach dem Entfernen der Haufen. Gegenüber einer Mikrophotographie, die von der Oberfläche vor dem Entfernen der Oxidhaufen gemacht worden war, war diese vergrößerte Darstellung der Oberfläche im wesentlichen unverändert. An einem Mikrotomschnitt waren keine dunklen Flecken erkennbar, von denen angenommen wird, daß sie in Figur 1 der Zeichnungen Kupferoxidhaufen darstellen.
Dann wurde das oxidfreie Polyimidsbustrat wie im Beispiel 2 metallisiert und wurde es mit folgenden Ergebnissen getestet: 90º-Schälfestigkeit Mnfänglich Nach Erhitzen auf 280ºC (nach Tag Wartezeit)

BEISPIEL 21

Nach dem Verfahren, das in der Produktliteratur von Shipley für das System "Cuposit" CP-78 zum nichtelektrischen Abscheiden von Kupfer (Shipley Co. Inc., Newton, MA) beschrieben wroden ist, wurden mehrere Stücke aus dem Polyimidsubstrat "Kapton" 300 V mit dünnen Kupferschichten versehen. Dabei wurde eine Oberfläche des Polyimidsubstrats mit Palladium geimpft und nichtelektrisch mit Kupfer plattiert. Zum Herstellen von dünnen Kupferschichten wurden die Plattierungszeiten in der zum nichtelektrischen Abscheiden verwendeten Kupferlösung auf 3 bis 5 s begrenzt. Die Proben wurden mit entionisiertem Wasser gespült und dann wie im Beispiel 2 beschrieben wärmebehandelt und metallisiert. Die Wärmebehandlung dauerte 5 min bei 450ºC oder 30 min bei 400ºC. 90º-Schälfestigkeit anfänglich Nach Erhitzen auf 280ºC 50-100 (nach Tag Wartezeit)
Wenn identische andere Probestücke längere Zeit nichtelektrisch kupferplattiert wurden, wurden niedrigere Adhäsionsfestigkeiten festgestellt, insbesondere nach dem allmählichen Erhitzen auf eine hohe Temperatur. 20 bis 145 s lang plattierte Probestücke hatten folgende Schälfestigkeiten: 90º-Schälfestigkeit Anfänglich Nach Erhitzen auf 280ºC (nach Tag Wartezeit)

BEISPIEL 22

Ein Stück auf dem Polyimidsubstrat "Kacton" 300V wurde dem Schritt a) des Beispiels 1 utnerworfen, mit dem Unterschied, daß das Sbustrat 15 s in die Reduktionsmittellösung getaucht und zum Abscheiden einer dünnen Palladiumschicht in einer wäßrigen Lösung von 2,5 mM Palladiumchlorid und 50 mM Kaliumchlorid 30 s oxidiert wurde. Danach wurde das Substrat 2 min an der Luft bei 400ºC wärmebehandelt. die Elektronenbeugungsanalyse des Rückstandes ergab das Vorhandensein von Palladium und Palladiumoxid. Dieses texturierte Polyimidsubstrat wrude wie im Beispiel 2 metallisiert und getestet: 90º-Schälfestigkeit Anfänglich 180 N/dm Nach Erhitzen auf 280ºC (nach Tag Wartezeit) Nach Unterätzung mit Säure
Wenn ein anderes Stück aus dem Polyimidsubstrat nicht 2 min, sondern 5 min 400ºC wärmebehandelt wurde und wenn ein drittes Stück 2 min bei 450ºC wärmebehandelt wurde, bildete sich auf der texturierten Oberfläche ein graulicher Rückstand.

BEISPIEL 23

Stücke aus dem Polyimidsubstrat "Kapton" wurden wie im Beispiel 1 texturiert, doch wurden anstatt des Schrittes a) die Stücke in einem 2%-igen (G/G) Suspensionskolloid von Kupferteilchen in Lösungsbenzin (bezogen von Mooney Chemical Co. Inc., Cleveland, OH) 30 s tauchüberzogen. Diese Stücke wurden nicht gespült, sondern sofort 15 min bei 125ºC getrocknet. Die Probestücke wurden an der Luft 2 min auf 450ºC erhitzt und dann wie im Beispiel 2 beschrieben metallisiert. 90º-Schälfestigkeit Anfänglich Nach Erhitzen auf 280º (nach 0 Tag Wartezeit)

BEISPIELE 24 bis 28

Feinfolien aus dem Polyimidsubstrat "Kapton" wurden durch Sputtern oder Aufdampfen [Schritt a) dns vorstehend erläuterten Verfahrens] mit einer 10 nm dicken Kupferschicht überzogen und dann 2 bis 7 min bei 450ºC wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung wurde das texturierte Substrat durch Sputtern, Aufdampfen oder nichtelektrisches bscheiden (Schritt c) mit Kupfer überzogen. Für das nichtelektrische Abscheiden wurde das Verfahren nach Beispiel 21 angewendet, jedoch mit einer Tauchzeit von 2 min. In jedem Fall war die gebildete Kupferschicht so dick, daß durch ein elektrolytisches Abscheiden einer 25 Mikrometer dicken Kupferschicht ein metallisiertes Polyimidsubstrat erhalten weriun konnte, das mit den in der Tabelle III angegebenen Ergebnissen getestet wurde. In den "Kontrollversuchen" der Tabelle III wurden die Schritte a) und b) weggelassen. TABELLE III 90º-Schälfestigkeit Schritt anfänglich nach 280ºC Tag Wartezeit) Sputtern Aufdampfen KONTROLLVERSUCHE entfallen Plattieren

BEISPIEL 2g

auf eine Rolle aus dem Polyimidsubstrat "Kapton" (10 m lang, 15 cm breit) wurde eine 10 nm dicke Kupferschicht aufgesputtert. Dann wurde das überzogene Substrat mit einer Verweilzeit von 3 min durch einen elektrisch auf 450ºC geheizten Konvektionsofen (Modell CW5580F von Blue M Company, Blue Island, IL, erhältlich) geführt. auf das so erhaltene texturierte Substrat wurden 100 nm Kupfer gesputtert. Dann wurde auf von der solle geschnittene Stücke Kupfer in einer Enddicke von 25 Mikrometern elektrolytisch abgeschieden. Die so erhaltenen Schichtstoffe wurden getestet. Die restliche Rolle wurde in einem elektrolytischen Abscheideverfahren in derselben Gesamtdicke mit Kupfer plattiert. Die 90º-Schälfestigkeiten der kontinuierlich plattierten Probestöcke sind mit denen der diskontinuierlich plattierten Probestücke vergleichbar oder etwas höher. Es wurden folgende Durchschnittswerte erhalten: 90º-Schälfestigkeit Anfänglich Nach Erhitzen auf 280ºC Nach Unterätzung mit Säure (nach 2 Tagen Wartezeit)

BEISPlELE 30 bis 145

Auf eine Rolle aus Polyimidfeinfolie "Apical" 300 AV wurde wie im Beispiel 29 beschrieben eine 10 nm dicke Kupferschicht aufgesputtert. Die PI-Feinfolie wurde mit verschiedenen Temperaturverläufen texturiert. Die so erhaltenen Polyimid substrate wurden nach dem ASTM-Verfahren 00882-83 auf Zugfestigkeit geprüft. Die Ergebnisse sind in der Tabelle IV angegeben, in deren letzer Zeile die Ergebnisse für die ursprüngliche Polyamidfeinfolie "Apical" angegeben sind. aus diesen Angaben erkennt man, daß durch den mit bevorzugten Zeiten und Temperaturen durchgeführten Wärmebehandlungsschritt b) die Zugfestigkeit eines Polymidsubstrats nicht beträchtlich verändert, die Dehnung jedoch etwas vermindert wird. TABELLE IV Wärmebehandlungsschritt b) Dehnung (%) Zugfestigkeit (M.Pa) Zeit (sek) Maschinenrichtung Querrichtung Maschinenrichtung nicht warmebehandelt

BEISPIELE 46 bis 53

auf Substrate aus Polyimidfeinfolie wurde wie im Beispiel 29 beschrieben Kupfer gesputtert, wobei jedoch dünne Kupferschichten in verschiedenen Dicken aufgetragen wurden. Jedes Substrat wurde 3 min bei 450ºC texturiert, mit Ausnahme der Beispiele 52 und 53, in denen 8 min bei 450ºC texturiert wurde wie des der so erhaltenen texturierten Polyimidsubstrate wurde wie im Beispiel 2 metallisiert. Die so erhaltenen Schichtstoffe wurden mit den in der Tabelle V angegebenenu Ergebnissen getestet. TABELLE V Schälfestigkeit (N/dm) Durchschn. Dicke der Kupferschicht anfänglich Nach 280ºC (5 Tage Wartezeit)
Aus den Angaben in der Tabelle V geht hervor, daß zur Bildung einer dickeren Metalischicht das Polyimidsubstrat länger erhitzt werden muß damit ein Schichtstoff mit einer Metallschicht gebildet wird die nach der Erhitzung auf eine hohe Temperatur eine gewünschte Delaminationsfestigkeit hat.

BEISPIELE 54 bis 60

In der Tabelle VI sind eine Anzahl von aus Poly imidfeinfolie bestehenden Substraten angegeben, die texturiert wurden, nachdem sie auf beiden Seiten wie im Beispiel 9 mit einer aufgesputterten Schicht versehen worden waren. Dazu wurde die Bahn in zwei Durchgängen (einem für jede Seite der Bahn) durch eine Vakuumsputtervorrichtung geführt. Danach wurde jedes Substrat in einem einmaligen Durchgang durch den Wärmebehandlungsofen (450ºC) mit einer Verweilzeit von 3 min texturiert. Jedes texturierte Substrat wurde dann auf beiden Seiten zunächst durch Aufsputtern einer 100 nm dicken ersten Kupferschicht und dann durch elektrolytisches Abscheiden einer 25 Mikrometer dicken zweiten Kupferschicht metallisiert. Zum Metallisieren beider texturierter Oberflächen in den im Beispiel 29 beschriebenen kontinuierlichen Verfahren waren zwei Durchgänge (einer für jede Seite der Bahn) erforderlich. Zwischen den beiden Seiten wurden keine Unterschiede festgestellt. TABELLE VI 90º Schälfestigkeit (N/dm) Polyimidfeinfolie anfänglich nach 280ºC (Tag Wartezeit) nach Unterätzen mit Säure "Kapton"

BEISPIEL 61

Auf eine Bolle aus dem Polyimidsubstrat "Kapton" 300 V (10 m lange 15 cm breit) wurde wie im Schritt a) des Beispiels 1, aber in einem kontinuierlichen Verfahren, eine dünne Kupferschicht aufgetragen. Das überzogene Substrat wurde dann mit einer Verweilzeit von 3 min durch einen elektrisch auf 450ºC geheizten Konvektionsofen geführt. Dann wurde das so erhaltene texturierte Substrat wie im Schritt c) des Beispiels 2 beschrieben, aber in einem kontinuierlichen Verfahren, mit Kupfer glattiert. Von der Rolle wurde ein 15 cm langes und 13 cm breites Stück abgeschnitten und auf einer Seite abgedeckt. Dann wurde das Kupfer mit Salpeter säure weggeätzt und das Substrat danach mit entionisiertem Wasser gewaschen.
Danach wurde die abgedeckte Oberfläche wieder freigelegt und das Substrat zwei Tage an der Luft getrocknet. Dann wurde auf der verbliebenen Kupferschicht Kupfer in einer Dicke von 12,5 Mikrometern elektrolytisch abgeschieden. Nach erneutem eintägigem Trocknen an der Luft wurde das Kupfer mit einem negativen Photolack kaschiert und durch eine Maske hindurch mit Ultraviolettstrahlung bestrahlt. Der unbelichtete Photolack wurde durch Entwickeln entfernt, und das dadurch freigelegte Kupfer wurde weggeätzt. Dann wurde der verbliebene Photolack entfernt. Auf diese Weise wurde ein definiertes Muster von elektrisch leitfähigen Kupferstreifen in Breiten von 0,1 bis 0,5 mm erhalten.

BEISPIELE 62 bis 65

Beispiel Polyimidsubstrat
62 "Kapton" 100H
63 "Kapton" 100V
64 "Kapton" 200VN
65 "Apical" 300AV
In jedem Beispiel wurde ein Substratstück wie im Beispiel 1 beschrieben texturiert und dann zum Entfernen der Kupferoxidhaufen 10 min in einer 50%-igen (V/V) wäßrigen Salpetersäurelüsung geätzt. Dann wurde jedes Substratstück auf eine Kupferfolie kaschiert, indem zunächst auf das texturierte Substrat eine 13 Mikrometer dicke Schicht aus duroplastischem Epoxidharz aufgetragen und dann der Schichtstoff in einer auf 180ºC geheizten Plattenpresse 2 Stunden gehärtet und nach dem Härter Stunde auf 200ºC gehalten wurde. Bei jedem dieser Schichtstoffe lag die 90º-Schälfestigkeit anfänglich im Bereich von 140 bis 160 N/dm.
Zum Vergleich wurden Schichtstoffe auf dieselbe Weise, aber aus nicht texturierten Substraten hergestellt. Bei jedem dieser Vergleichs-Schichtstoffe lag die 90º-Schälfestigkeit anfänglich im Bereich von 50 bis 70 N/dm.

Claims

1. Verfahren zum Modifizieren mindestens einer Oberfläche eines Polyimidsubstrats zwecks Verbesserung der Adhäsion einer Metallschicht an der Oberfläche, mit folgenden aufeinanderfolgenden Schritten:

a) auf mindestens eine Oberfläche eines Polyimidubstrats wird eine dünne Metallschicht aufgetragen,

b) das Polyimidsubstrat und das aufgetragene Metall werden an der Luft solange auf einer Temperatur von mindestens 350 ºC gehalten, daß das Metall auf der Oberfläche Metalloxidhaufen bildet und die Oberfläche derart texturiert wird, daß Aufrauhungen mit einer durchschnittlichen Höhe und Breite von mindestens 0,05 Mikrometern gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem im Schritt b) auf eine Temperatur von 400 bis 540 ºC erhitzt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem im Schritt a) die dünne Schicht nach einem Verfahren aufgetragen wird, das aus dem Aufdampfen, Aufsputtern, Tauchüberziehen in einem Suspensionskolloid und nichtelektrischen Auftragen ausgewählt ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das im Schritt a) aufgetragene Metall Kupfer ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem zum Metallisieren des Substrats folgende Schritte nacheinander durchgeführt werden:

c) auf die genacnte Oberfläche wird eine elektrisch leitfähige Unterschicht aus einem elektrisch leitfähigen Metall aufgetragen, und

d) zum Erzeugen eines metallisierten Polyimidsubstrats wird auf die Unterschicht ein elektrisch leitfähiges Metall elektrolytisch aufgetragen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, in dem die Uriterschicht in Schritt c) nach einem Verfahren aufgetragen wird, das aus dem Aufsputtern und dem nichtelektrischen Auftragen ausgewählt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, in dem das in jedem der Schritte c) und d) aufgetragene Metall Kupfer ist.

8. Polyimidblatt oder Feinfolie mit mindestens einer texturierten Oberfläche, die nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausbildbar ist, gekannzeichnet durch Aufrauhungen mit einer durch schnittlichen Höhe von 0,05 bis 0,5 Mikrometern und einer durchschnittlichen Breite von 0,05 bis 0,5 Mikrometern.

9. Polyimidblatt oder Feinfolie nach Anspruch 8, in dem diskrete Metalloxidteilchen in den Aufrauhungen teilweise oder vollständig eingebettet oder knapp unter den Oberflächen der zwischen den Aufrauhungen vorhandenen Täler, aber so nahe bei den genannten Oberflächen angeordnet sind, daß sie durch Lüsen in einer Säure ohne weiteres entfernt werden können.

10. Verbundstoff, der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 herstellbar ist und in dem eine Kupferschicht mit einer Dicke von höchstens 40 Mikrometern mit einem Folyimidsubstrat direkt in Berührung steht, wobei der Schichtkörper bei einer Messung einen Tag nach einem allmählichen Erhitzen auf 280 ºC eine 90º-Schälfestigkeit von mindestens 80 N/dm hat.